Wie funktionieren Burn-in-Tests in der Elektronik?

Wenn Sie die Produktion einer neuen Leiterplatte in Angriff nehmen, planen Sie vermutlich eine ganze Kaskade an Tests für Ihr neues Produkt. Diese Tests konzentrieren sich oft auf die Funktionalität und bei Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzplatinen auch auf die Signal- und Leistungsintegrität. Möglicherweise streben Sie eine hohe Zuverlässigkeit und lange Betriebsdauer Ihres Produkts an, und Sie benötigen Daten, um die minimale Lebensdauer Ihres Produkts zuverlässig bestimmen zu können.

Neben In-Circuit-Tests, Funktionstests und möglichen mechanischen Prüfungen können die Bauteile sowie die Platinen selbst von einem Burn-in-Test profitieren. Wenn Sie vorhaben, in hohen Stückzahlen zu produzieren, sollten Sie diesen möglichst vor dem Anlaufen der Massenfertigung durchführen.

Was ist ein Burn-in-Test?

Während eines Burn-in-Tests werden die Komponenten auf einer speziellen Burn-in-Platine bei oder über ihren Nennbetriebsbedingungen belastet, um Bauteile zu identifizieren, die vor ihrer Nennlebensdauer ausfallen werden (Frühausfälle). Zu diesen Betriebsbedingungen können Temperatur, Spannung/Strom, Betriebsfrequenz oder andere Einsatzparameter gehören, die als obere Grenzwerte angegeben werden.

Diese Art von Belastungstest wird manchmal als beschleunigter Lebensdauertest (eine Untergruppe der beschleunigten Grenzlastprüfungen (Highly Accelerated Life Test, HALT) bzw. Belastungsschnellprüfungen (Highly Accelerated Stress Screening, HASS)) bezeichnet, da er den Betrieb einer Komponente über einen längeren Zeitraum und unter extremen Bedingungen nachahmt.

Das Ziel bei diesen Zuverlässigkeitstests ist es, genügend Daten zu sammeln, um eine Ausfallverteilung („Badewannenkurve“, ein Beispiel ist unten dargestellt) zu erstellen. Der unglücklicherweise als „Säuglingssterblichkeit“ (Infant Mortality) bezeichnete Teil umfasst frühe Bauteileausfälle aufgrund von Herstellungsfehlern. Solche Tests werden normalerweise bei 125° C durchgeführt.

Burn-in-Tests und Belastungstests unter Umgebungsbedingungen können mit einer Prototypenplatine bei 125° C oder oberhalb der Glasübergangstemperatur für das vorgesehene Substratmaterial durchgeführt werden. Dies liefert einige Grenzdaten über mechanische Belastungsausfälle für die Leiterplatte sowie über Bauteilausfälle.

Man unterscheidet zwei verschiedene Arten von Burn-in-Tests:

Statische Prüfung

Bei einem statischen Burn-in werden obere Grenztemperaturen und/oder Spannungen an die einzelnen Bauelemente angelegt, ohne Eingangssignale zuzuführen. Dies ist ein einfacher, kostengünstiger, beschleunigter Lebensdauertest. Testbaugruppen müssen dazu nur in einer Klimakammer laufen. Die Kammer wird auf Temperatur gebracht und das System an die gewünschte Spannung angeschlossen. Diese Prüfmethode eignet sich am besten als thermischer Test zur Simulation der Lagerung bei extremen Temperaturen. Das Anlegen einer statischen Spannung während des Tests aktiviert nicht alle Netzknoten in den Schaltkreisen, sodass er keine umfassende Aussage über die Zuverlässigkeit der Bauelemente liefert.

Dynamische Prüfung

Bei dieser Art von Test werden Eingangssignale an jedes Bauteil angelegt, während eine Burn-in-Platine extremen Temperaturen und Spannungen ausgesetzt wird. Dies ermöglicht einen vollständigeren Blick auf die Bauteilzuverlässigkeit, da interne Schaltungen in ICs auf ihre Ausfallsicherheit hin bewertet werden können. Die Ausgangssignale können während eines dynamischen Tests überwacht werden, sodass man sich einen Überblick darüber verschaffen kann, welche Punkte auf der Platine am anfälligsten für Fehler sind.

Jeder Burn-in-Test, der zum Ausfall führt, muss mit einer gründlichen Inspektion abgeschlossen werden. Dies gilt insbesondere bei Belastungstests für Leiterplatten-Prototypen. Diese Tests können zeitaufwendig, kostspielig und materialintensiv sein. Sie sind jedoch entscheidend für die Maximierung der Produktlebensdauer und die Bewertung Ihrer Designentscheidungen. Diese Tests gehen weit über In-Circuit-Tests und Funktionstests hinaus, da sie ein neues Produkt bis an seine Belastungsgrenze beanspruchen.

Zuverlässigkeitstests auf Leiterplatten- vs. Bauteilebene

Burn-in-Tests beziehen sich nicht ausschließlich auf Belastungstests an Prototypenplatten – diese werden normalerweise als HALT/HASS bezeichnet. Burn-in-Tests können neben anderen Umgebungs-/Belastungstests Ausfälle auf Leiterplatten- und Komponentenebene aufdecken. Diese Tests werden dann genau mit oder über den spezifizierten Betriebsbedingungen durchgeführt.

Einige Leiterplattenentwickler zögern mitunter, Ergebnisse von Burn-in-Tests und anderen Belastungstests zu akzeptieren, die über den Komponentenspezifikationen oder außerhalb der vorgesehenen Betriebsbedingungen für die Leiterplatte/Komponenten liegen. Die Logik dahinter ist, dass die Platine und/oder die Komponenten niemals solche Betriebsbedingungen vorfinden sollen, wenn sie in ihrer vorgesehenen Umgebung eingesetzt werden. Daher seien die Testergebnisse nicht aussagekräftig. Dies verfehlt jedoch gerade den Sinn von beschleunigten Burn-in-Tests und Stresstests im Allgemeinen.

Mit der Durchführung dieser Tests bei Überschreitung der Spezifikation können mehr Fehlerquellen früher lokalisiert werden; mehrere dieser Tests in Serie zeigen, wie diese Fehlerquellen über die Betriebsdauer auftreten, wodurch Sie einen viel besseren Überblick über die Zuverlässigkeit erhalten. Das Überschreiten der Spezifikationen führt schlicht zu einer schnelleren Alterung Ihres Produkts und gibt Ihnen einen genaueren Einblick in die Ausfallverteilung.

Indem Sie eventuelle Schwachstellen beheben, die bei einem überdimensionierten Test festgestellt wurden, können Sie die Lebensdauer Ihrer Platine erheblich verlängern. Wenn Ihre Konstruktionssoftware Zugriff auf Supply-Chain-Daten hat, lassen sich dann problemlos einzelne Bauteile gegen geeignete Alternativen austauschen, die über eine längere Nennlebensdauer verfügen. All diese Schritte tragen wesentlich dazu bei, die Zuverlässigkeit Ihres Endprodukts zu erhöhen.

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