Panoramica dei metodi di test di stress elettrico per i PCBA

Il controllo di qualità nella produzione in serie e nella prototipazione presenta una serie di importanti compiti in comune: la necessità di testare i PCB. Il pacchetto specifico di test che dovrai eseguire sul tuo PCBA dipenderà da: l'area applicativa, le condizioni di servizio ideali e, ovviamente, dagli standard di settore pertinenti per il tuo prodotto. Alcuni test di base possono essere richiesti per il PCB/PCBA già durante le fasi di fabbricazione e assemblaggio. È buona prassi eseguire queste prove, perlomeno per garantire continuità e accuratezza nell'assemblaggio o semplicemente per individuare eventuali difetti evidenti che potrebbero richiedere una rilavorazione.

Le applicazioni ad alta affidabilità possono richiedere più di semplici test e ispezioni elettriche; questi possono avvenire: durante le fasi di fabbricazione e assemblaggio, una volta che i prototipi passano nelle mani del team di progettazione e/o da parte di un laboratorio esterno. Un test di stress elettrico è solo una delle possibili prove richieste per gli assemblaggi ad alta affidabilità per garantire che il PCBA sia in grado di sopportare sollecitazioni elettriche notevoli. 

Nozioni di base sui test di stress elettrico

Ogni volta che si parla di test e collaudi, i progettisti alle prime armi potrebbero pensare di aver dimenticato qualcosa o di dover pianificare l'esecuzione di test estremi prima di poter accettare la scheda così come viene fornita dal produttore. Saranno numerosi i test funzionali che verranno eseguiti, ma non è necessario quantificare in modo specifico i limiti di stress della scheda, a meno che: non si operi sotto il controllo di un'organizzazione di conformità (come l'UL), non si presentino dei requisiti normativi particolari per il prodotto o non si stia effettuando una transizione a un volume di produzione elevato.

Se stai creando un prototipo o producendo solo una piccola quantità di schede di prova, non è necessario perderci troppo sonno. Progetti personali, semplici prototipi, progetti dimostrativi o una tantum non hanno generalmente bisogno di test di stress elettrici. Esistono alcune eccezioni come i prodotti aerospaziali altamente specializzati (satelliti, droni, ecc.), ma se la tua scheda non verrà distribuita in un'area o in condizioni in cui sussiste il rischio di stress elettrico estremo, probabilmente non avrai bisogno di eseguire questi test.

Escluse queste situazioni, quali sono i requisiti attuali per le prove di stress elettrico, e cos'è esattamente che viene "stressato"? Ecco alcuni tipi di test di stress elettrico:

• Test di sovraccarico elettrico
• Test di scarica elettrostatica (ESD)
• Screening dello stress ambientale
• Prova di vita accelerata

L'idea è quella di identificare i problemi che potrebbero creare un guasto involontario nella scheda, di quantificare questo guasto o entrambe le cose. Sebbene siano previsti altri test di controllo qualità che potrebbero essere eseguiti durante la produzione, per il momento ci concentreremo sull'elenco sopra riportato.

Test di sovraccarico elettrico (EOS)

Talvolta, il sovraccarico è collegato alle ESD, poiché entrambi generano una forma di sovraccarico sui componenti. Un test EOS è probabilmente il test di stress elettrico più semplice che possa essere eseguito: i componenti vengono fondamentalmente sovraccaricati e il dispositivo sotto collaudo (DUT) viene monitorato fino al punto di rottura. Questo test viene normalmente eseguito a livello di wafer o di singolo dispositivo per quantificare le tempistiche e il meccanismo di guasto.

Le valutazioni massime assolute riportate nelle schede tecniche sono proprio basate sui risultati dei test EOS per i singoli componenti. Queste valutazioni sono eseguite con un certo margine di sicurezza, quindi è possibile superare questi valori. Quello che non viene considerato è il sovraccarico elettrico a livello di sistema. È qui che è necessario applicare manualmente il sovraccarico al sistema a livello di singola interfaccia e alimentazione; è anche necessario monitorare le prestazioni o gli output per assicurarsi che il dispositivo sia in grado di resistere a qualsiasi sovraccarico previsto.

Test di scarica elettrostatica (ESD)

Fedele al suo nome, questo test quantifica la resistenza del PCBA agli eventi ESD. Quando si verifica un evento ESD, il PCBA interagirà con un impulso elettrico molto forte, raggiungendo anche oltre 10.000 V e superando diversi ampere di corrente. Questo evento può distruggere i componenti se non viene deviato con una messa a terra di sicurezza all'interno del sistema. I circuiti ESD sono progettati per assorbire e/o deviare gli impulsi ESD dai componenti, conducendoli nell'area di messa a terra del sistema. Alcune interfacce digitali, come gli standard IEEE 802.3 su PHY Ethernet, sono dotate di requisiti ESD specifici che devono essere soddisfatti a livello di componente.

JEDEC differenzia tra l'ESD a livello di componente e a livello di sistema. Tuttavia i progettisti PCB devono concentrarsi su ciò che accade a livello di sistema poiché è qui che possono apportare modifiche.

Un evento ESD a livello di sistema si verifica all'interno del PCBA e può interessare diversi componenti, portando a uno dei seguenti risultati:

• Il sistema continua a funzionare senza problemi;
• Il sistema presenta un caso di arresto/blocco anomalo (soft failure), ma nessun guasto fisico;
• Il sistema subisce danni fisici (hard failure).

Sono diversi gli standard di settore, oltre agli standard IPC, che pongono dei requisiti sulla capacità di un dispositivo di sopportare un sovraccarico elettrostatico. La scelta del metodo di test dipende dagli standard che regolano il prodotto in questione (per esempio IEC 62368-1/IEC 61000, ISO 10605 per il settore automobilistico, DO-160 per l'avionica, ecc.). Per determinare il livello di protezione ESD richiesto dal prodotto, è quindi necessario fare riferimento agli standard di sicurezza applicabili al prodotto e al suo settore.

Test di screening dello stress ambientale (ESS)

Questi test hanno lo scopo di simulare fedelmente l'ambiente di implementazione ideale per un dispositivo. I test ESS potrebbero comportare l'applicazione di: cicli termici, test di caduta, test di vibrazione, test di shock termico/meccanico e qualsiasi altra esposizione ambientale o meccanica che un dispositivo potrebbe ricevere durante il suo utilizzo. I metodi di test più specializzati possono comportare test di arresto anomalo, test di pressione e umidità e persino test di altitudine. I sistemi ad alta affidabilità dovranno poter sopportare tutti questi fattori, per cui è generalmente necessario programmare una combinazione di test.

Anche i test funzionali vengono eseguiti prima, durante e dopo queste prove per capire con certezza la resistenza del progetto e la compromissione o meno delle sue funzionalità. Questi test non prendono in esame solo le sollecitazioni elettriche, ma tengono anche conto della funzionalità in una serie di situazioni di stress, come un sovraccarico elettrico o perfino un evento ESD. Poiché, solitamente, è necessario eseguire una combinazione di test estremamente specializzati, una valutazione rigorosa dovrebbe venir effettuata dal team di progettazione e non dal produttore.

Prove di vita accelerata

Questa tipologia di test comporta una serie di possibili prove che hanno lo scopo di determinare la durata approssimativa di un nuovo dispositivo. Le prove di vita accelerata vengono spesso inserite nei test "burn-in," anche se ne esistono diverse varianti. I test di vita accelerata possono essere suddivisi nelle seguenti tipologie:

• Test "burn-in": è un metodo per identificare quali componenti e/o assemblaggi si guasteranno precocemente utilizzando tecniche statistiche.
• Test di vita altamente accelerato (HALT): l'obiettivo è quello di sollecitare un dispositivo fino a quando non si verifica un guasto di sovraccarico operativo. Questo simula l'eccessivo funzionamento nelle condizioni ambientali effettive in cui verrà utilizzato il dispositivo.
• Test di stress altamente accelerato (HAST): è simile all'HALT e anche qui il progetto viene messo sotto stress fino al guasto totale.
• Analisi dello stress ad accelerazione elevata (HASS): utilizza gli stessi stress ambientali dell'HAST ma a livelli inferiori, e in genere dopo l'esecuzione completa di un test HALT.

È possibile eseguire una qualsiasi di queste prove di longevità/stress insieme agli altri metodi di prova menzionati in precedenza, a patto che siano disponibili le camere di prova e le attrezzature corrette. Tali combinazioni di test possono essere altamente specializzate, ma sono essenziali per determinare la longevità del prodotto e identificare i meccanismi di guasto negli apparati elettronici.

Analisi del guasto

I test di stress elettrico di cui abbiamo parlato hanno lo scopo di identificare i limiti di un dispositivo e di valutarne la capacità di resistenza alle condizioni ambientali in cui verrà utilizzato. Se si dovesse valutare che il progetto non è in grado di sopportare i livelli di stress anticipati, sarà necessario analizzare i guasti per determinarne la causa principale. Il guasto potrebbe verificarsi a livello di componente, a livello di scheda o entrambi, ed è necessaria un'indagine forense per determinare con certezza il meccanismo del guasto. Ne parleremo meglio in uno dei prossimi articoli.

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