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Inspección y control de calidad El significado de “Calidad” El término “calidad”, cuando se aplica a productos técnicos, puede tener diferentes significados, dependiendo del contexto en el cual la palabra se utilice. Algunas de las cuales vamos a listar a continuación: 1. Podemos utilizarlo como método de comparación, entre mismos tipos de productos de varios fabricantes. En este contexto “calidad” expresa cuan cerca está el producto de la perfección, en cuanto a su funcionamiento, especificaciones del material utilizado, acabado y apariencia 2. Podemos utilizarlo para cuantificar su eficiencia o su relación entre su coste y sus prestaciones. 3. Podemos utilizarlo como medida de su capacidad de alcanzar los requerimientos de funcionalidad, que nos ha formulado el fabricante. En términos más simples: ¿Esta funcionando tal como esperaba, o cuanto tiempo estará trabajando correctamente? La calidad y la fiabilidad El total significado de la calidad de un producto técnico, para el cual es aplicado, es el cumplimiento de todas sus tareas a las cuales ha sido diseñado, su eficiencia y quizás la velocidad en que tiene que efectuarlas, las circunstancias en que tiene que funcionar y la fiabilidad especificada.. La formulación de estas demandas dependerá de varios factores: 1. Consideraciones especificas de la Empresa: Filosofía de producto o mercado Imagen de calidad del producto Oferta de la competencia 2. Consideraciones especificas de su aplicación: Habilidad de sus funciones y fiabilidad o ambas, en el ambiente en el cual el producto va ser utilizado. Clasificación en función de los requerimientos de fiabilidad •
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Equipos profesionales, de altas prestaciones Tecnología espacial Aviación comercial y militar Telecomunicaciones submarinas Telecomunicaciones militares sistemas de armas Medicina Equipos profesionales y comerciales de muy altas prestaciones Control de la dirección, de los frenos(ABS air-bag), de la combustión en los automóviles Telecomunicaciones comerciales Equipos profesionales de altas prestaciones Industrias electrónicas de alta calidad Informática de ordenadores Telecomunicación privada
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Equipos profesionales de prestaciones medias Industria electrónica en general Equipos médicos en general Periféricos de informática, rango medio
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Equipos profesionales de bajas prestaciones Equipos de oficina Equipos de medida de uso general
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Equipos semi profesionales Equipos profesionales de audio y video Equipos para el usuario del automóvil Equipos recreativos de altas prestaciones Electrónica de sobremesa Equipos de consumo de altas prestaciones
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Equipos electrónicos de consumo Recreativos domésticos Equipos del hogar Calculadoras Juguetes “La habilidad al funcionamiento”, significa que el equipo debe ser capaz de funcionar, no solamente cuando llegue al consumidor (nivel de aceptación de calidad), sino en las peores condiciones de funcionamiento especificados. “ La fiabilidad”, significa como la habilidad del producto para su funcionamiento sin fallo durante el período de tiempo especificado. La calidad y la fiabilidad de las soldaduras en un montaje electrónico se define como: • Si una de las uniones no está soldada • Si existe un puente entre componentes cercanos que nos producen un cortocircuito • Si el montaje funciona mal • Si el montaje no funciona • Si las uniones fallan durante su funcionamiento • Si el conjunto de montaje funciona mal o para de funcionar a veces
La soldadura y sus fallos En las soldaduras deben cumplir las siguientes condiciones: 1. La soldadura debe alcanzar todos los sitios requeridos y no deben existir uniones abiertas 2. La soldadura no debe estar en los lugares donde produzcan cortocircuitos La soldadura debe cumplir ambos requerimientos, en caso contrario se considera que la soldadura es falsa y el circuito no funcionará.
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Uniones de soldaduras abiertas La continuidad eléctrica requiere, que las uniones no estén abiertas. Con la soldadura por ola, que el Sn alcance y rellene todas las uniones, lo que requiere la optimización de ambos circuito impreso y layout. Con la refusión, la serigrafía del circuito, debe depositar la correcta cantidad de la pasta de soldar, en el lugar del circuito adecuado y en la cantidad necesaria, y durante el proceso la temperatura requerida para la fusión del Sn. Por supuesto la deposición sin la pasta suficiente o en el lugar donde no es necesaria, nos producirá uniones abiertas.
La correcta posición, desplazamientos y orientación adecuada de cada componente es la condición para la buena soldadura.
Puentes y bolas de estaño Un circuito no funciona si tiene cortocircuitos. En la soldadura por ola requiere especiales tecnologías en la optimización del proceso y en la disposición de los componentes dentro del circuito, para evitar los cortocircuitos de estaño, sobretodo en los componentes finepitch , sino utilizamos atmósfera de Nitrógeno. Con la refusión, los factores que influyen en los componentes finepitch, son la precisión en la serigrafía y el tamaño de granulado de la pasta. Las bolas de estaño no es una soldadura defectuosa. Pero si su situación está entre las patas de un componente finepitch, puede producir un cortocircuito. Por lo tanto las bolas de estaño representan un cortocircuito potencial, que reduce la fiabilidad del circuito y muy difícil de cuantificar.
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La naturaleza de las soldaduras defectuosas La existencia de soldaduras defectuosas es un hecho objetivo. La unión está soldada o no está soldada. Las soldaduras presentan la situación “si/no”. Como la respuesta es “si/no” y el veredicto es “correcto/no correcto”, podemos utilizar un sistema automático de control de calidad, basado en una inspección optoelectrónica o una verificación funcional. La perfección o imperfección de las soldaduras La perfección de las soldaduras presentan diferentes situaciones: la imperfección no afecta al funcionamiento, pero pueden reducir la fiabilidad. Esto puede afectar las especificaciones y criterios del cliente comprador. Los criterios pueden incluir las siguientes prestaciones: • Angulo de mojado • Perfil y cantidad de estaño en la unión • Desplazamiento de los componentes
Si una imperfección descualifica el producto a los ojos del cliente, lo convierte en una soldadura defectuosa, porque el producto no es posible venderlo. Que un producto sea posible su venta es el su primera función. En contraste con el inequívoco veredicto del “si/no”, en la verificación de las soldaduras defectuosas de las uniones, en las imperfecciones de las uniones el juicio es necesariamente subjetivo. Los juicios representan diferentes opiniones de una misma imperfección y la escala que separa los conceptos de “perfecto” o “aceptable” al “imperfecto” o “inaceptable”, o dicho de otro modo “aceptado/rechazado” divide las áreas de dudosa aceptabilidad y falsa alarma.
Decidir entre soldadura correcta y soldadura defectuosa, emitiendo un veredicto, o decidir si la perfección de la soldadura ha sido suficiente, es un juicio a efectuar y esta decisión hacerla automática es de una gran dificultad.
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El problema de los “blowholes” Los “blowholes” de las uniones entre capas, causadas por presencia de zonas sin estaño en los interiores de las soldaduras, es una imperfección especial.
Las causas de zonas sin estaño en los interiores de las soldaduras y las medidas para evitarlo, son bien conocidas. La continuidad, el acabado y el espesor del material las paredes del agujero son causas de la formación de esta imperfección. El precalentamiento del circuito lo reduce considerablemente. Esta imperfección no interfiere en el funcionamiento del circuito, pero su presencia o ausencia es una situación de “si/no”. Pero puede acortar las expectativas de vida de la unión.
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La inspección Significado de soldadura defectuosa El significado de una soldadura defectuosa es el fallo del circuito y su mal funcionamiento, hasta que cada fallo sea corregido. Por lo tanto, lo más importante del sistema control de calidad es encontrar cada una de ellas. Las uniones ideales y las imperfectas El criterio de la perfección en las uniones es el mismo que el de la soldadura manual. Tienen que cumplir con estos dos parámetros: primero, el ángulo de mojado entre la soldadura y el substrato; y segundo la cantidad de Sn en la unión. Juntos determinan el perfil de la unión. El perfil de la soldadura manual perfecta,, tiene el menisco concavo y el ángulo del mojado bien definido. También, el contorno de los componentes unidos estar bien visibles, y en el caso de cables insertados en los componentes bien asegurados en sus alojamientos y apropiadamente estañados.
El criterio de perfección en las soldaduras por ola y refusión vuelve a los criterios del principio de la soldadura. Son los contornos de la superficie, el área de la soldadura y las relaciones entre distancias. Son las bases para los juicios “bueno/malo”, “aceptable/inaceptable”, o “ bonito/feo”, Hay un ejemplo donde la imperfección puede convertirse en fallo: son las uniones con mucho estaño, donde pueden ser la causa de tensiones mecánicas en el cuerpo del componente o fluctuaciones de temperatura durante su funcionamiento, actuando como una tenaza sobre el cuerpo del componente y originando un bajo rendimiento. Inspección de las soldaduras Ningún circuito debe entregarse sin haber sido inspeccionado. La inspección significa visionarlo o examinarlo con criterio. Esto implica que la inspección es algo más que “ solamente mirarlo” . Para que una inspección sea completa a un coste efectivo, el procedimiento debe estar bien definido, su objetivo o criterio, preferentemente por escrito, y si es necesario ilustrado, así como explicitar el procedimiento y el cuando se utilicen sistemas automáticos. Definir la diferencia entre “”soldadura bien hecha” y “soldadura perfecta”, simplifica la tarea de inspección. Sin una inspección, el proceso de fabricación de soldadura de un circuito impreso está incompleto.
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Soldaduras defectuosas: Uniones abiertas
Soldaduras defectuosas: Puentes y bolas de estaño
Soldaduras defectuosas: Componentes desplazados
Soldadura ideal
Hay una gran diferencia entre la inspección de conjuntos mecánicos y las soldaduras de un circuito. En la inspección de un conjunto mecánico, podemos definir numéricamente las medidas y sus tolerancias. Pero es muy difícil describir numéricamente los valores correctos de las uniones, por lo que es necesario una inspección visual, óptica o funcional de los circuitos. La serigrafía del adhesivo para la fijación de los componentes SMD al circuito, debe efectuarse antes de la soldadura y verificar su correcta disposición, situación y tamaño. Cualquier error significa la perdida del componente SMD, desplazamientos o errores pueden dificultar o impedir la soldadura. Los errores son muy difíciles de corregir una vez ha curado el adhesivo.
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Similares problemáticas existen en la serigrafía de la pasta de soldar, la cual debe verificarse antes de situar los componentes en el circuito. Los defectos son fácilmente corregibles, si los detectamos antes de la refusión.
Soldadura ideal
Soldadura con mucho estaño
Soldadura con poco estaño
Soldadura con poco estaño
Soldadura poco estaño en PLCC
Angulo de mojado incorrecto
Desplazamiento
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Inspección visual Hay dos tipos de inspección básicas, la inspección general y la detallada. Inspección general. En una producción de pequeña escala, donde los circuitos se sueldan individualmente, tanto manualmente o por medio de un equipo, el operador echará una mirada al circuito, antes de depositarlo en su almacenamiento o entregarlo al siguiente proceso. Si hay un defecto obvio, lo corregirá antes de entregarlo. En una línea de producción, el operador o supervisor, deberá echarle una breve mirada circuito antes de depositarlo en la máquina de soldar por ola o de refusión. Obviamente los mayores defectos ocurren en las áreas donde el flux no actúa o en el caso de refusión donde la pasta no esta situada convenientemente. Inspección detallada. La manera de efectuar la inspección y el equipo utilizado, depende del tipo y volumen de la producción y del tamaño del circuito. Los rangos, tipos y especificaciones de los equipos de inspección óptica, van desde simples o magnificadores iluminados, zooms ópticos con visión binocular, y útiles mecánicos de visionado de terminales “J” de los componentes PLCC. En los sistemas de visión simple o binocular del objeto, la cabeza del operador está forzada a guardar una posición fija con la consiguiente fatiga, cosa que no ocurre en los equipos, en que el objeto se muestra en una pantalla. Un buen sistema de iluminación es esencial en todos los sistemas ópticos de inspección. En numerosos sistemas de inspección óptica, el circuito está fijado en un mesa movible en x y lo que permite escanearlo o indexarlo en posiciones prefijadas, donde ciertos defectos puedan suceder. Inspección opto-electrónica automatizada La distinción entre “soldadura bien hecha” y “soldadura perfecta”, debe ser posible en la inspección automatizada y evaluar los contornos de las uniones. Estas prestaciones son las de los sistemas de gran complejidad. Si omitimos la distinción “soldadura perfecta”, existen tecnologías que permiten detectar soldaduras sin estaño, uniones vacías o la presencia de puentes o bolas de estaño. Estos sistemas están basados en escanear la superficie del circuito, combinado con la comparación entre la imagen captada y una imagen ideal memorizada. Estos sistemas funcionan lo bastante rápido, como para detectar los defectos en líneas de producción de las máquinas de soldar por ola y de refusión. Los sistemas de inspección opto electrónicos debe reconocer los siguientes defectos: • • • •
Faltas, desviaciones o posiciones defectuosas de la pasta de soldar Faltas o defectuosas posiciones del adhesivo Faltas, desviaciones o posiciones defectuosas de los componentes Puentes, bolas de estaño o hilos de estaño.
Recientes desarrollos de sistemas automáticos de inspección opto electrónica, no requieren la programación de imáge nes “ideales”, auto creando “curvas ideales”, por la evaluación de los parámetros de los perfiles y sombras de las soldaduras, identificando los componentes, los puentes etc.
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Inspección con Rayos X El sistema de inspección con Rayos X, trabaja en dos niveles. El circuito con las soldaduras es escaneado por los Rayos X por radiación, las partes que contienen estaño, como las uniones o pasta de soldar y las partes metálicas, como los ICs u otros dispositivos semiconductores, son penetradas más que las sustancias orgánicas como FR4 o plásticos. El resultado es una imagen monocroma en blanco y negro, que puede ser evaluada visualmente por el operador o procesado opto electrónicamente por un sistema automatizado. Las imágenes de Rayos X son gráficos de sombras, con la suficiente resolución para poder evaluarlas. Controlando el voltaje aplicado al tubo de Rayos X, podemos modificar la penetración, ajustando las prestaciones a las necesidades de la inspección. Los Rayos X, muestran el interior de la soldadura, lo cual es una gran ventaja, pero esta tiene que ser interpretada. Casi todas las soldaduras contienen “vacíos”. Debe hacerse distinción entre dos diferentes tipos de porosidad de los “vacíos”. Si la porosidad, aparece dentro de la unión en forma de pequeños huecos, la conclusión es el mojado, sea efectuado satisfactoriamente. Sin embargo, si la unión esta formada por bolas como islas separadas, el mojado no se ha efectuado satisfactoriamente. El sistema de inspección debe distinguir, entre estos dos tipos de imágenes y saltar la alarma. La inspección de Rayos X, es la única opción para detectar los defectos de las uniones en los componentes BGAs. La detección de las uniones con el circuito es muy difícil, porque esta es un sombra circular. Una sombra cuadrada, nos puede indicar que no está bien situada en su lugar y una sombra circular nos puede indicar que la unión se ha efectuado correctamente.