Обзор тестирования надежности печатных плат (PCB/PCBA) и анализа отказов

Испытания на надежность и анализ отказов печатной платы (PCB/PCBA) тесно связаны между собой; когда конструкции подвергаются экстремальным нагрузкам, необходимо определить их режимы отказа путем тщательного осмотра и анализа. Некоторые из этих тестов и потенциальные причины отказа обрабатываются производителями, поскольку они могут возникнуть во время изготовления неоснащенной платы, в то время как другие потенциальные проблемы с PCBA должны быть решены командой разработчиков во время прототипирования и квалификации дизайна. Высоконадежные конструкции, такие как в областях авионики и обороны, могут требовать обширного экологического тестирования и квалификации для обеспечения их функционирования в предполагаемой среде.

Чтобы начать изучение этой темы, важно понимать аспекты квалификации, которые будут управлять вашим дизайном неоснащенной платы и PCBA. Мы рассмотрим различные аспекты надежности PCB/PCBA, а также некоторые стандартные методы анализа отказов, используемые для выявления потенциальных требований к изменению дизайна.

Обзор стандартов испытаний на надежность печатных плат

Испытания на надежность в широком смысле включают подвергание PCB или готовой PCBA экстремальным условиям окружающей среды (тепло, коррозия, влажность и т. д.), за которыми следуют испытания на работоспособность, чтобы убедиться, что устройство может выдержать эти условия. В рамках дисциплины испытаний на надежность существует множество возможных источников стресса для PCB и готовой PCBA:

• Механическое воздействие (статическая нагрузка, вибрация и испытания на ударные нагрузки в соответствии со стандартами MIL-STD/IPC/SAE)
• Термическое или климатическое воздействие (тепловой поток, экстремальные температуры, термический удар в соответствии с IPC-TM-650 2.6.7 и MIL-STD-202G; термический цикл в соответствии с MIL-STD-883 Метод 1011, IPC-9701A [6] и JEDEC JESD22-A106)
• Электрическое воздействие (высокая мощность, проверка дерейтинга, ЭМС, все в соответствии со стандартами IPC/IEC/SAE) и соответствие UL
• Химическое воздействие (коррозия или другое химическое воздействие, соответствующее условиям эксплуатации)
• Воздействие ионизирующего излучения (рассчитывается как общая ионизирующая доза (TID))
• Воздействие на пыль, частицы и жидкости
• Искусственное старение электронных сборок (HALT, HASS, HATS и т.д.)

Что включает в себя испытание на надежность?

Оценка надежности печатной платы требует проведения ряда тестов, ориентированных на каждую из перечисленных выше областей. Базовые тесты изготовленной платы будут выполнены вашим производителем на вашей структуре, и они должны быть в состоянии гарантировать, что голая плата будет соответствовать вашим требованиям, как вы указали в заметках к изготовлению печатной платы. Для PCBA тестирование и надежность могут быть более обширными. Ваш производитель/сборщик проведет собственный ряд тестов и инспекций для проверки соответствия классу продукции IPC и базовым стандартам IPC на голых платах, но часто бывает, что команде разработчиков или контрактной испытательной фирме приходится проводить более специализированные тесты (экологические или химические тесты) на дизайне для проверки надежности.

Руководства по тестам в любой из этих областей потребовали бы серии статей, поэтому я не буду вдаваться во все эти аспекты тестирования и проверки надежности. Стандартные документы, предоставленные IPC, MIL-STD, SAE, NASA/DO и другими организациями, предоставляют руководство в этой области, а также конкретные процедуры для выполнения этих тестов. IPC-TM-650 содержит стандартизированные методы испытаний для печатных плат, но другие упомянутые выше документы могут выходить за рамки требований в IPC-TM-650 для конкретных продуктов и отраслей.

Анализ отказов печатных плат

Определение пределов надежности печатных плат заключается в выявлении неисправностей, а также в том, как они возникают в устройстве. Как только происходит отказ платы, его необходимо исследовать. Отказ может возникать постепенно из-за накопленного повреждения (например, усталости), эпизодически (случайно или периодически) или внезапно (из-за ударов). При исследовании режимов отказа применение вышеупомянутых тестов включает в себя кумулятивное нагружение печатной сборки до момента отказа (тепловое, механическое и окружающей среды), за которым следует осмотр платы для локализации и изучения конкретного отказа.

В таблице ниже представлены стандартные режимы отказа печатных плат и методы осмотра и анализа отказов, используемые в печатной плате.

Выявление дефектов в каждой из этих областей требует определенных навыков. Некоторые из них очевидны, например, экстремальная коррозия из-за воздействия влаги, в то время как другие очевидны только обученному глазу. Например, выявление отказа по изображению с рентгеновским снимком не так очевидно из-за контраста и разрешения записанного изображения.

Что-то вроде проводящей анодной филяции из-за длительной работы при высоком напряжении или разрыва стенки переходного отверстия во время работы достаточно легко обнаружить, будь то на образце микросечения или на изображении, полученном с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Оба дефекта четко видны при использовании соответствующей методики визуализации. К примеру, на изображении ниже четко виден разрыв на микросечении, который может вызвать прерывистый отказ.

Как только дефект или отказ обнаружены, необходимо предпринять некоторые шаги, чтобы предотвратить возникновение проблемы во время работы или изменить конструкцию таким образом, чтобы она была более устойчива к этому типу проблем. Это должно решаться в каждом конкретном случае в зависимости от типа дефекта и механизма, вызвавшего отказ.

Заключительные мысли

Главное, что здесь нужно помнить, это то, что ни одна печатная плата не будет непобедимой, и любой дизайн в конечном итоге может быть подвергнут стрессу до катастрофического отказа. Если приложенные нагрузки настолько экстремальны, что их встреча во время эксплуатации при предполагаемом использовании продукта крайне маловероятна, тогда можно считать ваш дизайн успешным с точки зрения надежности. При тестировании на надежность и исследовании отказов полезно учитывать режимы отказа, которые ваше устройство скорее всего будет испытывать во время работы, и в первую очередь устранять их.

После того, как вы использовали результаты анализа неисправностей печатной платы для определения необходимых переработок, вы можете внести изменения в дизайн с помощью полного набора функций разметки в Altium Designer. Когда вы закончили проектирование и готовы отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365 упрощает совместную работу и обмен проектами. Ваш производитель также может провести собственный обзор дизайна, чтобы помочь обеспечить высокий уровень выпуска и качества при масштабировании.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.