Tổng quan về Kiểm tra Độ tin cậy và Phân tích Hỏng hóc của PCB/PCBA

| Created: Tháng Một 6, 2022 | Updated: Tháng Mười 14, 2024

Kiểm tra độ tin cậy và phân tích hỏng hóc của một PCB/PCBA đi đôi với nhau; khi các thiết kế được đẩy đến giới hạn, các chế độ hỏng hóc của chúng cần được xác định thông qua việc kiểm tra và phân tích kỹ lưỡng. Một số bài kiểm tra này và nguyên nhân tiềm ẩn của sự cố có thể được xử lý bởi các nhà sản xuất khi chúng có thể xuất hiện trong quá trình sản xuất bảng mạch trống, trong khi những vấn đề tiềm ẩn khác với PCBA nên được đội ngũ thiết kế giải quyết trong quá trình chế tạo mẫu và xác nhận thiết kế. Các thiết kế có độ tin cậy cao, như trong các lĩnh vực như hàng không vũ trụ và quốc phòng, có thể yêu cầu kiểm tra môi trường và xác nhận rộng rãi để đảm bảo chúng sẽ hoạt động trong môi trường dự định.

Để bắt đầu với chủ đề này, điều quan trọng là phải hiểu các khía cạnh xác nhận sẽ điều khiển thiết kế bảng mạch trống và PCBA của bạn. Chúng ta sẽ xem xét các khía cạnh khác nhau của độ tin cậy PCB/PCBA, cũng như một số kỹ thuật phân tích hỏng hóc tiêu chuẩn được sử dụng để xác định yêu cầu thay đổi thiết kế tiềm năng.

Tổng Quan về Tiêu Chuẩn Kiểm Tra Độ Tin Cậy PCB

Kiểm tra độ tin cậy rộng rãi bao gồm việc phơi bày một PCB hoặc PCBA hoàn chỉnh với các điều kiện môi trường cực đoan (nhiệt độ, ăn mòn, độ ẩm, v.v.), tiếp theo là các bài kiểm tra hiệu suất để đảm bảo thiết bị có thể chịu đựng những điều kiện đó. Trong lĩnh vực kiểm tra độ tin cậy, có nhiều nguồn căng thẳng có thể xảy ra đối với PCB và PCBA hoàn chỉnh:

Tải cơ học (tải tĩnh, rung động, và thử nghiệm va đập theo tiêu chuẩn MIL-STD/IPC/SAE)
Tải nhiệt hoặc khí hậu (dòng nhiệt, nhiệt độ cực đoan, sốc nhiệt theo IPC-TM-650 2.6.7 và MIL-STD-202G; chu kỳ nhiệt theo MIL-STD-883 Phương pháp 1011, IPC-9701A [6], và JEDEC JESD22-A106)
Tải điện (công suất cao, xác minh giảm tải, EMC, tất cả tuân thủ theo tiêu chuẩn IPC/IEC/SAE) và tuân thủ UL
Tải hóa học (ăn mòn hoặc tiếp xúc hóa chất khác phù hợp với môi trường triển khai)
Tiếp xúc với bức xạ ion hóa (tính toán như tổng liều bức xạ ion hóa (TID))
Tiếp xúc với bụi, hạt, và chất lỏng
Thử nghiệm lão hóa nhân tạo cho các bộ phận điện tử (HALT, HASS, HATS, v.v.)

Các Yếu Tố Tham Gia Trong Kiểm Định Độ Tin Cậy?

Đánh giá độ tin cậy của PCB đòi hỏi một bộ các bài kiểm tra tập trung vào từng lĩnh vực được liệt kê ở trên. Các bài kiểm tra cơ bản trên bảng mạch được sản xuất sẽ được thực hiện trên stackup của bạn bởi nhà sản xuất, và họ nên có khả năng chứng nhận rằng bảng mạch trần sẽ phù hợp với yêu cầu của bạn như bạn đã chỉ định trong ghi chú sản xuất PCB của mình. Đối với PCBA, việc kiểm tra và đánh giá độ tin cậy có thể được mở rộng hơn. Nhà sản xuất/lắp ráp của bạn sẽ thực hiện loạt bài kiểm tra và kiểm tra của riêng họ để xác minh sự phù hợp với một lớp sản phẩm IPC và các tiêu chuẩn IPC cơ bản trên bảng mạch trần, nhưng thường sẽ phụ thuộc vào nhóm thiết kế hoặc một công ty kiểm tra hợp đồng để thực hiện các bài kiểm tra chuyên biệt hơn (kiểm tra môi trường hoặc hóa học) trên thiết kế để xác minh độ tin cậy.

Hướng dẫn về các bài kiểm tra trong bất kỳ lĩnh vực nào này sẽ liên quan đến một loạt các bài viết, vì vậy tôi sẽ không đi vào tất cả các khía cạnh này của việc kiểm tra và xác minh độ tin cậy. Các tài liệu tiêu chuẩn được cung cấp bởi IPC, MIL-STD, SAE, NASA/DO, và các tổ chức khác cung cấp hướng dẫn trong lĩnh vực này, cũng như các quy trình cụ thể để thực hiện các bài kiểm tra này. IPC-TM-650 chứa các phương pháp kiểm tra tiêu chuẩn cho PCB, nhưng các tài liệu khác được đề cập ở trên có thể vượt qua các yêu cầu trong IPC-TM-650 cho các sản phẩm và ngành cụ thể.

Phân tích Sự Cố PCB

Xác định giới hạn độ tin cậy của PCB là việc chỉ ra các lỗi, cũng như cách chúng xuất hiện trong thiết bị. Một khi xảy ra lỗi trên bảng mạch, nó cần được điều tra và Lỗi có thể xuất hiện dần dần do tổn thương tích lũy (ví dụ, mệt mỏi), không ổn định (ngẫu nhiên hoặc gián đoạn), hoặc đột ngột (do sốc). Khi các chế độ lỗi đang được điều tra, việc áp dụng các bài kiểm tra trên bao gồm việc làm căng thẳng tích lũy lên PCBA cho đến khi xảy ra lỗi (nhiệt, cơ học, và môi trường), tiếp theo là việc kiểm tra bảng mạch để xác định và kiểm tra lỗi cụ thể.

Bảng dưới đây phù hợp với các chế độ lỗi PCB tiêu chuẩn với phương pháp kiểm tra và phân tích lỗi được sử dụng trong một PCB.

Phương pháp Kiểm tra	Chế độ Lỗi
Kiểm tra quang học	Điều này bao gồm việc sử dụng kính hiển vi quang học công suất cao để kiểm tra lớp bề mặt của một PCB. Các lỗi cần được xác định bao gồm ăn mòn, mối hàn hỏng, đoản mạch hoặc mạch mở, tích tụ chất bẩn rắn (ví dụ, ăn mòn), hoặc hư hại lớp bề mặt.
Phân tích mặt cắt vi mô	Điều này đòi hỏi cắt ra một phần nhỏ của bảng mạch và kiểm tra nó bằng cách sử dụng kính hiển vi quang học hoặc kính hiển vi điện tử quét (SEM). Phương pháp này thường được sử dụng để kiểm tra lớp phủ, di cư mạ, độ tin cậy của via, và độ nhám.
Kiểm tra ô nhiễmĐiều này sẽ được sử dụng để điều tra các chất ô nhiễm cụ thể có thể tích tụ trên bảng mạch trong quá trình lắp ráp (ví dụ, chất chảy) hoặc trong quá trình hoạt động. Trong một số môi trường, bảng mạch có thể bị phơi nhiễm với hóa chất nguy hiểm, và việc định lượng mức độ mà những chất này có thể làm ô nhiễm PCBA là quan trọng.
Kiểm tra SEM/EDX	Khi một cái gì đó trên bề mặt hoặc mặt cắt vi mô được xác định và cần một cuộc kiểm tra sâu hơn nhiều, SEM sẽ được sử dụng để hình ảnh hóa mẫu vật. Phân tích EDX có thể được sử dụng để xác định thành phần hóa học, và nó sẽ được sử dụng
Kiểm tra X-quang	Bất cứ thứ gì không thể được nhìn thấy bằng mắt thường hoặc trong một bài kiểm tra mặt cắt vi mô. Điều này có thể được sử dụng cho việc kiểm tra hỏng hóc trong mặt phẳng, kiểm tra hỏng hóc BGA, hoặc các chế độ hỏng hóc khác trong mặt phẳng.

Việc xác định các lỗi trong mỗi khu vực này đòi hỏi một số kỹ năng. Một số lỗi là rõ ràng, như sự ăn mòn cực độ do tiếp xúc với độ ẩm, trong khi những lỗi khác chỉ rõ ràng với những người có kinh nghiệm. Ví dụ, việc xác định một lỗi từ hình ảnh X-quang không phải là điều hiển nhiên do độ tương phản và độ phân giải trong hình ảnh được ghi lại.

PCB failure analysis — *Hình ảnh X-quang ví dụ cho thấy gói QFN với miếng đệm nối đất.*

Hiện tượng như sự hình thành sợi dẫn điện anodic do hoạt động kéo dài ở điện áp cao hoặc gãy lỗ via trong quá trình hoạt động là khá dễ nhận biết, từ mẫu tiết cắt vi mô hoặc từ hình ảnh SEM. Cả hai đều rõ ràng có thể nhìn thấy với kỹ thuật hình ảnh phù hợp. Ví dụ, hình ảnh dưới đây cho thấy gãy rõ ràng trong một mẫu tiết cắt vi mô, có thể tạo ra sự cố gián đoạn.

PCB failure analysis via barrel — *Ví dụ về sự cố thùng qua trong quá trình gia nhiệt. Hình ảnh được cung cấp bởi NASA.*

Một khi một lỗi hoặc sự cố được xác định, một số bước nên được thực hiện để ngăn chặn vấn đề xảy ra trong quá trình hoạt động, hoặc để sửa đổi thiết kế sao cho nó có khả năng chống chịu tốt hơn với loại vấn đề này. Điều này phải được tiếp cận trên cơ sở từng trường hợp cụ thể, tùy thuộc vào loại lỗi và cơ chế gây ra sự cố.

Suy nghĩ cuối cùng

Điều quan trọng cần nhớ ở đây là không có PCBA nào là bất khả chiến bại, và bất kỳ thiết kế nào cuối cùng cũng có thể bị áp lực đến mức hỏng hóc nghiêm trọng. Nếu những áp lực áp dụng quá mức đến nỗi chúng khó có khả năng xảy ra trong quá trình hoạt động khi được triển khai trong môi trường dự định của sản phẩm, thì bạn có thể coi thiết kế của mình thành công từ góc độ độ tin cậy. Khi kiểm tra độ tin cậy và điều tra sự cố, việc xem xét các chế độ hỏng hóc mà thiết bị của bạn có khả năng gặp phải trong quá trình hoạt động và giải quyết những vấn đề đó trước là rất quan trọng.

Sau khi bạn đã sử dụng kết quả phân tích hỏng hóc PCB để xác định những thiết kế cần được chỉnh sửa, bạn có thể thực hiện thay đổi thiết kế với bộ tính năng bố trí đầy đủ trong Altium Designer®. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và sẵn sàng gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng. Nhà sản xuất của bạn cũng có thể hoàn thành đánh giá thiết kế của riêng họ để giúp đảm bảo hiệu suất và chất lượng cao khi bạn mở rộng quy mô.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.

About Author

Zachariah Peterson has an extensive technical background in academia and industry. He currently provides research, design, and marketing services to companies in the electronics industry. Prior to working in the PCB industry, he taught at Portland State University and conducted research on random laser theory, materials, and stability. His background in scientific research spans topics in nanoparticle lasers, electronic and optoelectronic semiconductor devices, environmental sensors, and stochastics. His work has been published in over a dozen peer-reviewed journals and conference proceedings, and he has written 2500+ technical articles on PCB design for a number of companies. He is a member of IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society, and the Printed Circuit Engineering Association (PCEA). He previously served as a voting member on the INCITS Quantum Computing Technical Advisory Committee working on technical standards for quantum electronics, and he currently serves on the IEEE P3186 Working Group focused on Port Interface Representing Photonic Signals Using SPICE-class Circuit Simulators.