Montaż płytek drukowanych – ważne formy inspekcji i testów

Rzetelnie przeprowadzony montaż płytek drukowanych to nie tylko płynne przejście przez wszystkie fazy produkcji, ale również czuwanie nad przebiegiem procesu i jego jakością na każdym etapie. Wdrożenie i zachowanie procedur kontroli wyrobów niesie za sobą szereg korzyści dla zamawiającego:

• koszt - zarówno ten wymierny (mniejsze ryzyko wprowadzenia na rynek złego produktu na rynku, który następnie będzie trzeba wycofać) czy niewymierny (raz utraconą reputację marki ciężko odbudować), jak też zaoszczędzonego czasu (chociażby w kontekście wydłużonego oczekiwania na kolejną, poprawnie wykonaną dostawę);
• zakres tolerancji wyrobu - gotowy produkt ma służyć w określonych warunkach i w związku z tym spełniać swoiste wymogi dotyczące  np. reakcji urządzenia w danej temperaturze (ciepło/zimno), odporności na zakłócenia lub emisję hałasu. Są one istotne ze względu na klasę końcowego produktu, w skład którego będzie wchodziła płytka drukowana;
• weryfikacja jakości oraz wychwycenie błędów - podczas końcowej produkcji. Te działania mają kluczowe znaczenie w kontekście zapobiegania wystąpienia wad lub problemów na wczesnym etapie cyklu życia finalnego produktu.

W związku z powyższym dobry kontraktowy dostawca elektroniki, w zależności od otrzymanej specyfikacji produktu, wykonując montaż SMT, zastosuje szereg inspekcji i testów, które wieloaspektowo zweryfikują produkt przed jego przekazaniem kontrahentowi.

Inspekcja montażu PCB

Inspekcja jest niczym innym jak badaniem wyrobu, również jego projektu lub procesu produkcji, i określeniem zgodności tychże z wymaganiami wyspecyfikowanymi lub ogólnymi (na podstawie profesjonalnego osądu). Montaż płytek drukowanych może podlegać wieloaspektowej ocenie, w zależności od konkretnych potrzeb Klienta.
 

Automatyczna Inspekcja Optyczna 2D i 3D

Z ang. Inline Automated Optical Inspection (AOI). Jest to metoda służąca do wczesnego identyfikowania problemów. Dzięki temu można wstrzymać produkcję, by ponowić montaż płytek drukowanych po usunięciu wykrytych mankamentów.

Automatyczna wizualna inspekcja płytki PCB jest wykonywana za pomocą kamery 2D lub kamery 3D oraz pomiarem laserowym. Kamery wykonują zdjęcia płytki, które zostają przez system porównane z wcześniej wgranym szczegółowym schematem produktu. Jeśli skanowana płytka w jakimkolwiek stopniu nie pasuje do schematu, jest ona oznaczana do kontroli technika.

Montaż SMT kontrolowany poprzez system AOI może zostać ustrzeżony przed krytycznymi błędami (np. brak komponentu) oraz wadami jakości (np. krzywo położony element). Rewizja tego rodzaju potrafi wychwycić także bardzo małe mankamenty, takie jak np. zarysowanie ułożonych części lub polaryzacja. 

Należy jednocześnie pamiętać, iż ta inspekcja opiera się wyłącznie na aspektach wizualnych, więc nie zweryfikuje funkcjonalności lub zgodności użytych elementów.
 

Automatyczny system inspekcji rentgenowskiej 3D

Z ang. 3D Automated X-Ray (AXI). Jest to kolejna z metod diagnostycznych wczesnego wykrywania usterek. Podczas tego testu technik rentgenowski (jest nim przeszkolony i doświadczony operator) jest w stanie zlokalizować niewidoczne defekty, dotyczące min. prawidłowego rozłożenia pasty lutowniczej pod komponentami (np. BGA) czy łączenia złączami lutowanymi pod pakietem chipów.

Promieniowanie rentgenowskie automatycznie prześwietla płytkę i doszukuje się błędów, które są niewidoczne podczas inspekcji wizualnej. 

Dzięki temu można każdą warstwę płytki za pomocą urządzenia rentgenowskiego, aby wykryć defekty wewnętrzne. Jednak nie zawsze opłacalną operacją jest wykonanie 100% kontroli produktu - jest to kosztowny proces, dlatego zakres testu jest wcześniej ustalany z zamawiającym lub wykonywany okresowo w celu kontroli stabilności procesu.
 

Kontrola pasty lutowniczej w trybie 3D

Z ang. 3D Automated Solder Paste (SPI). Jest to szybka i precyzyjna metoda kontroli. Inspekcja pasty lutowniczej służy wykryciu błędów związanych z nieprawidłowo nałożoną pastą lutowniczą. 

Wykonuje się ją za pomocą dedykowanej aparatury z czujnikami wizyjnymi, które analizują poziom nadrukowanej warstwy lutu (czy została nałożona w odpowiedniej ilości i rozłożona równomiernie) po naniesieniu pasty lutowniczej w procesie sitodruku, a przed umieszczeniem na płytce PCB elementów. 
 

Inspekcja wizualna

Z ang. Manual/Visual Inspection. W zależności od obowiązującej u kontraktowego dostawcy elektroniki procedury, mogą występować na różnych etapach procesu produkcji.

Montaż płytek drukowanych jest w takim przypadku weryfikowany przez operatora ręcznie za pomocą oceny wizualnej lub dedykowanych fikstur (np. poka yoke). Inspekcja może dotyczyć kontroli pasty lutowniczej po zadrukowaniu, komponentów po ich umieszczeniu na docelowych miejscach płytki PCB, czy połączeń lutowniczych po utwardzeniu lutu.

Inspekcja tego typu jest najmniej powtarzalna, przy jednoczesnym braku potrzeby zakupu dodatkowych specjalistycznych urządzeń do wykonania inspekcji.

Testy montażu PCBA

W przeciwieństwie do inspekcji, które opierają się głównie na ocenie wizualnej, testy polegają na próbach praktycznych, gdy montaż płytek drukowanych dochodzi do końcowych faz, aby sprawdzić właściwości i działanie gotowego lub prawie gotowego produktu (który można poddać jeszcze ewentualnym korektom przed przekazaniem Klientowi).
 

Testy funkcjonalne (FCT)

Z ang. Functional Test. Jest to pożądana forma weryfikacji - wykonuje się ją na gotowym produkcie, aby sprawdzić, czy produkt działa - włączy się, spełnia oczekiwaną funkcję oraz czy wszystkie elementy spójnie ze sobą działają.

Montaż SMT, a w zasadzie finalny produkt, jest pod tym kątem testowany w porozumieniu z Klientem i przy jego współudziale podczas budowania środowiska testowego. Są to dedykowane fikstury testowe, budowane konkretnie pod dany produkt. Klient dostarcza gotowe rozwiązanie lub dobry kontraktor montażu płytek drukowanych buduje go na zlecenie.

Przygotowanie testu danego produktu jest czasochłonne, wydłuża cykl produkcji, lecz jednocześnie pozwala na w pełni jakościowe podejście do oferowanego klientowi towaru (budowanie własnego wizerunku, jako producenta oferującego jakościowe i trwałe wyroby), ponieważ te atrybuty są sprawdzane przed wypuszczeniem końcowego urządzenia na rynek.
 

Testy ICT

Z ang. In-circuit test. Szybkie i automatyczne testy wykrywające potencjalne błędy montażowe, wynikające np. z użycia niewłaściwego komponentu, odwrotnej polaryzacji, obecności zwarć lub przerw. Wykonuje się je przed testem funkcjonalnym, gdy montaż SMT wchodzi w ostatnie stadia, zakładające możliwość ewentualnych poprawek “dojrzałego” produktu.

Do wykonania testu wykorzystuje się dedykowaną dla danego układu płyty PCB matrycę z odpowiednio rozmieszczonymi pozłacanymi igłami, przez które transmituje się sygnał elektryczny do pojedynczych komponentów, sprawdzając integralność połączenia lutowanego.
 

Testy bezpieczeństwa:  

• Test starzenia (Burn-In Test) - test przeznaczony do wczesnego wykrywania awarii i ustalania maksymalnej wydajności gotowej płyty PCB.
  
  Test polega na pozostawieniu gotowego zestawu nieprzerwanie przez 48 do 168 godzin w specjalnym pomieszczeniu, w którym panuje wysoka temperatura. Jeśli układ ulegnie uszkodzeniu, jest to tzw. śmiertelność niemowląt. 
  
  Wykonanie testu zapobiega wprowadzeniu na rynek produktu kłopotliwego lub niebezpiecznego. Jednocześnie zastosowanie zwiększonego obciążenia może skrócić żywotność produktu lub uszkodzić niektóre komponenty, dlatego jeśli intensywne testy wykażą  niewiele usterek lub ich brak, można zmniejszyć warunki testowania, aby uniknąć niepotrzebnego nadmiernego obciążenia PCB.
• Test wysokich napięć (Hi Pot PCB Testing - High Potential/high voltage test) - jest zalecany dla płytek drukowanych wysokiego napięcia oraz przy zastosowaniu w konstrukcji cienkich dielektryków. 
  
  Test sprawdza, czy materiał dielektryczny płytki PCB może wytrzymać napięcie wyższe niż napięcie znamionowe bez uszkodzenia (skok napięcia). Wysokie napięcie jest przekazywane do płytki przez parę sekund (stąd ten test jest przeciwieństwem testu ciągłości). 
  
  Jest to test nieniszczący, który określa adekwatność izolacji elektrycznej dla normalnie występującego przejściowego napięcia. Stosuje się go, aby potwierdzić, że zastosowana izolacja nie jest marginalna, a także, że podczas procesu produkcji nie  doszło do powstania nieodpowiednich dróg upływu i odległości luzu.

Testy środowiskowe

Z ang. Environmental testing. Sprawdzają zgodność skonstruowanego produktu z właściwymi dla niego normami funkcjonalności, bezpieczeństwa oraz trwałości w ramach zadeklarowanej przez producenta specyfikacji wyrobu.

W zależności od potrzeb, testy te mogą wymagać innego zestawu diagnostycznego. Do podstawowego wyposażenia potrzebnego do przeprowadzenia tego typu badań należą komory temperaturowo-wilgotnościowe czy komory szoków termicznych.

Testy te pomagają przyspieszyć proces starzenia się produktu, aby przewidzieć jego cykl życia, przeanalizować rodzaje awarii i odfiltrować te produkty, które nie nadają się do wysyłki do klientów.