Przegląd testowania niezawodności PCB/PCBA oraz analizy awarii

Testy niezawodności i analiza awarii PCB/PCBA idą w parze; gdy projekty są wystawiane na skrajne obciążenia, ich tryby awarii muszą być określone poprzez dokładną inspekcję i analizę. Niektóre z tych testów i potencjalne przyczyny awarii są obsługiwane przez producentów, ponieważ mogą pojawić się podczas produkcji gołej płyty, podczas gdy inne potencjalne problemy z PCBA powinny być adresowane przez zespół projektowy podczas prototypowania i kwalifikacji projektu. Projekty o wysokiej niezawodności, takie jak w obszarach takich jak awionika i obrona, mogą wymagać obszernych testów środowiskowych i kwalifikacji, aby zapewnić ich funkcjonowanie w zamierzonym środowisku.

Aby zacząć od tego tematu, ważne jest, aby zrozumieć aspekty kwalifikacji, które będą rządzić projektowaniem twojej gołej płyty i PCBA. Przyjrzymy się różnym wymiarom niezawodności PCB/PCBA, jak również niektórym standardowym technikom analizy awarii używanym do identyfikacji potencjalnych wymagań zmian projektowych.

Przegląd Standardów Testowania Niezawodności PCB

Testowanie niezawodności szeroko obejmuje ekspozycję PCB lub gotowego PCBA na ekstremalne warunki środowiskowe (ciepło, korozja, wilgotność itp.), po czym następują testy wydajności, aby zapewnić, że urządzenie może wytrzymać te warunki. W ramach dyscypliny testowania niezawodności istnieje wiele możliwych źródeł stresu na PCB i gotowym PCBA:

• Obciążenie mechaniczne (obciążenie statyczne, wibracje i testy na wstrząsy zgodnie z normami MIL-STD/IPC/SAE)
• Obciążenie termiczne lub klimatyczne (strumień ciepła, ekstremalne temperatury, szok termiczny zgodnie z IPC-TM-650 2.6.7 i MIL-STD-202G; cykliczne zmiany temperatury zgodnie z MIL-STD-883 Metoda 1011, IPC-9701A [6] i JEDEC JESD22-A106)
• Obciążenie elektryczne (wysoka moc, weryfikacja deratingu, EMC, wszystko zgodnie z normami IPC/IEC/SAE) oraz zgodność z UL
• Obciążenie chemiczne (korozja lub inne ekspozycje chemiczne odpowiadające środowisku użytkowania)
• Ekspozycja na promieniowanie jonizujące (obliczane jako całkowita dawka jonizująca (TID))
• Ekspozycja na kurz, cząsteczki i ciecze
• Testy sztucznego starzenia dla zespołów elektronicznych (HALT, HASS, HATS itp.)

Co obejmuje testowanie niezawodności?

Ocena niezawodności PCB wymaga zestawu testów skupiających się na każdym z wymienionych powyżej obszarów. Podstawowe testy wykonanej płytki będą przeprowadzane przez producenta na Twoim układzie warstw, i powinni oni być w stanie certyfikować, że goła płyta będzie zgodna z Twoimi wymaganiami, jak określisz to w notatkach do produkcji PCB. Dla PCBA, testowanie i niezawodność mogą być bardziej rozległe. Twój producent/montażysta przeprowadzi własną serię testów i inspekcji, aby zweryfikować zgodność z klasą produktu IPC oraz podstawowymi standardami IPC dla gołych płyt, ale często to zespół projektowy lub firma zewnętrzna zajmująca się testowaniem będzie musiał przeprowadzić bardziej specjalistyczne testy (środowiskowe lub chemiczne) na projekcie, aby zweryfikować niezawodność.

Przewodniki po testach w każdym z tych obszarów wymagałyby serii artykułów, więc nie będę wchodził w wszystkie te aspekty testowania i weryfikacji niezawodności. Dokumenty standardowe dostarczane przez IPC, MIL-STD, SAE, NASA/DO i inne organizacje zapewniają wskazówki w tym obszarze, jak również konkretne procedury przeprowadzania tych testów. IPC-TM-650 zawiera standaryzowane metody testowania PCB, ale inne dokumenty wymienione powyżej mogą wykraczać poza wymagania w IPC-TM-650 dla konkretnych produktów i branż.

Analiza Awarii PCB

Określanie granic niezawodności PCB polega na wskazywaniu awarii, jak również sposobów ich powstawania w urządzeniu. Gdy na płycie wystąpi awaria, należy ją zbadać. Awaria może powstać stopniowo w wyniku nagromadzenia uszkodzeń (np. zmęczenie), w sposób nieregularny (losowy lub przerywany) lub nagły (w wyniku wstrząsów). Podczas badania trybów awarii, stosowanie powyższych testów obejmuje kumulatywne obciążanie PCB do momentu awarii (termiczne, mechaniczne i środowiskowe), a następnie badanie płyty w celu zlokalizowania i zbadania konkretnej awarii.

Poniższa tabela dopasowuje standardowe tryby awarii PCB do metod inspekcji i analizy awarii używanych w PCB.

Identyfikacja wad w każdym z tych obszarów wymaga pewnych umiejętności. Niektóre z nich są oczywiste, takie jak ekstremalna korozja spowodowana ekspozycją na wilgoć, podczas gdy inne są oczywiste tylko dla wyszkolonego oka. Na przykład, identyfikacja awarii z obrazu rentgenowskiego nie jest tak oczywista z powodu kontrastu i rozdzielczości zarejestrowanego obrazu.

Coś takiego jak przewodzenie filamentów anodowych spowodowane długotrwałą pracą przy wysokim napięciu lub pęknięcie beczki przelotki podczas pracy jest dość łatwe do zauważenia, zarówno na próbce mikrosekcji, jak i na obrazie SEM. Oba są wyraźnie widoczne przy odpowiedniej technice obrazowania. Jako przykład, poniższy obraz pokazuje wyraźnie widoczne pęknięcie na mikrosekcji, które może powodować przerywane awarie.

Po zidentyfikowaniu wady lub awarii należy podjąć pewne kroki, aby zapobiec wystąpieniu problemu podczas pracy lub zmodyfikować projekt tak, aby był bardziej odporny na tego typu problem. Musi to być podejście zależne od przypadku, w zależności od rodzaju wady i mechanizmu, który spowodował awarię.

Ostateczne przemyślenia

Kluczową kwestią do zapamiętania jest to, że żadna PCBA nie będzie niezniszczalna, a każdy projekt może ostatecznie zostać wystawiony na stres aż do katastrofalnej awarii. Jeśli stosowane obciążenia są tak ekstremalne, że są bardzo mało prawdopodobne do spotkania podczas eksploatacji, gdy produkt jest wdrożony w zamierzone środowisko, wtedy można uznać swój projekt za udany z perspektywy niezawodności. Testując niezawodność i badając awarie, warto rozważyć tryby awarii, które urządzenie najprawdopodobniej będzie doświadczać podczas pracy i najpierw zająć się nimi.

Po wykorzystaniu wyników analizy awarii PCB do zidentyfikowania wymaganych przeprojektowań, możesz zaimplementować zmiany projektowe z wykorzystaniem kompletnego zestawu funkcji układu w Altium Designer®. Gdy zakończysz projektowanie i będziesz gotowy do przekazania plików swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów. Twój producent może również przeprowadzić własną recenzję projektu, aby pomóc zapewnić wysoką wydajność i jakość, gdy zwiększasz skalę.

Dotknęliśmy tylko powierzchni możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.