Per i produttori di apparecchiature elettroniche medicali, il costo di un difetto sfuggito ai controlli è ben più che semplice scarto, rilavorazione o richieste di garanzia; comprende la sicurezza del paziente e il rischio normativo. I monitor dei pazienti, le schede di controllo dei ventilatori e i dispositivi diagnostici possono presentare una giunzione di saldatura inadeguata, un terminale sollevato o un collegamento scadente che supera i test funzionali, ma che non viene individuato fino a quando il prodotto è in servizio. Nel caso dei produttori che devono gestire PCB medicali ad alta affidabilità, ogni ispezione deve andare oltre la semplice individuazione dei difetti e prevenirne il verificarsi.
La necessità di questo ha spinto il settore ad abbandonare i sistemi di ispezione 2D a favore di soluzioni più sofisticateSPI 3D(Ispezione della pasta saldante) eAOI 3Dispezione ottica automatizzata). Queste tecnologie, lavorando insieme, forniscono misurazioni dimensionali, feedback di processo e dati di qualità tracciabili che consentono di rilevare molti più difetti e di controllare il processo durante laProcesso di assemblaggio SMT.
I limiti dell’ispezione 2D tradizionale
Nei sistemi convenzionali SPI e AOI 2D, gli assemblaggi vengono valutati principalmente in base al contrasto dell’immagine, all’aspetto superficiale e al riconoscimento dei pattern. Sono utili per un’ampia gamma di applicazioni, ma stanno diventando sempre meno applicabili man mano che le PCBAs vengono realizzate con componenti più piccoli, finestre di processo più ristrette e passi più fini.
Tre tipi di difetti sono mostrati come esempi dei problemi associati all’ispezione visiva 2D.
Carenze di volume di saldatura
Un sistema SPI 2D può verificare se la pasta saldante è presente nell’area appropriata e se è oppure no nella posizione corretta. Non può misurare direttamente l’altezza dei depositi o il volume dei depositi.
Ciò significa che un deposito di pasta in un’immagine 2D può sembrare a posto ma essere sottodimensionato per creare una buona giunzione di saldatura durante il riflusso. Il difetto può essere generato durante il processo di stampa, ma potrebbe non essere rilevato fino a una fase successiva del processo di produzione, quando il rilavoro è più costoso e l’analisi delle cause radice è più complessa.
Giunzioni fredde e bagnatura incompleta
Un’altra difficoltà può essere dovuta a giunti freddi o a una scarsa coalescenza delle giunzioni di saldatura. In un gran numero di casi, questi giunti non soddisfano il requisito di legame metallurgico, ma risultano comunque visivamente gradevoli.
Poiché l’aspetto esterno viene valutato tramite AOI 2D e non mediante geometria tridimensionale, può essere difficile determinare tali condizioni utilizzando solo le caratteristiche dell’immagine. Queste debolezze possono manifestarsi come guasti intermittenti o permanenti durante i cicli termici, le vibrazioni, le sollecitazioni di sterilizzazione e altre sollecitazioni ambientali comuni nei prodotti medicali.
Difetti di coplanarità e tombstoning
Una terza limitazione riguarda i difetti lungo l’asse Z. Questi terminali possono essere sollevati dalla scheda, un componente può avere piedini non complanari e una resistenza chip “tombstoned” può sembrare a posto dall’alto, ma in realtà presentare una grande differenza in altezza.
Queste condizioni potrebbero non essere identificate in modo affidabile con un sistema di ispezione 2D, a meno che l’altezza non venga misurata direttamente. Tuttavia, questi difetti possono avere un effetto deleterio sull’integrità e sull’affidabilità del giunto di saldatura.
SPI 3D: prevenire i difetti alla fonte
Il principale vantaggio della SPI 3D è che, oltre a eseguire un'analisi 2D, misura il volume dei depositi di pasta saldante.
Il sistema crea un modello 3D di ciascun deposito di pasta saldante man mano che viene stampato, tramite profilometria a luce strutturata. I parametri misurati includono volume, altezza, area, offset di posizionamento e forma del deposito e vengono confrontati con i limiti di processo definiti.
Questo fornirà informazioni molto più complete sulla qualità della stampa. L’SPI 3D non solo verificherà la presenza della pasta su un pad, ma controllerà anche se è stata depositata la giusta quantità di materiale per creare un giunto di saldatura accettabile dopo il riflusso.
Queste informazioni aggiuntive sono particolarmente importanti per gli assiemi medicali che presentano frequentemente package a passo fine, componenti passivi in miniatura e layout ad alta densità.
Controllo di processo ad anello chiuso
I moderni produttori, i sistemi SPI 3D offrono vantaggi rispetto al rilevamento dei difetti. I dati di ispezione possono essere trasferiti direttamente alla stampante per stencil, formando così unsistema di controllo di processo ad anello chiuso.
Il sistema può rilevare la deriva del processo nel volume della pasta, nel suo allineamento e nella qualità di stampa, prima che inizi a causare un elevato numero di difetti. Le misure correttive possono variare dalla correzione dell’allineamento di stampa, ai parametri di stampa e/o alle impostazioni della stampante, a seconda della configurazione della piattaforma.
Questo processo a ciclo chiuso rende l’SPI uno strumento di controllo di processo invece di un semplice controllo di qualità. Il sistema impedisce la creazione dei difetti, invece di identificarli dopo che si sono verificati.
Controllare la saldatura della pasta saldante nella fase di stampa è uno dei fattori che possono influenzare in modo significativo la qualità della saldatura nelle fasi successive e quindi il rendimento e l’affidabilità dell’SMT.
AOI 3D: Verifica della qualità di assemblaggio dopo il reflow
La SPI 3D viene utilizzata per prevenire i difetti prima del riflusso, mentre l’AOI 3D viene utilizzata per garantire la qualità dell’assemblaggio completato dopo la saldatura.
Mentre l’AOI 2D tradizionale misura l’intensità e l’aspetto di un’immagine, l’AOI 3D misura l’altezza (o i valori z) di un’immagine utilizzando un laser per costruire una mappa topografica della scheda assemblata. Ogni caratteristica ispezionata ha un valore misurabile sull’asse z, consentendo un’ispezione dimensionale invece che solo visiva.
Questo consentirà al sistema di valutare la geometria reale delle giunzioni e il posizionamento dei componenti con molta maggiore precisione.
Rilevamento di saldatura insufficiente
La capacità dell’AOI 3D può rilevare condizioni di saldatura inaccettabili che in un’immagine 2D possono apparire accettabili. Misurando l’altezza e la forma del giunto di saldatura, l’AOI 3D può individuare condizioni di saldatura insufficienti che potrebbero sembrare accettabili in una convenzionale immagine 2D.
Il sistema non si limita a identificare l’aspetto superficiale del giunto di saldatura, ma utilizza anche la geometria del giunto e criteri di accettazione definiti per migliorare l’individuazione di connessioni sotto riempite o formate in modo non corretto.
Rilevamento dei lead sollevati
L'AOI 3D misura direttamente la differenza di altezza tra i terminali dei componenti e i corrispondenti pad del PCB, per package a ala di gabbiano e altri componenti.
I reofili sollevati che potrebbero non essere rilevati durante l’ispezione tradizionale possono essere identificati più facilmente, poiché la misurazione si basa sulla geometria reale e non sull’interpretazione dell’immagine.
Rilevamento delle lapidi
Il sistema confronta l’altezza delle differenze tra le terminazioni dei componenti per i componenti a chip. Questo permette di individuare difetti di tombstone completi e parziali, anche quando a vista dall’alto (“top down”) sembrano perfettamente a posto.
Rilevamento dei ponti di saldatura
La mappatura tridimensionale dell'altezza aiuta anche a rilevare i ponti di saldatura tra conduttori adiacenti. Ciò è particolarmente utile per gli assemblaggi a passo fine in cui le condizioni di illuminazione e i riflessi sulla superficie possono rendere difficile l’esecuzione di un’ispezione convenzionale 2D.
Sebbene l’AOI 3D offra grandi vantaggi nell’aspetto geometrico del rilevamento dei difetti, ci sono alcune caratteristiche del metallo che non possono essere valutate completamente tramite ispezione ottica e che possono richiedere altre tecniche di verifica per applicazioni altamente critiche.
Dati di ispezione come prove di qualità tracciabili
Quando sono in vigore i requisiti FDA, ISO 13485 e altri requisiti dei sistemi di qualità in ambito medico, i risultati delle ispezioni devono costituire prove oggettive e recuperabili che i prodotti siano di buona qualità.
I moderni sistemi di ispezione 3D forniscono dati di misura dettagliati per ogni scheda, come dati dimensionali, dati di ispezione edati di tracciabilitàassociati a numeri di serie univoci.
Questi registri, quando collegati a una piattaforma MES, forniscono una cronologia completa della produzione che facilita la conformità normativa, l’analisi delle cause radice, le azioni correttive e il tracciamento a lungo termine dei prodotti.
Creazione di un sistema unificato di prevenzione dei difetti
I risultati migliori si ottengono quando la SPI 3D e l’AOI 3D vengono combinate in un unico sistema di ispezione invece di essere utilizzate come stazioni di ispezione separate.
I dati SPI vengono utilizzati per monitorare la variazione del processo prima della rifusione e i dati AOI vengono utilizzati per verificare la qualità dell’assemblaggio finale dopo il processo di saldatura. Se entrambi i set di dati sono resi disponibili a un produttore tramite un ambiente MES comune, il produttore ha visibilità sull’intero processo SMT.
Entrambe le tendenze riscontrate durante l’ispezione della pasta e i risultati AOI ripetuti possono essere collegate a difetti di assemblaggio a valle, e i risultati AOI ripetuti possono aiutare a individuare le cause profonde relative alla stampa, alle condizioni dello stencil, alla precisione di posizionamento o alle prestazioni del riflusso.
Questo processo di feedback continuo migliora la comprensione del processo, consente azioni correttive più rapide e riduce al minimo le fughe di difetti e le (inutili) segnalazioni errate.
La disciplina dei processi rimane essenziale
Nessuna quantità di apparecchiature di ispezione sofisticate può garantire la qualità da sola! La tecnologia di ispezione deve operare all'interno di un quadro di qualità strutturato per la produzione di dispositivi elettronici medicali.
Tre aspetti sono fondamentali:
PFMEA (Analisi delle modalità e degli effetti di guasto del processo)coordinare la strategia di ispezione con il rischio del prodotto e le modalità critiche di guasto.
SPC (Controllo Statistico di Processo)per monitorare e rilevare le tendenze prima che possano verificarsi difetti.
FAI (First Article Inspection)per stabilire parametri di processo convalidati prima dell’inizio della produzione su larga scala.
Queste pratiche utilizzano i risultati delle ispezioni come controllo di processo e non solo come semplice registrazione di esito positivo/negativo.
Per le PCBA medicali, l’ispezione è molto più di un semplice controllo finale di qualità. È un componente chiave del sistema di qualità produttivo. I prodotti di ispezione di PCBCart, come la SPI 3D con feedback in anello chiuso alla stampante e l’AOI 3D post-reflow, non sono prodotti opzionali aggiuntivi o opzioni a livello di programma: sono l’infrastruttura integrata per tutti i programmi PCBA, incorporata nella nostra piattaforma Smart MES, dove forniscono la completa tracciabilità dell’ispezione dei lotti e l’archiviazione dei numeri di serie marcati al laser.
Il nostro team di ingegneria collabora con i team R&D di hardware medicale e di qualità per la revisione DFM fino alla qualificazione della produzione; impostando le finestre di accettazione SPI e i modelli di difetto AOI per ogni programma in base alla diversa combinazione di componenti, ai tipi di giunzione e al profilo di rischio dell’utilizzo finale. Siamo lieti di discutere del tuo programma con te se hai bisogno di un partner EMS che ti fornisca evidenze delle giunzioni di saldatura, dati di processo a circuito chiuso a livello di scheda e registrazioni di ispezione archiviate nel MES per ogni singolo assemblaggio; e se disponi della disciplina di processo per supportarlo.
Risorse utili
•Che cos'è la tecnologia a montaggio superficiale (SMT)?
•Ispezioni e prove applicate nel processo di assemblaggio SMT
•Come prevenire il cattivo bagnamento della saldatura
•Requisiti di progettazione dei PCB SMT Parte tre Progettazione del layout dei componenti
