Nozioni di base sui test dei PCB: metodi e metriche principali

Zachariah Peterson
|  Creato: June 17, 2021  |  Aggiornato: January 13, 2022
test pcb

I produttori sanno bene che il processo di fabbricazione dei PCB richiede numerosi controlli di qualità e test. Sono necessarie molte verifiche per garantire che un progetto possa essere prodotto su larga scala garantendone la massima qualità. In molti casi queste sono verifiche di routine eseguite all'insaputa del progettista. Altri test importanti, come il bring-up della scheda e il collaudo funzionale del PCB, sono in genere responsabilità del progettista durante la prototipazione e verranno inclusi nel processo produttivo dei volumi finali richiesti.

Indipendentemente dal numero di test e ispezioni necessari, è importante stabilire i requisiti dei test di base che il progetto deve soddisfare e comunicarli al produttore. Se è la prima volta che passi dalla prototipazione alla produzione su larga scala, leggi il nostro elenco di requisiti dei test per PCB per sapere cosa aspettarti.

Test dei PCB durante la produzione

La fabbricazione e l'assemblaggio dei PCB includono diverse procedure di test mirate a valutare la qualità e la resa delle schede vuote e a garantire che un progetto superi la fase di assemblaggio senza difetti. Inoltre, durante la produzione e l'assemblaggio verranno eseguiti test elettrici che saranno confrontati con la netlist di progettazione.

Per i prototipi, i test non terminano con la fase di produzione. Una volta ricevute le schede, il team di progettazione dovrà eseguire tutti i test di bring-up e le verifiche funzionali delle schede prima di finalizzare il progetto. Il passaggio alla produzione di migliaia o milioni di schede potrà richiedere l'automatizzazione di alcune di queste misure per garantire qualità e rendimento elevati.

Test meccanici e ispezioni dei PCB

La fase di produzione prevede l'esecuzione di un insieme di test meccanici e ispezioni di base per verificare il processo di fabbricazione della scheda vuota e garantire un assemblaggio affidabile:

Test

Natura dell'ispezione

Criterio

Ispezione visiva e a raggi X

Mira a identificare eventuali impurità, delaminazioni o altri danni sui layer superficiali (ispezione visiva) e interni (ispezione a raggi X). L'ispezione a raggi X viene utilizzata anche per controllare i package BGA o QFN e identificare problemi di saldatura o connessione.

Superato/Non superato

Test di strappo

Noto anche come "peel test", misura la forza richiesta per separare i materiali laminati che compongono la scheda al termine del processo di creazione e consolidamento dello stackup.

Superato/Non superato + valore specifico

Test in bagno di saldatura

Determina la saldabilità dei fori passanti placcati (PTH) e verifica che i canali dei vias possano tollerare lo stress termico della saldatura.

Superato/Non superato

Ispezione ottica automatizzata (AOI)

È utilizzata per identificare automaticamente difetti di fabbricazione, come: saldature insufficienti, fessure nelle giunture, interruzioni delle connessioni (es. keyholing o tombstoning in casi estremi). I metodi AOI più recenti sfruttano tecniche di apprendimento profondo e consentono di individuare giunture a freddo.

Superato/Non superato

Questi test sono utili per identificare eventuali problemi di qualità inerenti al processo di produzione e le fasi di rilavorazione necessarie, nonché per stabilire se l'esito negativo di un test sia legato ad un aspetto particolare della progettazione. 

Test elettrici dei PCB durante la fabbricazione

I test elettrici dei PCB vengono eseguiti durante la produzione per verificare la presenza di: difetti, deviazioni di impedenza o residui conduttivi dopo la saldatura:

  • Test di circuito: misurano la presenza di cortocircuiti o interruzioni delle connessioni, nonché i valori di tensione/corrente in punti specifici. A volte vengono utilizzati dispositivi di collaudo per misurare forme d'onda specifiche. Inoltre, per componenti o punti specifici, possono essere eseguiti i test elettrici di accensione o spegnimento per verificare la presenza di guasti nei componenti.
  • Test ROSE (Resistivity Of Solvent Extract): questa misurazione della conduttività viene utilizzata per verificare la presenza di residui del flussante.
  • TDR (Time Domain Reflectometry): la riflettometria nel dominio del tempo è utile per misurare l'impedenza nelle tracce single-ended e differenziali e può essere eseguita su un coupon o su una scheda di prova con un dispositivo collegato. Per valutare a fondo l'integrità del segnale sono necessarie ulteriori operazioni di de-embedding e analisi.
Test elettrici PCB con sonde volanti
Per sondare punti specifici sul PCB e verificare la presenza di guasti vengono utilizzate sonde volanti.

I test per l'impedenza controllata sono uno di quegli ambiti per cui è necessario fare affidamento sui dati e sull'esperienza del produttore prima di creare il progetto. Se il tuo ordine di produzione include un servizio di controllo dell'impedenza, il produttore potrà verificare che le tue specifiche di impedenza siano soddisfatte con i materiali scelti. Assicurati che questo controllo sia specificato in modo chiaro per il produttore, nelle note di fabbricazione per esempio.

Test di stress dei PCB

L'elenco precedente include i test PCB essenziali necessari per garantire il successo del processo di fabbricazione e individuarne eventuali difetti. Oltre a questi test di base, potrebbe essere necessario superare test più rigorosi pensati per testare un PCB in condizioni estreme. Una volta terminata la fase di assemblaggio, il PCB potrebbe essere sottoposto a una serie di test di stress per garantire che soddisfi i requisiti minimi di prestazioni e affidabilità. Questi test mirano a valutare l'affidabilità a breve e a lungo termine rispetto a condizioni ambientali idealizzate. Non tutte le schede dovranno essere sottoposte a questa serie di test in fase di produzione: nel caso di brevi cicli di produzione di prototipi, generalmente questi test non vengono eseguiti nemmeno dal produttore. Invece, è possibile seguire le procedure di ispezione per valutare la scheda vuota e con i componenti assemblati in base agli standard di affidabilità.

  • Test di vibrazione, ad esempio in base a standard militari o del settore dell'aviazione
  • Test antincendio NEMA/NFPA/FAA
  • Test di shock termico
  • Test HALT/HASS (burn-in)
  • Test di esposizione ambientale
  • Test di stress elettrico
  • Test di sicurezza UL
  • Altri test specifici di prodotto o settore (IEC, ISO, ecc.)

Se il tuo produttore non è in grado di eseguire questi test più avanzati, puoi ricorrere ad alcuni fornitori che offrono nello specifico test specializzati che certificheranno i nuovi prodotti con una metodologia completa e una serie di test su ordinazione. I test UL e di stress elettrico sono generalmente i più importanti per i prodotti di consumo o commerciali in quanto forniscono i requisiti di base per l'affidabilità. Per altri prodotti destinati a settori come quello medico, automotive o aerospaziale, sarà necessario aderire a standard molto più rigorosi sia in termini di classi IPC che di altri standard di settore (SAE, MIL-STD, ecc.).

Analisi dell'affidabilità e dei guasti dei circuiti stampati

Quali sono le analisi necessarie per verificare l'affidabilità e comprendere le cause principali dei guasti? Quando una scheda viene testata fino al punto di cedimento, o semplicemente non supera le certificazioni elencate in precedenza, diventa necessario eseguire un esame per determinare la causa principale del guasto. Per iniziare, occorrerà eseguire dei test funzionali (vedi sotto) per identificare le caratteristiche o le funzionalità specifiche a cui si potrebbe imputatare il guasto. In una fase successiva, è possibile restringere l'analisi al punto specifico del progetto in cui si è verificato il problema. Oltre ai test elettrici sulla scheda, vengono spesso utilizzate microsezioni per identificare i punti specifici del progetto all'origine di un guasto e determinarne il meccanismo esatto.

Analisi delle microsezioni della scheda
Ecco alcuni interessanti esempi di guasti che possono essere osservati in una microsezione. [Fonte: Grosshardt, et al.]

Se hai accesso ad applicazioni di simulazione e sufficiente potenza di calcolo, puoi eseguire simulazioni di stress per calcolare alcuni parametri come il tempo medio prima del guasto (MTTF) o per individuare la posizione esatta e i tipi di guasti meccanici indotti da cause di natura termica. In questo modo potrai creare procedure esplorative e determinare le modifiche necessarie da applicare al processo di progettazione o fabbricazione.

Quando si rileva un guasto verificatosi al di fuori delle condizioni operative tipicamente previste, si può considerare il progetto tecnicamente riuscito purché sia conforme agli standard di progettazione e affidabilità. Ricorda: nessun progetto sarà mai in grado di resistere agli stress più estremi. L'obiettivo è quindi quello di determinare se la scheda può funzionare in modo affidabile in base ad aspettative ragionevoli, nelle condizioni incontrate durante la distribuzione. Gli standard di affidabilità sono stati sviluppati proprio per questo motivo; il primo passo per garantire l'affidabilità dei tuoi PCB è quindi quello di progettarli in modo che siano conformi a questi standard.

Certificazione

Prima di sottoporre la tua scheda ad una sfilza di test di affidabilità, assicurati di progettarla tenendo a mente gli standard di affidabilità e sicurezza. Alcuni aspetti di un progetto che ne determinano l'affidabilità sono definiti da standard IPC ben precisi:

  • IPC-6011: specifiche delle prestazioni generali per schede stampate
  • IPC-6012D: certificazione e specifiche delle prestazioni per schede stampate rigide
  • IPC-6013D: certificazione e specifiche delle prestazioni per schede stampate flessibili e rigido-flessibili

Questi standard forniscono le linee guida specifiche per le dimensioni e le tolleranze a cui una scheda fabbricata deve aderire. Nello specifico, queste linee guida non specificano le dimensioni di: piazzole, tracce, fori o altre caratteristiche specifiche che una scheda deve rispettare. Piuttosto, indicano un insieme di criteri minimi che devono essere soddisfatti da una scheda prodotta per ciascuna delle classi di prodotti IPC. A seconda delle tolleranze di fabbricazione del produttore e della classe del prodotto, è possibile identificare determinati obiettivi che la scheda dovrà rispettare. Un esempio prototipico sono gli anelli anulari per i dispositivi di Classe III in base allo standard IPC 6012.

Test funzionali PCB

I test di funzionalità elettronica per PCB includono una serie di possibili verifiche, molte delle quali mirano a garantire che il prodotto offra l'esperienza utente desiderata e le funzionalità previste nel progetto. Queste ricadono fra le responsabilità del team di progettazione durante la fase di prototipazione, piuttosto che sul produttore. Ricorda che il compito del produttore è fornirti un PCBA che corrisponda elettricamente ai dati di progettazione da te specificati e, in genere, non è sua responsabilità eseguirne la verifica funzionale, a meno che tu non possa facilitare l'automatizzazione di questi test.

Nel caso in cui i risultati dei test funzionali del progetto non siano quelli previsti, è compito del progettista individuare e risolvere gli eventuali problemi. Il progettista o il tecnico incaricato potrebbe dover eseguire alcune misurazioni elettriche manuali, provare varie versioni di firmware e ricercare i problemi nelle varie fasi di progettazione per individuarne le cause. Una volta trovate, è possibile eliminarle nelle successive revisioni di progetto e, idealmente, incorporarle come requisiti di test quando si passa alla produzione di volumi più elevati.

Se stai passando a volumi più elevati e le funzionalità o la conformità agli standard del tuo prodotto richiedono il superamento di test elettrici, termici o meccanici specifici, dovrai specificarli al tuo produttore, sviluppare procedure interne di test o rivolgerti a un fornitore di servizi di testaggio. Parla in anticipo col produttore o il fornitore per assicurarti che comprendano le tue necessità e che abbiano le capacità per automatizzare questi test fondamentali per garantire la qualità del prodotto. Sebbene queste attività preliminari richiedano tempo, ti sentirai più tranquillo sapendo di avere già anticipato potenziali problemi e difetti.

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I migliori strumenti di progettazione PCB di Altium Designer® offrono tutto il necessario per definire i requisiti di test PCB nei tuoi schemi elettrici e come documenti allegati. Quando sei pronto a passare alla fase di produzione, potrai condividere facilmente i dati di progettazione al tuo produttore con la piattaforma Altium 365™. Altium 365 e Altium Designer offrono tutto ciò di cui hai bisogno per superare una revisione del progetto, specificare i requisiti di test e comunicare eventuali modifiche.

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Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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