Visión general de las pruebas de fiabilidad y análisis de fallos de PCB/PCBA

| Creado: Enero 6, 2022 | Actualizado: Septiembre 15, 2024

Las pruebas de fiabilidad y el análisis de fallos de un PCB/PCBA van de la mano; cuando los diseños se someten al límite, sus modos de fallo deben determinarse mediante una inspección y análisis exhaustivos. Algunas de estas pruebas y posibles causas de fallo son manejadas por los fabricantes ya que pueden surgir durante la fabricación de la placa desnuda, mientras que otros problemas potenciales con el PCBA deben ser abordados por un equipo de diseño durante el prototipado y la calificación del diseño. Los diseños de alta fiabilidad, como en áreas como la aviación y la defensa, pueden requerir extensas pruebas ambientales y calificaciones para asegurar que funcionarán en el entorno previsto.

Para comenzar con este tema, es importante entender los aspectos de calificación que regirán su diseño de placa desnuda y el PCBA. Examinaremos las diversas dimensiones de la fiabilidad del PCB/PCBA, así como algunas de las técnicas estándar de análisis de fallos utilizadas para identificar posibles requisitos de cambio de diseño.

Visión General de los Estándares de Pruebas de Fiabilidad del PCB

Las pruebas de fiabilidad implican, en términos generales, la exposición de un PCB o PCBA terminado a condiciones ambientales extremas (calor, corrosión, humedad, etc.), seguido de pruebas de rendimiento para asegurar que el dispositivo pueda resistir esas condiciones. Dentro de la disciplina de las pruebas de fiabilidad, hay muchas posibles fuentes de estrés para un PCB y el PCBA terminado:

Carga mecánica (carga estática, vibración y pruebas de choque bajo los estándares MIL-STD/IPC/SAE)
Carga térmica o climática (flujo de calor, temperatura extrema, choque térmico bajo IPC-TM-650 2.6.7 y MIL-STD-202G; ciclado térmico bajo MIL-STD-883 Método 1011, IPC-9701A [6] y JEDEC JESD22-A106)
Carga eléctrica (alta potencia, verificación de derating, EMC, todo en conformidad con los estándares IPC/IEC/SAE) y conformidad con UL
Carga química (corrosión u otra exposición química para igualar el entorno de despliegue)
Exposición a radiación ionizante (calculada como dosis ionizante total (TID))
Exposición a polvo, partículas y líquidos
Pruebas de envejecimiento artificial para ensamblajes electrónicos (HALT, HASS, HATS, etc.)

¿En qué consisten las pruebas de fiabilidad?

Una evaluación de la fiabilidad de un PCB requiere un conjunto de pruebas que se centren en cada una de las áreas mencionadas anteriormente. Las pruebas básicas de la placa fabricada se realizarán en su apilado por su fabricante, y ellos deberían poder certificar que la placa desnuda cumplirá con sus requisitos tal como usted especifique en sus notas de fabricación de PCB. Para el PCBA, las pruebas y la fiabilidad pueden ser más extensas. Su fabricante/montador realizará su propia serie de pruebas e inspecciones para verificar la conformidad con una clase de producto IPC y las normas básicas de IPC sobre placas desnudas, pero a menudo dependerá del equipo de diseño o de una empresa de pruebas contratada para realizar pruebas más especializadas (pruebas ambientales o químicas) en el diseño para verificar su fiabilidad.

Las guías para pruebas en cualquiera de estas áreas implicarían una serie de artículos, por lo que no entraré en todos estos aspectos de las pruebas y verificación de fiabilidad. Los documentos de normas proporcionados por IPC, MIL-STD, SAE, NASA/DO y otras organizaciones ofrecen orientación en esta área, así como procedimientos específicos para realizar estas pruebas. IPC-TM-650 contiene métodos de prueba estandarizados para PCBs, pero los otros documentos mencionados anteriormente pueden ir más allá de los requisitos en IPC-TM-650 para productos e industrias específicas.

Análisis de Fallos en PCB

Determinar los límites de la fiabilidad de las PCB se trata de identificar fallos, así como cómo surgen en el dispositivo. Una vez que ocurre un fallo en la placa, necesita ser investigado. El fallo puede surgir gradualmente debido a daños acumulados (por ejemplo, fatiga), de manera errática (aleatoria o intermitente), o de forma súbita (debido a impactos). Cuando se investigan los modos de fallo, la aplicación de las pruebas anteriores implica someter la PCBA a estrés acumulativo hasta que falle (térmico, mecánico y ambiental), seguido de examinar la placa para localizar y examinar el fallo específico.

La tabla a continuación relaciona los modos de fallo estándar de las PCB con los métodos de inspección y análisis de fallos utilizados en una PCB.

Método de Inspección	Modo de Fallo
Inspección óptica	Esto implica usar microscopios ópticos de alta potencia para inspeccionar la capa superficial de una PCB. Los fallos a localizar incluyen corrosión, uniones de soldadura fallidas, cortocircuitos o circuitos abiertos, acumulación de contaminantes sólidos (por ejemplo, corrosión), o daños en la capa superficial.
Análisis de microsección	Esto requiere cortar una pequeña sección de la placa e inspeccionarla ya sea ópticamente o con un microscopio electrónico de barrido (SEM). Esto se utiliza más a menudo para inspeccionar la laminación, migración del recubrimiento, fiabilidad de los vias y rugosidad.
Pruebas de contaminación	Esto se utilizaría para investigar contaminantes específicos que podrían acumularse en la placa durante el ensamblaje (por ejemplo, flux) o durante la operación. En algunos entornos, las placas podrían estar expuestas a químicos peligrosos, y es importante cuantificar en qué medida estas sustancias podrían contaminar el PCBA.
Inspección SEM/EDX	Cuando algo en la superficie o microsección es identificado y requiere una inspección mucho más profunda, se utilizaría SEM para visualizar la muestra. El análisis EDX se puede utilizar para la determinación de la composición química, y se utilizaría
Inspección por rayos X	Cualquier cosa que no pueda ser vista visualmente o en una prueba de microsección. Esto se puede utilizar para la inspección de fallas en plano, inspección de fallas en BGA, u otros modos de falla en plano.

Identificar defectos en cada una de estas áreas requiere cierta habilidad. Algunos de estos son obvios, como la corrosión extrema debido a la exposición a la humedad, mientras que otros solo son obvios para el ojo entrenado. Por ejemplo, identificar una falla a partir de una imagen de rayos X no es tan obvio debido al contraste y resolución en la imagen registrada.

PCB failure analysis — *Ejemplo de imagen de rayos X mostrando un paquete QFN con pad de tierra.*

Algo como la filamentación anódica conductiva debido a la operación prolongada a alta tensión o la fractura de un barril de vía durante la operación es bastante fácil de detectar, ya sea a partir de una muestra de microsección o de una imagen SEM. Ambos son claramente visibles con la técnica de imagen adecuada. Como ejemplo, la imagen a continuación muestra la fractura claramente visible en una microsección, lo que puede crear una falla intermitente.

PCB failure analysis via barrel — *Ejemplo de falla en el barril de vía durante una excursión térmica. Imagen cortesía de NASA.*

Una vez que se identifica un defecto o falla, se deben tomar algunas medidas para prevenir que el problema ocurra durante la operación, o para modificar el diseño de manera que sea más resistente contra este tipo de problema. Esto debe abordarse caso por caso, dependiendo del tipo de defecto y el mecanismo que causó la falla.

Pensamientos Finales

La clave para recordar aquí es que ninguna PCBA será invencible, y cualquier diseño eventualmente puede ser sometido a estrés hasta el fallo catastrófico. Si los esfuerzos aplicados son tan extremos que es muy poco probable que se encuentren durante la operación cuando se despliega en el entorno previsto para el producto, entonces puedes considerar tu diseño exitoso desde una perspectiva de fiabilidad. Al probar la fiabilidad e investigar fallas, vale la pena considerar los modos de falla que tu dispositivo probablemente experimentará durante la operación y abordar esos primero.

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Sobre el autor / Sobre la autora

Zachariah Peterson tiene una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Actualmente brinda servicios de investigación, diseño y marketing a empresas de la industria electrónica. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland y realizó investigaciones sobre la teoría, los materiales y la estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas de láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sensores ambientales y estocástica. Su trabajo ha sido publicado en más de una docena de revistas revisadas por pares y actas de congresos, y ha escrito más de 1000 blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Es miembro de IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society y Printed Circuit Engineering Association (PCEA), y anteriormente se desempeñó en el Comité Asesor Técnico de Computación Cuántica de INCITS.

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