Das Bleibevermögen des Markings: Warum Laserablation die einzige echte Rückverfolgbarkeit ist

Der schlimmste Albtraum in der Elektronikfertigung ist nicht die Platine, die in der Linie ausfällt. Linienfehler sind ärgerlich, sie stoppen den Förderer, rufen den Techniker und mindern die Ausbeute der Schicht. Aber der wahre Albtraum ist die "Geisterplatine".

Dies ist die Einheit, die im Feld versagt, vielleicht drei Jahre später, in einem Automobilsensor oder einem medizinischen Gerät. Sie kommt zurück auf die RMA-Arbeitsbank, bedeckt mit Straßenschmutz oder biologischen Rückständen. Sie wird umgedreht, um die Seriennummer zu scannen, um die Charge nachzuverfolgen, um herauszufinden, welcher Kondensator die Fehlfunktion verursacht hat, und man findet… nichts. Ein Fleck. Ein beiger Rechteck, wo sich früher ein Barcode befand.

Die Tinte hat sich abgeschuppt, wurde durch die conformale Beschichtung aufgelöst oder einfach dem Lauf der Zeit ergeben. In diesem Moment haben Sie nicht nur eine schlechte Platine; Sie haben möglicherweise einen Rückruf in unbekanntem Ausmaß, weil die Prüfspur zusammen mit der Seriennummer verwischt wurde.

Rückverfolgbarkeit ist kein Vorschlag; sie ist das Rückgrat der modernen Haftung. Doch viele Produktionslinien verlassen sich noch immer auf Methoden, die die Seriennummer wie einen temporären Aufkleber behandeln, anstatt sie als dauerhaftes Merkmal der Hardware zu sehen. Wenn Sie Seriennummern noch immer mit nasser Tinte drucken oder sie mit Klebeetiketten anbringen, bauen Sie einen Fail-Punkt direkt in die Identität des Produkts ein. Das einzige Markierungsszeichen, das die hostile Umgebung einer SMT-Linie und den langen Verfall im Feld überlebt, ist dasjenige, das Material entfernt, anstatt es hinzuzufügen: Laserablation.

Die Chemie des Scheiterns: Warum Tinte nachgibt

Um zu verstehen, warum Tinte versagt, schauen Sie sich an, was die Leiterplatte ausgesetzt ist. Der standardmäßige SMT-Prozess ist ein Geländer aus thermischer und chemischer Gewalt. Sie drucken eine Seriennummer auf eine nackte Platine, oft mit einer UV-härtenden Epoxid-Tinte. Sie sieht unter der Inspektionslampe scharf aus.

Aber dann geht diese Platine in die Reinigung. Moderne Flussreste erfordern aggressive Saponifikatoren—alkalische Chemikalien, die speziell entwickelt wurden, um organische Verbindungen abzubauen. Tinte ist eine organische Verbindung. Über Hunderte von Zyklen oder sogar nur einige aggressive Waschgänge mit hohem Druck und hoher Temperatur schwächt sich die Bindung zwischen der Tinte und der Lotmaske. Sie bildet Mikrorisse. Sie hebt sich ab.

Es geht nicht nur um das Waschen. Betrachten Sie die chemische Reaktion mit den nachfolgenden Schichten. Wenn Sie eine conformale Beschichtung auftragen—sagen wir, einen UR-Typ (Urethan) oder SR (Silicon)—diese Beschichtung verwendet Lösungsmittel, um vor dem Aushärten flüssig zu bleiben. Diese Lösungsmittel können mit der Tinte des Siebdrucks reagieren. Ich habe gesehen, wie „dauerhafte“ weiße Markierungen sich in einer braunen Schlamm unter einer Urethan-Schicht verwandeln, wodurch der Barcode nur noch mit Mühe gelesen werden kann—und sogar dann nur mit viel Rätselraten. Ein Barcode-Scanner rätselt nicht. Wenn der Kontrast unter einen bestimmten Schwellenwert fällt, stoppt die Linie. Oder schlimmer noch, die Daten gehen verloren.

Es besteht oft die Versuchung, das Durcheinander der Tinte durch Etiketten zu umgehen. „Hochtemperatur“-Polyimidaufkleber scheinen die saubere Lösung zu sein. Das sind sie nicht. Sie sind Fremdkörperreste (FOD), die passieren können.

Ein Aufkleber basiert auf Klebstoff, und Klebstoff ist ein Polymer, das sich beim Erhitzen erweicht. Wenn dieses Brett die Vorheizzone eines Reflow-Ofens erreicht und auf 150°C hochgefahren wird, gibt der Klebstoff nach. Wenn Sie Hochgeschwindigkeits-Konvektionsventilatoren haben, die Luft wirbeln, um die Hitze zu verteilen, können sich diese Etiketten lösen. Sie fliegen vom Brett ab und werden vom Ansaugtrakt der Ofenlüfter angesaugt. Jetzt haben Sie ein Brett ohne Identität, und Sie haben einen $50.000 Vitronics Soltec-Ofen, der demontiert werden muss, um geschmolzenes Plastik von den Impellern zu kratzen.

Maschinelles Sehen und die Physik des Kontrasts

Das Ziel eines Barcodes ist nicht, gesehen zu werden; es ist, von einer Maschine gelesen zu werden. Ein Keyence- oder Cognex-Festmontage-Lesegerät kümmert sich nicht um Ästhetik. Es achtet auf Kontrast – genauer gesagt, auf den Unterschied in der Reflexivität zwischen der „Zelle“ (dem dunklen Teil) und dem Hintergrund.

Siebdruckfarbe liegt auf der Oberfläche der Lötmaske. Sie hat Dicke und Glanz. Unter der coaxialen Beleuchtung eines Scanners kann nasse Tinte glänzen und spiegelnde Reflexionen erzeugen, die den Sensor blenden. Die Kanten eines Siebdruckpunktes sind ebenfalls unvollkommen; die Tinte sinkt und verteilt sich (Punkterweiterung), wodurch eine 10-mil-Zelle wie ein 12-mil-Blob aussieht.

Laserbeschriftung funktioniert nach einem grundlegend anderen Prinzip. Es ist subtraktiv. Sie fügen keinen weißen Tintenfleck auf einem grünen Brett hinzu; Sie verwenden einen CO2- oder Faserlaser, um die grüne Lötmaske wegzubrennen. Diese Ablation offenbart das darunterliegende Material. Wenn Sie den Laser richtig einstellen, offenbaren Sie das FR4-Glasfaser-Substrat, das typischerweise hellgelb-weiß ist.

Dies schafft eine Vertiefung – einen physischen Graben. Die dunkelgrüne Maske umgibt das helle FR4. Der Kontrast ist deutlich, matt und dauerhaft. Es glänzt nicht, weil die Markierung unter der Oberfläche der Maske liegt. Die Kanten werden mit der Präzision eines Photonstrahls geschnitten, nicht mit dem Druck eines Rakels.

Lassen Sie uns eine Verwirrung klären, die auf fast jedem CAD-Zeichnungsblatt erscheint: Sie möchten wahrscheinlich keinen „QR-Code“. Ein QR-Code ist diese massive, blockartige Struktur, die Sie scannen, um die Speisekarte eines Restaurants zu sehen. Er ist für den Verbraucher-Marketingzweck ausgelegt. Auf einer Leiterplatte, bei der Nutzfläche in Dollar pro Quadratmillimeter gemessen wird, verwenden Sie einen Data Matrix (insbesondere ECC 200). Ein Data Matrix kann 50 alphanumerische Zeichen in einem 3mm x 3mm großen Quadrat speichern. Es hat eingebaute Redundanz. Fragen Sie nicht nach einem QR-Code; fragen Sie nach einem Data Matrix. Der Laser kann sie nativ bearbeiten, und im Gegensatz zu einem QR-Code bleibt ein Data Matrix lesbar, selbst wenn {%} des Symbols beschädigt ist.

Integration: Das Mark muss dem Prozess vorausgehen

Der Zeitpunkt der Markierung ist ebenso entscheidend wie die Methode. Einige Fabriken behandeln die Markierung als letzten Verpackungsschritt – sie kleben ein Etikett auf die fertige Einheit, bevor sie in die Box kommt. Das ist ein Fehler.

Rückverfolgbarkeit ist erforderlich während des Montageprozesses. Sie müssen wissen, dass dies bestimmte Board bei der automatisierten optischen Inspektion (AOI) station fehlschlug. Sie müssen wissen, dass dies das Board 45 Sekunden zu lange im Reflow-Ofen verbracht hat.

Um diese Daten zu erhalten, muss die Markierung auf das ungebrückte Board aufgebracht werden, bevor es die Siebdruckmaschine verlässt. Der Laser-Marker sollte die erste Maschine in der Linie sein, oder das Board sollte vormarkiert aus der Fabrik ankommen. Das Markieren im Haus gibt Ihnen jedoch Kontrolle. Sie können sie sequenziell basierend auf der genauen Montagezeit serialisieren. Indem Sie die Markierung in die Lötmaske ablieren, bevor der erste Lotpastenauftrag erfolgt, stellen Sie sicher, dass die Markierung mit dem Board durch den Paste-Drucker, das Pick-and-Place, den Reflow-Ofen und die Reinigung reist.

Wenn das Markierungssignal den Prozess überlebt, bestätigt es den Prozess. Wenn Sie am Ende markieren, haben Sie eine null Granularität bei Ihren Ertragsverlusten. Sie haben nur einen Knochenhaufen aus Schrottbrettern ohne Geschichte.

Die Gesamtkosten des Eigentums: Tinte ist teurer Schmutz

Die Widerstandsfähigkeit gegen Laser-Markierungen ist fast immer der anfängliche Preis. Ein anständiges Inline-Fasersystem ist eine bedeutende Investition (CapEx), die oft von $20.000 bis $60.000 reicht, abhängig von der Automatisierung. Eine Siebdruckstation ist billig. Ein Etikettenförderer ist billig. Aber das ist "Tabellenkalkulationsmathematik", die die Realität der Fabrikfläche ignoriert.

Berechnen Sie die Tinten kosten. Nicht nur die Tonne Epoxid, sondern auch die Bildschirme. Bildschirme dehnen sich aus. Sie verstopfen. Sie müssen mit scharfen Lösungsmitteln gewaschen werden, die gefährliche Abfallentsorgung erfordern. Sie haben eine Haltbarkeit. Sie benötigen Arbeitskraft, um die Tinte zu mischen, die Maschine einzurichten und die Unordnung danach zu reinigen. Tinte ist ein variabler Prozess; Feuchtigkeit beeinflusst die Aushärtezeit, Viskosität ändert sich mit der Temperatur.

Der Laser verbraucht Strom. Das ist alles. Es gibt keine Verbrauchsmaterialien. Keine Bildschirme zum Waschen, keine Gebühren für die gefährliche Lösungsmittelentsorgung, kein Haltbarkeitsmanagement. Sobald die Brennpunkthöhe und Leistung eingestellt sind, driftet der Laser nicht. Er verstopft nicht. Er läuft für 50.000 Stunden, bevor die Diode-Pumpe gewartet werden muss. Über einen Zeitraum von drei Jahren ist die Gesamtkosten des Eigentums (TCO) eines Lasers oft niedriger als die Tinte, selbst mit den höheren Anfangskosten.

Es gibt einen Bereich, in dem die Tinte gewinnt: massive Füllflächen. Wenn Sie ein riesiges, einheitlich weißes Firmenlogo benötigen, das drei Zoll umfasst, ist ein Laser langsam. Er muss diese gesamte Fläche Zeile für Zeile ausfüllen. Ein Siebdrucker macht das in einem Zug. Aber hier geht es um Rückverfolgbarkeit, nicht um Grafikdesign. Wenn Sie ein hübsches Logo brauchen, drucken Sie es. Wenn Sie Daten benötigen, die einer nuklearen Winterüberlebensfähigkeit standhalten müssen (oder einem 260°C-Backofen), lasern Sie es.

Der Schlaf der Gerechten

Wir sprechen nicht genug über die emotionale Belastung durch schlechte Prozesse. Die Angst vor dem "2-Uhr-Morgens-Telefonanruf" ist real. Wenn eine Linie ausfällt, weil ein Barcode-Leser nicht auslösen kann, oder wenn ein Kunde Ihre Anlage überprüft und unleserliche Datumscodes findet, kostet das Rufschädigung.

Es gibt ein spezielles Gefühl der Sicherheit, wenn man eine Schrottplatine aufhebt, die durch die Hölle gegangen ist – zweimal umgelötet, in aggressiver Chemie gewaschen, mit einer Drahtbürste während der Nacharbeit geschrubbt – und sieht, dass der Data Matrix immer noch scharf, weiß und scannbar ist. Es ist eine dauerhafte Dokumentation der Arbeit. Es bedeutet, dass egal was mit dieser Platine im Feld passiert, in zehn Jahren, Sie genau wissen, wann sie hergestellt wurde, wer sie hergestellt hat und welche Teile darauf sind.

Das ist es, was Sie beim Laserabtrag kaufen. Sie kaufen nicht nur eine Maschine. Sie kaufen die Sicherheit, dass Ihre Daten in Stein gemeißelt sind, oder zumindest in FR4.