Pruebas de PCB 101: métodos y métricas importantes

Zachariah Peterson
|  Creado: June 17, 2021  |  Actualizado: February 14, 2022
pruebas de pcb

Los fabricantes saben que en el proceso de fabricación de PCB hay mucho que decir en cuanto a control de calidad y pruebas de PCB para estudiar la puesta en marcha de las placas. Existen muchos controles de calidad para garantizar que un diseño se pueda fabricar a gran escala y con alta calidad. Sin embargo, muchos de ellos pueden tener lugar en segundo plano, sin que el diseñador se dé cuenta. Otros ensayos importantes, como la puesta en marcha y las pruebas de PCB en cuanto a funciones. Estas suelen ser responsabilidad del diseñador durante la creación de prototipos, y estas pruebas de PCB se incluirán en la fabricación cuando se produzca a gran escala.

Independientemente del nivel de pruebas e inspecciones que debas realizar, es importante determinar los requisitos básicos de las pruebas que debe satisfacer tu diseño y comunicárselos al fabricante. Si es la primera vez que pasas de la creación de prototipos a la producción de gran volumen, consulta nuestra lista de requisitos de pruebas de PCB para saber qué puedes esperar.

Pruebas de PCB durante la fabricación

Hay diversos procedimientos de pruebas de PCB que se llevan a cabo durante la fabricación y el montaje. Su objetivo es evaluar la calidad y el rendimiento de las PCB vacías, y garantizar que un diseño ha pasado por el proceso de montaje sin defectos. Asimismo, se realizarán pruebas eléctricas durante la fabricación y el montaje y se compararán con la lista de conexiones (netlist) del diseño.

Para los diseños de prototipos, las pruebas no terminan con la fabricación. Una vez recibidas las placas, el equipo de diseño debe realizar todas las pruebas de PCB de puesta en marcha y funcionales antes de dar por finalizado el diseño. Una vez que la fabricación se amplía a miles o millones de placas, puede ser necesario automatizar algunas de estas mediciones para garantizar un alto rendimiento y calidad.

Pruebas e inspecciones mecánicas para PCB

Hay un conjunto mínimo de pruebas e inspecciones mecánicas que se efectúan durante la fabricación. Esto para verificar el proceso de fabricación de la placa vacía y garantizar que el montaje se haya realizado de manera fiable:

Prueba

Qué se inspecciona

Criterios

Inspección visual y por rayos X

El objetivo es identificar cualquier residuo, delaminación u otros daños en las capas superficiales (visual) e internas (rayos X). La inspección por rayos X también se utiliza para inspeccionar los encapsulados de las BGA o QFN a fin de comprobar si hay suficiente material de soldadura y si las conexiones están cerradas.

Aprobado/no aprobado

Prueba de pelado

Mide la fuerza necesaria para separar una placa laminada después de construir y curar por completo el apilamiento (stackup).

Aprobado/no aprobado + valor específico

Pruebas de crisol de soldadura y de desplazamiento

Determina la soldabilidad de los agujeros pasantes chapados (PTH), así como si el cilindro (barrel) de la vía puede soportar la tensión térmica durante la soldadura antes de fallar.

Aprobado/no aprobado

Inspección óptica automatizada (AOI)

Se utiliza para detectar automáticamente defectos de montaje, como material de soldadura insuficiente, grietas en uniones, conexiones abiertas (por ejemplo, orificios de pin o lapidación en casos extremos). Se están utilizando nuevos métodos de inspección óptica automatizada desarrollados con aprendizaje profundo para localizar soldaduras frías.

Aprobado/no aprobado

Estas pruebas se pueden utilizar para determinar si hay algún problema de calidad inherente al proceso de fabricación, si se precisa algún repaso o si hay algún aspecto del diseño que provoque un fallo de la prueba. 

Pruebas eléctricas para PCB durante la fabricación

También se realizan pruebas eléctricas durante la fabricación para comprobar si hay fallos, desviaciones de impedancia o residuos de soldadura que sean conductores:

  • Pruebas en circuito: miden la presencia de circuitos abiertos y cortocircuitos, así como de valores específicos de tensión/corriente en los puntos de las pruebas. A veces se utiliza un banco de pruebas para medir una forma de onda específica. Además, las pruebas eléctricas de encendido o apagado pueden utilizarse con componentes o puntos de pruebas específicas para verificar si hay fallas en los componentes.
  • Prueba de resistividad del extracto de disolvente (ROSE): esta medición de conductividad se utiliza para verificar si hay algún residuo sobrante del fundente de soldadura.
  • Reflectometría en el dominio de tiempo (TDR): esta prueba se utiliza para medir la impedancia en pistas diferenciales y de un extremo. Esto puede realizarse en un cupón de ensayo o en una placa de prueba con un accesorio conectado. Para evaluar completamente la integridad de la señal, se necesita una posterior desincrustación y análisis.
Pruebas eléctricas para PCB
Los comprobadores de sonda volante se utilizan para sondear puntos específicos de la placa de circuito impreso para comprobar si hay fallos.

Las pruebas de impedancia controlada son un área en la que debes fiarte de los datos y la experiencia del fabricante antes de crear tu diseño. Si solicitas un servicio de impedancia controlada como parte de tu pedido de fabricación, podrán verificar que este cumplirá tus especificaciones de impedancia para su conjunto de materiales. Asegúrate de que se lo especificas claramente a tu fabricante; por ejemplo, incluyéndolo en tus notas de fabricación.

Pruebas de esfuerzo de PCB

En la lista anterior se incluyen los ensayos fundamentales necesarios para garantizar una fabricación satisfactoria y para detectar defectos. Además de las pruebas básicas enumeradas anteriormente, es posible que tu placa deba pasar por ensayos más estrictos diseñados para llevar una PCB hasta sus límites. Después de que la PCB haya pasado por la fase de montaje, se puede someter a una batería de pruebas de esfuerzo para garantizar que cumplirá los requisitos mínimos de rendimiento y fiabilidad. Las pruebas de esfuerzo de la PCB tienen como objetivo evaluar la fiabilidad a largo y corto plazo en condiciones ambientales ideales. No todas las placas deberán pasar por este conjunto de pruebas realizadas por el fabricante. En el caso de tiradas cortas de prototipos, estos ensayos no suelen efectuarse, ni siquiera por parte del fabricante. En cambio, la placa vacía y el conjunto terminado pueden evaluarse con respecto a las normas de fiabilidad mediante procedimientos de inspección.

  • Pruebas de vibración, por ejemplo, según los estándares militares y de la industria aeronáutica.
  • Pruebas de seguridad contra incendios NEMA/NFPA/FAA
  • Pruebas de estrés térmico
  • Pruebas HALT/HASS (pruebas de desgaste)
  • Pruebas de exposición ambiental
  • Pruebas de estrés eléctrico
  • Pruebas de seguridad UL
  • Otras pruebas específicas del producto o del sector (IEC, ISO, etc.)

Si tu fabricante no puede realizar estas pruebas más avanzadas, hay empresas de pruebas de PCB que son especializadas y que calificarán los nuevos productos con una metodología completa y una serie de pruebas por encargo. Las pruebas UL y las pruebas de estrés eléctrico suelen ser las más importantes cuando se desarrollan productos comerciales o de consumo, ya que proporcionan los requisitos básicos de fiabilidad. Para otros productos en áreas como el sector médico, del automóvil o aeroespacial, los estándares son mucho más estrictos, tanto en términos de clases de IPC como otros estándares del sector (SAE, MIL-STD, etc.)

Análisis de fiabilidad y fallas para PCB

¿Qué implica el análisis de fiabilidad y la comprensión de las causas raíz de las fallas? Cuando una placa se somete a estrés hasta el punto del fallo, o simplemente no pasa las calificaciones mencionadas, se deben llevar a cabo investigaciones para determinar la causa última de la falla. En primer lugar, se llevan a cabo pruebas funcionales (ver más abajo) para determinar qué características o prestaciones específicas han fallado. Si se empieza por ahí, se puede llegar al punto específico del diseño en el que probablemente se produjo la falla. Además de pruebas eléctricas por toda la placa, se suelen utilizar microsecciones para investigar qué puntos concretos del diseño pueden haber fallado y determinar el mecanismo exacto.

Análisis de microsecciones
He aquí algunos ejemplos interesantes de fallos que pueden verse en una microsección. [Fuente: Grosshardt, et al.]

Si tienes acceso a aplicaciones de simulación y mucha potencia de cálculo, puedes incluso realizar simulaciones de estrés para cuantificar otros aspectos. Por ejemplo, el tiempo medio hasta la falla, la ubicación exacta de esta y los tipos de fallas mecánicas inducidos por la temperatura. También podrás identificar los procedimientos de exploración del diseño para determinar cómo se debe modificar, ya sea el diseño o el proceso de fabricación.

Cuando se observa una falla y se descubre que ocurre fuera de las condiciones de funcionamiento normalmente previstas, puede considerarse un éxito, siempre y cuando el diseño cumpla tus estándares de diseño y fiabilidad. No hay ningún diseño "invencible", así que no hay que sorprenderse si, con el tiempo, el diseño falla en condiciones de estrés extremo. El objetivo de las pruebas de PCB es determinar si el diseño puede funcionar de manera fiable bajo condiciones que es razonable esperar durante su operación real. Se han desarrollado estándares de fiabilidad para abordar esta cuestión específica, y diseñar tu PCB para que cumpla estos estándares es el primer paso para garantizar la fiabilidad.

Calificación

Antes de someter tu placa a una batería de pruebas de fiabilidad, asegúrate de que estás diseñando teniendo en cuenta las normas de fiabilidad y seguridad. Ciertos aspectos de diseño que determinan la fiabilidad son exigidos por algunos de los estándares del IPC:

  • IPC-6011 Especificación general de rendimiento para placas de circuito impreso
  • IPC-6012D Especificación de calificación y rendimiento para placas impresas rígidas
  • IPC-6013D Especificación de calificación y rendimiento para placas impresas flexibles/rígidas-flexibles

Estas normas proporcionan directrices dimensionales y tolerancias específicas que debe cumplir una placa fabricada. Para que quede claro, las directrices no especifican los tamaños específicos de los pads, las pistas, las perforaciones u otras características que debe cumplir tu placa. Sin embargo, sí especifican un conjunto de criterios mínimos que debe cumplir una placa fabricada para cada una de las clases de productos IPC. Según los límites de fabricación del fabricante y de la clase de producto, se pueden determinar ciertos objetivos dimensionales que debe cumplir la placa fabricada. Un ejemplo prototípico son los anillos anulares para los dispositivos de clase III según la norma IPC 6012.

Pruebas funcionales para PCB

Las pruebas funcionales en electrónica incluyen una variedad de posibles pruebas. Muchas de ellas se centran en garantizar que el producto proporcione la experiencia de usuario y las funciones finales deseadas previstas en el diseño. Esto es responsabilidad del equipo de diseño durante la fase de creación de prototipos, no del fabricante. Recuerda: la misión del fabricante es proporcionarte una PCBA que coincida electrónicamente con los datos de diseño que le has proporcionado; por lo general, no es su responsabilidad realizar la verificación funcional a menos que tú puedas ayudar a automatizar esta prueba.

En caso de que el diseño no produzca los resultados esperados en las pruebas funcionales, depende del diseñador solucionar los problemas y depurar el diseño para determinarlos. Es posible que el diseñador o ingeniero de ensayo tenga que efectuar manualmente algunas medidas eléctricas, experimentar con firmware y rastrear problemas en el diseño para localizar las causas de cualquier defecto. Una vez localizadas, pueden abordarse en la siguiente revisión del diseño e, idealmente, incorporarse como requisitos de prueba a medida que el producto pasa a un mayor volumen de fabricación.

Si estás haciendo la transición a un mayor volumen y la funcionalidad de tu producto o la conformidad con las normas requiere que se superen determinadas pruebas eléctricas, térmicas o mecánicas, deberías especificárselas a tu fabricante, desarrollar procedimientos de prueba internos o contratar estos servicios a través de una empresa de ensayos externa. Habla antes con ellos para asegurarte de que comprenden lo que necesitas y tienen la capacidad necesaria como para automatizar estas pruebas y garantizar la calidad del producto. Realizar estas tareas necesita un tiempo de preparación, pero tendrás la tranquilidad de saber que se han previsto todos los posibles fallos en el diseño.

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Sobre el autor / Sobre la autora

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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