PCB/PCBA 信頼性試験と故障分析の概要

PCB/PCBAの信頼性試験と故障分析は密接に関連しています。設計が限界までストレスを受けた場合、その故障モードを徹底的な検査と分析を通じて特定する必要があります。これらのテストと潜在的な故障原因の一部は、製造業者が裸のボードの製造中に発生する可能性があるため対応しますが、PCBAに関連する他の潜在的な問題は、プロトタイピングと設計の資格取得中に設計チームによって対処されるべきです。航空宇宙や防衛などの高信頼性設計では、意図された環境で機能することを保証するために、広範な環境試験と資格取得が必要になることがあります。

このトピックを始めるにあたり、裸のボード設計とPCBAを管理する資格要件を理解することが重要です。PCB/PCBAの信頼性のさまざまな側面と、潜在的な設計変更要件を特定するために使用される標準的な故障分析技術について見ていきます。

PCB信頼性試験基準の概要

信頼性試験は、PCBまたは完成したPCBAを極端な環境条件（熱、腐食、湿度など）にさらし、その条件に耐えられるかどうかを確認するための性能試験に続くことが一般的です。信頼性試験の分野内では、PCBと完成したPCBAにストレスを与える可能性のある多くのストレス源があります：

• 機械的負荷（静荷重、振動、衝撃試験、MIL-STD/IPC/SAE基準に基づく）
• 熱的または気候的負荷（熱流、極端な温度、熱衝撃、IPC-TM-650 2.6.7およびMIL-STD-202Gに基づく；MIL-STD-883 方法 1011、IPC-9701A [6]、JEDEC JESD22-A106に基づく熱サイクル試験）
• 電気的負荷（高電力、ディレーティング検証、EMC、すべてIPC/IEC/SAE基準に準拠）およびUL準拠
• 化学的負荷（配備環境に合わせた腐食またはその他の化学的曝露）
• 電離放射線への曝露（全電離線量（TID）として計算）
• 塵、粒子、液体への曝露
• 電子アセンブリの人工加速老化試験（HALT、HASS、HATSなど）

信頼性試験には何が含まれているのか？

PCBの信頼性評価には、上記の各領域に焦点を当てた一連のテストが必要です。基本的な製造済みボードテストは、あなたのスタックアップに対して製造業者によって実施され、PCB製造ノートで指定する要件に従って裸のボードが適合することを認証できるはずです。PCBAについては、テストと信頼性がより広範になる可能性があります。製造業者/組立業者は、裸のボードに関する基本的なIPC基準とIPC製品クラスへの適合を検証するために自身の一連のテストと検査を実施しますが、設計の信頼性を検証するために（環境または化学テストなどの）より専門的なテストを実行するのは、設計チームまたは契約テスト会社によく依存されます。

これらの領域のいずれかにおけるテストガイドは、一連の記事を必要とするため、信頼性テストと検証のすべての側面については詳しく説明しません。IPC、MIL-STD、SAE、NASA/DO、その他の組織によって提供される標準文書は、この分野でのガイダンスと、これらのテストを実施するための具体的な手順を提供します。IPC-TM-650にはPCBのための標準化されたテスト方法が含まれていますが、上記の他の文書は特定の製品や産業に対するIPC-TM-650の要件を超える場合があります。

PCB故障分析

PCBの信頼性の限界を決定することは、故障がどのようにして発生するか、そしてそれらがデバイスでどのように生じるかを特定することについてです。ボードの故障が発生した場合、それは調査される必要があります。故障は、蓄積された損傷（例えば、疲労）によって徐々に、不規則に（ランダムまたは断続的に）、または突然（衝撃によって）発生することがあります。故障モードが調査される際には、上記のテストの適用により、PCBAを故障するまで累積的にストレスをかける（熱的、機械的、環境的）、その後、特定の故障を特定して調査するためにボードを調べます。

以下の表は、標準的なPCB故障モードをPCB内で使用される検査および故障分析方法に一致させます。

これらの各領域での欠陥を特定するには、ある程度のスキルが必要です。これらの中には、湿気への露出による極端な腐食など、明らかなものがありますが、訓練された目にしか明らかでないものもあります。例えば、X線画像からの故障を特定することは、記録された画像のコントラストと解像度のため、それほど明白ではありません。

導電性アノードフィラメントは、高電圧での長時間運用や運用中のビアバレルの破損など、マイクロセクションサンプルやSEM画像から容易に確認できます。適切なイメージング技術を用いれば、どちらもはっきりと見えます。例として、以下の画像はマイクロセクションで明確に見える破損を示しており、これが断続的な故障を引き起こす可能性があります。

欠陥や故障が特定されたら、運用中に問題が発生しないように、またはこのタイプの問題に対してより強靭な設計にするために、いくつかの対策を講じるべきです。これは、欠陥の種類や故障を引き起こしたメカニズムに応じて、ケースバイケースでアプローチする必要があります。

最終的な考察

ここで覚えておくべき重要な点は、どのPCBAも不滅ではなく、どんな設計も最終的には壊滅的な故障に至るまでストレスを受ける可能性があるということです。適用されるストレスが、製品が意図された環境で運用される際に遭遇する可能性が極めて低いほど極端な場合、その設計を信頼性の観点から成功と考えることができます。信頼性をテストし、故障を調査する際には、運用中にデバイスが最も経験する可能性の高い故障モードを考慮し、まずそれらに対処することが重要です。

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