Выпуск #6/2011
Н.Фролкова, Н.Павлов
Инженерное обеспечение производства печатных плат и дефектность продукции
Инженерное обеспечение производства печатных плат и дефектность продукции
Просмотры: 2119
Сегодня отечественные заводы, специализирующиеся на производстве многослойных печатных плат (МПП), стараются конкурировать с зарубежными производителями. Но, анализируя качество выпускаемых отечественных плат, следует отметить наличие множества дефектов, причина возникновения которых – несоблюдение требований к чистоте производственных помещений. Такая ситуация возникает вследствие того, что при создании производств высокого класса точности, инвесторы ограничиваются обновлением только парка оборудования, забывая о том, что вложенные средства без соответствующего инженерного обеспечения не окупятся.
Отсутствие нормативных документов по санитарно-гигиеническим нормам проектирования современных производств МПП и инженерному их обеспечению представляет большую проблему. Существовавшие ранее утратили силу и устарели, новые – не созданы. Не секрет, что большинство регламентирующих документов (ГОСТ, ОСТ, РД и т.д.) разработаны в 1980–1990-х годах и с тех пор не корректировались и не переиздавались.
Боле того, в строительно-монтажные проекты производств МПП для экономии средств зачастую закладываются заведомо заниженные требования. Другую крайность составляют случаи, когда "про запас" реализуются дорогостоящие проектные решения, при выполнении которых создаются сложные условия для выполнения производственных процессов. Завышенные объемы инвестиций сказываются на цене продукта, заниженные объемы приводят к снижению качества и увеличению издержек по разбраковке произведенных плат.
Надо сказать, что производство печатных плат сегодня является сложным вследствие разнообразия используемых физических и химических процессов, требующих высокого уровня профессиональной подготовки персонала. Например, увеличение разрешения топологического рисунка приводит к воспроизводимости частиц пыли, температура и влажность влияют на точность совмещения многослойных структур, виброустойчивость прецизионного оборудования сказывается на точности позиционирования элементов межсоединений. Иными словами, можно сказать, что современные требования по проектированию электронных изделий близки к нормам для производств микроэлектроники по температуре, влажности и запыленности. Требования по ограничению запыленности относятся к участкам фотошаблонов и фотолитографии, поскольку воспроизводимость размеров проводников и зазоров для плат высоких классов точности становится соизмеримой с размерами пылинок в обычной атмосфере. Недостаточный уровень производственной вакуумной гигиены приводит к обвальному браку прецизионных плат или к большому объему ретуши на обычных платах.
Требования по стабильности температуры и влажности относятся ко всем участкам, влияющим на точность размеров и совмещение рисунка схем: изготовление фотошаблонов, экспонирование, проявление, сверление, совмещение слоев, прессование. Температура и влажность должны поддерживаться постоянными в малом заданном диапазоне. В противном случае изменения линейных размеров фотошаблонов, заготовок плат и оборудования приведут к значительному ухудшению совмещения элементов многослойных структур и появлению брака или потенциального источника отказов.
Источников загрязнения помещений с вакуумной гигиеной достаточно много. Их можно разделить на источники загрязнения от внешней среды и внутренние источники запыленности. Персонал, его одежда, стены и полы, продукты и отходы производства, технологические материалы, документация и инструмент, естественный приток воздуха – все это мощные источники загрязнений.
Чистые помещения – очень дорогостоящие сооружения, стоимость которых зависит от уровня чистоты. Класс чистоты определяют в соответствии с точностью воспроизведения рисунка по ГОСТ Р 53429-2009 "Платы печатные. Основные параметры конструкции". Отечественных стандартов, содержащих требования к производственным помещениям МПП, сегодня нет. Имеется только один стандарт – ГОСТ Р ИСО 14644 "Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды", который содержит требования по обеспечению чистоты воздуха и концентрации взвешенных частиц в чистых помещениях. Рекомендуемые требования к чистоте помещений при производстве МПП подробно изложены в статье (А.Медведев, А.Сержантов, П.Семенов "Инженерное обеспечение производства электроники" в журнале "Технологии в электронной промышленности", № 12, 2006 г.).
Несоблюдение требований к чистоте помещений и соответствующей технологической дисциплине отражается на качестве выпускаемых МПП и выявляется на этапе входного контроля печатных плат у потребителя – видны многочисленные посторонние включения и ретушь. При этом нет гарантии, что попавшие под маску включения, пересекающие соседние элементы проводящего рисунка, не будут проводящими.
Следующая важная проблема для отечественной промышленности – отсутствие ГОСТ, характеризующих типы дефектов. Для иностранных производств существуют стандарты IPC, крайне подробно не только описывающие, но и иллюстрирующие дефекты. Также в стандартах IPC расписана допустимость данных дефектов для техники с различным уровнем ответственности/надежности (3 класса (уровня), согласно IPC, соответствуют потребительской, промышленной и специальной электронике). Отечественные производители, говоря о качестве своих плат, заявляют о соответствии требованиям IPC. Однако при получении рекламаций со ссылкой на данный стандарт всячески отнекиваются от обещаний соблюдения его требований.
Еще одним неприятным аспектом в области применения стандартов следует считать почти полное неприятие отечественными заказчиками (представителями ВП МО РФ) иностранных стандартов. При наличии Федерального закона "О техническом регулировании" от 27.12.2002 N 184-ФЗ (принят ГД ФС РФ 15.12.2002) о возможности применения иностранных нормативных документов, была найдена "отговорка" – в стандарте рекомендуется разработать собственные требования на основе иностранных стандартов, т.е. выпустить свое СТО. Такие стандарты разработаны, но они, по сути, содержат только выдержки из стандартов IPC-600 и IPC-610. Выпуск такого СТО требует времени, а главное – согласования со многими службами, представителями заказчика и производителями ПП, продукцию которых потом по этому стандарту нужно будет принимать. Впрочем, стоит отметить, что в некоторых случаях ссылка сотрудников ОТК и ОГТ на подобные стандарты вызывает недоумение и комментарии типа: "Вы мне ГОСТ принесите, это для меня не документ". Конечно, это больше организационные вопросы, чем технические, но они мешают работе.
Есть и абсурдные моменты, например, в ГОСТ 23751-86 приводятся размеры и их предельные отклонения, которые давно устарели. И коррекции стандарта пока не предвидится.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что при производстве ПП высокого уровня качества можно и нужно руководствоваться требованиями стандартов серии IPC, пока не появятся отечественные аналоги.
Рассмотрим примеры приведенных в IPC дефектов, выявленных на входном контроле. Причина их возникновения – несоблюдение требований по чистоте помещений и инженерному обеспечению. Примеры инородных включений между КП представлены на рис.1–3, а примеры инородных включений между проводящим рисунком ПП – на рис.4. Согласно стандартам IPC-600, инородные включения могут быть обнаружены в сырье ламината, препреге и в обработанных МПП. Они могут быть проводящими и непроводящими в зависимости от размера и расположения инородного включения – оба варианта недопустимы. Приемлемыми считаются случаи, когда прозрачные частицы, обнаруженные в плате, не изменяют ее электрических параметров или не уменьшают расстояния между проводниками ниже минимально допустимого, указанного в стандартах IPC-610. Примеры инородных включений, приведенные на рис.4, говорят о нарушении требований по уровню запыленности в производственных помещениях.
Надо сказать, что многочисленные следы ретуши также не повышают уровень доверия к изготовителю ПП. Порой ретуширование проведено настолько неаккуратно, что неплоскостность в местах ремонта не позволяет проводить дальнейшую работу с ПП (трафарет для нанесения паяльной пасты ложится неровно и либо деформируется сам, либо в данных местах возникают "подтеки" пасты под трафарет). Примеры подобных "устранений дефектов" приведены на рис.5, 6. Сам факт незначительного ретуширования сомнений не вызывает. Но когда ретуши подвергнуты "ответственные" места ПП, либо она проведена некачественно, вопросы к компетенции производителя ПП возникают сами собой. И возникают эти дефекты в основном из-за низкого уровня производственной дисциплины и ненадлежащего класса чистоты в производственных помещениях.
Еще одним крайне неприятным явлением для отечественной промышленности является наличие "брызг" и "капель" маски на КП (рис.7). Данный дефект можно отнести к некачественному нанесению финишного покрытия ПП и возникновению дефектов (в том числе и скрытых) при монтаже ЭРИ. Опять же, данный дефект говорит о недостаточном соблюдении технологической дисциплины при нанесении масочного покрытия и недостаточном контроле со стороны службы качества. Но, учитывая высокую степень автоматизации при изготовлении ПП, основная ответственность ложится именно на операторов, а не на ОТК. Да и само масочное покрытие зачастую нанесено некачественно, "не там" или "не так" (рис.8–10). Например, если остался тонкий слой маски, то финишное покрытие (ГОР ПОС) не ляжет на КП и ее потом трудно будет облудить (см. рис.8).
Несоблюдение требований технологического процесса может приводить к окислению меди и финишное покрытие не ложится на КП в принципе (рис.11). Иллюстрация ПП с проведенным изготовителем "ремонтом", а точнее устранение дефекта – инородного тела (волоса или ворса), замыкающего КП и проводники под маской, представлена на рис.12. Качество "ремонта" невысокое.
Дефекты, пропущенные производителем ПП, значительно усложняют производственный цикл на предприятиях, которые используют данную продукцию. Потребитель должен проводить тщательный входной контроль полученных ПП, что является достаточно трудоемкой и длительной операцией. Любое замечание к производителю требует выставления рекламации с соблюдением всех правил и требований к рекламационной работе. При этом, как говорилось выше, ввиду отсутствия нормативной документации, производитель ПП не всегда примет рекламацию. В ходе пайки и монтажа также требуется повышенное внимание к ПП. Не раз встречался дефект плохой паяемости (а порой просто непаяемости) КП – выяснялось, что на КП остался тонкий слой масочного покрытия. Подобные примеры можно найти почти на каждом этапе жизненного цикла изделия на базе ПП.
Большинство описанных дефектов возникает именно вследствие неправильного инженерного обеспечения, несоблюдения технологической и производственной дисциплины. К примеру, сэкономили на чистоте помещения (поставили фильтры попроще), а в результате 2/3 изготавливаемых ПП имеют под маской инородные частицы – пыль и грязь.
Есть еще один пример, характеризующий отчасти само отношение в нашей промышленности к понятиям "качество" и "ответственность". На предприятие приходит партия ПП от солидного производителя, в партии 100 штук плат МПП с финишным покрытием иммерсионным золотом для изделий ответственного назначения. Все ПП имеют оттиск штампа и сопроводительную документацию с приемкой ОТК и ПЗ.
Все ПП кроме одной успешно проходят входной контроль. На плате ОТК замечает одну залуженную КП. Вызываются технологи, снимается припой и обнаруживается картина, представленная на рис.13.
Что делать ОТК? Браковать? Для принятия решения о применении такой платы необходимы рентгеновские исследования на стороне (зачастую у производства своего рентгеновского контроля нет). Результаты рентгеновских исследований платы (рис.14) показали, что проводники целы, смещений и разрывов нет, электрический контроль никаких нарушений не показал. Причина такого дефекта вероятнее всего в сбое или недостаточной производственной дисциплине. На организацию и проведение всех исследований потребовалось 1,5 месяца. Окончательное решение о применении платы до сих пор не принято – рисковать в данном случае слишком дорого.
Надо сказать, что производитель, принимая партию и проводя лужение этой КП, четко знал, что исследуемая контактная площадка не дефектна. Требовалось составить акт и указать, что имело место механическое повреждение, однако был проведен дополнительный контроль, подтвердивший ее работоспособность и надежность.
* * *
В заключение надо сказать, что сегодня при возросшей сложности изделий инженерное обеспечение производства в части классов чистоты помещения, правильной планировки и расстановки оборудования, а также вопросы технической и производственной чистоты, дисциплины становятся важными факторами, влияющими на качество изделия. Изделием следует считать все, начиная от ЭРИ и ПП. Качество закладывается на этапе проектирования, и не только в КД на изделие, но и в требованиях к помещению, где оно будет изготавливаться. ⦁
Боле того, в строительно-монтажные проекты производств МПП для экономии средств зачастую закладываются заведомо заниженные требования. Другую крайность составляют случаи, когда "про запас" реализуются дорогостоящие проектные решения, при выполнении которых создаются сложные условия для выполнения производственных процессов. Завышенные объемы инвестиций сказываются на цене продукта, заниженные объемы приводят к снижению качества и увеличению издержек по разбраковке произведенных плат.
Надо сказать, что производство печатных плат сегодня является сложным вследствие разнообразия используемых физических и химических процессов, требующих высокого уровня профессиональной подготовки персонала. Например, увеличение разрешения топологического рисунка приводит к воспроизводимости частиц пыли, температура и влажность влияют на точность совмещения многослойных структур, виброустойчивость прецизионного оборудования сказывается на точности позиционирования элементов межсоединений. Иными словами, можно сказать, что современные требования по проектированию электронных изделий близки к нормам для производств микроэлектроники по температуре, влажности и запыленности. Требования по ограничению запыленности относятся к участкам фотошаблонов и фотолитографии, поскольку воспроизводимость размеров проводников и зазоров для плат высоких классов точности становится соизмеримой с размерами пылинок в обычной атмосфере. Недостаточный уровень производственной вакуумной гигиены приводит к обвальному браку прецизионных плат или к большому объему ретуши на обычных платах.
Требования по стабильности температуры и влажности относятся ко всем участкам, влияющим на точность размеров и совмещение рисунка схем: изготовление фотошаблонов, экспонирование, проявление, сверление, совмещение слоев, прессование. Температура и влажность должны поддерживаться постоянными в малом заданном диапазоне. В противном случае изменения линейных размеров фотошаблонов, заготовок плат и оборудования приведут к значительному ухудшению совмещения элементов многослойных структур и появлению брака или потенциального источника отказов.
Источников загрязнения помещений с вакуумной гигиеной достаточно много. Их можно разделить на источники загрязнения от внешней среды и внутренние источники запыленности. Персонал, его одежда, стены и полы, продукты и отходы производства, технологические материалы, документация и инструмент, естественный приток воздуха – все это мощные источники загрязнений.
Чистые помещения – очень дорогостоящие сооружения, стоимость которых зависит от уровня чистоты. Класс чистоты определяют в соответствии с точностью воспроизведения рисунка по ГОСТ Р 53429-2009 "Платы печатные. Основные параметры конструкции". Отечественных стандартов, содержащих требования к производственным помещениям МПП, сегодня нет. Имеется только один стандарт – ГОСТ Р ИСО 14644 "Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды", который содержит требования по обеспечению чистоты воздуха и концентрации взвешенных частиц в чистых помещениях. Рекомендуемые требования к чистоте помещений при производстве МПП подробно изложены в статье (А.Медведев, А.Сержантов, П.Семенов "Инженерное обеспечение производства электроники" в журнале "Технологии в электронной промышленности", № 12, 2006 г.).
Несоблюдение требований к чистоте помещений и соответствующей технологической дисциплине отражается на качестве выпускаемых МПП и выявляется на этапе входного контроля печатных плат у потребителя – видны многочисленные посторонние включения и ретушь. При этом нет гарантии, что попавшие под маску включения, пересекающие соседние элементы проводящего рисунка, не будут проводящими.
Следующая важная проблема для отечественной промышленности – отсутствие ГОСТ, характеризующих типы дефектов. Для иностранных производств существуют стандарты IPC, крайне подробно не только описывающие, но и иллюстрирующие дефекты. Также в стандартах IPC расписана допустимость данных дефектов для техники с различным уровнем ответственности/надежности (3 класса (уровня), согласно IPC, соответствуют потребительской, промышленной и специальной электронике). Отечественные производители, говоря о качестве своих плат, заявляют о соответствии требованиям IPC. Однако при получении рекламаций со ссылкой на данный стандарт всячески отнекиваются от обещаний соблюдения его требований.
Еще одним неприятным аспектом в области применения стандартов следует считать почти полное неприятие отечественными заказчиками (представителями ВП МО РФ) иностранных стандартов. При наличии Федерального закона "О техническом регулировании" от 27.12.2002 N 184-ФЗ (принят ГД ФС РФ 15.12.2002) о возможности применения иностранных нормативных документов, была найдена "отговорка" – в стандарте рекомендуется разработать собственные требования на основе иностранных стандартов, т.е. выпустить свое СТО. Такие стандарты разработаны, но они, по сути, содержат только выдержки из стандартов IPC-600 и IPC-610. Выпуск такого СТО требует времени, а главное – согласования со многими службами, представителями заказчика и производителями ПП, продукцию которых потом по этому стандарту нужно будет принимать. Впрочем, стоит отметить, что в некоторых случаях ссылка сотрудников ОТК и ОГТ на подобные стандарты вызывает недоумение и комментарии типа: "Вы мне ГОСТ принесите, это для меня не документ". Конечно, это больше организационные вопросы, чем технические, но они мешают работе.
Есть и абсурдные моменты, например, в ГОСТ 23751-86 приводятся размеры и их предельные отклонения, которые давно устарели. И коррекции стандарта пока не предвидится.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что при производстве ПП высокого уровня качества можно и нужно руководствоваться требованиями стандартов серии IPC, пока не появятся отечественные аналоги.
Рассмотрим примеры приведенных в IPC дефектов, выявленных на входном контроле. Причина их возникновения – несоблюдение требований по чистоте помещений и инженерному обеспечению. Примеры инородных включений между КП представлены на рис.1–3, а примеры инородных включений между проводящим рисунком ПП – на рис.4. Согласно стандартам IPC-600, инородные включения могут быть обнаружены в сырье ламината, препреге и в обработанных МПП. Они могут быть проводящими и непроводящими в зависимости от размера и расположения инородного включения – оба варианта недопустимы. Приемлемыми считаются случаи, когда прозрачные частицы, обнаруженные в плате, не изменяют ее электрических параметров или не уменьшают расстояния между проводниками ниже минимально допустимого, указанного в стандартах IPC-610. Примеры инородных включений, приведенные на рис.4, говорят о нарушении требований по уровню запыленности в производственных помещениях.
Надо сказать, что многочисленные следы ретуши также не повышают уровень доверия к изготовителю ПП. Порой ретуширование проведено настолько неаккуратно, что неплоскостность в местах ремонта не позволяет проводить дальнейшую работу с ПП (трафарет для нанесения паяльной пасты ложится неровно и либо деформируется сам, либо в данных местах возникают "подтеки" пасты под трафарет). Примеры подобных "устранений дефектов" приведены на рис.5, 6. Сам факт незначительного ретуширования сомнений не вызывает. Но когда ретуши подвергнуты "ответственные" места ПП, либо она проведена некачественно, вопросы к компетенции производителя ПП возникают сами собой. И возникают эти дефекты в основном из-за низкого уровня производственной дисциплины и ненадлежащего класса чистоты в производственных помещениях.
Еще одним крайне неприятным явлением для отечественной промышленности является наличие "брызг" и "капель" маски на КП (рис.7). Данный дефект можно отнести к некачественному нанесению финишного покрытия ПП и возникновению дефектов (в том числе и скрытых) при монтаже ЭРИ. Опять же, данный дефект говорит о недостаточном соблюдении технологической дисциплины при нанесении масочного покрытия и недостаточном контроле со стороны службы качества. Но, учитывая высокую степень автоматизации при изготовлении ПП, основная ответственность ложится именно на операторов, а не на ОТК. Да и само масочное покрытие зачастую нанесено некачественно, "не там" или "не так" (рис.8–10). Например, если остался тонкий слой маски, то финишное покрытие (ГОР ПОС) не ляжет на КП и ее потом трудно будет облудить (см. рис.8).
Несоблюдение требований технологического процесса может приводить к окислению меди и финишное покрытие не ложится на КП в принципе (рис.11). Иллюстрация ПП с проведенным изготовителем "ремонтом", а точнее устранение дефекта – инородного тела (волоса или ворса), замыкающего КП и проводники под маской, представлена на рис.12. Качество "ремонта" невысокое.
Дефекты, пропущенные производителем ПП, значительно усложняют производственный цикл на предприятиях, которые используют данную продукцию. Потребитель должен проводить тщательный входной контроль полученных ПП, что является достаточно трудоемкой и длительной операцией. Любое замечание к производителю требует выставления рекламации с соблюдением всех правил и требований к рекламационной работе. При этом, как говорилось выше, ввиду отсутствия нормативной документации, производитель ПП не всегда примет рекламацию. В ходе пайки и монтажа также требуется повышенное внимание к ПП. Не раз встречался дефект плохой паяемости (а порой просто непаяемости) КП – выяснялось, что на КП остался тонкий слой масочного покрытия. Подобные примеры можно найти почти на каждом этапе жизненного цикла изделия на базе ПП.
Большинство описанных дефектов возникает именно вследствие неправильного инженерного обеспечения, несоблюдения технологической и производственной дисциплины. К примеру, сэкономили на чистоте помещения (поставили фильтры попроще), а в результате 2/3 изготавливаемых ПП имеют под маской инородные частицы – пыль и грязь.
Есть еще один пример, характеризующий отчасти само отношение в нашей промышленности к понятиям "качество" и "ответственность". На предприятие приходит партия ПП от солидного производителя, в партии 100 штук плат МПП с финишным покрытием иммерсионным золотом для изделий ответственного назначения. Все ПП имеют оттиск штампа и сопроводительную документацию с приемкой ОТК и ПЗ.
Все ПП кроме одной успешно проходят входной контроль. На плате ОТК замечает одну залуженную КП. Вызываются технологи, снимается припой и обнаруживается картина, представленная на рис.13.
Что делать ОТК? Браковать? Для принятия решения о применении такой платы необходимы рентгеновские исследования на стороне (зачастую у производства своего рентгеновского контроля нет). Результаты рентгеновских исследований платы (рис.14) показали, что проводники целы, смещений и разрывов нет, электрический контроль никаких нарушений не показал. Причина такого дефекта вероятнее всего в сбое или недостаточной производственной дисциплине. На организацию и проведение всех исследований потребовалось 1,5 месяца. Окончательное решение о применении платы до сих пор не принято – рисковать в данном случае слишком дорого.
Надо сказать, что производитель, принимая партию и проводя лужение этой КП, четко знал, что исследуемая контактная площадка не дефектна. Требовалось составить акт и указать, что имело место механическое повреждение, однако был проведен дополнительный контроль, подтвердивший ее работоспособность и надежность.
* * *
В заключение надо сказать, что сегодня при возросшей сложности изделий инженерное обеспечение производства в части классов чистоты помещения, правильной планировки и расстановки оборудования, а также вопросы технической и производственной чистоты, дисциплины становятся важными факторами, влияющими на качество изделия. Изделием следует считать все, начиная от ЭРИ и ПП. Качество закладывается на этапе проектирования, и не только в КД на изделие, но и в требованиях к помещению, где оно будет изготавливаться. ⦁
Отзывы читателей
