Samen van idee tot PCB

Reading time: 9 minutes

Author:

Van idee tot bestukte printplaat lijkt niet zo moeilijk. Een engineer ontwerpt de schakeling en de lay-out, stelt de boodschappenlijstjes samen en neemt een EMS-bedrijf in de arm om het product te maken. Bij professionele elektronica werkt het niet zo. Naast alle functionele eisen stellen opdrachtgevers ook eisen aan productkwaliteit, productieproces, leverbetrouwbaarheid, ontwikkelsnelheid en kostprijs. Dit vraagt om een nauwe samenwerking tussen ontwerpers en EMS-bedrijven vroeg in het proces, betogen Technolution en TBP.

Projecten in de OEM-markt kenmerken zich door technische complexiteit en innovatieve concepten bij kleine aantallen. Ontwerp en productie gebeuren meestal buiten de deur. De designs moeten first time right zijn. Opdrachtgevers willen ontzorgd worden: ze definiëren de functionaliteit en willen de producten op afroep ontvangen. De samenwerking tussen ontwerpers en producenten van elektronica moet ervoor zorgen dat de klant uiteindelijk tevreden is.

De eerste stap in de samenwerking is een goede overdracht van design naar productie: new product introduction (NPI). Ontwerpers hebben zich er een voorstelling van gemaakt hoe hun ontwerp te produceren. Ze kennen bijvoorbeeld de kritische factoren bij assemblage en test. Het is van belang deze informatie proactief bij de productie- en testengineers te brengen en met elkaar te bespreken in plaats van het design spreekwoordelijk ’over de muur te gooien‘.

Onze ervaring is dat veel informatie de werkvloer niet bereikt, ondanks goede bedoelingen, doordat ze onderweg blijft hangen bij managers, teamleiders en werkvoorbereiders. Daarom hechten wij grote waarde aan directe ondersteuning door een productengineer ter plaatse tijdens de eerste productie. Deze kan adequaat de eerste support op de werkvloer leveren en andere vragen doorspelen aan de ontwerpers.

In het begin zijn EMS-bedrijven terughoudend ten aanzien van on-site support. Zij zijn immers de specialisten op het gebied van productie en daarom is het raar om ontwerpers erbij te betrekken voor ondersteuning. Als de aanvankelijke scepsis echter eenmaal is overwonnen, zijn alle partijen enthousiast over het bereikte resultaat, zo hebben wij ervaren. Investering in informatieoverdracht resulteert in de oplevering van een goed en betrouwbaar produceerbaar product.

DFM en DFT

Een volgende stap in de samenwerking tussen ontwerpers en makers is design for manufacturing (DFM). DFM speelt al in de designfase, vooral tijdens de fysieke ontwerpfase zoals de PCB-lay-out. Ontwerpers en producenten spreken af aan welke eisen een design moet voldoen om makkelijk produceerbaar te zijn. Sommige productieregels zijn eenvoudig en algemeen bekend: het gebruik van surface mount devices (SMD‘s) heeft bijvoorbeeld de voorkeur boven through-hole componenten. Andere regels hebben betrekking op de ruimte rondom grote componenten of de ruimte tot de rand van het bord die nodig is voor de toegang van automatische plaatsingsmachines. In sommige gevallen kunnen slimme keuzes zelfs hele productiestappen elimineren.

Ieder EMS-bedrijf is er trots op dat het complexe ontwerpen goed kan produceren, ook designs waarbij de complexiteit voortkomt uit ongelukkige keuzes tijdens het ontwerpproces. Ontwerpers hebben echter ook een schat aan ervaringslessen. Door die mee te nemen, kan de productie eenvoudiger en goedkoper.

Onderdeel van ons ontwikkelproces is dat de ontwerpers altijd vragen naar de specifieke DFM-regels die horen bij het beoogde productieproces. De ervaring opgedaan bij andere NPI‘s helpt eveneens om de produceerbaarheid te vereenvoudigen. Verder reviewen specialisten van het EMS-bedrijf de PCB-lay-out voordat deze voor productie wordt aangeboden. Alle verbeteringen die hieruit voortkomen, worden onderdeel van het ontwerp.

Naast DFM is design for test (DFT) van groot belang. Ieder product ondergaat tijdens fabricage tests om te zien of er geen fouten in zijn geslopen. EMS-bedrijven beschikken over een heel arsenaal aan testmiddelen om fouten op te sporen. Denk hierbij aan röntgeninspectie, optische inspectie en in-circuit tests. Deze brengen veel voorkomende fouten aan het licht, zoals imperfecte solderingen of verkeerde plaatsing van componenten.

Foutopsporingstechnieken zoals in-circuit tests, flying probe-tests en boundary scan-tests vragen om elektrische toegang tot de verbindingen van het bord. Voor de eerste twee worden testeilandjes toegevoegd aan het ontwerp of via‘s toegankelijk gehouden. Analoog aan DFM bestaat het DFT-traject achtereenvolgens uit het verkrijgen van de regels behorend bij de testapparatuur, het toepassen daarvan en een inspectie door een testexpert.

Naast de generieke structurele tests is er een productspecifieke functionele test. Deze ontwikkelen we als bijproduct tijdens het validatietraject. Het EMS-bedrijf kan hem met geringe moeite opnemen in zijn testketen.

DFX

Het toepassingsgebied van elektronica wordt steeds complexer. Onze klanten zijn veelal machinebouwers, die opereren op de grens van het technisch haalbare. De impact van niet correct functionerende elektronica wordt steeds groter. Complexe machines bevatten soms honderden printed circuit board assemblies (PCBA‘s); wanneer er een niet volgens specificaties werkt, zal dit resulteren in problemen bij de eindgebruiker.

Het diagnosticeren en vervangen van een defecte component wordt steeds tijdrovender. Dit leidt tot directe kosten van de reparatie en indirecte financiële schade door stilstand van de machine. Het behoeft geen betoog dat onze klanten de kwaliteitseisen aan de producten continu opschroeven om de kosten als gevolg van defecte componenten tot een minimum te beperken.

Bij consumentenelektronica gaat het om volumes van honderdduizenden identieke stuks per maand en worden de productielijnen geoptimaliseerd voor die specifieke producten. De kans dat een defect product de fabriek verlaat, is kleiner dan een op de tienduizend. Bij elektronica voor de OEM-markt is de situatie heel anders: de volumes zijn klein, enkele honderden per batch, en de diversiteit aan producten op dezelfde lijn groot. Hier ligt de kans op een defect product eerder in de buurt van een op de honderd. Het streven is om dit terug te dringen naar een op de duizend, dus minder dan één fout per batch.

De inspanningen om tot een optimaal product te komen, noemen we design for excellence (DFX). DFM en DFT zijn hier onderdeel van, evenals de focus op betrouwbaarheid, performance en prijs. Als eerste stap bij DFX bepalen we met de opdrachtgever welke kwaliteit bij levering gewenst is. Dit drukken we uit in ’slip through‘ en betreft het maximaal geaccepteerde percentage van producten dat bij ontvangst niet volledig voldoet aan de specificaties.

Deze kwaliteit realiseren we door alle vervolgstappen erop in te richten om de factor arbeid tijdens de productie(test) tot het uiterste minimum te beperken. Immers, waar mensen assembleren en testen, voegen ze fouten toe.

DFT en DFM

Met geautomatiseerde statistische gereedschappen voeren testengineers DFT-analyses uit. Van alle producten analyseren die automatisch alle productiegegevens. Hierdoor ontstaat een statistisch beeld van de kwaliteit van de productiefaciliteiten. Dit beeld wordt uitgedrukt in het gemiddelde aantal fouten bij één miljoen herhalingen (defects per million opportunities, DPMO). Best-in-class productie in een high-mix low-volume omgeving heeft een DPMO van minder dan 35; bij golfsolderen van through-hole onderdelen is de DPMO beduidend hoger: < 175.

Aan de hand van kentallen van het ontwerp en de DPMO-karakteristieken van de productielijn schat de testengineer de initiële opbrengst. Evenzo analyseert hij het effect van de testmethodes. Elke methode filtert een klasse van mogelijke fouten. Door de mix van testmiddelen te optimaliseren, realiseert de engineer een zo hoog mogelijke testdekking tegen zo laag mogelijke kosten. Daarbij hebben we een uitgesproken voorkeur voor tests die automatisch uitvoerbaar zijn, dus zonder menselijke tussenkomst. Alle testmiddelen vereisen een ontwikkelinspanning en doorlopende testkosten. De DFT-analyse dient als onderbouwing voor deze kosten.

Wanneer de klant hoge eisen stelt aan de kwaliteit van de producten, is het duidelijk dat de testkosten een substantieel deel van de totale kosten kunnen gaan uitmaken. Als de ontwerpers echter vroegtijdig weten welke maatregelen ze kunnen nemen om een design beter testbaar te maken, kunnen ze deze kosten beheersen zonder concessies te doen aan de kwaliteit. Vandaar dat ze de testspecialisten zo vroeg mogelijk, al tijdens het conceptuele ontwerp, betrekken in het designproces. Samen kunnen ze bepalen hoe effectieve en efficiënte testmogelijkheden te implementeren.

De noodzaak om de factor menselijke arbeid gedurende de PCB-assemblage uit te bannen, verlangt ook een expliciete drive om full reflow te ontwerpen, dus zonder golfsoldeerproces. Waar nodig bieden pin in paste– of through-hole reflow-componenten uitkomst. Deze kunnen meelopen op automatische plaatsing en in het reflowsoldeerproces.

Een aantal producten stelt bijzondere eisen aan het productieproces. In onze praktijk zijn we verschillende voorbeelden tegengekomen. Dan gaat het bijvoorbeeld om een product dat heel veel connectoren combineert met SMD‘s aan beide zijden van het PCB. Of om een product voor een automotiveomgeving met grote hoogteverschillen van de onderdelen. In dergelijke gevallen overleggen alle betrokkenen vooraf intensief met elkaar om het ontwerp produceerbaar te maken en de betrouwbaarheid van het product te optimaliseren.

Componentkeuze

Tot nu toe hebben we geen aandacht besteed aan het PCB als component. Ten onrechte wordt de printplaat vaak beschouwd als een weinig kritisch onderdeel. Net als alle andere schakels van het ontwerp- en productieproces ontkomt ook het PCB niet aan een kritische blik. We zien in toenemende mate dat de precieze eigenschappen van het bord en het materiaal waaruit het is opgebouwd van invloed zijn op het gedrag van de schakeling. Bij de hoge frequenties van tegenwoordig, veelal in de gigahertzen, is het PCB een kritische component geworden.

Wanneer de printplaat wordt toegepast in een wetenschappelijk instrument, bijvoorbeeld onder vacuümcondities, of buigbaar moet zijn, zijn de uitdagingen nog groter. In dit soort gevallen betrekken we de PCB-fabrikant bij het ontwerpproces om optimaal gebruik te maken van diens kennis en ervaring. Samen met hem komen we tot het beste resultaat.

De ontwerpers bepalen welke onderdelen er op de printplaat komen. De functionele eisen zijn hierbij het uitgangspunt. Daarnaast houden ze rekening met kwaliteit, kostprijs, levertijd en beschikbaarheid van de componenten. In deze fase kijken testengineers met het ontwerpproces mee om de mogelijkheden van boundary scan optimaal uit te nutten, aangezien de wens voor zo‘n test de componentkeuze beïnvloedt. We zien dat de meerkosten van boundary scan vaak opwegen tegen wat we anders extra kwijt zijn aan tests en reparatie.

Voor de meest gangbare onderdelen, zoals weerstanden en condensatoren, zijn veel aanbieders te vinden. Meestal is het niet kritisch welk merk we gebruiken. De onderdelen generiek specificeren en dan het EMS-bedrijf de keuze laten maken geeft de ruimte om logistieke voordelen te behalen.

Met ontwerpspecifieke onderdelen ligt het veel complexer. Hier hebben we te maken met een sterk uiteenlopende kwaliteit, lange levertijden, grote prijsverschillen tussen distributeurs en aanzienlijke minimale orderaantallen. In de prototypefase is het belangrijk om snel over kleine hoeveelheden te kunnen beschikken. Internetwinkels spelen hier graag op in, zij het tegen een behoorlijke opslag. In het belang van de doorlooptijd van het project zijn de meerkosten toch te verantwoorden. Een extra uitdaging bij dit soort onderdelen is dat hun verpakking vaak niet geschikt is voor verwerking door automatische plaatsingsmachines.

In de ontwerpfase informeren de ontwerpers het EMS-bedrijf regelmatig over de componenten die ze denken te gaan gebruiken. De inkopers verifiëren de prijs en levertijd van deze onderdelen. Het kan zijn dat verderop in het traject wordt besloten de componenten niet toe te passen. De ontwerpers en de producent beslissen samen wanneer de bestelling voor welke onderdelen de deur uit gaat, waarbij ze de risico‘s zo goed mogelijk balanceren.