Validation des codes BIN de DEL et traçabilité chez Methode Electronics

Résumé

L'utilisation croissante des DEL pose d'importants nouveaux défis aux assembleurs de cartes de circuits imprimés. Des bobines distinctes portant le même numéro de pièce peuvent chacune afficher un indice de luminosité (BIN) différent. Si les BIN d'une bobine à l'autre sont incompatibles, le risque de défauts esthétiques apparaît. Les méthodes traditionnelles de traçabilité des composants et de validation de la configuration de ligne ne suffisent pas à garantir la qualité. Cet article présente une nouvelle approche que Methode Electronics a déployée pour un grand équipementier automobile (OEM). Le système offre un niveau supérieur de contrôle des procédés et de traçabilité pendant l'assemblage des cartes, et s'intègre au test fonctionnel pour permettre l'étalonnage automatique des produits.

L'industrie de l'électronique connaît toujours une croissance fulgurante de l'utilisation des diodes électroluminescentes (DEL). Depuis les années 1960, le rendement et le flux lumineux des DEL doublent tous les 18 mois, suivant une tendance semblable à la loi de Moore. Les DEL modernes présentent de nombreux avantages par rapport aux sources de lumière incandescentes : efficacité énergétique, longue durée de vie, format réduit, commutation rapide et robustesse. Il en résulte une adoption à grande échelle des DEL dans les blocs d'instruments de véhicules, les panneaux d'avertissement, les systèmes de vision et d'autres applications d'éclairage critiques. Cette tendance apporte un nouveau défi de taille pour l'assembleur de cartes.

Les fournisseurs de DEL conditionnent les DEL à montage en surface en fonction d'un indice de luminosité (BIN). Il s'agit d'un code à plusieurs chiffres qui indique la luminosité et la couleur de la DEL. Le code BIN figure sur l'étiquette de la bobine et constitue un champ de données distinct du numéro de pièce (PN) du composant. Deux bobines portant le même PN de DEL ne présentent pas nécessairement le même BIN. Des DEL de même PN et de même BIN paraissent identiques lorsqu'elles sont allumées. En revanche, si les BIN ne concordent pas, la luminosité ou la couleur de la lumière émise peut différer de façon perceptible. Mélanger des BIN différents sur une même unité de production est souvent inacceptable. Dans d'autres cas, la conception du produit autorise certaines combinaisons de BIN différents (couleur ou luminosité), ou impose un appariement entre le BIN de la DEL et les PN des composants voisins (habituellement des résistances). Les règles varient d'un produit à l'autre, ce qui crée un véritable cauchemar logistique pour l'assembleur de cartes.

Si le mélange des BIN cause autant de maux de tête sur le plancher de production, pourquoi ne pas exiger des fournisseurs de DEL qu'ils ne livrent qu'un BIN précis pour chaque PN de composant ? La question est logique. La réponse tient à trois facteurs qui pèsent lourd sur la rentabilité de tout assembleur de cartes : la disponibilité des matériaux, les délais d'approvisionnement et le coût.

Les fabricants de DEL cherchent à accroître l'uniformité du produit fini, mais il est actuellement impossible de produire économiquement un BIN donné avec un haut degré d'uniformité d'un lot à l'autre. Plusieurs difficultés de fabrication des DEL contribuent à ce dilemme. Elles sont bien documentées dans la littérature de l'industrie et leur explication détaillée dépasse le cadre du présent article. Elles comprennent la maîtrise de la longueur d'onde de la puce de la DEL et de la répartition du phosphore pendant le procédé de fabrication¹. Pour fournir un BIN précis pour chaque PN de DEL, le fournisseur n'aurait d'autre choix que le tri manuel. Cela se paie, évidemment. Un tel approvisionnement à source unique peut multiplier par trois ou quatre le coût du composant DEL.

Dans un cas observé, le supplément à payer pour s'approvisionner en BIN de DEL précis destinés à l'assemblage d'un bloc d'instruments automobile a été estimé à plus de 100 000 $ par année pour une seule ligne SMT. Extrapolez à une usine type comptant de quatre à six lignes SMT et les coûts de matériaux supplémentaires deviennent vertigineux. Autre facteur à considérer : les fournisseurs de DEL ne peuvent garantir la disponibilité à long terme d'un BIN donné en grand volume. En raison de ces contraintes, les assembleurs de cartes ne peuvent généralement pas se permettre de commander des BIN précis. Ils doivent plutôt s'efforcer de mettre en place des procédures internes efficaces pour gérer les différents BIN sur le plancher de production. Heureusement, des normes de l'industrie, comme la NEMA SSL 3-2010, définissent des structures de BIN tout en favorisant la continuité entre les fournisseurs2. Cela aide l'assembleur de cartes, qui peut au moins identifier le BIN associé à chaque bobine. Sur une bobine de DEL pour SMT, le code BIN est habituellement intégré à un code-barres ou à une matrice 2D sur l'étiquette du fournisseur, afin de faciliter l'acquisition des données par un système de suivi des matériaux.

Pour satisfaire aux exigences de traçabilité et de qualité de l'équipementier automobile, Methode cherchait un niveau de validation de la configuration des lignes SMT supérieur à ce qui existait traditionnellement. Au lieu d'une simple validation fondée sur le seul PN du composant, Methode a ajouté l'exigence de valider aussi le BIN de la DEL, afin que seuls des BIN compatibles soient placés sur une carte donnée, conformément aux spécifications de conception.

Les solutions de validation traditionnelles comparent la configuration réelle de la ligne à une recette statique (c'est-à-dire les PN et les emplacements d'alimentateurs attribués dans le programme de la machine de placement). Valider en fonction du BIN impose une nouvelle exigence : la validation dynamique de la configuration. Pourquoi dynamique ? Parce que le BIN à charger dans la machine à un moment donné peut dépendre des autres BIN qui y sont déjà chargés, ou de la présence de cartes partiellement garnies dans la machine de placement pendant le réapprovisionnement des bobines. La solution recherchée devait aussi comprendre des systèmes de commande capables d'empêcher physiquement la machine de placer des composants dès qu'un risque de non-concordance de BIN ou d'erreur de PN de composant existe. Le client de Methode exigeait en outre la traçabilité de chaque numéro de lot (LN) de composant pour chaque carte sérialisée. Là encore, les méthodes traditionnelles n'allaient pas répondre aux attentes.

Pour prouver la conformité aux spécifications de conception du client, Methode a exigé que les données de traçabilité comprennent aussi le code BIN de chaque DEL placée sur chaque carte. Les spécifications de traçabilité du client imposent également le stockage et l'accessibilité des données sur une période de 15 ans. Un autre objectif consistait à éliminer la variabilité entre les unités de produit. Pour y parvenir, il fallait un système de traçabilité capable de s'intégrer aux équipements de test fonctionnel afin de permettre le réglage et l'étalonnage automatiques des produits.

Après une analyse approfondie des fournisseurs possibles, Methode Electronics s'est associée à un fournisseur de premier plan de solutions Track, Trace & Control (TTC) pour l'industrie de la fabrication électronique. Ce partenaire a livré des modules logiciels TTC de validation de la configuration de ligne (Figure 3) et de traçabilité des codes de lot qui tiennent compte des codes BIN des DEL utilisés pendant l'assemblage SMT.

« Garbage In, Garbage Out » – à données inexactes, résultats inexacts – est une formule qui s'applique tout à fait aux systèmes TTC. Methode a compris qu'il serait inutile de déployer un logiciel TTC sans mécanismes de contrôle garantissant une saisie de données complète et exacte à 100 %.

C'est pourquoi les sources de perte et d'erreur de données ont été éliminées partout où c'était possible. Lors du suivi de produits sérialisés, une source fréquente de perte de données découle de la nécessité de saisir le numéro de série de chaque carte aux points de lecture le long de la ligne d'assemblage. Dans ces applications, le S/N de la carte est habituellement représenté par un code-barres ou un symbole Data Matrix 2D. Le S/N peut facilement passer inaperçu en raison de problèmes de qualité liés à la création et au positionnement de l'identifiant, ou si les lecteurs installés le long de la ligne ne sont pas bien réglés lors d'un changement de produit. Le risque de perte de données est plus élevé dans les environnements à forte diversité, où les changements de produit sont fréquents et les formats de cartes très variés. Des contrôleurs de flux de produits (PFC) ont été mis en place pour gérer la poignée de main SMEMA entre les convoyeurs et les équipements de placement. Le PFC n'autorise le transfert du produit que lorsque le logiciel TTC confirme la lecture réussie du numéro de série (Figure 4).

Methode peut ainsi garantir à son client un taux de lecture de 100 % des S/N de cartes. Les PFC servent également à bloquer le transfert du produit lorsque le système TTC détecte un écart de configuration en aval de la ligne ou une possible non-concordance de BIN, ce qui prévient les défauts. Une autre erreur courante provient des fautes commises par les opérateurs de production lorsqu'ils associent manuellement les alimentateurs à leurs emplacements sur la machine de placement. Pour rendre la configuration et le réapprovisionnement à l'épreuve des erreurs (poka-yoke), Methode a déployé la technologie RFID afin de convertir ses équipements de placement en alimentateurs intelligents. Une étiquette RFID à faible coût a été fixée à chaque alimentateur et un réseau d'antennes RF a été installé sur chaque banc d'alimentateurs, afin de détecter et d'identifier automatiquement l'alimentateur présent à chaque emplacement. Au-delà de la prévention des défauts, le système d'alimentateurs intelligents recueille automatiquement des données de traçabilité exactes pendant la configuration et le réapprovisionnement de la machine. Le déploiement des alimentateurs intelligents a aussi accru la productivité en remplaçant la validation manuelle de la configuration de ligne. En automatisant une procédure jusque-là manuelle, Methode a retranché 12 minutes au temps moyen de changement de série. À raison de trois changements par journée de travail de 21 heures, ce gain d'efficacité équivaut à 36 minutes de production utile supplémentaires par jour.

Le système TTC est directement intégré au logiciel de la machine de placement. Des données de production critiques peuvent ainsi être échangées en temps réel entre les deux systèmes, ce qui procure de nombreux avantages. Par exemple, la machine s'arrête dès qu'une erreur de configuration liée à un PN se produit, et demeure en arrêt de cycle jusqu'à ce que la défaillance soit corrigée. L'intégration au logiciel de la machine permet aussi au système TTC de suivre avec précision la consommation des composants, y compris tous les prélèvements manqués et les composants rejetés, ce qui autorise une gestion proactive des matériaux. Le système déclenche une alerte lorsque la quantité de composants restant sur une bobine descend sous un seuil fixé. Lorsqu'une alerte de stock bas est émise pour une DEL, le PFC situé en amont de la machine de placement empêche d'autres cartes d'entrer dans la machine.

L'opérateur est invité à choisir entre remplacer immédiatement la bobine presque vide ou poursuivre la production avec la configuration actuelle :

• S'il choisit de poursuivre la production avec la configuration actuelle, le système laisse entrer une carte de plus dans la machine.
• Ce choix se justifie lorsqu'il reste assez de DEL sur la bobine pour une carte supplémentaire, ou si l'opérateur a en main une bobine de remplacement dont le BIN est compatible avec celui de la bobine presque vide.
• L'erreur se reproduira pour chaque carte suivante, jusqu'à ce que l'alerte de stock bas de DEL (« Low LED Qty ») soit levée.
• L'alerte de stock bas de DEL est levée lorsque la bobine presque vide est retirée de la machine et remplacée par une bobine neuve.

Si des cartes se trouvent dans la machine au moment où une bobine de DEL est remplacée, le système vérifie que le code BIN de la nouvelle bobine est compatible avec celui de la bobine remplacée. Si l'opérateur utilise par accident un BIN incompatible, le système TTC signale une erreur et déclenche le circuit d'arrêt de cycle de la machine. La machine ne peut donc plus placer de BIN incompatibles sur des cartes partiellement garnies. Si aucune carte ne se trouve dans la machine pendant le remplacement d'une bobine de DEL, le système autorise tout BIN admissible pour ce produit, pourvu bien sûr que le PN soit également correct.

Pour chaque S/N de carte, il est possible de générer un rapport de traçabilité contenant les renseignements suivants :

• Horodatage du début et de la fin du procédé de placement SMT.
• Identifiant de l'opérateur
• PN et LN de chaque bobine utilisée.
• BIN de chaque bobine de DEL utilisée. Inversement, pour une bobine donnée, il est possible de générer un rapport de traçabilité énumérant tous les S/N de cartes concernés.

Le système décrit ci-dessus garantit qu'un produit donné ne contient que des PN corrects et des BIN de DEL compatibles. À lui seul, toutefois, il ne pouvait rendre identiques les performances d'unités de production distinctes.

Par exemple, une unité assemblée avec le code BIN « A » n'émettra pas la même intensité qu'une unité assemblée avec le code BIN « B ». Pour maximiser la satisfaction de la clientèle, Methode a pris des mesures supplémentaires afin d'éliminer la variabilité entre les unités de produit. Le procédé de test fonctionnel a donc été intégré à la base de données de traçabilité (Figure 7) et doté d'algorithmes d'étalonnage automatique du produit en fonction du BIN placé sur la carte sérialisée. Dès qu'une carte est installée dans le testeur, son S/N est lu. Le logiciel de test extrait alors de la base de données les données de traçabilité propres à cette unité de production. Le produit est étalonné automatiquement selon les BIN de DEL utilisés pour l'assembler. Chaque unité qui sort de l'usine présente ainsi des caractéristiques d'éclairage identiques.

Methode Electronics a surmonté les défis liés à la validation et à la traçabilité des BIN de DEL en usine grâce au déploiement d'un système Track, Trace & Control.

Parmi les avantages observés :

• Prix et disponibilité optimaux des DEL, puisque l'entreprise peut s'approvisionner en une large plage d'intensités de BIN pour chaque PN de DEL.
• Réduction des coûts d'inspection et de retouche, grâce à l'assurance que chaque produit contient les bons PN et des codes BIN de DEL compatibles.
• Fonctionnement automatisé et à l'épreuve des erreurs, grâce aux alimentateurs intelligents RFID et aux contrôleurs de flux de produits.
• Configuration plus rapide, ce qui procure 32 minutes de production utile supplémentaires par jour.
• Production de rapports et archivage des données de traçabilité conformes aux exigences des équipementiers automobiles, incluant les données de BIN de DEL pour chaque numéro de série de produit.
• Gestion proactive des matériaux, notamment des alertes de stock bas en usine.
• Élimination de la variabilité des produits grâce à l'étalonnage automatisé.

Le système a dépassé l'objectif visé et la satisfaction de la clientèle s'en est trouvée accrue.

Références

1. LEDs Magazine (décembre 2009), Industry News : Cree EasyWhite bins simplify LED design, improve color consistency.

2. NEMA : National Electrical Manufacturers Association (avril 2010), norme SSL 3-2010 « High- Power White LED Binning for General Illumination. »

3. DeCaire, Mitch (mars 2006) Traceability Data Integrity – Challenges and Solutions, SMT Magazine.