So testen Sie Ihre Leiterplatte auf einen Kurzschluss

Jeder Ingenieur hat seine eigene „Worst-Case-Szenario-Geschichte“ erlebt. Hier ist meine: In der schlimmsten Woche meines Berufslebens warteten wir auf eine verspätete Sendung von PCBs. Diese PCBs sollten in Hardware installiert werden und eigentlich bereits seit mehr als einem Monat an Kundenstandorten im Einsatz sein. Wir waren mehr als beschämt und unglaublich gestresst.

Wir wollten diese PCBs also so schnell wie möglich verschicken und als sie endlich ankamen, setzten wir sie unter Strom, um sie zu testen. Das Ergebnis ließ nichts Gutes ahnen. Die Platinen rochen nach Ozon und eine der teuersten Komponenten wurde so heiß, dass sich einige Kollegen daran verbrannten. Wir hatten nicht die Zeit – zumindest glaubten wir das damals – um vorab eine Prüfcharge der Leiterplatten zu bestellen und hatten daher direkt die bestückten PCBs bestellt.

Abgesehen von der offensichtlichen Frustration ist es definitiv eines der schlimmeren Meetings, wenn man seinem Chef größere Hardwareausfälle erklären muss, während man sich gleichzeitig die verbrannten Finger kühlt. Was ist das Beste, das Sie in dieser Situation tun können? Bieten Sie einen soliden Plan für die Zukunft an. Falls Sie jemals in eine ähnliche Situation geraten, erfahren Sie in diesem Artikel, wie Sie ein Meister im Auffinden von Kurzschlüssen auf einer Leiterplatte werden.

PCBs auf Kurzschlüsse untersuchen: Anleitung

Die folgenden Schritte können Sie zur Lokalisierung von Kurzschlüssen auf PCB-Designs durchführen:

Schritt 1: Visuelle Inspektion

Wenn Sie die Breadboard-Entwurfsphase hinter sich haben und es keinen eingebauten Schutzschalter gibt, sollten Sie zunächst einen sorgfältigen Blick auf die gesamte Oberfläche der Leiterplatte werfen. Benutzen Sie dafür, wenn möglich, eine Lupe oder ein Mikroskop mit niedriger Auflösung. Suchen Sie nach Zinn Whiskers zwischen Anschlüssen oder Lötstellen und achten Sie besonders auf Risse oder Lötspitzen.

Kontrollieren Sie alle Ihre Durchkontaktierungen: Wenn Sie nicht plattierte Durchkontaktierungen bestellt haben, stellen Sie sicher, dass dies auf der Platine der Fall ist. Schlecht plattierte Durchkontaktierungen können einen Kurzschluss zwischen den Schichten verursachen und dazu führen, dass alles mit Masse, VCC oder beidem verbunden ist.

Falls der Kurzschluss richtig schlimm ist und dazu führt, dass Bauteile kritische Temperaturen erreichen, sehen Sie sogar verbrannte Stellen auf der Leiterplatte. Diese können ganz klein sein, aber sie sind stark braun verfärbt und unterscheiden sich daher sehr von dem üblichen Grün der Lötmasken. Falls Sie mehrere Platinen haben, kann eine verbrannte Platine hilfreich sein, um die spezifische Stelle einzugrenzen, ohne für die Suche eine weitere Platine unter Strom zu setzen und auch beschädigen zu müssen. Unglücklicherweise hatte unsere Leiterplatte keine Brandstellen, nur die verbrannten Finger, die nach überhitzten ICs suchten.

Einige Kurzschlüsse befinden sich im Inneren der Platine und erzeugen keine Brandflecken. Das bedeutet auch, dass sie von der Oberflächenschicht aus nicht zu erkennen sind. In diesem Fall benötigen Sie eine andere Methode, um einen Kurzschluss in einer Leiterplatte zu erkennen.

Brandflecken können Ihnen definitiv bei der Suche nach der Ursache für einen Kurzschluss helfen, aber zu einem rauchend hohen Preis.

Schritt 2: Infrarot-Imaging

Sollten Sie kein Start-up-Unternehmen sein, dass sein Hardware-Budget bereits aufgebraucht hat, haben Sie vielleicht die Möglichkeit, Zugang zu einer Infrarotkamera zu bekommen. Mit einer Infrarotkamera können Sie Bereiche lokalisieren, in denen eine große Wärmemenge erzeugt wird: Wenn Sie keine heiße Stelle in der Nähe Ihrer aktiven Bauteile sehen, liegt möglicherweise ein Kurzschluss auf der Leiterplatte vor, selbst wenn der Kurzschluss zwischen internen Schichten liegt.

Der Kurzschluss hat in der Regel einen höheren Widerstand als eine normale Leiterbahn oder Lötverbindung, da er zuvor in Ihrem Design nicht optimiert wurde (es sei denn, Sie sind wirklich schlecht darin, Regelprüfungen zu ignorieren). Dieser Widerstand bedeutet, dass sich der Kurzschluss erwärmt und sich in einem Infrarotbild zeigen würde. Beginnen Sie mit dem niedrigsten Strom, den Sie haben. Im Idealfall sehen Sie den Kurzschluss, bevor er weiteren Schaden anrichtet.

Der Fingertest ist eine Möglichkeit zu prüfen, ob ein bestimmtes Bauteil überhitzt ist

Schritt 3: Prüfung mit einem digitalen Multimeter

Um eine Platine auf einen Kurzschluss zu prüfen, müssen Sie den Widerstand zwischen verschiedenen Punkten im Stromkreis überprüfen. Wenn die visuelle Prüfung keine Hinweise auf den Ort oder die Ursache des Kurzschlusses ergibt, nehmen Sie ein Multimeter zur Hand und versuchen Sie, die Stelle auf der Leiterplatte zu lokalisieren. Die Multimeter-Methode wird in den meisten Elektronikforen gemischt bewertet, aber durch das Aufspüren der Testpunkte finden Sie heraus, was nicht das Problem ist.

Sie benötigen ein sehr gutes Multimeter mit Milliohm-Empfindlichkeit, und am einfachsten ist es, wenn es eine Buzz-Funktion hat, die Sie darauf aufmerksam macht, wenn Sie einen Kurzschluss messen. Wenn Sie zum Beispiel den Widerstand zwischen benachbarten Leiterbahnen oder Pads auf einer Leiterplatte messen, sollten Sie einen hohen Widerstand messen.

Wenn Sie einen sehr niedrigen Widerstand zwischen zwei Leitern messen, die eigentlich in getrennten Stromkreisen liegen sollten, ist es möglich, dass diese beiden Leiter überbrückt sind, entweder intern oder extern. Beachten Sie, dass zwei benachbarte Leiterbahnen oder Pads, die mit einer Spule überbrückt sind (z. B. in einem Impedanzanpassungsnetzwerk oder einer diskreten Filterschaltung), einen sehr niedrigen Widerstandswert ergeben, da eine Spule nur ein gewundener Leiter ist. Wenn jedoch zwei Leiterbahnen auf der Platine sehr weit voneinander entfernt sind und Sie einen sehr kleinen Widerstand ablesen, dann haben Sie irgendwo auf der Platine eine Brücke.

Schritt 4: Prüfung in Bezug zur Masse

Von besonderer Bedeutung ist ein Kurzschluss, der eine geerdete Durchkontaktierung oder eine Massefläche betrifft. Mehrlagige Leiterplatten mit einer inneren Masseebene verfügen über einen Rückpfad durch eine Durchkontaktierung in der Nähe von Bauteilen. Das gibt Ihnen die praktische Möglichkeit, um alle anderen Durchkontaktierungen und Pads auf der Oberflächenschicht der Leiterplatte zu überprüfen. Setzen Sie eine Sonde auf eine Masseverbindung und berühren Sie mit der anderen Sonde alle anderen Leiter auf der Leiterplatte.

Die gleiche Masseverbindung wird auch an anderen Stellen auf der Leiterplatte vorhanden sein, d. h., wenn Sie die Sonden an zwei verschiedenen geerdeten Durchkontaktierungen ansetzen, werden Sie einen sehr kleinen Widerstand messen. Achten Sie dabei auf Ihr Layout, um einen Kurzschluss nicht mit einer gemeinsamen Masseverbindung zu verwechseln. Alle anderen freiliegenden Leiter, die nicht mit der Masse verbunden sind, sollten einen sehr hohen Widerstand zwischen der gemeinsamen Masseverbindung und dem Leiter selbst aufweisen. Wenn Sie einen sehr niedrigen Wert ablesen und keine Drossel zwischen dem betreffenden Leiter und der Masse haben, liegt möglicherweise ein defektes Bauteil oder ein Kurzschluss vor.

Ein Multimeter kann Ihnen helfen, einen Kurzschluss aufzuspüren, aber es ist nicht immer empfindlich genug, um ihn zu finden.

Schritt 5: Kurzgeschlossene Bauteile

Zur Überprüfung eines kurzgeschlossenen Bauteils benötigen Sie auch ein Multimeter, um den Widerstand zu messen. Wenn bei der Sichtprüfung kein übermäßiges Lötzinn oder Metallflocken zwischen den Pads festgestellt werden konnten, hat sich Ihr Kurzschluss möglicherweise in den inneren Schichten zwischen zwei Pads/Pins eines Bauteils gebildet. Es ist auch möglich, dass ein Kurzschluss zwischen Pads/Pins auf einem Bauteil aufgrund einer schlechten Fertigung auftritt. Dies ist ein Grund, warum Leiterplatten einer DFM- und Design-Regel-Prüfung unterzogen werden sollten. Pads und Durchkontaktierungen, die zu nahe beieinander liegen, könnten bei der Fertigung unbeabsichtigt überbrückt und kurzgeschlossen werden.

Hier sollten Sie den Widerstand zwischen den Pins eines ICs oder Steckers messen. Benachbarte Pins sind besonders anfällig für Kurzschlüsse, aber dies sind nicht die einzigen Stellen, an denen ein Kurzschluss entstehen kann. Vergewissern Sie sich, dass der Widerstand zwischen den Pads/Pins im Verhältnis zueinander und zur Masseverbindung einen niedrigen Widerstand aufweist.

Prüfen Sie den Widerstand zwischen der Massefläche und den anderen Pins an Ihren Anschlüssen und ICs. Dies wird hier für einen USB-Stecker gezeigt.

Schritt 6: Eingrenzung der Schadensstelle

Wenn Sie glauben, einen Kurzschluss zwischen zwei Leitern oder zwischen einem Leiter und Masse gefunden zu haben, können Sie die konkrete Stelle eingrenzen, indem Sie die nahe gelegenen Leiter überprüfen. Legen Sie eine Messleitung des Multimeters an den verdächtigen Kurzschluss an, führen Sie die andere Leitung zu verschiedenen nahe gelegenen Masseverbindungen und prüfen Sie den Widerstand. Wenn Sie zu weiter entfernten Masseverbindungen gehen, sollten Sie eine Änderung des Widerstands feststellen. Wenn der Widerstand zunimmt, entfernen Sie sich mit dem geerdeten Kabel von der Stelle des Kurzschlusses. Auf diese Weise können Sie die genaue Stelle des Kurzschlusses eingrenzen, und Sie können ihn sogar auf ein bestimmtes Paar von Pads/Pins auf einem Bauteil eingrenzen.

Schritt 7: Fehlerhafte Bauteile auf einer Leiterplatte finden

Fehlerhafte oder falsch installierte Bauteile können Teil eines Kurzschlusses sein und eine Vielzahl von Problemen auf Ihrer Platine verursachen. Ihre Bauteile könnten fehlerhaft oder gefälscht sein und einen Kurzschluss verursachen oder den Anschein eines Kurzschlusses erwecken.

Schlechte Bauteile

Manche Bauteile haben die Tendenz zu versagen, wie zum Beispiel Elektrolytkondensatoren. Falls Sie bestimmte Bauteile vermuten, untersuchen Sie diese zuerst. Wenn Sie sich nicht sicher sind, können Sie mithilfe einer schnellen Google-Suche herausfinden, ob ihre verdächtigten Bauteile häufiger versagen. Wenn Sie einen sehr niedrigen Widerstand zwischen zwei Pads/Pins messen (die beide keine Masse- oder Stromversorgungspins sind), liegt möglicherweise ein Kurzschluss aufgrund eines durchgebrannten Bauteils vor. Dies ist ein eindeutiges Anzeichen dafür, dass ein Kondensator defekt ist. Kondensatoren wölben sich auch, wenn sie defekt sind oder wenn die angelegte Spannung die Durchbruchschwelle überschreitet.

Sehen Sie die Wölbung oben auf diesem Kondensator? Dies ist ein deutliches Anzeichen dafür, dass der Kondensator defekt ist.

Schritt 8: Zerstörungsprüfung

Die Zerstörungsprüfung ist natürlich das letzte Mittel. Wenn Sie Zugang zu einem Röntgengerät haben, können Sie das Innere einer Platine untersuchen, ohne sie zu zerstören.

Steht Ihnen kein Röntgengerät zur Verfügung, können Sie bestimmte Bauteile entfernen und Ihre Multimetertests wiederholen. Dies ist in zweierlei Hinsicht hilfreich. Erstens haben Sie so einen viel leichteren Zugang zu den Pads, einschließlich thermischer Pads, die möglicherweise einen Kurzschluss haben. Zweitens wird die Möglichkeit ausgeschlossen, dass ein fehlerhaftes Bauteil für den Kurzschluss verantwortlich war und Sie können sich auf die Leitungen konzentrieren. Wenn es Ihnen gelingt, die Stelle des Kurzschlusses auf eine Verbindung an einem Bauteil, z. B. zwischen zwei Pads, einzugrenzen, ist es möglicherweise nicht offensichtlich, ob das Bauteil defekt ist oder ob es irgendwo im Inneren einer Platine einen Kurzschluss gibt. An diesem Punkt sollten Sie die Bauteile entfernen und die Pads auf Ihrer Platine überprüfen. Durch das Entfernen der Bauteile können Sie prüfen, ob das Bauteil selbst defekt ist oder ob die Pads auf der Platine intern überbrückt sind.

Wenn Sie den Ort des Kurzschlusses (oder möglicherweise mehrerer Kurzschlüsse) immer noch nicht finden, können Sie die Platine aufschneiden und versuchen, den Ort des Kurzschlusses einzugrenzen. Wenn Sie eine ungefähre Vorstellung von der Stelle des Kurzschlusses haben, können Sie einen Abschnitt der Platine herausschneiden und die Multimetertests in diesem Bereich wiederholen. Wenn Sie an diesem Punkt angelangt sind, ist Ihr Kurzschluss bereits besonders schwer zu finden. Auf diese Weise können Sie zumindest den Ort des Kurzschlusses auf einen bestimmten Bereich der Platine eingrenzen.

Nach all unseren verschiedenen Tests, die kein Infrarot beinhalteten, weil wir das pleite Startup waren, auf das ich zuvor oben angespielt hatte, konnten wir nur herausfinden, dass die Ursache für den Kurzschluss in einer Hälfte der Platine lag. Also schnitten wir sie in zwei Teile, um sie dann ein weiteres Mal zu teilen. Die Rückkehr zum Multimeter bestätigte, dass die meisten Abschnitte VCC und Masse nicht miteinander verbunden hatten. Aber dieses einzelne Viertel der Platine war ein kleines schwarzes Loch voller Geheimnisse, und wir kamen dem Kurzschluss am Ende nicht näher. Wir wechselten den Hersteller und bekamen beim nächsten Mal Testboards, die einwandfrei funktionierten.

Wenn Sie die nervenaufreibende Suche nach Kurzschlüssen vermeiden wollen, stellen Sie sicher, dass Sie über robuste In-Circuit-Testregeln verfügen, die auf Fehler, Designprobleme und Herstellertoleranzen prüfen. Wenn Sie für Ihr PCB-Layout ein benutzerfreundliches Tool benötigen, das alles enthält, was Sie für die Herstellung hochwertiger Platinen benötigen, sind Sie bei CircuitMaker an der richtigen Adresse. Zusätzlich zu der benutzerfreundlichen PCB-Designsoftware haben alle CircuitMaker-Anwender Zugriff auf einen persönlichen Arbeitsbereich auf der Altium 365-Plattform. Sie können Ihre Designdaten in die Cloud hochladen und speichern, und Sie können Ihre Projekte ganz einfach über Ihren Webbrowser auf einer sicheren Plattform betrachten.

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