Тестирование печатных плат: важнейшие методы и показатели

Закарайа Петерсон
|  Создано: 17 Июня, 2021  |  Обновлено: 8 Ноября, 2021
Тестирование печатных плат

Производители знают, что процесс изготовления печатных плат требует много усилий с точки зрения контроля качества и испытаний. Существует множество способов проверки качества, чтобы гарантировать, воспроизводимость проекта в условиях массового производства с сохранением высокого качества, но многое из этого может происходить в фоновом режиме без ведома разработчика. Другие важные испытания, такие как тестирование на готовность к производству и функциональное тестирование печатной платы, обычно являются обязанностью разработчика и выполняются во время создания прототипа, эти испытания так-же становятся частью процесса серийного производства.

Независимо от того, какой уровень испытаний и проверки вам необходимо выполнить, важно определить основные требования к испытаниям, которым должен удовлетворять ваш проект и с которыми вы должны ознакомить вашего производителя. Если вы впервые переходите от прототипов к производству большого объема, ознакомьтесь с нашим списком требований к процессам испытаний плат, чтобы знать, чего вам следует ожидать.

Испытания печатных плат во время их производства

Во время изготовления и сборки выполняется несколько процедур испытаний печатных плат. Они направлены на оценку качества и ресурса печатной платы без элементов, а также на то, чтобы убедиться, что конструкция пройдет этап сборки без дефектов. Кроме того, во время изготовления/сборки будут проводиться электрические испытания и сравнение с проектным списком цепей.

Когда речь идет о прототипе, его тестирование не заканчивается производством первого образца. После того как платы будут получены, команда разработчиков должна выполнить для всех плат тестирование на их готовность к производству и функциональные испытания, прежде чем завершить проектирование. После расширения серийного производства до тысяч или миллионов плат может потребоваться автоматизация некоторых процессов для обеспечения высокой производительности и качества.

Механические испытания и проверки печатных плат

Существует минимальный набор механических испытаний и проверок, которые выполняются во время производства, чтобы проверить процесс изготовления платы и гарантировать надежность последующей сборки узла:

Испытание

Что проверяется

Критерии

Визуальный осмотр и рентген-контроль

Цель - это выявление любых нарушений, расслоений или других повреждений в поверхностных (визуальный осмотр) и внутренних (рентген-контроль) слоях. Рентген-контроль также используется для проверки корпусов BGA или QFN на наличие достаточного количества припоя и целостности паянных соединений.

Пройден / не пройден

Испытание на отслаивание

Измеряет усилие, необходимое для отслаивания склеенной платы после того, как стек слоев собран и полностью отвержден.

Пройден / не пройден + конкретное значение

Испытание в ванне с припоем и проверка на растекание припоя

Определяет способность к пайке металлизированного сквозного отверстия (PTH), а также то, может ли покрытие стенок переходного отверстия выдерживать термическое напряжение во время пайки перед выходом из строя.

Пройден / не пройден

Визуальный автоматизированный контроль (AOI)

Используется для автоматического определения дефектов сборки, таких как недостаточное количество припоя, трещины в соединениях, разомкнутые соединения (например, сквозное проплавление или эффект «надгробного камня» в крайних случаях). Новые методы AOI, разработанные с помощью глубокого обучения, используются для выявления холодной пайки.

Пройден / не пройден

Эти испытания могут проводиться, чтобы определить наличие какой-либо возможной проблемы качества, присущей производственному процессу и для понимания того, что нужно будет изменить в процессе производства для устранения проблемы. Бывает что причина проблемы кроется в особенностях конструкции, тогда потребуется вносить правки в проект. 

Электрические испытания печатных плат во время производства

Электрические испытания также проводятся во время производства для проверки любых неисправностей, отклонений импеданса или остатков припоя:

  • Контроль электрических соединений: определение наличия разрывов и коротких замыканий, а также конкретных значений напряжения/тока в контрольных точках. Иногда для измерения определенного сигнала используется испытательная оснастка. Кроме того, электрическое тестирование на включение или отключение питания может использоваться с определенными компонентами или контрольными точками для проверки наличия неисправных компонентов.
  • Испытание сплавом Розе: это испытание выполняется для проверки на наличие любых загрязнений, которые могли остаться от паяльного флюса.
  • Рефлектометрия во временной области (TDR): этот тест используется для измерения импеданса одиночных и дифференциальных линий. Она может быть выполнена на тест-купоне или на тестовой плате с прикрепленной оснасткой. Для полной оценки целостности сигнала необходимо некоторое последующее выделение и анализ.
Электрическое тестирование печатных плат
Для проверки определенных точек на печатной плате на наличие неисправностей используются "Летающие щупы".

Испытания по контролю импеданса - это область, в которой вы должны использовать информацию и опыт вашего производителя, прежде чем создавать свой проект. Если вы запросите услугу контроля импеданса для производства вашего заказа, производитель сможет убедиться, что набор имеющихся у него материалов соответствует вашим требованиям по импедансу. Просто убедитесь, что дали четкие указания производителю, например в ваших примечаниях к изготовлению.

Стресс-тестирование печатных плат

В приведенный выше список включены фундаментальные испытания, необходимые для обеспечения успешного изготовления и выявления дефектов. В дополнение к основным испытаниям, перечисленным выше, вашей плате, возможно, потребуется пройти более строгие испытания, которые предназначены для проверки печатной платы под максимальной нагрузкой. После того как печатная плата прошла сборку, ее можно подвергнуть серии стресс-тестов, чтобы убедиться, что она соответствует максимальным требованиям к производительности и надежности. Стресс-тестирование печатных плат направлено на оценку долгосрочной и краткосрочной надежности при идеализированных условиях окружающей среды. Не все платы должны проходить такой набор тестов, выполняемых производителем. Для быстрых запусков прототипов эти испытания обычно не проводятся, в том числе производителями. Вместо этого пустая плата и готовая сборка могут быть оценены по стандартам надежности с помощью базовых процедур проверки.

  • Испытания на вибрацию, например в соответствии со стандартами для военной и аэрокосмической отраслей
  • Испытания на пожарную безопасность NEMA/NFPA/FAA
  • Испытания на тепловой удар
  • Испытания HALT/HASS (электротермотренировка)
  • Испытания на воздействие окружающей среды
  • Электрические стресс-тесты
  • Испытания по технике безопасности
  • Любые другие специальные испытания для данного продукта/отрасли (IEC, ISO и т.д.)

Если ваш производитель не может выполнить такие сложные испытания, существуют специализированные испытательные компании, которые проведут аттестацию новых продуктов с использованием комплексной методологии и выполнят серию испытаний на заказ. Испытания по технике безопасности и электрические стресс-тесты обычно являются наиболее важными при разработке потребительских или коммерческих продуктов, поскольку они обеспечивают базовые требования к надежности. Для продуктов в таких областях, как медицина, автомобилестроение или авиакосмическая промышленность, будут применяться гораздо более строгие стандарты как в отношении класса по IPC, так и других отраслевых стандартов (SAE, MIL-STD и т. д.).

Надежность и анализ отказов печатных плат

Что входит в анализ надежности и понимание основных причин отказа? Если плата подвергнута стрессовой нагрузке, приводящей к отказу, или она просто не прошла испытания, перечисленные выше, необходимо провести исследование, чтобы определить основную причину отказа. В первую очередь следует начать с функционального тестирования (см. ниже), чтобы определить, какие конкретные функции или возможности привели к отказу. Если вы начнете с этого, то сможете сузить круг до конкретного этапа проектирования, где, скорее всего, произошел сбой. В дополнение к электрическому тестированию платы часто используются микрошлифы, чтобы определить, какие конкретные точки конструкции могли выйти из строя, и определить точный механизм сбоя.

Анализ микрошлифов
Вот несколько интересных примеров отказов, которые можно увидеть на микрошлифе. [Источник: Grosshardt, et al.]

Если у вас есть доступ к приложениям для моделирования и большая вычислительная мощность, вы даже можете запускать моделирование нагрузок для количественной оценки таких вещей, как средняя наработка на отказ, точное местоположение и типы механических отказов, вызванных термическим воздействием, а также процедуры исследования конструкции, чтобы определить, как должен измениться процесс проектирования или изготовления.

Когда обнаруживается сбой и выясняется, что он произошел за рамками нормальных ожидаемых условий эксплуатации, вы можете считать это успехом в той мере, в которой конструкция соответствует вашим стандартам проектирования и надежности. Ни одна конструкция не является идеальной, поэтому не удивляйтесь, если в конечном итоге она выйдет из строя под действием экстремальных нагрузок. Цель состоит в том, чтобы определить, может ли конструкция надежно работать при некоторых разумных ожидаемых условиях, возникающих во время ее использования. Для решения этой конкретной задачи были разработаны стандарты надежности, и соответствие этим стандартам при разработке плат является первым шагом в обеспечении надежности вашего продукта.

Типовые испытания

Прежде чем подвергать вашу плату серии испытаний, убедитесь, что ваша разработка производится с учетом стандартов надежности и безопасности. Конкретные аспекты конструкции, определяющие надежность, регулируются некоторыми стандартами IPC:

  • IPC-6011 Общие технические условия для печатных плат
  • IPC-6012D Типовые испытания и технические условия для жестких печатных плат
  • IPC-6013D Типовые испытания и технические условия для гибких/гибко-жестких печатных плат

Эти стандарты предоставляют конкретные рекомендации и допуски по размерам, которым должна соответствовать производимая плата. Для ясности следует подчеркнуть, что в рекомендациях не указываются конкретные размеры контактных площадок, проводников, отверстий или других объектов, которым должна соответствовать плата. Однако они определяют набор минимальных критериев, которым должна соответствовать производимая плата каждого из классов продуктов согласно IPC. В зависимости от допусков производителя на изготовление и класса продукта могут быть определены конкретные целевые размеры, которым должна соответствовать изготовленная плата. Типичным примером являются пояски металлизации для устройств класса III по стандарту IPC 6012.

Функциональное тестирование печатных плат

Функциональное тестирование электроники включает в себя ряд возможных испытаний, многие из которых направлены на то, чтобы убедиться, что продукт обеспечивает желаемую надежность в работе конечного пользователя и выполняет функции, которые были предусмотрены в конструкции. Это ответственность группы разработчиков на этапе создания прототипа, а не самого производителя. Помните, что задача производителя состоит в том, чтобы предоставить вам печатную плату, которая по электрическим характеристикам соответствует тем проектным данным, которые вы ему предоставляете, обычно в его обязанности не входит выполнение функциональной проверки, если вы не можете помочь автоматизировать проведение такого тестирования.

В случае, если проект не дает ожидаемых результатов при функциональном тестировании, разработчик должен устранить ошибки и отладить процесс проектирования, определив проблему. Разработчику или инженеру-испытателю может потребоваться вручную провести некоторые электрические измерения, поэкспериментировать с прошивкой и проследить проблемы в конструкции, чтобы определить причины всех дефектов. Как только они будут найдены, они могут быть рассмотрены в следующей редакции проекта и, в идеале, могут быть включены в качестве требований к испытаниям по мере увеличения объемов производства продукта.

Если вы переходите к большему объему производства, а функциональность или соответствие вашего продукта стандартам требует прохождения определенных электрических, тепловых или механических испытаний, вы должны сказать об этом своему производителю, разработать процедуры испытаний внутри компании или заключить договор на оказание этих услуг со сторонней испытательной фирмой. Поговорите с ними заранее, чтобы убедиться, что они понимают, что вам нужно, и что у них есть возможности автоматизировать эти испытания для обеспечения качества продукции. Выполнение этих задач требует времени на дополнительную подготовку, но в результате вы станете более уверенными, зная, что в процессе испытаний предусмотрено обнаружение большинства возможных проблем.

Лучшие инструменты проектирования печатных плат в Altium Designer® дают вам все необходимое для определения требований к процессам испытаний платы вашего продукта. Когда вы будете готовы направить свой проект в производство, вы можете легко передать проектные данные производителю с помощью платформы Altium 365™. Altium 365 и Altium Designer предоставляют все необходимое для выполнения проверки проекта, передачи требований к испытаниям, а так же инструмент обмена сообщениями об изменениях в конструкции с сохранением истории.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Начните использование бесплатной пробной версии Altium Designer + Altium 365 сегодня .

Об авторе

Об авторе

Закарайа Петерсон (Zachariah Peterson) имеет обширный технический опыт в научных кругах и промышленности. До работы в индустрии печатных плат преподавал в Портлендском государственном университете. Проводил магистерское исследование на хемосорбционных газовых датчиках, кандидатское исследование – по теории случайной лазерной генерации. Имеет опыт научных исследований в области лазеров наночастиц, электронных и оптоэлектронных полупроводниковых приборов, систем защиты окружающей среды и финансовой аналитики. Его работа была опубликована в нескольких рецензируемых журналах и материалах конференций, и он написал сотни технических статей блогов по проектированию печатных плат для множества компаний.

Самые новые статьи

Вернуться на главную