Erstmusterprüfung (FAI) für PCBA: Checkliste & Leitfaden für Qualitätsstandards

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Eine robuste Erstmusterprüfung (FAI) für PCBA: Checkliste stellt sicher, dass der Herstellungsprozess vor Beginn der Serienproduktion korrekt kalibriert ist. Dieser Validierungsschritt verhindert systemische Defekte wie falsche Bauteilplatzierung, Reflow-Probleme oder Stücklistenabweichungen.

Stücklistenabgleich prüfen: Bestätigen Sie, dass jedes installierte Bauteil mit der Herstellerteilenummer (MPN) und dem Wert in der Stückliste übereinstimmt.
Polarität prüfen: Überprüfen Sie alle Dioden, ICs und Elektrolytkondensatoren auf korrekte Ausrichtung relativ zum Siebdruck.
Lötqualität: Überprüfen Sie die Lötstellen gemäß den IPC-A-610 (Klasse 2 oder 3) Standards; achten Sie auf Benetzung, Brücken oder kalte Lötstellen.
Verdeckte Lötstellen: Verwenden Sie Röntgenstrahlen zur Inspektion von BGAs und QFNs, um sicherzustellen, dass Hohlräume innerhalb akzeptabler Grenzen liegen (typischerweise <25%).
Erste Inbetriebnahme: Messen Sie den Widerstand an den Stromschienen gegen Masse, bevor Sie Spannung anlegen, um katastrophale Kurzschlüsse zu vermeiden.
Dokumentation: Erfassen Sie alle Messungen und visuellen Nachweise in einem formellen FAI-Bericht zur Rückverfolgbarkeit.

Wann die Erstmusterprüfung (FAI) für PCBA: Checkliste angewendet wird (und wann nicht)

Zu verstehen, wann ein vollständiger FAI-Prozess ausgelöst werden sollte, spart Zeit und gewährleistet gleichzeitig die Qualitätskontrolle.

Wann sie angewendet wird:

Neue Produkteinführung (NPI): Der allererste Durchlauf eines neuen Designs erfordert eine vollständige Validierung des Montageprozesses.
Design-Revisionen: Jede Änderung am Kupferlayout, an den BOM-Komponenten oder am Schablonendesign erfordert eine neue FAI.
Prozessänderungen: Wenn die Montagelinie auf eine neue Maschine umgestellt wird oder die Lötpastenchemie geändert wird, muss die erste Ausgabe überprüft werden.
Lange Produktionspausen: Die Wiederaufnahme der Fertigung nach einer Unterbrechung (z. B. >12 Monate) löst oft eine erneute Validierung aus, um sicherzustellen, dass die Maschineneinstellungen gültig bleiben.
Lieferantenwechsel: Der Wechsel von Leiterplattenherstellern oder Bestückungsdienstleistern erfordert ein neues Erstmuster, um deren spezifische Fähigkeiten zu überprüfen.

Wann es nicht zutrifft:

Kontinuierliche Produktion: Während einer stabilen Serienproduktion werden statistische Prozesskontrolle (SPC) und Stichprobenprüfung anstelle einer vollständigen FAI für jede Platine verwendet.
Geringfügige, unkritische Substitutionen: Der Austausch eines passiven Widerstands durch eine identische Spezifikation von einem anderen zugelassenen Lieferanten (AVL) erfordert möglicherweise keine vollständige FAI, wenn der Formfaktor identisch ist.
Leiterplattenfertigung (unbestückt): Während unbestückte Leiterplatten ihre eigene Inspektion durchlaufen, zielt die Erstmusterprüfung (FAI) für PCBA: Checkliste speziell auf den bestückten Zustand ab, nicht nur das Substrat.
Nur Firmware-Updates: Wenn die Hardware unverändert bleibt und nur Software geflasht wird, ist eine Hardware-FAI unnötig (obwohl Funktionstests weiterhin erforderlich sind).

Regeln & Spezifikationen

Ein strenger Regelsatz definiert die Bestanden/Nicht bestanden-Kriterien für den Erstmuster. Diese Parameter stellen sicher, dass die Platine die Zuverlässigkeitsstandards erfüllt, bevor der Rest der Charge verarbeitet wird.

Regel	Empfohlener Wert/Bereich	Warum es wichtig ist	Wie zu überprüfen	Bei Missachtung
Bauteilpräsenz	100% Übereinstimmung mit der Stückliste (BOM)	Fehlende Bauteile beeinträchtigen die Funktionalität sofort.	Sichtprüfung oder AOI-Vergleich.	Platine fällt Funktionstest durch; kostspielige Nacharbeit.
Polarität/Ausrichtung	Übereinstimmung mit Siebdruck/Bestückungszeichnung	Verpolte Kondensatoren explodieren; verpolte ICs brennen durch.	Sichtprüfung der Pin-1-Markierungen.	Katastrophaler Ausfall beim Einschalten.
Lötkehlform	Konkaver Meniskus	Zeigt korrekte Benetzung und starke mechanische Verbindung an.	Mikroskop (45°-Winkel) oder AOI.	Schwache Lötstellen reißen unter thermischer Belastung.
BGA-Hohlräume	< 25% der Kugeloberfläche (IPC Klasse 2)	Übermäßige Hohlräume erhöhen den Wärmewiderstand und schwächen die Lötstellen.	Röntgeninspektion (2D oder 3D).	Intermittierende Verbindungsfehler im Feld.
Lötbrücken	0 Kurzschlüsse erlaubt	Verbindet nicht zusammenhängende Netze, was zu Fehlfunktionen führt.	Elektrischer Test oder vergrößerte Sichtprüfung.	Kurzschlüsse; potenzielle Bauteilschäden.
Bauteilausrichtung	< 50% Pad-Überhang erlaubt	Fehlausrichtung reduziert Kontaktfläche und Zuverlässigkeit.	AOI oder hochauflösendes Mikroskop.	Tombstoning oder schwacher elektrischer Kontakt.
Lötperlenbildung	Keine > 0,13 mm (lose)	Lose Kugeln können sich lösen und später Kurzschlüsse verursachen.	Sichtprüfung nach dem Waschen.	Zufällige Kurzschlüsse während Vibration/Betrieb.
Durchkontaktierungsfüllung	> 75% vertikale Füllung (Klasse 2)	Gewährleistet mechanische Festigkeit für Steckverbinder/Leiter.	Röntgen- oder Querschnittsanalyse.	Steckverbinderleiter lösen sich unter Belastung.
Sauberkeit (Flussmittel)	< 1,56 µg/cm² NaCl-Äquiv.	Korrosive Rückstände verschlechtern die Schaltkreise im Laufe der Zeit.	ROSE-Test oder Ionenchromatographie.	Dendritisches Wachstum und Leckströme.
Leiterplattenverzug	< 0,75% der Diagonale	Übermäßige Wölbung belastet Lötstellen und Komponenten.	Flachtischmessung mit Messlehre.	Risse in MLCCs oder BGA-Lötperlen.

Implementierungsschritte

Die Durchführung einer Erstmusterprüfung (FMP) für PCBA: Checkliste erfordert einen systematischen Ansatz. APTPCB (APTPCB PCB Factory) empfiehlt, diese sequenziellen Schritte zu befolgen, um Fehler frühzeitig zu erkennen.

BOM- und Datenüberprüfung
- Aktion: Vergleichen Sie die erhaltenen Komponenten mit der genehmigten Stückliste (BOM) und den Gerber-Dateien.
- Schlüsselparameter: Herstellerteilenummer (MPN) und Menge.
- Akzeptanz: 100% Übereinstimmung; keine nicht genehmigten Ersatzteile.
Lötpasteninspektion (SPI)
- Aktion: Messen Sie das Lötpastenvolumen und die Höhe auf der unbestückten Leiterplatte vor der Bauteilplatzierung.
- Schlüsselparameter: Pastenhöhe (typischerweise 100-150µm je nach Schablone).

Akzeptanz: Volumen innerhalb von ±50% des Apertur-Sollwerts; keine Brückenbildung.

Erste Platinenbestückung & Reflow
- Aktion: Eine einzelne Leiterplatte durch die Bestückungsmaschine und den Reflow-Ofen laufen lassen.
- Schlüsselparameter: Reflow-Profil (Zeit über Liquidus: 60-90s).
- Akzeptanz: Temperaturprofil entspricht der Spezifikation des Lotpastenherstellers; Komponenten bleiben an Ort und Stelle.
Automatische Optische Inspektion (AOI)
- Aktion: Die gelötete Platine scannen, um sichtbare Defekte wie Schräglage, Tombstoning oder fehlende Teile zu überprüfen.
- Schlüsselparameter: aoi vs. röntgeninspektion: welche defekte jede erkennt (AOI erkennt Sichtlinienprobleme).
- Akzeptanz: Keine markierten Fehler; Fehlalarme manuell überprüft.
Röntgeninspektion (AXI)
- Aktion: Versteckte Lötstellen unter BGAs, QFNs und LGAs inspizieren.
- Schlüsselparameter: bga voiding kontrolle: schablone, reflow und röntgenkriterien (Voiding-Prozentsatz).
- Akzeptanz: Voids < 25%; konsistente Kugelform und Ausrichtung.
Manuelle Sichtprüfung
- Aktion: Menschlicher Inspektor prüft auf kosmetische Probleme, Etikettenplatzierung und nicht-standardmäßige Komponenten.
- Schlüsselparameter: IPC-A-610 Verarbeitungsstandards.
- Akzeptanz: Keine Kratzer, Brandflecken oder Rückstände.
Impedanz- & Elektrische Sicherheitsprüfung
- Aktion: Widerstand zwischen VCC- und GND-Schienen messen, bevor Strom angelegt wird.
- Schlüsselparameter: Widerstand > 100Ω (oder erwarteter Designwert).

Akzeptanz: Keine Kurzschlüsse auf den Stromleitungen.

Funktionstest (FCT)
- Aktion: Platine einschalten und Test-Firmware ausführen, um Logik und E/A zu validieren.
- Schlüsselparameter: Spannungspegel (z.B. 3.3V ± 5%).
- Akzeptanz: Alle Funktionstestfälle bestehen.
FAI-Berichtserstellung
- Aktion: Alle Daten, Bilder und Messungen in einem unterschriebenen Dokument zusammenfassen.
- Schlüsselparameter: Rückverfolgbarkeit (Seriennummer, Datum, Prüfer).
- Akzeptanz: Unterzeichnete Genehmigung vom Qualitätsingenieur.

Fehlermodi & Fehlerbehebung

Selbst mit einer strengen Checkliste kann der Erstmuster fehlschlagen. Die schnelle Identifizierung der Grundursache ermöglicht die Wiederaufnahme der Produktion.

1. Tombstoning (Bauteil steht auf einer Seite)

Ursachen: Ungleichmäßige Erwärmung, unausgewogene Pad-Größen oder Probleme mit der Schablonenöffnung.
Prüfungen: Überprüfen Sie das Thermal-Relief-Design auf den Pads; prüfen Sie, ob ein Pad ohne Relief mit einer großen Massefläche verbunden ist.
Behebung: Reflow-Profil (Soak-Zone) anpassen oder Schablone modifizieren, um die Paste auf dem schneller schmelzenden Pad zu reduzieren.
Prävention: Beachten Sie die DFM-Richtlinien bezüglich der Pad-Symmetrie.

2. BGA Head-in-Pillow (HiP)

Ursachen: Verformte Leiterplatte oder Bauteil, unzureichende Flussmittelaktivität oder Pastenoxidation.
Prüfungen: Überprüfen Sie die Koplanarität des Bauteils und die Spitzentemperatur des Reflow-Profils.
Behebung: Wechseln Sie zu einer hochaktiven Lötpaste oder verwenden Sie eine Stickstoff-Reflow-Umgebung.
Prävention: Verwenden Sie für Hochtemperaturanwendungen Leiterplattenmaterialien mit geringerer Verformung wie Isola PCB.

3. Lötbrücken (Kurzschlüsse)

Ursachen: Übermäßige Lötpaste, zu große Schablonenöffnungen oder zu hoher Bauteilplatzierungsdruck.
Prüfungen: Überprüfen Sie die SPI-Daten für das Pastenvolumen; überprüfen Sie die Z-Höheneinstellungen des Bestückungsautomaten.
Behebung: Reduzieren Sie die Schablonenöffnungsgröße um 10 % oder reinigen Sie die Unterseite der Schablone.
Prävention: Implementieren Sie häufige Schablonenreinigungszyklen.

4. Kalte Lötstellen

Ursachen: Unzureichende Wärme während des Reflow-Lötens oder gestörte Lötstelle während des Abkühlens.
Prüfungen: Analysieren Sie das Reflow-Profil anhand des Lötpasten-Datenblatts.
Behebung: Erhöhen Sie die Spitzentemperatur oder die Zeit über dem Liquidus (TAL).
Prävention: Regelmäßige Ofenprofilierung und Thermoelementprüfungen.

5. Falsch ausgerichtete Bauteile

Ursachen: Bestückungsautomaten-Sichtfehler, Fehler bei der Erkennung von Leiterplatten-Fiducials oder Förderbandvibrationen.
Prüfungen: Überprüfen Sie die Klarheit der Fiducials und die Koordinaten der maschinellen Bildverarbeitung.
Behebung: Rekalibrieren Sie die maschinelle Bildverarbeitung oder reinigen Sie die Fiducial-Marker auf der Leiterplatte.
Prävention: Stellen Sie sicher, dass klare Fiducials in den Leiterplattenfertigungsdaten enthalten sind.

6. Entnetzung

Ursachen: Kontaminierte Pads, oxidierte Anschlüsse oder abgelaufene Lötpaste.
Prüfungen: Überprüfen Sie die Haltbarkeit der Leiterplattenoberflächenveredelung und das Verfallsdatum der Paste.
Behebung: Leiterplatten backen, um Feuchtigkeit zu entfernen, oder auf frische Paste umsteigen.
Prävention: Korrekte Lagerung von PCBs und feuchtigkeitsempfindlichen Bauteilen (MSD).

Designentscheidungen

Der Erfolg einer Erstmusterprüfung (FAI) für PCBA: Checkliste hängt oft von Entscheidungen ab, die während der Designphase getroffen wurden.

Testpunkte: Die Einbeziehung zugänglicher Testpunkte für alle Stromschienen und kritischen Signale ermöglicht es Ingenieuren, Spannungen während der FAI einfach zu überprüfen, ohne winzige Komponentenpins zu sondieren.
Bauteilindikatoren: Klare Siebdruckmarkierungen für die Polarität (z. B. ein deutlicher Punkt für Pin 1 oder ein Balken für Kathoden) reduzieren manuelle Inspektionsfehler.
Fiducials: Das Platzieren globaler und lokaler Fiducials stellt sicher, dass die Bestückungsmaschine Komponenten präzise ausrichtet und Schräglagenfehler reduziert.
Sperrzonen: Ausreichender Abstand um große Bauteile ermöglicht es Nacharbeitswerkzeugen und Inspektionsgeräten (wie 45°-AOI-Kameras), korrekt zu funktionieren.
Materialauswahl: Die Wahl des richtigen Substrats, wie z. B. Rogers-Material für HF-Leiterplatten, stellt sicher, dass die Leiterplatte Reflow-Temperaturen ohne Verzug standhält, was für die BGA-Ebenheit entscheidend ist.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Hauptzweck der FAI in PCBA? Die FAI validiert, dass der Herstellungsprozess konsistent Leiterplatten produzieren kann, die den Designspezifikationen entsprechen. Sie fungiert als Torwächter vor der Massenproduktion, um Ausschuss in großen Mengen zu verhindern.

Ist die Röntgeninspektion für die FAI obligatorisch? Ja, wenn die Platine BGAs, QFNs oder andere unten terminierte Komponenten enthält. AOI- vs. Röntgeninspektion: welche Defekte jede erfasst unterscheidet sich; AOI kann nicht unter diese Teile sehen, um die Qualität der Lötstellen zu überprüfen.

Wie unterscheidet sich FAI von FAT (Factory Acceptance Testing)? FAI konzentriert sich auf den Herstellungsprozess und die physikalische Qualität der ersten Einheit. FAT ist ein umfassenderer Test der Funktionalität des fertigen Systems, der oft am Ende der Produktion durchgeführt wird.

Was passiert, wenn der Erstmuster fehlschlägt? Die Produktion wird gestoppt. Die Grundursache wird identifiziert (z.B. falsche Schablone, fehlerhaftes Teil), korrigiert und ein neues Erstmuster wird produziert und inspiziert.

Führt APTPCB FAI für alle Bestellungen durch? APTPCB führt FAI für alle neuen Bestellungen und größeren Überarbeitungen durch. Bei Wiederholungsbestellungen ohne Änderungen werden Standard-Prozesskontrollen verwendet.

Wie lange dauert der FAI-Prozess? Es verlängert die Lieferzeit der ersten Charge typischerweise um 12 bis 24 Stunden. Diese Zeit wird investiert, um sicherzustellen, dass die Tausenden von nachfolgenden Platinen korrekt sind.

Kann ich eine "Golden Board" für FAI verwenden? Ja, eine bekanntermaßen gute Platine (Golden Board) wird oft als Referenz für AOI-Maschinen verwendet, um sie mit den neuen Produktionseinheiten zu vergleichen.

Was ist der Abnahmetstandard für FAI? Die meisten kommerziellen Elektronikprodukte verwenden IPC-A-610 Klasse 2. Medizinische, Luft- und Raumfahrt- sowie Automobilanwendungen erfordern typischerweise Klasse 3, die engere Toleranzen aufweist.

Prüft FAI die nackte Leiterplatte? Die PCBA-FAI geht davon aus, dass die unbestückte Leiterplatte in Ordnung ist, überprüft jedoch, ob die korrekte Leiterplattenrevision verwendet wurde. Die unbestückte Leiterplatte durchläuft ihren eigenen elektrischen Test beim Hersteller.

Warum ist BGA-Voiding bei der FAI kritisch? Die Kontrolle von BGA-Voids: Schablonen-, Reflow- und Röntgenkriterien sind entscheidend, da Voids die thermische und mechanische Leistung der Lötstelle reduzieren. Hohe Void-Bildung im Erstmuster deutet auf eine Prozessabweichung hin, die behoben werden muss.

Muss ich für die FAI extra bezahlen? Bei vielen Vertragsherstellern ist die FAI in den NRE- (Non-Recurring Engineering) oder Einrichtungskosten enthalten. Sie ist ein Standardbestandteil der Qualitätssicherung.

Kann die FAI automatisiert werden? Teile davon können automatisiert werden (AOI, SPI, AXI), aber die endgültige Freigabe erfordert in der Regel einen menschlichen Qualitätsingenieur, der die Daten überprüft und die Platine physisch handhabt.

Was ist eine "Delta-FAI"? Eine partielle FAI, die durchgeführt wird, wenn nur eine kleine Änderung vorgenommen wird (z. B. das Ersetzen eines Kondensatorwerts). Nur der betroffene Bereich wird inspiziert.

Glossar (Schlüsselbegriffe)

Begriff	Definition
FAI	Erstmusterprüfung; Validierung der ersten Produktionseinheit.
AOI	Automatische Optische Inspektion; kamerabasierte Prüfung auf sichtbare Defekte.
AXI	Automatische Röntgeninspektion; verwendet Röntgenstrahlen, um versteckte Lötstellen zu sehen.
BOM	Stückliste; die Liste aller für die Baugruppe benötigten Komponenten.
SPI	Lötpasteninspektion; 3D-Messung der Pastenaufträge vor der Bestückung.
IPC-A-610	Der Industriestandard für die Akzeptanz elektronischer Baugruppen.
Reflow-Profil	Die Temperatur-Zeit-Kurve, die die Leiterplatte im Ofen durchläuft.
Golden Board	Eine verifizierte, fehlerfreie Platine, die zur Kalibrierung von Inspektionsmaschinen verwendet wird.
Tombstoning	Ein Defekt, bei dem sich eine Komponente während des Reflows auf einer Seite aufrichtet.
Fiducial	Eine Kupfermarkierung auf der Leiterplatte, die von Maschinen zur optischen Ausrichtung verwendet wird.
MPN	Herstellerteilenummer; die spezifische ID für eine Komponente.
NPI	Neue Produkteinführung; die Phase, in der die FAI am kritischsten ist.

Fazit

Eine disziplinierte Erstmusterprüfung (FAI) für PCBA: Checkliste ist der Unterschied zwischen einer erfolgreichen Produkteinführung und einem kostspieligen Rückruf. Durch die Überprüfung der Stückliste, die Validierung der Lötstellen mittels Röntgen und AOI sowie die Durchführung elektrischer Sicherheitsprüfungen an der ersten Einheit stellen Ingenieure die Integrität des gesamten Produktionslaufs sicher. APTPCB integriert diese strengen Prüfungen in jeden NPI-Workflow und stellt so sicher, dass Ihre Designspezifikationen präzise erfüllt werden. Ob Sie Prototypen erstellen oder die Produktion auf Volumen skalieren, ein verifizierter Erstmusterartikel gibt Ihnen die nötige Sicherheit, um fortzufahren.

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