Elektrische Belastungstests für PCBAs im Überblick

Die Qualitätskontrolle bei der Volumenproduktion und beim Prototyping haben eine wichtige Aufgaben gemeinsam: die Notwendigkeit von PCB-Tests. Die spezifischen Tests, die Sie für Ihre PCBA durchführen müssen, hängen von ihrem Anwendungsbereich, den idealisierten Betriebsbedingungen und natürlich von den einschlägigen Industrienormen für Ihr Produkt ab. Einige grundlegende Tests und Inspektionen können für Ihre Leiterplatte/PCBA während der Herstellung und Bestückung verlangt werden. Es empfiehlt sich, diese Tests durchzuführen, um zumindest die Kontinuität und die korrekte Bestückung zu gewährleisten und um einfach alle offensichtlichen Mängel zu erkennen, die ggf. Nacharbeiten erfordern könnten.

Anwendungen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen erfordern ggf. mehr als nur einfache elektrische Tests und Prüfungen – entweder während der Fertigung/Bestückung, sobald die Prototypen in die Hände eines Designteams gelangen, und/oder durch ein externes Prüflabor. Ein elektrischer Belastungstest ist nur einer der möglichen Tests, die bei hochzuverlässigen Bestückungen durchgeführt werden sollten, um sicherzustellen, dass die PCBAs auch hochbelastenden elektrischen Bedingungen standhalten können. 

Grundlagen elektrischer Belastungstests

Wenn das Thema Testen angesprochen wird, denken neue Designer möglicherweise, dass sie etwas vergessen haben oder dass sie extreme Tests einplanen müssen, bevor sie eine Leiterplatte so akzeptieren, wie sie vom Hersteller geliefert wird. Es müssen tatsächlich viele Funktionstests durchgeführt werden, aber Sie müssen sich keine Gedanken darüber machen, wie Sie spezifische Belastungsgrenzen für Ihre Leiterplatte quantifizieren. Das ist nur dann relevant, wenn Sie durch eine Normierungsorganisation (z. B. UL) überprüft werden, regulatorische Anforderungen für Ihr Produkt auftauchen, oder Sie auf ein hohes Volumen umstellen müssen.

Wenn Sie Prototypen herstellen oder nur kleine Mengen an Wegwerfplatten produzieren, dann sollten Sie sich darüber nicht allzu viele Gedanken machen. Hobbyprojekte, einfache Prototypen, Demoplattenprojekte oder Einzelanfertigungen sind normalerweise keine Kandidaten für elektrische Belastungstests. Es gibt bei Einzelstückzahlen bestimmte Ausnahmen, beispielsweise hochspezialisierte Luft- und Raumfahrtprodukte (Satelliten, Drohnen usw.). Wenn Ihre Leiterplatte nicht in einem Bereich oder unter Bedingungen eingesetzt wird, in denen das Risiko extremer elektrischer Belastungen besteht, dann sind wahrscheinlich keine elektrischen Belastungstest erforderlich.

Was ist der aktuelle Stand der Technik bei elektrischen Belastungstests, und was genau wird „belastet“? Einige der wichtigsten Methoden für Belastungstests fallen in diese Bereiche:

• Elektrische Überlastungstests
• Elektrostatische Entladungstests (ESD, Electrostatic Discharge)
• Umweltbelastungstests
• Beschleunigte Lebensdauertests

Die Idee besteht darin, Probleme zu identifizieren, die zu einem unbeabsichtigten Fehler in der Leiterplatte führen können, oder einfach zu quantifizieren, wann genau die Leiterplatte versagt (oder beides). Es gibt auch andere Qualitätskontrolltests, die während der Herstellung durchgeführt werden können, doch wir konzentrieren uns im Rahmen dieses Artikels auf die oben genannten Tests.

Elektrische Überlastungstests (EOS, Electrical Overstress)

Dies wird manchmal mit ESD in einen Topf geworfen, da es sich bei beiden um eine Form der Überbeanspruchung von Komponenten handelt. Ein EOS-Test ist wahrscheinlich der einfachste elektrische Belastungstest, der durchgeführt werden kann: Komponenten werden im Grunde mit einem zu starken Strom belastet und das zu prüfende Gerät wird beobachtet, bis es versagt. Dies wird normalerweise auf der Wafer-Ebene oder bei einzelnen Elementen durchgeführt, um zu ermitteln, wann das Gerät ausfallen wird und wie der Ausfallmechanismus aussieht.

Die absoluten Höchstwerte in einem Datenblatt beruhen in der Regel auf den Ergebnissen von EOS-Tests für einzelne Komponenten. Diese Werte werden mit einem gewissen Sicherheitsbereich definiert, sodass man sie möglicherweise auch überschreiten kann. Hierbei wird jedoch nicht die elektrische Überlastung auf Systemebene betrachtet. Hier müssen Sie Ihr System an jeder Schnittstelle und an jeder Zufuhr manuell überlasten. Dabei sollten Sie die Leistung bzw. die Ausgänge überwachen, um sicherzustellen, dass das Gerät den erwarteten Überlastungen standhält.

Elektrostatische Entladungstests (ESD, Electrostatic Discharge)

Dieser Test ist genau das, wonach er klingt: Er testet das Ausmaß, in dem die PCBA ESD-Ereignisse aushalten kann. Bei einem ESD-Ereignis wird Ihre PCBA einem sehr starken elektrischen Impuls ausgesetzt, der möglicherweise über 10.000 V erreicht und eine Stromstärke von mehreren Ampere überschreitet. Eine solche Entladung kann Komponenten zerstören, sofern sie nicht in eine Sicherheitsmasse in Ihrem System umgeleitet wird. ESD-Schaltkreise sind so konzipiert, dass sie ESD-Impulse absorbieren und/oder ableiten, weg von den Komponenten und in den Bereich der Sicherheitsmasse in Ihrem System. Einige digitale Schnittstellen, wie z. B. die IEEE-802.3-Normen für Ethernet-PHYs, legen eigene ESD-Anforderungen fest, die auf Komponentenebene erfüllt werden müssen.

JEDEC unterscheidet zwischen ESD auf der Komponenten- und auf der Systemebene. Leiterplattendesigner müssen sich Gedanken darüber machen, was auf der Systemebene passiert, denn dieser Bereich unterliegt ihrer Kontrolle.

Ein ESD-Ereignis auf Systemebene tritt innerhalb der PCBA auf und kann sich auf mehrere Komponenten auswirken. Folgende Ergebnisse sind möglich:

• Das System funktioniert weiterhin ohne Probleme
• Das System ist gestört/verriegelt (Soft Failure), aber nicht physisch ausgefallen
• Das System wird physisch beschädigt (Hard Failure)

Verschiedene Industrienormen, die über die IPC-Normen hinausgehen, stellen Anforderungen an die Widerstandsfähigkeit eines Geräts gegen elektrostatische Entladungen. Das spezifische Prüfverfahren hängt davon ab, welche Normen für Ihr Produkt gelten (z. B. IEC 62368-1/IEC 61000, ISO 10605 für die Automobilindustrie, DO-160 für die Luft- und Raumfahrt usw.). Das erforderliche Maß an ESD-Schutz für Ihr Produkt können Sie den einschlägigen Sicherheitsnormen für Ihr Produkt und Ihre Branche entnehmen.

Umweltbelastungstests (ESS, Environmental Stress Screening)

Diese Tests sollen die idealisierte Einsatzumgebung eines Geräts genau simulieren. ESS-Tests können Temperaturwechsel, Falltests, Vibrationstests, thermische/mechanische Schocktests oder andere Umwelt- oder mechanischen Belastungstests umfassen, denen ein Gerät während des Betriebs erwartungsgemäß ausgesetzt sein wird. Zu den spezielleren Testmethoden gehören Crash-Tests, Druck- und Feuchtigkeitstests und sogar Höhentests. Hochzuverlässige Systeme müssen während des elektrischen Betriebs all diesen Umweltfaktoren standhalten können. In der Regel ist daher eine Kombination von Tests erforderlich ist, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Funktionstests werden auch vor, während und nach diesen Tests durchgeführt, um vollständig zu überprüfen, ob das Design versagt oder die Funktionalität beeinträchtigt wird. Bei diesen Tests wird nicht nur die elektrische Beanspruchung geprüft, sondern auch die Funktionsfähigkeit in ganz verschiedenen Stresssituationen, die eine elektrische Überbeanspruchung oder sogar ESD beinhalten können. Da es sich in der Regel um eine Kombination von speziellen Tests handelt, die durchgeführt werden müssen, wird diese strenge Prüfung vom Designteam und nicht vom Hersteller durchgeführt.

Beschleunigte Lebensdauertests

So wird eine Reihe möglicher Tests bezeichnet, mit denen die ungefähre mögliche Nutzungsdauer eines neuen Geräts ermittelt werden soll. Beschleunigte Lebensdauertests werden oft unter dem Begriff „Burn-in-Testing“ zusammengefasst, obwohl es mehrere Varianten dieser Tests gibt. Beschleunigte Lebensdauertests lassen sich in folgende Kategorien einteilen:

• Burn-in-Testing: Eine Methode zur statistischen Identifizierung von Komponenten und/oder Baugruppen, die frühzeitig versagen werden.
• Hochbeschleunigte Lebensdauertests (HALT, Highly Accelerated Life Testing): Hierbei wird ein Gerät so lange belastet, bis es aufgrund dauerhafter Überbenutzung versagt. Dies imitiert die Überbenutzung unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen, unter denen das Gerät eingesetzt werden soll.
• Hochbeschleunigte Belastungstests (HAST, Highly Accelerated Stress Testing): Ähnlich wie bei HALT-Tests wird das Design bis zum vollständigen Versagen belastet.
• Hochbeschleunigtes Belastungsscreening (HASS): Es werden dieselben Umweltbelastungen wie bei HAST simuliert, jedoch auf niedrigerem Niveau und in der Regel nach Abschluss eines vollständigen HALT-Tests.

Jede dieser Lebensdauer-/Belastungsprüfungen kann zusammen mit den anderen oben genannten Prüfverfahren durchgeführt werden, sofern die richtigen Prüfkammern und Geräte zur Verfügung stehen. Solche Testkombinationen sind ggf. hochspezialisiert, sie sind aber auch unerlässlich für die Bestimmung der Lebensdauer und die Ermittlung der Versagensmechanismen der Elektronik.

Versagensanalyse

Die oben genannten elektrischen Belastungstests sollen sowohl die Grenzen eines Geräts ermitteln als auch beurteilen, ob es den Umgebungsbedingungen während des Betriebs standhalten kann. Wenn Sie feststellen, dass das Design den erwarteten Belastungen nicht standhält und versagt, ist eine Versagensanalyse erforderlich, um die Ursache für das Versagen Ihres Geräts zu ermitteln. Das Versagen kann auf der Komponentenebene, auf der Leiterplattenebene oder auf beiden Ebenen auftreten, und es bedarf bestimmter forensischer Untersuchungen, um den Versagensmechanismus mit Sicherheit zu ermitteln. Auf diese Punkte werden wir in den nächsten Artikeln eingehen.

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