Estrategias optimizadas para reducir costes de prueba e inspección aumentando la calidad de fabricación

por Paul Groome, Machine Vision Products, Inc.

Publicado en US-Tech, Edición de mayo de 2009

En el entorno económico actual, optimizar los costos de fabricación —especialmente los costos de prueba e inspección— es una prioridad para la mayoría de las empresas. Sin embargo, aún debemos garantizar el mayor nivel de calidad en los envíos a los clientes. Ambos objetivos, costo y calidad, pueden lograrse seleccionando cuidadosamente la estrategia de prueba e inspección utilizada en la fabricación. Comprender los beneficios y la cobertura de defectos que proporcionan las distintas soluciones es clave para alcanzar la mayor calidad al menor costo.

La mayoría de las técnicas de prueba e inspección utilizadas hoy existen desde hace mucho tiempo. La mayoría se originó a finales de los años 80, cuando los procesos de fabricación prevalentes utilizaban tecnologías de orificio pasante (through-hole). ¿Por qué, después de la introducción de la manufactura SMT hace más de 15 años, seguimos utilizando el mismo equipo y las mismas metodologías de prueba?

La mayoría de los fabricantes con los que he trabajado utilizan las mismas técnicas de prueba que hace 20 años: ICT, inspección visual, MDA y prueba funcional. ¿Es esta la forma más eficaz de garantizar la calidad del proceso y los costos más bajos? No. En la mayoría de los casos, la AOI completa combinada con Boundary Scan detectará prácticamente todos los defectos de producción y eléctricos.

Si observamos los procesos de fabricación actuales, existe una gran variedad de técnicas automáticas de prueba e inspección para encontrar defectos y mejorar la calidad: In-Circuit Test Systems (ICT), Manufacturing Defect Analyzers (MDA), Soluciones de Inspección Óptica Automatizada Completa (AOI-Full), Inspección Óptica Comparativa (AOI-Comp), Prueba Funcional (FT), Boundary Scan (BScan), Inspección Automatizada por Rayos X (AXI) y Flying Probers (FP).

Figura 1 – Típicas tasas de DPMO para encapsulados

Cada plataforma tiene capacidades que permiten localizar distintos tipos de defectos, cada una con diferentes costos y niveles de resolución diagnóstica. Entonces, la pregunta es:

¿Qué soluciones debo utilizar para afrontar los desafíos actuales de la fabricación SMT?

♦ Definir una estrategia de prueba e inspección para los procesos de fabricación actuales

El primer aspecto para definir una estrategia es entender los defectos que se generan en su proceso y qué niveles de calidad exigen sus clientes.

Los tipos de componentes, las densidades del PCB y el equipo utilizado impulsan la calidad del ensamblaje final. Las tasas DPMOJ (Defects Per Million Opportunities per Joint) para los encapsulados actuales varían desde menos de 50 DPMOJ hasta más de 15.000 DPMOJ. Los encapsulados de área (Area Array) suelen ser los más confiables de colocar y refluir, mientras que los dispositivos de paso fino suelen tener los índices de defectos más altos. Las Figuras 1 y 2 muestran los valores típicos de DPMOJ basados en datos de clientes de MVP. Los miembros de iNEMI o IPC tienen acceso a herramientas para calcular la capacidad del proceso, rendimientos esperados y tasas de defectos.

Para las pruebas e inspección es fundamental que la capacidad del sistema coincida con la capacidad de su proceso para garantizar el mayor rendimiento.

♦ Capacidades del sistema: ¿Cuál es el costo de capturar un defecto?

Como se muestra en la Figura 3, cada herramienta de prueba e inspección disponible tiene diferentes capacidades y costos asociados. Analicemos las opciones en línea disponibles actualmente.

♦ In-Circuit Test (ICT) y Manufacturing Defect Analyzers (MDA)

La ventaja del ICT es que puede proporcionar cobertura funcional para dispositivos digitales. Debido al tiempo requerido para generar modelos completos de prueba, la mayoría de los usuarios hoy prueban dispositivos digitales usando técnicas de apertura capacitiva, lo que reduce la prueba a una verificación de pines. Otro problema del ICT es que no prueba componentes en paralelo, como capacitores de desacoplo o dispositivos con múltiples conexiones de alimentación y tierra.

Por lo tanto, la cobertura real de fallas a nivel de unión suele estar entre 65–75 %, mucho menor de lo que muchos usuarios creen. Cuando se considera la pérdida de acceso eléctrico debido a alta densidad de componentes o problemas de frecuencia de señal, la cobertura disminuye aún más.

Dependiendo de la configuración, los sistemas ICT cuestan entre 50.000 y más de 500.000 dólares. El diseño de un solo fixture y programa para una placa grande (>5.000 nodos) puede costar más que un sistema AOI completo. Incluso las placas pequeñas pueden costar 20.000 dólares y tardar 2–3 semanas.

Combinando el costo de soportar ICT/MDA, la baja cobertura, la pérdida de acceso y la menor relevancia para dispositivos digitales, la pregunta es:

¿ICT sigue siendo rentable para la fabricación moderna?

♦ Inspección Automática por Rayos X (AXI)

Existen dos tipos principales de AXI 3D en línea: tomosíntesis y laminografía. AXI ofrece la mayor cobertura para uniones ocultas de soldadura, pero presenta inconvenientes claros:

• costos entre 450.000 y 750.000 dólares

• generalmente no cumplen con los ciclos de tiempo de línea

• altos índices de falsas llamadas (>5000 ppmJ)

• programación compleja y lenta

A menos que se requiera inspeccionar defectos muy específicos en productos de muy alto valor, AXI no es viable para la mayoría de las líneas SMT.

♦ Boundary Scan (BScan)

Estándar desde los años 90, recientemente ha ganado popularidad debido a la pérdida de acceso eléctrico en ICT y MDA.

Boundary Scan ofrece:

• la mayor cobertura para dispositivos digitales

• el menor costo por defecto

• costo del sistema: 10.000–25.000 dólares

Si los ingenieros encadenan correctamente los dispositivos compatibles, se logra una cobertura muy alta. También es ideal para pruebas digitales, programación ISP y programación de memoria flash.

♦ Inspección Óptica Automatizada (AOI)

— AOI Completa vs. AOI Comparativa

Muchos usuarios las colocan en la misma categoría, pero en realidad son tecnologías muy distintas.

AOI Completa (Full AOI)

• mide parámetros reales: volumen de soldadura, posición, dimensiones

• ofrece la mayor repetibilidad y cobertura

• se adapta a SPC y control de procesos

• menos sensible a variaciones del proceso

• proporciona la mejor cobertura global de defectos

AOI Comparativa

• compara contra una imagen “dorado”

• es más rápida para crear el primer programa

• genera más falsas llamadas

• tiene menor cobertura en producción real

♦ Elegir la estrategia correcta de prueba e inspección

La Figura 5 muestra la cobertura total de defectos para distintos métodos.

La combinación AOI Completa + Boundary Scan proporciona la mayor cobertura al menor costo.

Esta estrategia combinada permite:

• 100 % de cobertura de componentes

• verificación de valores de pasivos

• garantizar operación y funcionalidad de todos los dispositivos digitales

• costos de soporte extremadamente bajos

• tiempos de programación muy rápidos (< ½ día)

• capacidad de implementar SPC y control del proceso

En la mayoría de los casos, la estrategia más rentable y eficaz consiste en una estrategia de prueba distribuida, cuyo núcleo es AOI Completa.

Para ello, la AOI debe incluir:

• metrología avanzada

• técnicas de detección Tri-Color

• capacidades de medición flexibles

• alta resolución

• herramientas de programación rápidas (como ePro)

Figure 5 – fault Coverage Capabilities, NPI and Lowest Cost Strategies