Дефект в 8 микрон отправил в брак тысячи готовых плат. Рассказываю, как мы его нашли

После десяти лет работы с качеством печатных плат большинство типовых дефектов я определяю ещё до того, как кладу плату под микроскоп. Но этот случай – первый за всю карьеру.

Дефект прошёл три уровня контроля. Потом встало производство у заказчика. Двадцать четыре тысячи плат под вопросом, санкции за простой, а в отчётах всё чисто.

Меня зовут Александр, я занимаюсь контролем качества в компании ГРАН. Расскажу, как устроено расследование сложного дефекта – от первого звонка заказчика до изменений в производственных регламентах.

Как обнаружили проблему

Мы поставили заказчику крупную партию печатных плат. Нишу назвать не можем, скажем так: массовый сегмент, с продуктами этой компании вы точно сталкивались. Требования к платам выше стандартных – изделия работают в жёстких условиях: вибрации, перепады температур, длительная эксплуатация. Для них существуют отдельные повышенные требования.

Заказчик начал монтировать платы – устанавливать компоненты и паять их. На одном из посадочных мест стоит штыревой разъём, через который вся сопутствующая электроника соединяется с управляющей платой.

Под вопросом оказались 24 тысячи плат – часть уже у заказчика, остальное на нашем складе. Конвейер встал.

Что такое пустоты при пайке и почему они опасны

Когда компонент припаивается к плате, припой должен равномерно заполнить всё пространство внутри отверстия. Если внутри остаётся пузырь – пустота – надёжность такого соединения падает.

Для обычной бытовой электроники это неприятно. Для нашего заказчика – недопустимо. Изделие постоянно работает в условиях вибрации и перепадов температур.

Кроме того, пустоты в пайке могут сигнализировать о более глубокой проблеме в самой печатной плате. С этим мы и обязаны были разобраться.

Три расследования одновременно

Ждать единственного источника ответа мы не могли. Расследование пошло по трём веткам одновременно: заказчик сделал свой микрошлиф и передал нам платы, я сделал независимые микрошлифы со своей стороны – чтобы не зависеть от единственной точки зрения, – параллельно платы ушли на нашу производственную площадку в Китай.

Взаимодействие с заводом в таких ситуациях выглядит так: я собираю всё, что есть – фотографии, микрошлифы, свои соображения о причине – и отправляю в почту с чётко сформулированной версией: вот что мы видим, вот почему считаем, что дело здесь, копайте в эту сторону.

Никаких созвонов, никаких долгих согласований. Мы работаем с этим заводом больше десяти лет, формат отработан. Завод отвечает по той же логике: факты, аргументы, следующий шаг.

Параллельно с расследованием обсуждаем запуск новой партии. Даже не дожидаясь финального отчёта – как только стало примерно понятно направление, начали договариваться о сроках перезапуска. Заказчик ждать не мог.

Первый микрошлиф и гипотеза

На снимке было видно: штырь в разрезе, вокруг него – стенка металлизированного отверстия, и та самая пустота.

Это важная деталь: если бы проблема была в процессе пайки у заказчика – припоя не было бы вообще.

Картина указывала на другое. В практике работы с дефектами есть явление, о котором я до этого только читал – газация. При нагреве во время пайки из материала платы сквозь микротрещины или поры в металлизации стенки начинают выходить газы или пары влаги. Прямо внутрь отверстия, в расплавленный припой. Отсюда пузыри – маленькие взрывы прямо в точке пайки.

Именно эту гипотезу я и выдвинул. Чтобы не ждать завода, параллельно подключил нейросеть для быстрой проверки гипотез. Когда есть несколько версий и нужно понять, какая физически состоятельна, она хорошо помогает: объясняет механику процесса, указывает на противоречия. 

Главное при использовании нейронки – правильно подать контекст: подробно описать симптомы, указать какие гипотезы отбросили и почему. В итоге основная версия осталась та же – газация через дефекты в металлизации стенок.

Как сузили круг: только крупные отверстия

На производстве были платы из той же партии – платы всегда запускают с запасом на выход негодных из-за единичных дефектов. 

Первым делом провели симуляцию пайки: погрузили платы в расплавленный припой по стандартной методике из IPC. Пузыри появились. И это произошло только с отверстиями определенных диаметров – тех, в которые паяются те самые разъемы. Это подтвердило: проблема в платах, не в процессе монтажа у заказчика.

Дальше начали резать отверстия разных диаметров и смотреть на стенки под микроскопом. И вот здесь обнаружилось кое-что важное.

Именно такие микрошлифы делались при приёмке партии, именно поэтому брак прошёл контроль: проверяли то, что было в норме.

А вот отверстия большего диаметра – те самые, под штыревой разъём – выглядели иначе.

Здесь стало понятно: дело не в металлизации. Металлизация всей платы происходит одновременно, в одной ванне, с одним раствором. Если бы проблема была в ней – страдали бы все отверстия одинаково. Но маленькие переходные отверстия были идеальными. Значит, стенки крупных отверстий пришли на металлизацию уже дефектными. Проблема возникла раньше – на сверловке.

Дефектная партия сверл

Когда стало ясно, что дело в сверловке, завод начал проверять производственные записи.

Проверили всё: параметры установки, скорость подачи сверла, количество плат в стопке за один проход, пробег каждого сверла. Нарушений не нашли. Оборудование работало в рамках инструкций, операторы делали всё как положено.

Тогда обратились к входному контролю производства – записям о проверке сверл при поступлении от поставщика. И вот здесь нашлась зацепка: в журнале была отметка о том, что в партии сверл зафиксированы небольшие дефекты – что-то вроде сколов на режущей кромке. 

По внутреннему регламенту допустимый размер таких дефектов – от 0 до 10 микрон. Сколы были в этом диапазоне, автоматическая оптическая инспекция (AOI) их пропустила. Партию приняли.

Но запись осталась. Именно она позволила двигаться дальше.

Завод взял сверла из этой партии и сверла из соседней – без замечаний – и провёл сравнительную симуляцию: просверлили по полторы тысячи отверстий теми и другими.

Сверла из проблемной партии изнашивались быстрее: начальные микросколы на режущей кромке приводили к ускоренному износу. Когда сверло изнашивалось – оно начинало вырывать волокна материала, а не резать чисто. Отсюда шероховатые стенки. Отсюда пустоты при пайке.

Завод обратился к поставщику сверл с рекламацией. Выяснилось, что причина сколов – повышенная вибрация заточного круга на стороне поставщика при заточке. Детали этой части расследования до нас не дошли, но конечный вывод был зафиксирован в 8D-отчёте.

8D – это стандартная методология расследования проблем. Восемь разделов: описание проблемы, первоочередные действия, анализ коренной причины, корректирующие меры и так далее. 

Внутри 8D могут использоваться в свою очередь различные методы по обнаружению истинной коренной причины. Наиболее простой и распространенный  – 5Why-анализ: цепочка последовательных вопросов «почему», которая ведёт от симптома к первопричине. В нашем случае она выглядела так:

Почему внутри отверстий образовались пустоты? – Потому что во время нагрева в пространство внутри отверстия выходили газы/пары из печатной платы.

Почему происходила газация? – Из-за трещин в металлизации.

Почему дефектная металлизация? – Шероховатые стенки отверстий.

Почему шероховатые стенки? – Сверло изнашивалось быстрее нормы.

Почему изнашивалось быстрее? – Микросколы на режущей кромке с самого начала.

Почему были микросколы? – Вибрация заточного круга у поставщика сверл.

Почему вибрировал заточный круг? – Перегрев круга иногда вызывает вибрацию.

Пять шагов от пустоты в пайке до станка на другом заводе.

Почему брак прошёл контроль

Этот вопрос задаёт каждый заказчик, когда к нему приходит крупный брак. И на него нет универсального ответа – каждый раз своя цепочка. В этом случае она состояла из трёх звеньев.

Первое: входной контроль сверл проводится выборочно. Проверяются не все сверла из партии, а определенная выборка по установленному значению AQL – Acceptable Quality Level. Это стандартная практика: при партии в тысячу сверл проверяют не тысячу, а расчётное количество. Дефектное сверло в выборку просто не попало.

Второе: те сколы, что всё-таки были зафиксированы при входном контроле, укладывались в допустимый регламентом диапазон 0–10 микрон. Автоматическая установка с машинным зрением работала по этому критерию и пропустила пограничные значения. Формально – всё по регламенту. Однако, отклонения попали в производственные записи, которые существуют как раз для таких случаев.

Третье: на выходном контроле готовых плат микрошлифы делаются на самых маленьких отверстиях. Это отраслевая практика – именно в них труднее всего получить качественную металлизацию, поэтому их и проверяют. Маленькие отверстия на этих платах были идеальными. Крупные – те самые 1,1 мм – никто не резал.

Каждое решение по отдельности было разумным. Вместе они образовали слепое пятно именно там, где был дефект.

Что изменили после

Корректирующие меры – обязательная часть 8D-отчёта. Если в отчёте нет конкретных изменений с доказательствами – скриншотами обновлённых инструкций, новыми параметрами оборудования – такой отчёт нужно возвращать и запрашивать доработку. «Оператор будет внимательнее» – не корректирующая мера. Это пустые слова.

В нашем случае изменения были конкретными.

На стороне завода-изготовителя плат: автоматическая установка, которая проверяет качество режущей кромки сверл при входном контроле, перенастроена. Допустимый диапазон сколов сужен с 0–10 до 0–6 микрон. Пограничные значения, которые раньше пропускались, теперь будут отбраковываться.

Дополнительно увеличен размер выборки при входном контроле сверл. Если раньше из тысячи проверяли расчётный минимум по AQL, теперь выборка больше – вероятность поймать дефектный экземпляр выше.

На стороне поставщика сверл – устранена вибрация заточного круга. Детали этой части до нас не дошли, но факт устранения зафиксирован.

Ни одно из этих изменений не возникло бы, если бы расследование остановилось раньше.

Насколько глубоко копать

Глубина 5Why-анализа – это выбор между тем, повторится проблема или нет. Покажу на другом примере, попроще. 

Представьте ситуацию: производство отгружает партию с неверным количеством плат. Казалось бы, мелочь. Но неверное количество при пересечении границы – это задержки и штрафы при следующих поставках. То есть такая ошибка недопустима.

Поверхностное расследование выглядело бы так: оператор упаковки не сделал двойной пересчёт, хотя обязан по инструкции. Виноват оператор. Конец.

Такой ответ мы вернем как неудовлетворительный.

Хороший отчет мог бы выглядеть так. Завод не останавливается на операторе, а идет дальше. Выясняет, почему не сделали двойной пересчет. Такое может случиться, например, если для участка упаковки не прописаны критические контрольные точки процедуры. Контрольная точка качества (quality control point, QCP) – это точка, в которой сбой стандартной операционной процедуры может нанести ущерб качеству и клиентам. 

Оператор формально нарушил инструкцию, но сама система контроля на этом участке оказалась слабее, чем нужно.

Дальше идеальный сценарий: мы объясняем, почему это важно для нас. Что лишние платы в коробке – это потеря времени и убытки. Завод нас слышит и добавляет QCP для процесса упаковки, регламент пересчета и порядок обучения операторов. 

Если остановить анализ на «оператор был невнимателен» – при следующей смене или после его увольнения всё повторится. Системы нет, значит результат случаен.

Добросовестное расследование отличается от недобросовестного длиной цепочки вопросов. Чем глубже копаешь – тем выше вероятность, что эта конкретная проблема больше не вернётся.

Титры

Спасибо, что прочитали!

Еще у нас есть канал о печатных платах. Разбираем сложные технические вопросы, делимся экспертизой в производстве и проектировании. Выкладываем полезные материалы и руководства. Отвечаем на вопросы в комментариях. 

Некоторые темы, которые уже обсуждали:

• классы IPC, их отличия и схожесть с ГОСТ;

• концепция DFM при проектировании плат;

• проектирование HDI-плат и их особенности;

• финишные покрытия;

• возможности производств в целом.

Подписывайтесь, будет интересно.

На нашем сайте вы можете также найти руководства по проектированию жестких печатных плат и HDI, а также руководство по входному контролю. Скачать их можно тут. В будущем мы планируем выпускать еще такие материалы! Их появление анонсируем в нашем тг-канале.