Come trovare e riconoscere un cortocircuito in un circuito stampato

Dover testare una scheda PCB per trovare un cortocircuito è una situazione stressante che ogni ingegnere ha dovuto affrontare e superare prima o poi. La settimana peggiore della mia vita professionale, è stata la volta in cui abbiamo ricevuto, in ritardo, una spedizione di PCB. Questi PCB avrebbero dovuto essere installati nell'hardware e distribuiti ai nostri clienti già da un mese. Eravamo a dir poco mortificati.

Ovviamente, ci siamo fatti in quattro per consegnare rapidamente questi nuovi circuiti stampati. Non appena li abbiamo accesi per i collaudi, siamo stati sopraffatti dall’inconfondibile odore di ozono. Uno dei componenti più costosi si è scaldato così tanto da ustionare un paio di persone che stavano facendo un cosiddetto "test tattile.” Credendo di non avere il tempo per ordinare un lotto di prova, avevamo preferito ordinare direttamente i circuiti finiti.

Al di là dell'evidente frustrazione, dover dare spiegazioni al tuo capo riguardo a un grave problema hardware mentre ti lecchi i polpastrelli bruciati non è un'esperienza piacevole. La cosa migliore da fare, in questi casi, è offrire una soluzione. O almeno un sistema efficace per prevenire situazioni simili in futuro. Se mai vi doveste trovare in una situazione simile, ecco cosa fare per individuare cortocircuiti nel vostro PCB.

Come verificare la presenza di cortocircuiti in un PCB

Ecco alcuni passaggi importanti per individuare i cortocircuiti sui progetti PCB:

• 1. Come individuare cortocircuiti in un PCB
• 2. Come testare un circuito e individuare corti su una scheda elettronica
• 3. Come individuare componenti difettosi
• 4. Come testare in modo distruttivo un PCB

1. Come trovare cortocircuiti in un PCB

Supponendo che abbiate superato la fase di progettazione della breadboard e non ci sia un interruttore magnetotermico integrato, il primo passo per individuare cortocircuiti sul PCB è osservare attentamente l'intera superficie della scheda. Se possibile, usate una lente d'ingrandimento o un microscopio a basso ingrandimento durante l'ispezione del circuito. Partendo dall'alimentatore e andando avanti, osservate i baffi di stagno tra i pad o i giunti di saldatura. Prestate particolare attenzione a eventuali crepe o gocce di saldatura. Controllate tutti i fori di via. Se avete richiesto via non placcati, assicuratevi che sia così. Fori di via placcati male possono creare un cortocircuito tra i livelli e collegare tutto al GND, al VCC o a entrambi.

Se il cortocircuito è particolarmente grave e fa sì che i componenti raggiungano temperature critiche, potrete notare dei punti bruciati sul circuito stampato. Possono essere minuscoli, ma saranno decisamente marroni rispetto alla normale maschera di saldatura verde. Se avete schede multiple, un circuito stampato bruciato può aiutarvi a individuare il punto specifico del corto anche senza un alimentatore o un'altra scheda da sacrificare. Sfortunatamente, nel nostro caso, gli unici segni di bruciatura erano sui polpastrelli degli sfortunati che avevano controllato il surriscaldamento del circuito.

Alcuni cortocircuiti sono interni alla scheda e non producono punti di bruciatura. Questo vuol dire che è impossibile notarli sullo strato superficiale. È quindi necessario utilizzare un metodo alternativo per individuare eventuali cortocircuiti.

Le bruciature possono senz’altro aiutare a localizzare cortocircuiti nei PCB, ma a caro prezzo

Immagini a infrarossi

Se non lavorate per una startup a corto di budget, potreste essere abbastanza fortunati da avere accesso a una termocamera. L'uso di una telecamera a infrarossi può aiutare a individuare le aree in cui viene generata una grande quantità di calore. L'assenza di un punto caldo lontano dai componenti attivi potrebbe indicare un cortocircuito sul PCB, anche tra i layer interni.

Un cortocircuito presenta, solitamente, una resistenza più elevata rispetto ad un giunto di saldatura o a una normale traccia, dato che non è stato ottimizzato nel progetto (a meno che non abbiate completamente ignorato tutti i controlli sulle regole). Quella resistenza, così come la corrente naturalmente elevata dovuta alla connessione diretta tra alimentazione e ground, porta il conduttore nel cortocircuito a surriscaldarsi. Iniziate con la corrente più bassa possibile; se tutto va bene, riuscirete a individuare il cortocircuito prima che possa fare altri danni.

L'ispezione "tattile" è uno dei tanti modi per individuare il surriscaldamento di un componente.

2. Come testare un circuito per individuare cortocircuiti

Oltre all'ispezione visiva, ci sono altri modi per controllare la scheda e individuare la potenziale causa del cortocircuito.

Utilizzo di un multimetro digitale

Per individuare eventuali cortocircuiti in un PCB è necessario controllare la resistenza tra i diversi punti del circuito. Se l'ispezione visiva non rivela alcun indizio sulla posizione o sulla causa del cortocircuito, si può prendere un multimetro e provare a rintracciare la sua posizione fisica sul circuito stampato. Nei forum di elettronica, non tutti concordano sull'utilizzo di un multimetro, ma tracciare i punti di test può aiutare a diagnosticare il problema per esclusione.

Occorre un multimetro di ottima qualità, con una sensibilità nell’ordine dei milliohm. Ovviamente, anche l'emissione di un ronzio durante il test aiuta moltissimo. Ad esempio, quando si misura la resistenza tra tracce o pad adiacenti su un PCB, si dovrebbe rilevare una resistenza molto elevata.

Se la resistenza rilevata tra due conduttori che dovrebbero essere in circuiti separati è bassa, è possibile che questi siano ponticellati, internamente o esternamente. È bene ricordare che due tracce o pad adiacenti collegati a un induttore (come in un collegamento di adattamento d'impedenza o in un circuito a filtro discreto) rileveranno una resistenza molto bassa poiché un induttore è solo un conduttore a spirale. Tuttavia, se si rileva una resistenza particolarmente bassa tra due conduttori molto distanti fra loro, questo indica la presenza di un ponticello da qualche parte nella scheda.

Come trovare un cortocircuito con un test sul ground

È importante prestare particolare attenzione ai cortocircuiti che coinvolgono un via messo a massa o il piano di massa. I PCB multistrato con un piano di massa interno includono un percorso di ritorno attraverso un via posto vicino ai componenti, il che fornisce una posizione comoda per controllare tutti gli altri via e pad sullo strato superficiale della scheda. Posizionate una sonda del tester su una connessione GND e usate l'altra sonda per toccare gli altri conduttori sulla scheda.

Questa stessa connessione GND è presente in più punti della basetta, il che significa che se si posiziona ciascuna sonda su due diverse connessioni GND, si rileverà una resistenza molto bassa. Prestate attenzione al layout durante il test per non confondere un cortocircuito con una comune connessione GND. Tutti gli altri conduttori esposti non collegati al GND dovrebbero fornire una resistenza molto elevata tra la connessione GND comune e il conduttore stesso. Il rilevamento di un valore di resistenza basso senza la presenza di un induttore tra il conduttore in questione e il ground, potrebbe indicare un componente difettoso o un cortocircuito.

Utilizzare un multimetro può aiutare a individuare la presenza di un cortocircuito, ma non è uno strumento abbastanza sensibile per aiutarti a capire esattamente dove.

Componenti in cortocircuito

Anche il controllo di un componente in corto comporta l'utilizzo di un multimetro per misurare la resistenza. Nel caso in cui l'ispezione visiva non abbia rilevato saldature eccessive o scaglie metalliche tra i pad, il cortocircuito potrebbe essersi formato nei layer interni tra due pad/pin su un componente. È anche possibile che si verifichi un cortocircuito tra pad/pin su un componente a causa di una fabbricazione scadente. Questo è uno dei motivi per cui i PCB dovrebbero essere sottoposti a DFM (Design for Manufacturing) e al controllo delle regole di progettazione. Pad e via posizionati troppo vicini tra loro potrebbero infatti creare ponticelli e cortocircuiti involontari durante la fabbricazione.

Vi consigliamo quindi di misurare la resistenza tra i pin su un circuito integrato o connettore. I pin affiancati sono particolarmente suscettibili ai cortocircuiti, ma non sono gli unici punti delicati. È importante verificare che la resistenza tra i pad/pin e la connessione GND abbiano una bassa resistenza.

Controlla la resistenza tra il pad GND e gli altri pin sui connettori e sui circuiti integrati. L'esempio qui mostra un connettore USB.

Procedere per esclusione

Se pensate di aver individuato un cortocircuito tra due conduttori o tra un conduttore e il GND, potete cominciare a restringere l'area di ricerca controllando i conduttori vicini. Posizionate una sonda del multimetro sul collegamento sospetto e spostate l'altra sui diversi collegamenti GND vicini per controllarne la resistenza. Dovreste notare un cambiamento di resistenza man mano che vi allontanate. Se la resistenza aumenta, significa che vi state allontanando dal punto di cortocircuito. Questo aiuta a individuare la posizione esatta del corto e potreste perfino arrivare a individuare la coppia specifica di pin/pad del componente.

3. Come individuare componenti difettosi

Componenti PCB difettosi o componenti installati in modo errato possono far parte di un cortocircuito, creando una serie infinita di problematiche. I vostri componenti potrebbero essere difettosi o contraffatti, creando un cortocircuito o un sospetto di cortocircuito.

Componenti difettosi

Alcuni componenti hanno la tendenza a guastarsi, come i condensatori elettrolitici. Se avete componenti sospetti, controllate quelli per primi. In caso di dubbi, potete ovviamente fare una ricerca Google per verificare se vi siano già stati altri casi di componenti simili che hanno presentato difetti e causato cortocircuiti. Se si rileva una resistenza molto bassa tra due pad/pin (e nessuno dei due è pin GND o di alimentazione), la causa del cortocircuito potrebbe essere un componente guasto. Questo è un chiaro segno che il condensatore è andato. I condensatori tendono a gonfiarsi quando si guastano o se la tensione applicata supera la soglia di rottura.

Vedi il rigonfiamento sopra questo condensatore? Questo è un chiaro segno che il condensatore è andato.

4. Come testare in modo distruttivo un PCB

I test distruttivi sono ovviamente una misura di ultima istanza. Se avete accesso a un apparecchio di diagnostica a raggi X, potete esaminare l'interno della scheda senza distruggerla.

Altrimenti, potete iniziare a rimuovere i componenti ed eseguire nuovamente i test col multimetro. Questo può aiutare in due modi. Innanzitutto, facilita l'accesso ai pad, inclusi i pad termici, che potrebbero essere andati in cortocircuito. In secondo luogo, elimina la possibilità che un componente difettoso sia il responsabile del cortocircuito, permettendovi di concentrarvi sui conduttori. Se pensate che il corto sia avvenuto sulla connessione di un componente, ad esempio tra due pad, potrebbe non essere subito evidente se è il componente a essere difettoso o se il cortocircuito è all'interno della scheda. Sarebbe quindi opportuno rimuovere il componente per controllare i pad sulla scheda. La rimozione dei componenti consente di verificare se è il componente stesso a essere difettoso o se sono i pad sulla scheda a essere ponticellati internamente.

Se non riuscite ancora a individuare la posizione del cortocircuito (o dei cortocircuiti), potete aprire la basetta e provare a procedere per esclusione. Se avete una vaga idea, potreste provare a tagliare una sezione della scheda e ripetere il test del multimetro su quella sezione. Potete quindi ripetere tutti i test con il multimetro per testare la presenza di cortocircuiti in sezioni specifiche. Se siete arrivati a questo punto, vuol dire che la posizione del vostro corto è particolarmente sfuggente. Tagliare la scheda vi consentirà perlomeno di restringere il campo di ricerca a una sezione specifica.

Quando abbiamo esaminato le nostre schede, senza la termocamera perché eravamo una startup squattrinata, tutto quello che siamo riusciti a capire è stato che il cortocircuito era in una metà della scheda. Quindi abbiamo tagliato le schede in quattro parti ed esaminato ciascuna sezione. Il multimetro ci ha confermato che la maggior parte delle sezioni non avevano GND e VCC collegati. Ma quel quarto di scheda in particolare rimaneva un mistero che non riuscivamo a risolvere. Abbiamo cambiato produttore e ottenuto schede di test nel seguente ciclo di produzione, e da lì in poi le nostre basette hanno funzionato correttamente.

Come individuare un cortocircuito con gli strumenti Altium

Se volete evitare tutto questo processo snervante di ricerca dei cortocircuiti, dovete necessariamente testare il circuito per verificare che non vi siano errori, problemi di progettazione e che le tolleranze del produttore siano rispettate. Quando avete bisogno di uno strumento di layout PCB intuitivo e dotato di tutto il necessario per costruire circuiti stampati di alta qualità, quello che vi serve è CircuitMaker. Non solo avrete a disposizione un software di progettazione PCB di facile utilizzo, gli utenti di CircuitMaker hanno anche accesso a uno spazio di lavoro personale sulla piattaforma Altium 365. Qui potrete caricare e archiviare i vostri dati di progettazione nel cloud e visualizzare facilmente i vostri progetti tramite il vostro browser, all'interno di una piattaforma sicura.

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