PCB-Tests im Überblick: wichtige Methoden und Metriken

Zachariah Peterson
|  Erstellt: June 17, 2021  |  Aktualisiert am: February 10, 2022
Wichtige PCB-Test-Methoden

Hersteller wissen, dass ein PCB-Test als Qualitätskontrolle und Prüfung im Rahmen der Fertigung von Leiterplatten eine zentrale Rolle spielt. Es gibt zahlreiche Formen von Qualitätstests, die durchgeführt werden können, um die Herstellbarkeit eines Designs in großem Maßstab und hoher Qualität zu gewährleisten. Viele dieser Prozesse laufen jedoch im Hintergrund ohne direkte Einbindung des Designers ab. Andere wichtige Testverfahren, wie PCB-Bring-ups und -Funktionsprüfungen, fallen im Allgemeinen in die Verantwortlichkeit des Designers und finden im Zuge der Prototypenentwicklung statt. Diese PCB-Tests fließen dann in die Fertigung ein, sobald die Produktion in großem Maßstab aufgenommen wird.

Unabhängig vom Umfang der durchzuführenden Prüfungen und PCB-Testing-Tools ist es wichtig, die grundlegenden Testanforderungen zu bestimmen, die Ihr Design erfüllen muss, und diese Ihrem Hersteller mitzuteilen. Wenn Sie zum ersten Mal von der Prototypenfertigung zur Massenproduktion übergehen, empfehlen wir Ihnen, einen Blick auf unsere Liste mit PCB-Testanforderungen zu werfen.

PCB-Board-Testing während der Fertigung

Im Rahmen der Fertigung und Bestückung von Leiterplatten werden verschiedene PCB-Tests durchgeführt. Diese dienen zur Ermittlung der Qualität und des Ertrags unbestückter PCBs. Außerdem kann so festgestellt werden, ob ein Design die Bestückung fehlerfrei durchlaufen hat. Darüber hinaus werden während der Fertigung/Bestückung elektrische Prüfungen durchgeführt und mit der Netzliste des Designs verglichen.

Bei Prototypendesigns endet die Prüfung nicht mit der Herstellung. Sobald die Leiterplatten eingetroffen sind, sollte das Designteam noch vor der Finalisierung des Designs alle Komponenten einer Bring-up- sowie einer Funktionsprüfung unterziehen. Sobald das Produktionsvolumen auf Tausende oder Millionen von Leiterplatten erhöht wird, müssen einige dieser Messungen womöglich automatisiert werden, um einen hohen Durchsatz und optimale Qualität zu gewährleisten.

Mechanische PCB-Prüfungen und -Inspektionen

Während der Herstellung wird ein Mindestsatz an mechanischen Tests und Inspektionen durchgeführt, um den Fertigungsprozess der unbestückten Leiterplatte zu validieren und sicherzustellen, dass die PCBs angemessen bestückt werden:

Test

Gegenstand der Inspektion

Kriterien

Sichtprüfung und Röntgeninspektion

Erkennung von Rückständen, Delaminationen oder anderen Schäden auf den Oberflächenlagen (visuell) und den internen Lagen (Röntgen). Die Röntgeninspektion wird auch eingesetzt, um BGA- oder QFN-Gehäuse auf ausreichendes Lot und geschlossene Verbindungen zu prüfen.

Bestanden/nicht bestanden

Schälversuch

Messung der erforderlichen Kraft, die zur Abschälung einer laminierten Leiterplatte aufgewendet werden muss, nachdem der Lagenaufbau fertiggestellt und vollständig ausgehärtet ist.

Bestanden/nicht bestanden + spezifischer Wert

Löttopf- und Lötbarkeitstests

Bestimmung der Lötbarkeit von metallisierten Durchkontaktierungen (PTHs) und Prüfung der Beständigkeit der Via-Hülse unter thermischer Belastung während des Lötens bis zum Versagen.

Bestanden/nicht bestanden

Automatische optische Inspektion (AOI)

Zur automatischen Erkennung von Bestückungsfehlern, wie unzureichendes Lot, Lötstellenrisse, offene Verbindungen (z. B. Keyholing oder Grabsteineffekte in extremen Fällen). Neuere AOI-Methoden, die mithilfe von Deep Learning entwickelt wurden, werden zur Erkennung kalter Lötstellen eingesetzt.

Bestanden/nicht bestanden

Anhand dieser Tests wird festgestellt, ob ein Qualitätsproblem im Herstellungsprozess vorliegt, welche Nacharbeiten erforderlich sein könnten oder ob ein bestimmter Aspekt des Designs zu einem fehlgeschlagenen Test führt. 

Elektrische PCB-Prüfungen während der Fertigung

Während der Herstellung werden auch elektrische Tests durchgeführt, um Fehler, Widerstandsabweichungen oder leitende Rückstände vom Löten zu erkennen:

  • In-Circuit-Tests: Messung zur Ermittlung etwaiger Unterbrechungen, Kurzschlüsse sowie spezifischer Spannungs-/Stromwerte an Testpunkten. Manchmal wird eine Prüfvorrichtung eingesetzt, um eine bestimmte Wellenform zu messen. Darüber hinaus können elektrische Einschalt- oder Ausschalttests an bestimmten Bauteilen oder Testpunkten durchgeführt werden, um Komponentenfehler zu ermitteln.
  • ROSE-Messung (Resistivity of Solvent Extract): Diese Leitfähigkeitsmessung dient dazu, eventuelle Rückstände von Lötflussmitteln aufzuspüren.
  • Zeitbereichsreflektometrie (Time Domain Reflectometry; TDR): Dieser Test dient zur Messung des Widerstands von differenziellen Leiterbahnen und solchen mit einzelnen Endpunkten. Dies kann auf einem Testcoupon oder auf einer Testleiterplatte mit einer befestigten Vorrichtung erfolgen. Um die Signalintegrität vollständig zu bewerten, ist ein anschließendes De-Embedding und Analysieren erforderlich.
Frei schwebende Tester über einem PCB-Board bei einem elektrischen PCB-Test
Frei schwebende Tester werden dazu genutzt, spezifische Punkte auf dem PCB-Board auf Fehler zu überprüfen.

Bei kontrollierten Widerstandstests sollten Sie sich vor der Erstellung Ihres Designs auf die Daten und Erfahrungen Ihres Herstellers stützen. Wenn Sie im Rahmen Ihres Fertigungsauftrags einen kontrollierten Widerstandstest anfordern, kann so die Einhaltung der Widerstandswerte für den vorliegenden Materialsatz geprüft werden. Stellen Sie hierbei sicher, dies für Ihren Hersteller klar auszuweisen, z. B. in Ihren Fertigungshinweisen.

PCB-Belastungstests

Die obige Liste umfasst die grundlegenden Prüfungen, die zur Gewährleistung einer erfolgreichen Herstellung und zur Erkennung von Mängeln erforderlich sind. Zusätzlich zu den oben aufgeführten Basistests muss Ihre Leiterplatte möglicherweise weiteren, noch strengeren Tests unterzogen werden, die darauf ausgelegt sind, eine Leiterplatte bis an ihre Grenze zu belasten. Sobald eine Leiterplatte die Bestückung durchlaufen hat, wird sie möglicherweise einer Reihe von Belastungstests unterzogen, um sicherzustellen, dass sie die Mindestanforderungen an Leistung und Zuverlässigkeit erfüllt. PCB-Belastungstests zielen darauf ab, die lang- und kurzfristige Zuverlässigkeit unter idealisierten Umweltbedingungen zu bewerten. Diese Tests müssen nicht für alle Arten von Leiterplatten durchgeführt werden. Bei kurzen Prototypenserien wird im Allgemeinen auf diese Tests verzichtet, das gilt auch für den Hersteller. Stattdessen können die unbestückte Leiterplatte und die fertige Baugruppe durch Inspektionsverfahren gemäß Zuverlässigkeitsstandards bewertet werden.

Wenn Ihr Hersteller diese erweiterten Tests nicht durchführen kann, können Sie spezielle Testunternehmen beauftragen, die neue Produkte anhand einer umfassenden Methodik unter Anwendung verschiedener Prüfverfahren qualifizieren. UL-Tests und elektrische Belastungstests sind bei der Entwicklung von Verbraucher- oder Handelsprodukten in der Regel am wichtigsten, da sie die Grundvoraussetzungen für die Zuverlässigkeit vorgeben. Für andere Produkte in Bereichen wie der Medizintechnik, der Fahrzeugindustrie oder der Luft- und Raumfahrt gelten wesentlich strengere Normen, sowohl in Bezug auf die IPC-Klassifikation als auch auf andere Branchenstandards (SAE, MIL-STD usw.).

Zuverlässigkeits- und PCB-Fehleranalyse

Welche Faktoren gehören zur Zuverlässigkeitsanalyse und zur Ermittlung von Fehlerursachen? Wenn eine Leiterplatte bis zum Versagen belastet wird oder die oben genannten Anforderungen nicht erfüllt, muss die Ursache für das Versagen ermittelt werden. Zu Beginn sollten Funktionsprüfungen durchgeführt werden (siehe unten), um festzustellen, welche spezifischen Funktionen oder Merkmale versagt haben. Dadurch können Sie den spezifischen Punkt im Design eingrenzen, an dem der Fehler vermutlich aufgetreten ist. Zusätzlich zu den elektrischen Tests der Leiterplatte werden häufig Schliffbilder verwendet, um zu untersuchen, welche spezifischen Punkte im Design versagt haben, bzw. um den genauen Mechanismus zu bestimmen.

Schliffbildanalyse
Hier sind einige interessante Beispiele für Fehler, die in einer Mikrosektion zutage treten können. [Quelle: Grosshardt, et al.]

Wenn Sie Zugang zu Simulationsanwendungen und genügend Rechenleistung haben, können Sie sogar Belastungssimulationen durchführen. Diese dienen beispielsweise zur Ermittlung der mittleren Betriebsdauer bis zum Ausfall und des exakten Bereichs bzw. der Arten thermisch bedingter mechanischer Ausfälle. Zudem können Sie im Rahmen von Untersuchungsverfahren feststellen, inwiefern das Design oder der Herstellungsprozess angepasst werden muss.

Wenn ein Ausfall festgestellt wird, der außerhalb der üblich erwarteten Betriebsbedingungen auftritt, können Sie dies als Erfolg werten, solange das Design Ihren Design- und Zuverlässigkeitsstandards entspricht. Aber: Kein Design ist unverwundbar. Seien Sie also nicht überrascht, wenn es schließlich unter extremer Belastung versagt. Ziel ist es, festzustellen, ob das Design unter angemessenen und zu erwartenden Einsatzbedingungen zuverlässig funktioniert. Zuverlässigkeitsstandards wurden entwickelt, um genau diesen Aspekt zu berücksichtigen und wenn Ihre Leiterplatte diesen Standards entspricht, ist das der erste Schritt zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit.

Qualifizierung

Bevor Sie Ihre Leiterplatte einer Reihe von Zuverlässigkeitstests unterziehen, sollten Sie sich vergewissern, dass Sie bereits während der Designphase Zuverlässigkeits- und Sicherheitsstandards berücksichtigen. Einige IPC-Normen schreiben bestimmte Aspekte eines Designs, die die Zuverlässigkeit gewährleisten, vor:

  • IPC‑6011 General Performance Specification for Printed Boards
  • IPC‑6012D Qualification and Performance Specification for Rigid Printed Boards
  • IPC‑6013D Qualification and Performance Specification for Flexible/Rigid-Flexible Printed Boards

Diese Normen umfassen spezifische Abmessungsrichtlinien und Toleranzen, die eingehalten werden müssen. Im Rahmen dieser Richtlinien werden zwar keine bestimmten Größen für Pads, Leiterbahnen, Löcher oder andere Funktionalitäten vorgeschrieben, allerdings legen sie eine Reihe von Mindestkriterien fest, die eine hergestellte Leiterplatte erfüllen muss. Abhängig von den Fertigungsmöglichkeiten eines Herstellers und der Produktklassifikation können bestimmte Maßvorgaben für die Leiterplatte festgelegt werden. Ein prototypisches Beispiel dafür sind Restringe für Geräte der Klasse III gemäß der Norm IPC 6012.

PCB-Funktionsprüfungen

Funktionsprüfungen für Elektronik umfassen eine Reihe verschiedener Prüfverfahren. Viele davon zielen darauf ab, sicherzustellen, dass das Produkt die gewünschten Benutzererfahrungen und Endfunktionen bietet, die im Entwurf vorgesehen waren. Für die Durchführung dieser Tests ist nicht der Hersteller, sondern das Designteam während der Prototypenphase verantwortlich. Die Aufgabe Ihres Herstellers ist lediglich, Ihnen eine PCBA zu liefern, die in elektrischer Hinsicht mit den von Ihnen gelieferten Designdaten übereinstimmt. Funktionsprüfungen liegen in der Regel nicht in seiner Verantwortung, es sein denn, diese Tests können automatisiert stattfinden.

Falls im Rahmen der Funktionsprüfungen nicht die erwarteten Ergebnisse erzielt werden, ist es die Aufgabe des Designers, auf Fehlersuche zu gehen und die Probleme zu beheben. Der Designer oder Testingenieur muss unter Umständen bestimmte elektrische Messungen manuell vornehmen, mit der Firmware experimentieren und Probleme im Design zurückverfolgen, um die Ursachen für die Fehler zu finden. Sobald diese ermittelt wurden, können sie in der nächsten Designrevision berücksichtigt und im Idealfall als Testanforderungen in die Serienfertigung des Produkts integriert werden.

Wenn Sie zu höheren Stückzahlen übergehen und die Funktionalität oder Normkonformität Ihres Produkts bestimmte elektrische, thermische oder mechanische Tests erfordert, sollten Sie diese für Ihren Hersteller spezifizieren, interne Testverfahren etablieren oder ein externes Testunternehmen beauftragen. Nehmen Sie so früh wie möglich Kontakt auf, um Ihre Anforderungen klar darlegen und sicherstellen zu können, dass die Voraussetzungen zur Automatisierung dieser Tests gegeben sind. Nur so kann letztlich die Produktqualität gewährleistet werden. Es kostet zwar Zeit, diese Aufgaben vorab zu erledigen. Der Vorteil ist jedoch, dass Sie sicherstellen können, dass sämtliche potenzielle Fehler im Design berücksichtigt wurden.

Die bewährten PCB-Designtools in Altium Designer® bieten Ihnen alle erforderlichen Funktionen zur Bestimmung von PCB-Testanforderungen in Ihren Schaltplänen sowie in Form von beigefügten Dokumenten. Wenn Sie bereit sind, Ihr Design für den Fertigungsprozess freizugeben, können Sie Ihre Designdaten über die Altium 365™-Plattform mühelos an Ihren Hersteller übermitteln. Altium 365 und Altium Designer bieten Ihnen alles, was Sie benötigen, um eine Designprüfung zu bestehen, Testanforderungen zu kommunizieren und Designänderungen mitzuteilen.

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Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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