Überblick über Zuverlässigkeitstests und Fehleranalyse bei PCB/PCBA

Zuverlässigkeitstests und Fehleranalysen eines PCB/PCBA gehen Hand in Hand; wenn Designs bis an ihre Grenzen belastet werden, müssen ihre Ausfallmodi durch gründliche Inspektion und Analyse bestimmt werden. Einige dieser Tests und potenziellen Ausfallursachen werden von Herstellern behandelt, da sie während der Herstellung der nackten Platine auftreten können, während andere potenzielle Probleme mit dem PCBA von einem Designteam während des Prototyping und der Designqualifikation angesprochen werden sollten. Designs mit hoher Zuverlässigkeit, wie beispielsweise in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt und der Verteidigung, können umfangreiche Umwelttests und Qualifikationen erfordern, um sicherzustellen, dass sie in der vorgesehenen Umgebung funktionieren.

Um in dieses Thema einzusteigen, ist es wichtig, die Qualifikationsaspekte zu verstehen, die Ihr nacktes Platinendesign und das PCBA bestimmen werden. Wir werden uns die verschiedenen Dimensionen der Zuverlässigkeit von PCB/PCBA ansehen, sowie einige der standardmäßigen Fehleranalysetechniken, die verwendet werden, um potenzielle Anforderungen an Designänderungen zu identifizieren.

Überblick über die Standards für Zuverlässigkeitstests von PCBs

Zuverlässigkeitstests umfassen im Allgemeinen die Exposition eines PCB oder fertigen PCBA gegenüber extremen Umweltbedingungen (Hitze, Korrosion, Feuchtigkeit usw.), gefolgt von Leistungstests, um sicherzustellen, dass das Gerät diesen Bedingungen standhalten kann. Innerhalb der Disziplin der Zuverlässigkeitstests gibt es viele mögliche Stressquellen für ein PCB und das fertige PCBA:

• Mechanische Belastung (statische Last, Vibration und Schocktests nach MIL-STD/IPC/SAE Standards)
• Thermische oder klimatische Belastung (Wärmefluss, extreme Temperaturen, thermischer Schock nach IPC-TM-650 2.6.7 und MIL-STD-202G; thermische Zyklen nach MIL-STD-883 Methode 1011, IPC-9701A [6] und JEDEC JESD22-A106)
• Elektrische Belastung (hohe Leistung, Derating-Verifizierung, EMC, alles in Übereinstimmung mit IPC/IEC/SAE Standards) und UL-Konformität
• Chemische Belastung (Korrosion oder andere chemische Exposition entsprechend der Einsatzumgebung)
• Exposition gegenüber ionisierender Strahlung (berechnet als Gesamtionisierungsdosis (TID))
• Exposition gegenüber Staub, Partikeln und Flüssigkeiten
• Künstliche Alterungstests für elektronische Baugruppen (HALT, HASS, HATS usw.)

Was beinhaltet die Zuverlässigkeitsprüfung?

Eine Zuverlässigkeitsbewertung von Leiterplatten erfordert eine Reihe von Tests, die sich auf die oben aufgeführten Bereiche konzentrieren. Grundlegende Tests der gefertigten Platine werden von Ihrem Hersteller an Ihrem Stackup durchgeführt, und dieser sollte in der Lage sein, zu zertifizieren, dass die nackte Platine Ihren Anforderungen entspricht, wie Sie es in Ihren Fertigungsnotizen für die PCB angeben. Für die PCBA können Tests und Zuverlässigkeit umfangreicher sein. Ihr Hersteller/Monteur wird seine eigene Reihe von Tests und Inspektionen durchführen, um die Konformität mit einer IPC-Produktklasse und grundlegenden IPC-Standards für nackte Platinen zu überprüfen, aber es wird oft Aufgabe des Designteams oder eines Vertragsprüfunternehmens sein, spezialisiertere Tests (Umwelt- oder Chemietests) am Design durchzuführen, um die Zuverlässigkeit zu überprüfen.

Leitfäden zu Tests in einem dieser Bereiche würden eine Reihe von Artikeln erfordern, daher werde ich nicht auf alle diese Aspekte der Zuverlässigkeitsprüfung und -verifizierung eingehen. Standardsdokumente, die von IPC, MIL-STD, SAE, NASA/DO und anderen Organisationen bereitgestellt werden, bieten Anleitung in diesem Bereich sowie spezifische Verfahren zur Durchführung dieser Tests. IPC-TM-650 enthält standardisierte Testmethoden für PCBs, aber die anderen oben genannten Dokumente können über die Anforderungen in IPC-TM-650 für spezifische Produkte und Branchen hinausgehen.

PCB-Fehleranalyse

Die Bestimmung der Grenzen der PCB-Zuverlässigkeit dreht sich darum, Ausfälle zu lokalisieren sowie deren Entstehung im Gerät zu verstehen. Sobald ein Ausfall der Platine auftritt, muss dieser untersucht werden. Ausfälle können allmählich durch angesammelten Schaden (z.B. Ermüdung), unregelmäßig (zufällig oder intermittierend) oder plötzlich (aufgrund von Schocks) entstehen. Bei der Untersuchung von Ausfallarten beinhaltet die Anwendung der oben genannten Tests das kumulative Belasten der PCBA bis zum Ausfall (thermisch, mechanisch und umweltbedingt), gefolgt von der Untersuchung der Platine, um den spezifischen Ausfall zu lokalisieren und zu untersuchen.

Die untenstehende Tabelle ordnet die standardmäßigen PCB-Ausfallmodi den Inspektions- und Fehleranalysemethoden zu, die bei einer PCB verwendet werden.

Das Identifizieren von Defekten in jedem dieser Bereiche erfordert ein gewisses Können. Einige davon sind offensichtlich, wie extreme Korrosion durch Exposition gegenüber Feuchtigkeit, während andere nur für das geschulte Auge offensichtlich sind. Zum Beispiel ist das Identifizieren eines Ausfalls aus einem Röntgenbild nicht so offensichtlich aufgrund des Kontrasts und der Auflösung im aufgezeichneten Bild.

Etwas wie leitfähige anodische Filamentbildung aufgrund langanhaltender Betriebsbedingungen bei hoher Spannung oder Bruch eines Via-Barrels während des Betriebs ist ziemlich leicht zu erkennen, entweder anhand einer Mikroschnittprobe oder eines SEM-Bildes. Beides ist mit der richtigen Bildgebungstechnik deutlich sichtbar. Als Beispiel zeigt das Bild unten einen deutlich sichtbaren Bruch in einem Mikroschnitt, der einen intermittierenden Ausfall verursachen kann.

Sobald ein Defekt oder Ausfall identifiziert wurde, sollten einige Schritte unternommen werden, um das Problem während des Betriebs zu verhindern oder das Design so zu ändern, dass es widerstandsfähiger gegen diesen Typ von Problem ist. Dies muss auf einer Fall-zu-Fall-Basis angegangen werden, abhängig von der Art des Defekts und dem Mechanismus, der den Ausfall verursacht hat.

Abschließende Gedanken

Wichtig zu merken ist hier, dass keine PCBA unbesiegbar sein wird und jedes Design letztendlich so stark belastet werden kann, bis es zu einem katastrophalen Ausfall kommt. Wenn die angewendeten Belastungen so extrem sind, dass sie im Betrieb, wenn sie im vorgesehenen Umfeld des Produkts eingesetzt werden, höchst unwahrscheinlich auftreten, dann können Sie Ihr Design aus Zuverlässigkeitssicht als erfolgreich betrachten. Bei der Prüfung auf Zuverlässigkeit und der Untersuchung von Ausfällen lohnt es sich, die Ausfallmodi, die Ihr Gerät während des Betriebs am wahrscheinlichsten erfahren wird, zuerst anzugehen.

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