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使用PCQR2采购PCB
  2021-06-16      82

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作者:Al Block、Naji Norder和Chris Joran,NATIONAL INSTRUMENTS

编辑手记:本文是最新的IPC-9151D标准,它将是IPC APEXEXPO2021技术计划的一部分。我们发表这些先导性文章的目的是配合在这次会议期间分享这些最新研究。

摘要

在全球市场中,往往很难确定既能满足你的技术要求又能使你的产品达到最低制造成本的最佳PCB供应商。考虑到每个PCB供应商在设备、工艺、性能方面都有各自的优势,因此《IPC-9151D工艺能力、质量和相对可靠性 (PCQR2)基准测试标准》的一致性测试数据可以帮助你根据特定的技术要求找到合适的PCB采购来源。通过使用基于数据的方法选择供应商,可以避免采购的主观性,PCB工艺专家在规划技术时可以减少对特定供应商的依赖,排除不合理的采购决策。

通过将标准结果和我们的报价模式相结合,我们公司大幅度降低成本,这既有助于将每一块电路板送到合适的供应商手中,又可以降低电路板在开发、生产和使用现场中的故障率。公司使用PCQR2筛选出能够利用统计工艺控制(SPC)来监测和控制他们的工艺变量的供应商,提供质量始终一致的产品,从而过滤掉那些依赖特定员工获得暂时成功的供应商。

此外,从接受待加工的产品到把这些产品加工后交付给另一家公司期间,跟踪PCQR2的性能趋势,并且可以观察改进设备与工艺和提高生产能力的关系。然后,在准备好制造具有挑战性的技术更高的PCQR2样品时,该公司可以使用这种数据来推动我们的供应库,这反过来在报价模型中提高他们公司的地位,产生更多的报价机会和更高的收益。

引言

我们公司提供适用于多种应用的产品和系统。这要求供应链能够在高混合、小批量的环境中提供支持和成长。我们拥有超过1000种独特的PCB设计,我们面临的其中一个挑战就是要向“正确的”制造工厂采购电路板,这些工厂制造的电路板是技术、产能和成本的最佳组合。困难的是,PCB采购采用分散管理的方法,因此每个研发团队都拥有最终决定权,决定哪个工厂将得到业务。使用《IPC-9151D 工艺能力、质量与相对可靠性(PCQR2)基准测试标准》建立一套公司内部的报价模型,根据数据来确定供应商的资格,根据电路板的技术要求指导每个询价请求分配给正确的供应商子集,在做最终的供应商选择时,允许研发团队把重点放在价格和交货时间上。

背景

在使用PCQR2之前,采购PCB时的报价情况是随意的。许多采购决策具有主观性,基于单个研发团队过去向已知的供应商采购的经验,而不是考虑PCB的技术要求。报价要求的格式五花八门(电子数据表、文档、手写文件、电子邮件等),有的时候会缺乏与PCB成本有关的数据。每个供应商都会收到所有的报价要求,所以会要求一些供应商提供报价,在某些情况中,这些供应商制造出来的电路板是不合格的。当这种情况导致在产品原型验证过程中失效时,研发被推迟,产品的发布也被推迟。在其他例子中,供应商聘请员工的经验超过他们的工艺与设备的能力,他们能够提供达到验证和生产要求的质量的电路板。采用这种生产方法,关键是工人在制造时的“技巧”,而不是遵循一套制造流程来生产产品,这表现为供应连续性的风险,这种风险本身对我们的PCB产品团队来说就是一种挑战。

报价模型

为了解决这一挑战,研发团队需要的是动态的自动化解决方案,一个可扩展的而且能够适应供应基础、技术与市场变化的解决方案。选择这样的解决方案的目的是开发出一个公司的报价模型。在报价时,由PCB设计师填写一份标准的报价表格,内容包括电路板的规格、预期的数量、联系人等等,以统一的格式获取数据并确保数据的完整性。然后将PCB的规格参数录入到报价模型数据库中,以确定合格的供应商。最初的时候,根据技术能力,供应商被分为低、中、高三档,只有那些被认为在技术上能够合格地制造电路板的供应商才会收到报价要求。研发团队可以确保收到的每一个报价都是有效的,而且他们可以根据更简单的标准子集来评估:样机或生产成本,以及交货周期。

然后,我们应当如何确定每家供应商的每座工厂的能力?大多数供应商都会在他们的网站上介绍他们的工艺能力。可以利用这些信息来粗略确定供应商的能力,但这些信息不是100%准确或可靠的。现场审核一直都很有帮助,但这仍然带有点主观性质,使用这些审核来限定供应商的资格可能会要求我们保留或雇佣超出任何其他产品所需要的内容专家。一个由客户组成的的资格委员会可以让制造工厂展示他们针对公司未来几代产品所需要的特定技术的能力,但是这需要产品团队开发测试工具和管理对每一个样本的评价,这只限于那些已经收到了测试工具和制造这些产品的供应商。更好的选择是使用第三方的测试工具,以及PCB产品团队选择IPC-9151D的测试标准。

PCQR2

《IPC-9151D 印刷电路板的工艺能力、质量,以及相对可靠性基准测试标准与数据库》定义了可用的测试样本并对它们进行的测试。可以把这些样本排列成各种测试拼板,目前有11种不同的拼板选择,它们的主要区别在于层数、过孔结构和走线的几何形状。在理想情况下,供应商应当生产每一种电路板,最大程度展示从成功生产到不成功生产的过渡,从而建立他们生产能力的边界。为了便于比较各个工厂之间的制造结果,我们选择三种主要的拼板类型——10R、18R和24VH,分别和低、中、高技术能力大致对应。供应商自主选择想要尝试的拼板类型,有些供应商很轻松地完成他们选择的拼板,要鼓励他们在未来的测试循环中尝试更困难的拼板类型。

图1是10R-E拼板的电介质和铜的规格,以及通孔和盲孔的结构,作为公司选择最低水平技术、最低成本供应商的门槛。如果低水平技术供应商没有用于处理微过孔的设备,他们可能会选择不构建少数几个或者所有的V2结构,避免影响到拼板其余的测试。

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图1:10R-E拼板的层叠和过孔与走线结构。

随着供应商技术水平的提高,他们可能会制造复杂性中等的拼板,就如图2所示的18R-E。这种电路板的重点是技术水平更高,过孔的尺寸更小,突出了供应商铜电镀的可靠性和对准能力。

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图2:18R-E拼板的层叠和过孔/走线结构。

更复杂的拼板是图3所示的24VH-E拼板,技术水平更高的供应商可以展示更先进的过孔结构,例如埋入过孔、跳越微过孔和从背面钻孔,以及层数更多的电路板的复杂对准要求。

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图3:24VH-E拼板的层叠和过孔/走线结构。

为了更好地评估供应商在一段时间内保持工艺控制的能力,把提交测试的拼板分为三组,每组三个拼板,测试工作分散在几周内进行。未经测试的所有拼板都发送给第三方评估参数,例如导线间距的合格率、过孔的配准与可靠性、阻焊膜的配准和阻抗控制等参数。测试结果通常可以从在线报告中得到,也可以下载以进行处理。我们比较原始测试数据和内部评分标准,根据公司的特定要求建立通过/临界/不通过的限制值。

随着报价模型概念的变化,最初的低/中/高分层法补充了十几个与特定电路板特性有关的参数。供应商能始终达到内部标准的最小几何特征决定供应商在这方面的评级。通过要求每年提交PCQR2,供应商定期证明他们有能力保持他们的工艺水平和他们在资本支出和工艺改进方面的确实成效。

使用PCQR2的结果

这些成果可以迅速、客观地应用到我们的报价模型中。图4是报价模型数据库逻辑样例。布尔标准基于供应商在选择的提交内容时未执行或未执行的特定功能,以及其他的参数,例如ITAR能力和通过审计建立的那些参数。通过执行PCQR2性能标准可以对每个特征参数客观地确定最小/最大值。

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图4:报价模型数据库的例子。

例如,考查24VH-E拼板的内部导体。这个测试工具的内部导线宽度是0.05、0.075、0.1和0.125毫米 (2、3、4和5密尔)。和我们的分级标准进行比较,大多数供应商制作的2密尔走线都不成功,有一些供应商成功地制作出3密尔走线,而成功制作出4密尔走线的供应商会更多一些,所有的供应商都能成功制作出5密尔走线。制造3密尔走线失败的工厂处于能够制作出4密尔走线的工厂梯队中的边缘位置,但它能够通过5密尔走线的测试,在制作5密尔的工厂中的排名也许还会靠前一些(例如,能制作出4.5密尔的走线),这取决于对制作5密尔走线工艺的小改进。灵活、可定制的报价模型能够支持其他例外情况,例如,图4中供应商5的顺序层压能力需要咨询PCB产品团队。

整理提交的多个结果,就可以进行趋势分析。图5是来自四个不同PCQR2提交的数据。在这个例子中的数据可以用于供应商#1的站点A每隔一段时间的趋势分析,或者供应商#1的站点A和B之间、供应商#1和供应商#2之间的趋势分析。然后,在现场审核时可以用这种趋势分析的结果帮助建立日程表的优先顺序,还可以把趋势分析同生产问题联系起来,或者,最重要的是可以用它预测生产问题,在问题出现之前就把它解决掉。

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图5:趋势分析的例子。

 对PCB购买方/PCB组件制造商的好处

我们看到通过赞助与共享像PCQR2这样的第三方测试工具的测试结果有很多好处。

排除采购的主观性。通过根据我们的产品需求量身定制的客观指标来建立和提高技术能力。。

有助于淘汰那些在企业文化中不支持SPC/CIP的供应商。专门设计测试拼板来了解供应商在生产能力与工艺方面的局限性。不使用统计工艺控制(SPC)的供应商不能保持每个批次和每次交货的一致性,那些在资本投资上处于停滞状态的供应商,他们的测试结果无法进一步提高,或者落后于生产要求。在决定解决或摆脱陷于困境的供应商时,这些客观的测量是对审核结果的补充。

推动供应商质量提高。图6说明随着我们的供应商技术能力的提高(通过PCQR2提交的电路板的平均层数表示),PCB的PPM拒绝率呈下降趋势。

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图6:产品质量随着使用PCQR而改善。

l减少从开始研发到进入市场的时间。所有能够提供电路板报价的供应商都已经证明,他们有能力能够重复并且稳定地构建这类电路板。

正确的采购/合适的价格。如果技术能力不是根本性的问题,研发采购经理可以将价格作为决定性因素,有助于把业务推向技术符合要求的低成本供应商。

促进供应商提高竞争力。我们与我们的所有供应商共享通用类测试结果,这样,他们就会知道自己在同行中所处的位置。

推动供应商改进技术和工艺。质量问题可能和测试结果中的薄弱点或失误有关。同样,供应商产品的性能改进可以明显证明投资和改进工艺的好处。

提高客户满意度。通过可靠的和可证明的工艺能制造出更多的产品意味着故障和漏检的缺陷都更少,从而减少现场故障和客户回报。

保持制造成本不断下降。可靠产品的制造问题比较少,需要的NCMR处理和无序工作也更少。此外,使用第三方测试工具比开发内部测试工具更便宜。

有助于发现新的供应商。测试结果通常在所有的测试赞助商之间共享,因此,我们可以看到所有提交的测试结果,而不仅仅是我们赞助的那些测试的结果。

PCB供应商的好处

采取持续不断改进和定期绩效评估的PCB供应商也看到使用PCQR测试标准的好处。

结果是成为一个营销工具。对于他们现有的客户,使用PCQR2进行的改进为他们提供资本支出和改进工艺带来好处的切实证据,并且应该带来更高的资格和更大的市场份额潜力。此外,由于所有的用户(不是只有赞助发起人)都可以使用测试结果,良好的性能可能会带来新的客户。

推动技术与工艺改进。刚开始,供应商还是不怎么愿意使用由客户提供的数据和与客户分享自己的数据来推动他们内部工艺的改进和设备升级。但是,供应商现在迫切希望把他们的年度测试标准,以此作为向他们的客户和他们的管理团队展示他们的资本投资成果的机会。

增加客户的满意度。现场故障减少意味着不满意的买家变少了。

保持成本持续下降。测试工具让供应商识别出制造问题,在它们影响生产的成品率或延迟快速转换原型生产任务之前纠正这些问题,减少废品和有缺陷产品返修的成本。返修产品的提交与测试费用由客户支付。

结论

在选择利用IPC-9151D PCQR2数据库时,我们公司通过排除主观性和确保已获得的PCB技术和每个供应商的能力相匹配简化了PCB采购。此外,在采购的过程中,不需要对某家公司的特定的测试工具进行投资与维护。这一改变的结果是提高产品的质量,增加客户满意度,极大的节省公司和我们的PCB供应商的成本。

作者简介:

Al Block是National Instruments公司DFM工程部的首席制造战略师。

Naji Norder是National Instruments公司PCB设计与服务的硬件部的高级团队经理。

Chris Joran是National Instruments公司间接采购部的全球间接采购经理。

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