בניית אב טיפוס אלקטרוני: איך מזהים תקלות

בניית אב טיפוס אלקטרוני היא השלב הזול ביותר לגלות בו תקלות: טעויות בתכנון המעגל, בהלחמות, בחיווט או בבחירת הרכיבים מתגלות על שולחן הבדיקה ולא אחרי שהוזמנה סדרה.
תהליך נכון כולל בדיקה שיטתית של הדגם הראשון, תיעוד כל ממצא, תיקון בסבבים קצרים ובדיקת התאמה לייצור, שנקראת "תכנון לייצור" (DFM), לפני שמקפיאים את התכנון.
ק.א.א הוקמה בשנת 1989 ומלווה פרויקטים בין הרכבת מעגלים מודפסים, חיווט והרכבות אלקטרו-מכניות, ולכן אנחנו רואים עד כמה ההחלטות הללו מכריעות.
רוצים לבדוק דגם ראשוני לפני שמגדילים כמויות?
פנו אלינו ונעבור יחד על התכנון והתוצאות.

אילו תקלות נפוצות מתגלות בדגם הראשון?

התקלות מתחלקות לארבע משפחות, וכדאי לדעת לאיזו מהן שייך כל ממצא, כי לכל אחת פתרון אחר.
מאמרים אחרים באתר סוקרים את שלבי התהליך מתכנון לדגם עובד.
כאן נתמקד במה שמשתבש ובאיך מזהים את זה.

• תקלות תכנון: חיבור שגוי בסכמה, פיזור מתח לא מספק, הארקה לקויה, נתיבים רועשים במעגל המודפס או תזמון שלא עומד בעומס אמיתי.
• תקלות הרכבה והלחמה: גשרי בדיל בין פינים, הלחמה קרה, רכיב קטן שנעמד על קצהו בזמן ההלחמה (תופעה שנקראת "אפקט המצבה", Tombstoning) וחללי אוויר מתחת לרכיבי BGA, שאפשר לראות רק בצילום רנטגן.
• תקלות רכיבים: רכיב שהגיע לסוף חייו המסחריים, תחליף שהתנהגותו שונה במעט, או רכיב שלא מוגדר לטמפרטורת ההלחמה שנדרשת.
• תקלות חיווט וממשקים: מחבר שנלחץ בצורה לא תקינה, פין שהוצא מהמחבר, חוט שנשבר בנקודת כיפוף או רתמה שאורכה לא מתאים למארז.

הבחירה בהלחמה משפיעה ישירות על הממצאים.
בדיל ללא עופרת מסוג SAC305 נמס בסביבות 217 עד 220 מעלות צלזיוס, לעומת 183 מעלות בסגסוגת בדיל-עופרת Sn63Pb37.
רכיב או מארז שתוכננו לפרופיל טמפרטורה נמוך יותר עלולים להתקלקל כבר בהרכבה הראשונה.

לדברי מהנדס ייצור ותיק, "אב טיפוס שעובד על שולחן המעבדה הוא עדיין לא מוצר שאפשר לייצר.
התקלה שמופיעה רק בהרכבה השלישית היא בדרך כלל תקלה של תהליך ולא של מעגל".

איך בודקים דגם ראשוני בצורה שיטתית?

סדר הבדיקות חשוב כמו הבדיקות עצמן.
מתחילים בבדיקות שלא יכולות לפגוע בדגם ועוברים בהדרגה לבדיקות תובעניות יותר.
הכלל הראשון הוא לשנות משתנה אחד בכל פעם ולרשום מה שונה, אחרת אי אפשר לדעת איזה תיקון פתר איזו בעיה.

בדיקת ההפעלה הראשונה נעשית באספקת מתח מוגבלת בזרם ולא ישירות מהספק מלא.
כך תקלת קצר מזוהה לפני שהיא שורפת רכיבים יקרים, ואפשר להשוות את צריכת הזרם למה שחושב בתכנון.

בלוחות עם רכיבים גדולים ומורכבים אפשר להיעזר בתקן IEEE 1149.1, הידוע בשם JTAG, שמאפשר לבדוק חיבורים בין רכיבים דרך מחבר ייעודי גם כשאין גישה פיזית לפינים.
כדי להשתמש בו צריך לתכנן את המחבר כבר בדגם הראשון.

כדי להעריך איכות הלחמות והרכבה נעזרים בתקן IPC-A-610, שמגדיר קריטריוני קבלה להרכבות אלקטרוניות בשלוש מחלקות: Class 1 לצרכנים, Class 2 למוצרי שירות ו-Class 3 למוצרים עתירי אמינות, כמו מוצרי רפואה ותעופה וחלל.
לרתמות וכבלים קיים תקן מקביל, IPC/WHMA-A-620.
מומלץ להחליט מראש על איזו מחלקה בונים, כי מחלקה גבוהה יותר דורשת בדיקות נוספות ומשפיעה על העלות.

אחרי שההפעלה הראשונה עברה בשלום, מודדים את כל פסי המתח בנקודות מדידה מסומנות ומשווים אותם לסכמה.
סטייה של יותר מכמה אחוזים מהערך הנקוב, למשל פס של 3.3 וולט שנמדד כ-3.1 וולט, מרמזת בדרך כלל על עומס חריג או על רכיב פגום.
בהמשך בודקים באוסילוסקופ את הרעש והריפל על הפסים הרגישים, ומצלמים את הלוח במצלמה תרמית כדי לאתר רכיבים שמתחממים יותר מהצפוי.
ממצאים כאלה קל לתקן בשלב הדגם, ויקר הרבה יותר לטפל בהם אחרי שהלוחות כבר נוצרו בכמות.

איך מייעלים את המוצר לפני הייצור?

אחרי שהתקלות זוהו ותוקנו, מגיע שלב ההתייעלות: הפיכת דגם שעובד למוצר שאפשר לייצר בעקביות.
זה נעשה בארבעה תחומים.

התחום הראשון הוא תכנון לייצור.
בודקים שגודל הפדים מתאים לרכיבים, שהמרווחים בין הרכיבים מאפשרים הלחמה ובדיקה, שיש סימוני יישור על הלוח (Fiducials) לקריאת המכונה ושהלוח בנוי כך שאפשר לייצר כמה יחידות על לוח אחד.
הרבה מההחלטות האלה לא משנות את התפקוד, אבל הן משנות את שיעור התקלות בהרכבה.

התחום השני הוא תכנון לבדיקה.
נקודות מדידה נגישות, מחבר תכנות וחלוקה ברורה של הלוח לאזורים מקצרים את זמן הבדיקה בקו הייצור.
כשהמוצר דורש תחנת בדיקה ייעודית, כדאי להחליט עליה כבר בשלב זה, ואפשר לייצר אותה כציוד בדיקה מותאם.

התחום השלישי הוא רשימת החומרים (BOM).
מצמצמים סוגי רכיבים כשאפשר, מגדירים תחליף מאושר לכל רכיב קריטי ומוודאים שאף רכיב אינו מסומן לסיום ייצור.
רכיב יחיד שאין לו חלופה יכול לעצור סדרה שלמה.

התחום הרביעי הוא החיווט והמכניקה.
רתמה שאורכה מחושב לפי המארז האמיתי, מחברים שאי אפשר לחבר הפוך, סימון ברור לכל כבל והקלה מכנית בנקודות יציאה מקטינים טעויות בהרכבה.
במוצרים שמשלבים לוח, חיווט ומארז, ההרכבה האלקטרו-מכנית עצמה היא חלק מהאב טיפוס ולא שלב נפרד אחריו.

כדאי לזכור שכל שינוי בתכנון עולה יותר ככל שהוא מגיע מאוחר יותר.
תיקון בסכמה לוקח שעות, שינוי בלוח מודפס שכבר יוצר בכמות מחייב ייצור מחדש, ושינוי אחרי שהמוצר הגיע ללקוח כולל גם החזרות ופגיעה באמון.
לכן סוגרים את רשימת השינויים בסבב אחד מסודר, מעדכנים את כל המסמכים יחד, ומוודאים שגרסת הקבצים שנשלחת לייצור היא אכן הגרסה שנבדקה.

מה כדאי לבדוק בבניית אב טיפוס לפני שעוברים לייצור סדרתי?

בניית אב טיפוס מסתיימת כשיש תשובה ברורה לשאלה אם התכנון מוכן, ולא כשיש דגם שעובד.
אין מספר קבוע של סבבים.
מוצר פשוט עשוי להסתפק בסבב אחד או שניים, ומוצר מורכב ידרוש יותר.
הקריטריון הוא שסבב נוסף כבר לא מגלה תקלות חדשות.

לפני שמאשרים מעבר לייצור כדאי לוודא שהדברים הבאים קיימים וסגורים:

• תוצאות בדיקות מתועדות לכמה יחידות, ולא רק ליחידה אחת שעובדת.
• רשימת חומרים סופית עם תחליפים מאושרים לרכיבים קריטיים.
• קבצי ייצור מלאים: קבצי Gerber ללוח, קובץ מיקום רכיבים, שרטוטי הרכבה ומפרט רתמות.
• נוהל בדיקה כתוב שאדם אחר, שלא בנה את הדגם, יכול להריץ.
• הגדרה של מחלקת האיכות הנדרשת ושל הבדיקות שמתלוות אליה.

הרבה חברות מגלות מאוחר שהמעבר מדגם עובד לייצור סדרתי הוא פרויקט בפני עצמו.
לכן שווה לבחור שותף שיכול לבנות את הדגם ולייצר את הסדרה, כך שהלקחים מההרכבה הראשונה עוברים ישירות לקו הייצור.
ק.א.א מספקת פתרונות Full Turnkey, כלומר ליווי מהתכנון ועד המוצר המוגמר, ובהמשך גם אספקה בשיטת STS (Ship To Stock), ישירות לקווי הייצור וההרכבה של הלקוח.

שאלות נפוצות על אב טיפוס אלקטרוני

כמה שאלות שמגיעות אלינו כשהדגם הראשון כבר על השולחן:

האם אפשר להתחיל בלי מעגל מודפס ייעודי?

אפשר, כשהמטרה היא הוכחת היתכנות בלבד.
לוחות פיתוח מוכנים ולוחות ניסוי מאפשרים לבדוק רעיון מהר, אבל הם לא משקפים רעשים, מרווחים וחום של לוח אמיתי.
לפני בדיקת אמינות או הערכת עלויות חייבים לעבור לדגם על מעגל מודפס ייעודי.

מה צריך לתעד בזמן הבדיקות?

כל ממצא נרשם עם מספר היחידה, התנאים, התוצאה והשינוי שבוצע בעקבותיו.
גם המדידות שעברו תקין שייכות לתיעוד, כי הן הבסיס לנוהל הבדיקה של הייצור הסדרתי.

מה ההבדל בין דגם ראשוני לסדרת פיילוט?

דגם ראשוני נבנה כדי לגלות תקלות, ולעיתים ידנית.
סדרת פיילוט קטנה נבנית בתהליך הייצור המתוכנן, כדי לבדוק שהמוצר חוזר על עצמו בין יחידות ושקו הייצור והבדיקה עובדים כמצופה.

האם כדאי לבנות את הדגם אצל הספק שייצר את הסדרה?

זה מקצר את הדרך, כי הספק מכיר את המגבלות של קו ההרכבה שלו ויכול להצביע על בעיות תכנון לייצור כבר בבניית אב טיפוס.
מצד שני, עדיף להחליט על כך מראש ולא אחרי שהתכנון נסגר.

בניית אב טיפוס עם ק.א.א: מדגם ראשון לייצור סדרתי

דגם ראשוני טוב אינו רק דגם שעובד, אלא כזה שמלמד מה צריך לשנות לפני הייצור.
תקלות שמזהים ומתקנים בשלב הזה עולות פחות מכל תיקון אחר, ובדיקות מסודרות, תיעוד ותכנון לייצור הופכים את המעבר לסדרה לצפוי יותר.

ק.א.א עובדת עם תעשיות ביטחוניות, רפואיות ואזרחיות, ומציעה ייצור אב טיפוס, הרכבת מעגלים מודפסים, חיווט, הרכבות אלקטרו-מכניות וייצור ציוד בדיקה.
אם אתם בשלב של בניית אב טיפוס, פנו אלינו דרך אתר ק.א.א, שלחו את התכנון או את הדגם הקיים, ונגדיר יחד את הבדיקות והצעדים הבאים.