Panoramica sui test di affidabilità PCB/PCBA e sull'analisi dei guasti

Il test di affidabilità e l'analisi dei guasti di un PCB/PCBA vanno di pari passo; quando i progetti sono sottoposti a stress al limite, le loro modalità di guasto devono essere determinate attraverso un'ispezione e un'analisi approfondite. Alcuni di questi test e potenziali cause di guasto sono gestiti dai produttori poiché potrebbero sorgere durante la fabbricazione del circuito stampato nudo, mentre altri potenziali problemi con il PCBA dovrebbero essere affrontati da un team di progettazione durante la prototipazione e la qualificazione del design. Progetti ad alta affidabilità, come in aree come l'avionica e la difesa, possono richiedere test ambientali estensivi e qualificazioni per assicurare che funzioneranno nell'ambiente previsto.

Per iniziare su questo argomento, è importante comprendere gli aspetti di qualificazione che governeranno il vostro design del circuito stampato nudo e il PCBA. Esamineremo le varie dimensioni dell'affidabilità del PCB/PCBA, così come alcune delle tecniche standard di analisi dei guasti utilizzate per identificare potenziali requisiti di modifica del design.

Panoramica degli Standard di Test di Affidabilità del PCB

Il test di affidabilità implica in generale l'esposizione di un PCB o di un PCBA finito a condizioni ambientali estreme (calore, corrosione, umidità, ecc.), seguita da test di prestazione per assicurare che il dispositivo possa resistere a tali condizioni. All'interno della disciplina del test di affidabilità, ci sono molte possibili fonti di stress su un PCB e il PCBA finito:

• Carico meccanico (carico statico, vibrazione e test di shock secondo gli standard MIL-STD/IPC/SAE)
• Carico termico o climatico (flusso di calore, temperature estreme, shock termico secondo IPC-TM-650 2.6.7 e MIL-STD-202G; ciclismo termico secondo MIL-STD-883 Metodo 1011, IPC-9701A [6] e JEDEC JESD22-A106)
• Carico elettrico (alta potenza, verifica del derating, EMC, tutti in conformità con gli standard IPC/IEC/SAE) e conformità UL
• Carico chimico (corrosione o altra esposizione chimica per adattarsi all'ambiente di impiego)
• Esposizione a radiazioni ionizzanti (calcolata come dose ionizzante totale (TID))
• Esposizione a polvere, particelle e liquidi
• Test di invecchiamento artificiale per assemblaggi elettronici (HALT, HASS, HATS, ecc.)

Cosa Comporta il Test di Affidabilità?

Una valutazione della affidabilità di un PCB richiede un insieme di test che si concentrano su ciascuna delle aree elencate sopra. Test di base sulla scheda fabbricata verranno eseguiti sul tuo stackup dal tuo fabbricante, e dovrebbero essere in grado di certificare che la scheda nuda sarà conforme ai tuoi requisiti come specificato nelle tue note di fabbricazione del PCB. Per l'assemblaggio del PCB, i test e l'affidabilità possono essere più estesi. Il tuo fabbricante/assemblatore eseguirà la propria serie di test e ispezioni per verificare la conformità a una classe di prodotto IPC e agli standard IPC di base su schede nude, ma spesso sarà compito del team di progettazione o di una società di test su contratto eseguire test più specializzati (ambientali o chimici) sul progetto per verificarne l'affidabilità.

Le guide ai test in ciascuna di queste aree comporterebbero una serie di articoli, quindi non entrerò in tutti questi aspetti dei test e della verifica dell'affidabilità. I documenti standard forniti da IPC, MIL-STD, SAE, NASA/DO e altre organizzazioni forniscono indicazioni in questo ambito, così come procedure specifiche per eseguire questi test. IPC-TM-650 contiene metodi di test standardizzati per i PCB, ma gli altri documenti menzionati sopra possono andare oltre i requisiti di IPC-TM-650 per prodotti e industrie specifici.

Analisi del Fallimento dei PCB

Determinare i limiti di affidabilità di un PCB consiste nell'individuare i guasti, così come le modalità con cui questi si manifestano nel dispositivo. Una volta che si verifica un guasto sulla scheda, è necessario indagarlo. Il guasto può manifestarsi gradualmente a causa di danni accumulati (ad esempio, fatica), in modo erratico (casuale o intermittente) o improvviso (a causa di shock). Quando si indagano le modalità di guasto, l'applicazione dei test sopra menzionati comporta lo stressare cumulativamente l'assemblaggio del PCB fino al guasto (termico, meccanico e ambientale), seguito dall'esame della scheda per localizzare ed esaminare il guasto specifico.

La tabella sottostante associa le modalità standard di guasto del PCB ai metodi di ispezione e analisi dei guasti utilizzati in un PCB.

Identificare difetti in ciascuna di queste aree richiede una certa abilità. Alcuni di questi sono ovvi, come la corrosione estrema dovuta all'esposizione all'umidità, mentre altri sono evidenti solo all'occhio addestrato. Ad esempio, identificare un guasto da un'immagine a raggi X non è così ovvio a causa del contrasto e della risoluzione nell'immagine registrata.

Qualcosa come la filamentazione anodica conduttiva a causa del prolungato funzionamento ad alta tensione o la frattura di un barilotto di via durante il funzionamento è abbastanza facile da individuare, sia da un campione di microsezione che da un'immagine SEM. Entrambi sono chiaramente visibili con la giusta tecnica di imaging. Come esempio, l'immagine sottostante mostra chiaramente la frattura in una microsezione, che può creare un guasto intermittente.

Una volta identificato un difetto o un guasto, dovrebbero essere intrapresi alcuni passi per prevenire il problema durante il funzionamento, o per modificare il design in modo che sia più resiliente contro questo tipo di problema. Questo deve essere affrontato su base caso per caso, a seconda del tipo di difetto e del meccanismo che ha causato il guasto.

Pensieri Finali

La chiave da ricordare qui è che nessuna PCBA sarà invincibile, e qualsiasi design può alla fine essere stressato fino al fallimento catastrofico. Se gli stress applicati sono così estremi da essere altamente improbabili da incontrare durante il funzionamento quando dispiegato nell'ambiente previsto per il prodotto, allora puoi considerare il tuo design di successo da una prospettiva di affidabilità. Quando si testa per l'affidabilità e si indagano i guasti, conviene considerare le modalità di guasto che il tuo dispositivo sarà più probabile sperimentare durante il funzionamento e affrontare prima quelle.

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