Visão Geral dos Testes de Confiabilidade e Análise de Falhas em PCB/PCBA

Os testes de confiabilidade e a análise de falhas de uma PCB/PCBA são complementares; quando os designs são levados ao limite, seus modos de falha precisam ser determinados por meio de inspeção e análise detalhadas. Alguns desses testes e possíveis causas de falha são tratados pelos fabricantes, pois podem surgir durante a fabricação da placa nua, enquanto outros problemas potenciais com a PCBA devem ser abordados pela equipe de design durante a prototipagem e qualificação do design. Designs de alta confiabilidade, como em áreas como aviação e defesa, podem exigir testes e qualificações ambientais extensivos para garantir que funcionarão no ambiente pretendido.

Para começar neste tópico, é importante entender os aspectos de qualificação que regerão seu design de placa nua e a PCBA. Vamos olhar para as várias dimensões da confiabilidade da PCB/PCBA, bem como algumas das técnicas padrão de análise de falhas usadas para identificar possíveis requisitos de mudança de design.

Visão Geral dos Padrões de Teste de Confiabilidade da PCB

Os testes de confiabilidade envolvem, de forma ampla, a exposição de uma PCB ou PCBA acabada a condições ambientais extremas (calor, corrosão, umidade, etc.), seguidos por testes de desempenho para garantir que o dispositivo possa resistir a essas condições. Dentro da disciplina de testes de confiabilidade, existem muitas possíveis fontes de estresse em uma PCB e na PCBA acabada:

• Carga mecânica (carga estática, vibração e testes de choque sob as normas MIL-STD/IPC/SAE)
• Carga térmica ou climática (fluxo de calor, temperatura extrema, choque térmico sob IPC-TM-650 2.6.7 e MIL-STD-202G; ciclagem térmica sob MIL-STD-883 Método 1011, IPC-9701A [6] e JEDEC JESD22-A106)
• Carga elétrica (alta potência, verificação de derating, EMC, todos em conformidade com as normas IPC/IEC/SAE) e conformidade com UL
• Carga química (corrosão ou outra exposição química para corresponder ao ambiente de implantação)
• Exposição à radiação ionizante (calculada como dose ionizante total (TID))
• Exposição a poeira, partículas e líquidos
• Testes de envelhecimento artificial para montagens eletrônicas (HALT, HASS, HATS, etc.)

O que Envolve os Testes de Confiabilidade?

Uma avaliação da confiabilidade de uma PCB requer um conjunto de testes que se concentram em cada uma das áreas listadas acima. Testes básicos de placas fabricadas serão realizados em seu empilhamento pelo seu fabricante, e eles devem ser capazes de certificar que a placa nua irá conformar-se com seus requisitos conforme você especificar em suas notas de fabricação de PCB. Para a PCBA, os testes e a confiabilidade podem ser mais extensos. Seu fabricante/montador realizará sua própria série de testes e inspeções para verificar a conformidade com uma classe de produto IPC e padrões básicos da IPC em placas nuas, mas muitas vezes caberá à equipe de design ou a uma empresa de testes contratada realizar testes mais especializados (testes ambientais ou químicos) no design para verificar a confiabilidade.

Guias para testes em qualquer uma dessas áreas envolveriam uma série de artigos, então não entrarei em todos esses aspectos de teste e verificação de confiabilidade. Documentos de padrões fornecidos pela IPC, MIL-STD, SAE, NASA/DO e outras organizações fornecem orientação nesta área, bem como procedimentos específicos para a realização desses testes. O IPC-TM-650 contém métodos de teste padronizados para PCBs, mas os outros documentos mencionados acima podem ir além dos requisitos em IPC-TM-650 para produtos e indústrias específicas.

Análise de Falhas em PCB

Determinar os limites de confiabilidade de uma PCB é tudo sobre identificar falhas, bem como como elas surgem no dispositivo. Uma vez que ocorre uma falha na placa, ela precisa ser investigada. A falha pode surgir gradualmente devido a danos acumulados (por exemplo, fadiga), de forma errática (aleatória ou intermitente), ou súbita (devido a choques). Quando os modos de falha estão sendo investigados, a aplicação dos testes acima envolve estressar cumulativamente a PCBA até a falha (térmica, mecânica e ambiental), seguido pela examinação da placa para localizar e examinar a falha específica.

A tabela abaixo associa os modos de falha padrão de uma PCB aos métodos de inspeção e análise de falhas usados em uma PCB.

Identificar defeitos em cada uma dessas áreas requer alguma habilidade. Alguns desses são óbvios, como corrosão extrema devido à exposição à umidade, enquanto outros só são óbvios para o olho treinado. Por exemplo, identificar uma falha a partir de uma imagem de raio-X não é tão óbvio devido ao contraste e resolução na imagem registrada.

Algo como filamentação anódica condutiva devido à operação prolongada em alta tensão ou fratura de um barril de via durante a operação é bastante fácil de identificar, seja a partir de uma amostra de microseção ou de uma imagem SEM. Ambos são claramente visíveis com a técnica de imagem correta. Como exemplo, a imagem abaixo mostra a fratura claramente visível em uma microseção, o que pode criar uma falha intermitente.

Uma vez identificado um defeito ou falha, alguns passos devem ser tomados para prevenir que o problema ocorra durante a operação, ou para modificar o design de modo que ele seja mais resiliente contra esse tipo de problema. Isso tem que ser abordado caso a caso, dependendo do tipo de defeito e mecanismo que causou a falha.

Pensamentos Finais

O importante a lembrar aqui é que nenhum PCBA será invencível, e qualquer design pode eventualmente ser submetido a estresse até a falha catastrófica. Se os estresses aplicados são tão extremos que é altamente improvável que sejam encontrados durante a operação quando implantados no ambiente pretendido do produto, então você pode considerar seu design bem-sucedido do ponto de vista da confiabilidade. Ao testar para confiabilidade e investigar falhas, vale a pena considerar os modos de falha que seu dispositivo provavelmente experimentará durante a operação e abordar esses primeiro.

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