PCB-Zuverlässigkeitsprüfung

Warum PCB-Zuverlässigkeitstests？

In der heutigen Zeit der raschen Entwicklung von elektronischen Produkten, Leiterplatten (PCB), wie die Kernkomponenten von elektronischen Geräten, ihre Zuverlässigkeit steht in direktem Zusammenhang mit der Leistung und Lebensdauer des gesamten Produkts.PCB Zuverlässigkeitsprüfung ist es, die Produktqualität zu gewährleisten, ist ein wichtiger Teil der Produktqualität, die durch eine Reihe von strengen Tests Mittel, um die Leistung von PCB in einer Vielzahl von Umgebungen und Arbeitsbedingungen zu bewerten, um die langfristige Stabilität der PCB-Produktbetrieb zu gewährleisten. PCB-Zuverlässigkeitsprüfung ist ein wichtiger Teil der Produktqualitätssicherung.

1. Elektrische Leistungsprüfung:

Die elektrische Leistung ist die Grundlage für das ordnungsgemäße Funktionieren von Stromkreisen.

Kontinuitätstests

Die Durchgangsprüfung ist einer der grundlegendsten und wichtigsten Schritte bei der Prüfung der Zuverlässigkeit von Leiterplatten. Der Hauptzweck dieser Prüfung besteht darin, zu überprüfen, ob alle Leiterbahnen auf der Leiterplatte unterbrochen oder kurzgeschlossen sind. In der Praxis verwenden Techniker spezielle Schaltkreistester, um die Durchgängigkeit aller Leiterbahnen zu prüfen und sicherzustellen, dass alle elektrischen Verbindungen den Designanforderungen entsprechen. Für Mehrlagen-LeiterplattenDie Durchgangsprüfung von Leiterbahnen der Innenschicht ist besonders wichtig, da verdeckte Leiterbahnen visuell nur schwer zu überprüfen sind.

Bei der modernen Durchgangsprüfung werden in der Regel fliegende Sonden oder Nagelbetten verwendet, die eine schnelle und genaue Identifizierung von offenen oder kurzen Stromkreisen ermöglichen. Bei der Prüfung wird ein kleiner Strom angelegt, um den Widerstand zwischen zwei Punkten zu messen und festzustellen, ob die Verbindung normal ist. Durchgangsprüfungen sollten nicht nur nach der Produktion durchgeführt werden, sondern auch vor und nach PCB-Montage um sicherzustellen, dass bei der Herstellung keine Schäden entstehen.

Prüfung des Isolationswiderstandes

Bei der Isolationswiderstandsprüfung wird die Isolationsleistung zwischen verschiedenen Leitern auf einer Leiterplatte bewertet. Während der Prüfung wird eine Gleichspannung (typischerweise 100 V, 250 V oder 500 V, je nach Produktspezifikation) zwischen zwei Leitern angelegt und der Isolationswiderstand gemessen. Diese Prüfung ist besonders wichtig für Hochspannungsanwendungen und mehrlagige Leiterplatten, da eine schlechte Isolierung zu Leckagen, Kurzschlüssen oder sogar zu Brandgefahr führen kann.

Hochwertige Leiterplatten erfordern im Allgemeinen einen Isolationswiderstand im Megaohm-Bereich (MΩ) oder höher, wobei die spezifischen Normen je nach Produktverwendung und Betriebsumgebung variieren.So stellen beispielsweise medizinische Geräte und Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt strengere Anforderungen an die Isolationsleistung als Unterhaltungselektronik.Umweltfaktoren wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit müssen ebenfalls berücksichtigt werden, da sie die Leistung des Isoliermaterials erheblich beeinflussen.

Dielektrische Spannungsfestigkeitsprüfung (Hi-Pot)

Die Prüfung der dielektrischen Spannungsfestigkeit (auch als Hipot-Test bekannt) ist für die Bewertung der Zuverlässigkeit des Isolationssystems einer Leiterplatte unerlässlich.Dabei wird eine höhere Spannung als die normale Betriebsspannung (in der Regel das 2-3-fache der Arbeitsspannung) zwischen Leitern oder zwischen Leitern und Erde angelegt, um die Sicherheit der Leiterplatte unter anormalen Hochspannungsbedingungen zu überprüfen.Während der Prüfung wird die Spannung allmählich auf einen vorgegebenen Wert erhöht und für eine bestimmte Dauer (in der Regel 1 Minute) aufrechterhalten, um zu beobachten, ob ein Durchschlag oder eine Entladung auftritt.

Diese Prüfung ist besonders wichtig für Netzteile, Hochspannungsgeräte und sicherheitskritische Anwendungen.Ein Ausfall kann sich durch Lichtbogenbildung, Durchschlag oder Verkohlung der Isoliermaterialien bemerkbar machen.Beachten Sie, dass die Hipot-Prüfung zerstörerisch ist und zu einer kumulativen Schädigung des Isolationsmaterials führen kann, weshalb sie nicht am selben Produkt wiederholt werden sollte.

Impedanzprüfung

Mit der Entwicklung elektronischer Geräte hin zu höheren Frequenzen und Geschwindigkeiten wird die Impedanzkontrolle auf Leiterplatten immer wichtiger.Bei der Impedanzprüfung wird überprüft, ob die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitungen auf einer Leiterplatte den Entwurfsspezifikationen entspricht, was für die Signalintegrität und die Minimierung elektromagnetischer Störungen entscheidend ist.Die Prüfung wird in der Regel mit einem Netzwerkanalysator oder einem Zeitbereichsreflektometer (TDR) durchgeführt, um die Impedanz bei bestimmten Frequenzen zu messen.

Impedanzfehlanpassungen können zu Signalreflexionen, Klingeln und Überschwingen führen und die Systemleistung erheblich beeinträchtigen.Für digitale Hochgeschwindigkeitsschaltungen (z. B. DDR-Speicher, PCIe-Schnittstellen) und analoge Hochfrequenzschaltungen (z. B. RF-Frontends) ist eine präzise Impedanzkontrolle von grundlegender Bedeutung, um die Signalqualität sicherzustellen.Entwickler müssen Faktoren wie Leiterbahnbreite, dielektrische Dicke, Kupfergewicht und Dielektrizitätskonstante berücksichtigen und das tatsächliche Produkt durch Tests validieren.

2. Mechanische Leistungsprüfung

Mechanische Eigenschaften zur Bewertung der strukturellen Integrität von Leiterplatten.

Prüfung der Schälfestigkeit

Die Schälfestigkeitsprüfung ist eine Standardmethode zur Bewertung der Haftfestigkeit zwischen Kupferfolie und dem Leiterplattensubstrat. Dieser Test quantifiziert die Haftung durch Messung der Kraft, die zum Abziehen der Kupferfolie vom Substrat erforderlich ist. Ein spezielles Schälfestigkeitsprüfgerät wird verwendet, um eine bestimmte Breite der Kupferfolie mit konstanter Geschwindigkeit und in einem konstanten Winkel (in der Regel 90 Grad) abzuschälen, während die Zugkraft aufgezeichnet wird.

Eine gute Schälfestigkeit ist entscheidend für die Zuverlässigkeit von Leiterplatten bei thermischer Belastung, mechanischen Vibrationen und langfristiger Nutzung.Gemäß den IPC-Normen sollte die Abziehfestigkeit von Standard-Leiterplatten mindestens 1,1 N/mm betragen, wobei für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit höhere Anforderungen gelten.Zu den Fehlerarten gehören die Ablösung der Kupferfolie vom Substrat oder der Bruch der Kupferfolie, der häufig durch unsachgemäße Laminierung, schlechte Kupferoberflächenbehandlung oder Qualitätsprobleme des Substrats verursacht wird.

Biegeprüfung

Biegeprüfungen werden in erster Linie eingesetzt für flexible Leiterplatten (FPCs) und starr-flexible Platten, um ihre Haltbarkeit bei wiederholtem Biegen zu bewerten. Die Probe wird in eine spezielle Vorrichtung eingespannt und in einem bestimmten Winkel (z. B. 90 oder 180 Grad) und mit einer bestimmten Frequenz (z. B. 100 Zyklen pro Minute) gebogen, bis sie versagt oder eine bestimmte Anzahl von Zyklen erreicht ist.

Dieser Test simuliert die mechanischen Belastungen, die in realen Anwendungen auftreten, wie z. B. Scharnierbereiche in faltbaren Telefonen oder Biegeabschnitte in tragbaren Geräten.Die Testergebnisse helfen bei der Optimierung von Materialauswahl, Stapeldesign und Biegeradius. Beachten Sie, dass nach der Biegeprüfung auch die elektrische Leistung überprüft werden sollte, da mechanische Schäden nicht immer visuell erkennbar sind, aber die Funktionalität der Schaltkreise beeinträchtigen können.

Thermische Belastungstests

Thermische Belastungstests bewerten die mechanische Stabilität einer Leiterplatte bei hohen Temperaturen, insbesondere die Zuverlässigkeit von Lötstellen und Durchkontaktierungen.Die gebräuchlichste Methode besteht darin, die Probe 10 Sekunden lang in geschmolzenes Lot bei 288 °C einzutauchen (was das Reflow-Löten simuliert) und auf Delamination, Blasenbildung oder Ablösung der Kupferfolie zu prüfen.Für Produkte mit hoher Zuverlässigkeit können mehrere Thermoschockzyklen erforderlich sein.

Dieser Test deckt Probleme im Zusammenhang mit einer Fehlanpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) auf, eine der Hauptursachen für Ausfälle durch thermische Belastung.Die Inspektion nach dem Test mittels Mikroskopie oder Röntgenbildgebung sollte sich auf die internen Strukturen konzentrieren, insbesondere auf die Integrität der Via-Wände.Bei HDI-Platinen (High-Density Interconnect) ist die Zuverlässigkeit der Microvias wegen ihrer Anfälligkeit für thermische Spannungen besonders kritisch.

3. Prüfung der Anpassungsfähigkeit an die Umwelt

Bei der Prüfung der Umweltverträglichkeit von Leiterplatten wird hauptsächlich die Leistung von Leiterplatten unter verschiedenen extremen Bedingungen überprüft, um die Zuverlässigkeit von Leiterplatten zu gewährleisten.

Alterungstest bei hoher Temperatur

Mit dem Hochtemperaturalterungstest wird die Leistungsstabilität von Leiterplatten bei längerer Hochtemperaturbelastung bewertet. Die Proben werden für Hunderte bis Tausende von Stunden einer Umgebung ausgesetzt, die die normalen Betriebstemperaturen (z. B. 125 °C oder 150 °C) übersteigt, und regelmäßig auf elektrische und physikalische Veränderungen überprüft. Dieser Test beschleunigt die Materialalterung und hilft bei der Vorhersage der Produktlebensdauer unter normalen Bedingungen.

Zu den wichtigsten Parametern, die überwacht werden, gehören der Isolationswiderstand, der dielektrische Verlust und die Verschlechterung der mechanischen Festigkeit.Hohe Temperaturen können zu Substratverfärbung, Versprödung, Harzzersetzung oder Metallmigration führen.Für Hochtemperaturanwendungen (z. B. Elektronik im Motorraum von Kraftfahrzeugen) ist dieser Test besonders wichtig, um ungeeignete Materialien oder Verfahren auszusieben.

Test auf feuchte Hitze

Der feuchte Hitzetest simuliert die Auswirkungen von hoher Luftfeuchtigkeit und Temperatur auf Leiterplatten und bewertet die Feuchtigkeitsbeständigkeit und die Korrosionsbeständigkeit von Metallkomponenten.Typische Bedingungen sind 85 °C und 85 % relative Luftfeuchtigkeit (RH) mit einer Dauer von 96 bis 1.000 Stunden.Während und nach dem Test werden der Isolationswiderstand, der Oberflächenisolationswiderstand (SIR) und die Metallkorrosion geprüft.

Feuchte Umgebungen können zu verschiedenen Ausfällen führen, z. B. zu verminderter Isolierleistung, Dendritenwachstum, das Kurzschlüsse verursacht, Korrosion der Lötstellen und Blasenbildung in der Beschichtung.Bei Geräten für den Außenbereich, Automobilelektronik und Schiffsanwendungen ist eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen feuchte Hitze unerlässlich.Funktionsprüfungen nach dem Test sollten sich auf hochohmige Schaltungen und Fine-Pitch-Komponenten konzentrieren, da diese Bereiche empfindlicher auf Verschmutzung und Feuchtigkeit reagieren.

Salzsprühnebeltest

Der Salzsprühnebeltest bewertet speziell die Korrosionsbeständigkeit von Leiterplatten und Oberflächenveredelungen in salzhaltigen, feuchten Umgebungen.Die Proben werden je nach Produktanforderungen 24 Stunden bis mehrere hundert Stunden lang einem 5%igen Salznebel bei 35°C ausgesetzt.Dieser Test ist besonders wichtig für Küsten-, Marine- und Automobilanwendungen.

Bei Nachprüfungen sollten Metallkomponenten (z. B. Pads, Stifte und Steckverbinder) auf Korrosion und Veränderungen der Isolierstoffleistung untersucht werden.Die Wahl der Oberflächenbeschichtung (z. B. ENIG, chemisch verzinnt, OSP) beeinflusst die Ergebnisse erheblich.Beachten Sie, dass Salzsprühnebeltests ein beschleunigter Korrosionstest sind und die Ergebnisse von der realen Leistung abweichen können, jedoch vergleichbare Materialdaten liefern.

Thermischer Zyklustest

Bei der Temperaturwechselprüfung wird die Widerstandsfähigkeit von Leiterplatten gegenüber thermischen Belastungen durch wiederholte Wechsel zwischen extremen Temperaturen (z. B. -40 °C bis +125 °C) bewertet.Jeder Zyklus umfasst in der Regel Temperaturverweilzeiten und schnelle Übergänge, wobei die Gesamtzahl der Zyklen von Hunderten bis Tausenden reicht.Bei diesem Test werden CTE-Fehlanpassungen, Ermüdung der Lötstellen und Delaminationen an den Grenzflächen festgestellt.

Zu den Nachprüfungen gehören Sichtkontrollen, Querschnittsanalysen und Funktionstests.Zu den üblichen Fehlerarten gehören Risse in Lötstellen, Brüche von Durchkontaktierungen, Ermüdung von BGA-Kugeln und Delamination des Substrats.Anwendungen in der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrt stellen aufgrund der starken und häufigen Temperaturschwankungen strenge Anforderungen an die Temperaturwechsel.

4. Chemische Leistung und spezielle Anwendungstests

Prüfung der ionischen Kontamination

Die Prüfung der ionischen Verunreinigung quantifiziert die verbleibenden ionischen Verunreinigungen auf PCB-Oberflächen, die elektrochemische Migration und Korrosion verursachen können.Die IPC-TM-650-Methode wird üblicherweise zur Messung der Leitfähigkeitsänderungen von Lösungsmitteln nach der Reinigung von Proben verwendet.Die Ergebnisse werden als äquivalente NaCl-Konzentration in μg/cm² angegeben.

Eine hohe ionische Verunreinigung (z. B. durch Flussmittelrückstände, Fingerabdrücke oder Prozesschemikalien) verringert den Oberflächenisolationswiderstand erheblich und kann in feuchten Umgebungen zu Dendritenwachstum und Kurzschlüssen führen.Für Produkte mit hoher Zuverlässigkeit muss die ionische Verunreinigung streng kontrolliert werden.Reinigung nach dem Test und Prozessverbesserungen sind wichtige Lösungen.

Prüfung der Haftfestigkeit von Oberflächenbeschichtungen

Bei der Prüfung der Haftfestigkeit von Oberflächenbeschichtungen (z. B. Lötmaske, Beschriftungstinte, konforme Beschichtungen) wird die Haftfestigkeit zwischen Schutzschichten und Substraten bewertet.Zu den gängigen Methoden gehören die Klebebandprüfung (Aufbringen und schnelles Entfernen von Standardklebeband), die Gitterschnittprüfung (Einritzen eines Gittermusters und Bewertung der Ablösung) und die Abriebprüfung.

Eine schlechte Haftung kann zu einer Delaminierung der Beschichtung während des Gebrauchs führen und den Schutz beeinträchtigen.Zu den Einflussfaktoren gehören Oberflächenreinheit, Aushärtungsprozesse und Materialkompatibilität. Testausfälle rechtfertigen eine Überprüfung der Vorbehandlung, der Aushärtungsparameter und der Materialauswahl.

EMI/EMC-Prüfung

Bei der Prüfung der elektromagnetischen Störungen (EMI) und der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) werden die elektromagnetischen Eigenschaften einer Leiterplatte, einschließlich der Strahlungsemissionen und der Störfestigkeit, bewertet.Die Tests werden in abgeschirmten Kammern unter Verwendung von Antennen, Sonden und Spezialgeräten zur Messung der elektromagnetischen Feldstärke bei bestimmten Frequenzen durchgeführt.Für digitale und drahtlose Hochgeschwindigkeitsgeräte ist eine gute EMI/EMV-Leistung entscheidend.

Zu den Designüberlegungen gehören Erdungsstrategien, Abschirmung, Filterschaltungen und Layoutoptimierung.Fehler erfordern oft verbesserte Stack-up-Designs, Leiterbahnverlegung oder zusätzliche Filterkomponenten.Beachten Sie, dass EMV-Probleme oft erst spät auftauchen, aber frühzeitig in der Entwicklung angegangen werden sollten.

Prüfung der Zuverlässigkeit von Lötverbindungen

Bei der Prüfung der Zuverlässigkeit von Lötstellen wird die langfristige Leistung unter mechanischer und thermischer Belastung bewertet.Zu den gängigen Methoden gehören Schertests (Messung der Kraft zum Brechen der Lötstellen), Zugtests und thermische Ermüdungstests.Bei fortschrittlichen Gehäusen wie BGA und CSP ist die Zuverlässigkeit der Lötstellen besonders wichtig.

Die Ergebnisse helfen bei der Optimierung des Pad-Designs, der Lötprozesse und der Materialauswahl.Fehleranalyseverfahren wie Röntgeninspektion, Farbeindringung und Querschnittsprüfung dienen der Diagnose von Lötproblemen.Durch das bleifreie Löten hat die Bedeutung dieser Tests aufgrund der Sprödigkeit der bleifreien Legierungen zugenommen.

5. Häufige PCB-Zuverlässigkeitsprobleme und Lösungen

Problem 1: Delamination von Leiterplatten bei hohen Temperaturen

Lösung:

1. Verwendung von Materialien mit hohem Tg-Wert (z. B. Tg ≥170°C) für bessere Hitzebeständigkeit
2. Optimieren Sie die Laminierungsparameter für den richtigen Harzfluss und die Aushärtung
3. Prüfen Sie die Innenschichtkupferbehandlung auf ausreichende Oberflächenrauheit
4. Kompatiblere Prepreg-Materialien in Betracht ziehen
5. Wählen Sie für Hochfrequenzanwendungen keramikgefüllte Materialien mit niedrigem WAK

Problem 2: Offene Schaltkreise in der Innenschicht während der Durchgangsprüfung

Lösung:

1. Verbessern Sie die Qualität der Bohrungen, um korrekte Verbindungen zwischen den Innenschichten zu gewährleisten.
2. Optimierung der Lochmetallisierung (Desmear, Beschichtung) für eine gleichmäßige Abdeckung
3. Anpassung der Ätzparameter zur Vermeidung von Überätzung
4. Verwenden Sie formstabile Substrate, um die Schrumpfung zu minimieren.
5. Reduzieren Sie die thermische Belastung beim Heißluftspachteln und Löten

Eine Querschnittsanalyse wird empfohlen, um die Fehlerstellen zu lokalisieren.

Ausgabe 3: Kupferkorrosion nach Salzsprühnebeltest

Lösung:

1. Auftragen dickerer Oberflächenveredelungen wie ENIG oder Hartgold
2. Bei kostensensiblen Anwendungen Immersionssilber oder verbessertes OSP verwenden
3. Vollständige Abdeckung der Lötmaske mit guter Kantenversiegelung sicherstellen
4. Verbesserte Reinigung zur Entfernung korrosiver Rückstände
5. Vermeiden Sie freiliegendes Kupfer an den Leiterplattenkanten; erwägen Sie eine Kantenbeschichtung.
6. Auswahl korrosionsbeständiger Kupferlegierungen

Ausgabe 4: Fehler bei der Impedanzkontrolle in Hochfrequenzschaltungen

Lösung:

1. Präzise Messung von Impedanzabweichungen
2. Sicherstellung einer gleichbleibenden Dielektrikumsdicke bei strengerer Prozesskontrolle
3. Feinabstimmung von Leiterbahnbreiten/Abständen
4. Verwenden Sie Materialien mit stabilen Dielektrizitätskonstanten (niedriges Dk/Df)
5. Optimieren Sie den Ebenenaufbau mit ununterbrochenen Referenzebenen
6. Zusammenarbeit mit Herstellern in Bezug auf Prozessfähigkeiten
7. Durchführung von Vorproduktionssimulationen

Problem 5: Pad Lifting nach bleifreiem Löten

Lösung:

1. Verwendung von Materialien mit hohem Tg-Wert oder halogenfreien Materialien für bessere Hitzebeständigkeit
2. Optimierung von Pad-Designs zur Vermeidung thermischer Konzentration (z. B. Teardrops)
3. Reduzierung der Löttemperaturen und -zeiten bei gleichbleibender Qualität
4. Sicherstellung einer ordnungsgemäßen Bindung von Kupfer an das Substrat durch Oberflächenbehandlung
5. Bei Dickkupferplatten stufenweise vorwärmen, um Spannungen zu reduzieren
6. Erwägen Sie Substrate mit niedrigem CTE-Wert wie Metallkern- oder Keramikplatten
7. Optimierung der Lötmaskenöffnungen zur Vermeidung von Spannungskonzentrationen

Schlussfolgerung

Die Zuverlässigkeitsprüfung von Leiterplatten ist ein wichtiges Bindeglied, um den langfristigen stabilen Betrieb elektronischer Produkte während des gesamten Lebenszyklus von Entwurf, Herstellung und Anwendung zu gewährleisten. Ein umfassendes Prüfsystem umfasst die elektrische Leistung, die mechanischen Eigenschaften, die Anpassungsfähigkeit an die Umwelt und die chemischen Eigenschaften sowie weitere Dimensionen, mit denen potenzielle Defekte und Schwachstellen wirksam ermittelt werden können. Häufige Zuverlässigkeitsprobleme wie Delamination, offene Schaltkreise, Korrosion, Impedanzabweichungen und Lötfehler können durch systematische Analyse und gezielte Verbesserungsmaßnahmen behoben werden. Die Auswahl eines erfahrenen Leiterplattenherstellers, die Einführung eines soliden Zuverlässigkeitsprüfverfahrens und die frühzeitige Berücksichtigung von Herstellbarkeits- und Zuverlässigkeitsfaktoren im Entwurfsprozess sind wirksame Mittel zur Verbesserung der Produktqualität.