Perché i test di affidabilità dei PCB?
Nell'era odierna di rapido sviluppo dei prodotti elettronici, le schede a circuito stampato (PCB), in quanto componenti fondamentali delle apparecchiature elettroniche, la loro affidabilità è direttamente correlata alle prestazioni e alla durata dell'intero prodotto.Il test di affidabilità delle PCB è volto a garantire la qualità del prodotto è una parte importante della qualità del prodotto, che attraverso una serie di mezzi di prova rigorosi per valutare le prestazioni delle PCB in una varietà di ambienti e condizioni di lavoro, per garantire la stabilità a lungo termine del funzionamento del prodotto PCB. Il test di affidabilità dei PCB è una parte importante della garanzia di qualità del prodotto.
1. Test delle prestazioni elettriche:
Le prestazioni elettriche sono la base per garantire il corretto funzionamento dei circuiti.
Test di continuità
Il test di continuità è una delle fasi fondamentali e cruciali dei test di affidabilità dei circuiti stampati. Lo scopo principale di questo test è verificare se tutti i percorsi conduttivi sul PCB presentano circuiti aperti o corti. In pratica, i tecnici utilizzano tester di circuito specializzati per verificare la continuità di ogni percorso conduttivo, assicurando che tutte le connessioni elettriche soddisfino i requisiti di progettazione. Per PCB multistratoIl test di continuità delle tracce dello strato interno è particolarmente importante, poiché le tracce nascoste sono difficili da ispezionare visivamente.
I moderni test di continuità utilizzano in genere metodi a sonda volante o a letto di chiodi, che consentono di identificare rapidamente e con precisione i circuiti aperti o in cortocircuito. Durante il test, viene applicata una piccola corrente per misurare la resistenza tra due punti, determinando se la connessione è normale. Il test di continuità dovrebbe essere eseguito non solo dopo la produzione, ma anche prima e dopo Gruppo PCB per garantire che non si verifichino danni durante la produzione.
Test di resistenza dell'isolamento
Il test della resistenza di isolamento valuta le prestazioni di isolamento tra i diversi conduttori di un PCB. Durante il test, una tensione continua (tipicamente 100V, 250V o 500V, a seconda delle specifiche del prodotto) viene applicata tra due conduttori e viene misurata la resistenza di isolamento. Questo test è particolarmente importante per le applicazioni ad alta tensione e per i PCB multistrato, in quanto un isolamento insufficiente può causare perdite, cortocircuiti o addirittura incendi.
I PCB di alta qualità richiedono generalmente una resistenza di isolamento nell'ordine dei megaohm (MΩ) o superiore, con standard specifici che variano in base all'uso del prodotto e all'ambiente operativo. Ad esempio, i dispositivi medici e i PCB aerospaziali richiedono prestazioni di isolamento più severe rispetto all'elettronica di consumo. Occorre inoltre tenere conto di fattori ambientali come la temperatura e l'umidità, che influiscono in modo significativo sulle prestazioni del materiale isolante.
Test di resistenza dielettrica (Hi-Pot)
Il test della tensione di resistenza dielettrica (noto anche come test hipot) è essenziale per valutare l'affidabilità del sistema di isolamento di un PCB. Consiste nell'applicare una tensione superiore alla normale tensione di esercizio (in genere 2-3 volte la tensione di lavoro) tra i conduttori o tra i conduttori e la terra per verificare la sicurezza del PCB in condizioni anomale di alta tensione. Durante il test, la tensione viene gradualmente aumentata a un livello predeterminato e mantenuta per una durata specifica (di solito 1 minuto) per osservare se si verificano rotture o scariche.
Questo test è particolarmente importante per le schede di potenza, le apparecchiature ad alta tensione e le applicazioni critiche per la sicurezza. I guasti possono manifestarsi come archi, rotture o carbonizzazione dei materiali isolanti. Si noti che il test hipot è distruttivo e può causare danni cumulativi ai materiali isolanti, quindi non deve essere ripetuto sullo stesso prodotto.
Test di impedenza
Con l'evoluzione dei dispositivi elettronici verso frequenze e velocità più elevate, il controllo dell'impedenza dei PCB è diventato sempre più importante. Il test dell'impedenza verifica se l'impedenza caratteristica delle linee di trasmissione su un PCB è conforme alle specifiche di progetto, il che è fondamentale per l'integrità del segnale e la riduzione al minimo delle interferenze elettromagnetiche. Il test viene generalmente eseguito con un analizzatore di rete o un riflettometro nel dominio del tempo (TDR) per misurare l'impedenza a frequenze specifiche.
I disadattamenti di impedenza possono causare riflessioni del segnale, ringing e overshoot, degradando gravemente le prestazioni del sistema. Per i circuiti digitali ad alta velocità (ad esempio, memoria DDR, interfacce PCIe) e per i circuiti analogici ad alta frequenza (ad esempio, front-end RF), il controllo preciso dell'impedenza è fondamentale per garantire la qualità del segnale. I progettisti devono considerare fattori quali la larghezza della traccia, lo spessore del dielettrico, il peso del rame e la costante dielettrica e convalidare il prodotto effettivo mediante test.
2. Test delle prestazioni meccaniche
Proprietà meccaniche per valutare l'integrità strutturale dei PCB.
Test di resistenza alla pelatura
Il test di resistenza al distacco è un metodo standard per valutare la forza di adesione tra il foglio di rame e il substrato del PCB. Questo test quantifica l'adesione misurando la forza necessaria per staccare il foglio di rame dal substrato. Un tester specializzato nella resistenza al distacco viene utilizzato per staccare una determinata larghezza di foglio di rame a velocità e angolo costanti (in genere 90 gradi) registrando la forza di trazione.
Una buona resistenza al distacco è fondamentale per garantire l'affidabilità dei PCB in presenza di stress termico, vibrazioni meccaniche e utilizzo a lungo termine. Secondo gli standard IPC, la resistenza al distacco dei PCB standard non dovrebbe essere inferiore a 1,1 N/mm, con requisiti più elevati per le applicazioni ad alta affidabilità. Le modalità di guasto includono la separazione della lamina di rame dal substrato o la frattura della lamina di rame, spesso causata da una laminazione impropria, da un cattivo trattamento della superficie del rame o da problemi di qualità del substrato.
Test di flessione
Le prove di flessione sono utilizzate principalmente per PCB flessibili (FPC) e schede rigide-flesse per valutarne la durata in caso di piegatura ripetuta. Il campione viene bloccato in un dispositivo specializzato e piegato a un angolo specifico (ad esempio, 90 o 180 gradi) e a una frequenza (ad esempio, 100 cicli al minuto) fino al cedimento o al raggiungimento di un numero predeterminato di cicli.
Questo test simula le sollecitazioni meccaniche riscontrate nelle applicazioni reali, come le aree di cerniera nei telefoni pieghevoli o le sezioni di piegatura nei dispositivi indossabili. I risultati dei test aiutano a ottimizzare la selezione dei materiali, la progettazione degli stack-up e il raggio di curvatura. Si noti che le prestazioni elettriche devono essere verificate anche dopo il test di flessione, poiché i danni meccanici non sono sempre visivamente evidenti ma possono influire sulla funzionalità del circuito.
Test di stress termico
I test di stress termico valutano la stabilità meccanica di un PCB alle alte temperature, in particolare l'affidabilità dei giunti di saldatura e dei vias. Il metodo più comune consiste nell'immergere il campione in una saldatura fusa a 288°C per 10 secondi (simulando la saldatura a rifusione) e nell'ispezionare la presenza di delaminazione, bolle o separazione del foglio di rame. Per i prodotti ad alta affidabilità, possono essere necessari più cicli di shock termico.
Questo test rivela i problemi legati alla mancata corrispondenza del coefficiente di espansione termica (CTE), una delle cause principali dei guasti da stress termico. L'ispezione successiva al test, che utilizza la microscopia o l'imaging a raggi X, dovrebbe concentrarsi sulle strutture interne, in particolare sull'integrità delle pareti delle vie. Per le schede di interconnessione ad alta densità (HDI), l'affidabilità dei microvia è particolarmente critica a causa della loro suscettibilità alle sollecitazioni termiche.
3. Test di adattabilità ambientale
Il test di adattabilità ambientale del PCB verifica principalmente le prestazioni del PCB in varie condizioni estreme per garantire l'affidabilità del PCB.
Test di invecchiamento ad alta temperatura
Il test di invecchiamento ad alta temperatura valuta la stabilità delle prestazioni dei PCB in caso di esposizione prolungata ad alte temperature. I campioni vengono collocati in un ambiente che supera le normali temperature operative (ad esempio, 125°C o 150°C) per centinaia o migliaia di ore, con controlli periodici per verificare la presenza di cambiamenti elettrici e fisici. Questo test accelera l'invecchiamento del materiale, aiutando a prevedere la durata del prodotto in condizioni normali.
I parametri chiave monitorati includono la resistenza di isolamento, la perdita dielettrica e la degradazione della resistenza meccanica. Le alte temperature possono causare lo scolorimento del substrato, l'infragilimento, la decomposizione della resina o la migrazione del metallo. Per le applicazioni ad alta temperatura (ad esempio, l'elettronica del vano motore di un'automobile), questo test è particolarmente importante per selezionare materiali o processi non idonei.
Test del calore umido
Il test al calore umido simula gli effetti di umidità e temperatura elevata sui PCB, valutando la resistenza all'umidità e alla corrosione dei componenti metallici. Le condizioni tipiche sono 85°C e 85% di umidità relativa (RH), con una durata da 96 a 1.000 ore. Durante e dopo il test, vengono verificate la resistenza di isolamento, la resistenza di isolamento superficiale (SIR) e la corrosione dei metalli.
Gli ambienti umidi possono indurre diverse modalità di guasto, tra cui la riduzione delle prestazioni di isolamento, la crescita di dendriti che causano cortocircuiti, la corrosione dei giunti di saldatura e la formazione di bolle sul rivestimento. Per le apparecchiature da esterno, l'elettronica automobilistica e le applicazioni marine, è essenziale un'eccellente resistenza al calore umido. I controlli funzionali post-test dovrebbero concentrarsi sui circuiti ad alta impedenza e sui componenti a passo fine, poiché queste aree sono più sensibili alla contaminazione e all'umidità.
Test in nebbia salina
Il test in nebbia salina valuta specificamente la resistenza alla corrosione dei PCB e delle finiture superficiali in ambienti salati e umidi. I campioni vengono esposti a una nebbia salina 5% a 35°C per 24 ore o diverse centinaia di ore, a seconda dei requisiti del prodotto. Questo test è particolarmente importante per le applicazioni costiere, marine e automobilistiche.
Le ispezioni successive al test devono esaminare i componenti metallici (ad esempio, piazzole, pin e connettori) per verificare la presenza di corrosione e di cambiamenti nelle prestazioni del materiale isolante. La scelta della finitura superficiale (ad esempio, ENIG, stagno per immersione, OSP) influisce significativamente sui risultati. Si noti che il test in nebbia salina è un test di corrosione accelerato e i risultati possono differire dalle prestazioni reali, ma forniscono dati comparativi sui materiali.
Test di ciclismo termico
Il test dei cicli termici valuta la resistenza dei PCB alle sollecitazioni termiche passando ripetutamente da una temperatura all'altra (ad esempio, da -40°C a +125°C). Ogni ciclo comprende periodi di sosta e transizioni rapide, con cicli totali che vanno da centinaia a migliaia. Questo test rivela gli errori di CTE, l'affaticamento dei giunti di saldatura e la delaminazione interfacciale.
Le ispezioni post-test includono controlli visivi, analisi delle sezioni trasversali e test funzionali. Le modalità di guasto più comuni comprendono le rotture dei giunti di saldatura, le fratture delle vie, la fatica delle sfere BGA e la delaminazione del substrato. Le applicazioni automobilistiche e aerospaziali impongono severi requisiti di cicli termici a causa delle ampie e frequenti fluttuazioni di temperatura.
4. Test sulle prestazioni chimiche e sulle applicazioni speciali
Test di contaminazione ionica
I test sulla contaminazione ionica quantificano i contaminanti ionici residui sulle superfici dei PCB, che possono causare migrazione elettrochimica e corrosione. Il metodo IPC-TM-650 è comunemente utilizzato per misurare le variazioni di conducibilità dei solventi dopo la pulizia dei campioni. I risultati sono espressi come concentrazione equivalente di NaCl in μg/cm².
Un'elevata contaminazione ionica (ad esempio, dovuta a residui di flussante, impronte digitali o sostanze chimiche di processo) riduce significativamente la resistenza di isolamento superficiale e può portare alla crescita di dendriti e cortocircuiti in ambienti umidi. Per i prodotti ad alta affidabilità, la contaminazione ionica deve essere rigorosamente controllata. La pulizia post-test e i miglioramenti del processo sono soluzioni fondamentali.
Test di adesione del rivestimento superficiale
I test di adesione dei rivestimenti superficiali (ad esempio, maschera di saldatura, inchiostro di legenda, rivestimenti conformali) valutano la forza di adesione tra gli strati protettivi e i substrati. I metodi più comuni includono il test del nastro (applicando e rimuovendo rapidamente un nastro standard), il test del taglio trasversale (tracciando una griglia e valutando il distacco) e il test dell'abrasione.
Una scarsa adesione può causare la delaminazione del rivestimento durante l'uso, compromettendo la protezione. I fattori che influiscono sono la pulizia della superficie, i processi di indurimento e la compatibilità dei materiali. I fallimenti dei test giustificano la revisione del pretrattamento, dei parametri di polimerizzazione e della selezione dei materiali.
Test EMI/EMC
I test di interferenza elettromagnetica (EMI) e compatibilità elettromagnetica (EMC) valutano le caratteristiche elettromagnetiche di un PCB, comprese le emissioni irradiate e l'immunità. I test vengono condotti in camere schermate utilizzando antenne, sonde e apparecchiature specializzate per misurare l'intensità del campo elettromagnetico a frequenze specifiche. Per i dispositivi digitali e wireless ad alta velocità, le buone prestazioni EMI/EMC sono fondamentali.
Le considerazioni sulla progettazione includono strategie di messa a terra, schermatura, circuiti di filtraggio e ottimizzazione del layout. I guasti spesso richiedono progetti di stack-up migliorati, instradamento delle tracce o componenti di filtraggio aggiuntivi. Si noti che i problemi di EMC spesso emergono tardivamente, ma devono essere affrontati fin dalle prime fasi della progettazione.
Test di affidabilità dei giunti a saldare
I test di affidabilità dei giunti saldati valutano le prestazioni a lungo termine in condizioni di stress meccanico e termico. I metodi più comuni includono prove di taglio (misurazione della forza di rottura dei giunti di saldatura), prove di trazione e prove di fatica termica. Per i pacchetti avanzati come BGA e CSP, l'affidabilità dei giunti di saldatura è particolarmente critica.
I risultati aiutano a ottimizzare la progettazione delle piazzole, i processi di saldatura e la selezione dei materiali. Le tecniche di analisi dei guasti, come l'ispezione a raggi X, la penetrazione del colorante e la sezione trasversale, diagnosticano i problemi di saldatura. La saldatura senza piombo ha aumentato l'importanza di questi test a causa della fragilità delle leghe senza piombo.
5. Problemi comuni di affidabilità dei PCB e soluzioni
Problema 1: Delaminazione dei PCB a temperature elevate
Soluzione:
- Utilizzare materiali ad alta Tg (ad esempio, Tg ≥170°C) per una migliore resistenza al calore.
- Ottimizzare i parametri di laminazione per ottenere un flusso di resina e una polimerizzazione corretti
- Ispezionare il trattamento del rame dello strato interno per verificare l'adeguata rugosità della superficie.
- Considerare materiali preimpregnati più compatibili
- Per le applicazioni ad alta frequenza, selezionare materiali caricati con ceramica con un basso CTE
Problema 2: Circuiti aperti dello strato interno durante il test di continuità
Soluzione:
- Migliorare la qualità della perforazione per garantire il corretto collegamento dello strato interno
- Ottimizzazione della metallizzazione dei fori (desmear, placcatura) per una copertura uniforme
- Regolare i parametri di incisione per evitare l'eccesso di incisione.
- Utilizzare substrati dimensionalmente stabili per ridurre al minimo il ritiro.
- Riduzione dello stress termico durante il livellamento e la saldatura ad aria calda
Si consiglia l'analisi trasversale per individuare i punti di rottura.
Problema 3: Corrosione del rame dopo i test in nebbia salina
Soluzione:
- Applicare finiture superficiali più spesse, come l'ENIG o l'oro duro.
- Per applicazioni sensibili ai costi, utilizzare l'argento per immersione o l'OSP potenziato.
- Assicurare la copertura completa della maschera di saldatura con una buona sigillatura dei bordi
- Migliorare la pulizia per rimuovere i residui corrosivi
- Evitare il rame esposto sui bordi della scheda; considerare la placcatura dei bordi.
- Selezionare leghe di rame resistenti alla corrosione
Problema 4: Guasti del controllo dell'impedenza nei circuiti ad alta frequenza
Soluzione:
- Misura con precisione le deviazioni di impedenza
- Garantire uno spessore dielettrico costante con un controllo di processo più rigoroso
- Progettazione della larghezza e della spaziatura delle tracce
- Utilizzare materiali con costanti dielettriche stabili (basso Dk/Df).
- Ottimizzazione dell'impilamento dei livelli con piani di riferimento ininterrotti
- Collaborare con i produttori sulle capacità di processo
- Eseguire simulazioni di pre-produzione
Problema 5: Sollevamento del pad dopo la saldatura senza piombo
Soluzione:
- Utilizzare materiali ad alta Tg o privi di alogeni per una migliore resistenza al calore.
- Ottimizzare il design dei pad per evitare la concentrazione termica (ad esempio, le goccioline).
- Riducete le temperature e i tempi di saldatura mantenendo la qualità
- Assicurare un'adeguata adesione del rame al substrato con trattamenti superficiali
- Per le lastre di rame spesse, utilizzare un preriscaldamento a gradini per ridurre le sollecitazioni.
- Considerare i substrati a basso CTE, come i pannelli con anima in metallo o in ceramica.
- Ottimizzare le aperture della maschera di saldatura per evitare la concentrazione delle sollecitazioni
conclusioni
Il test di affidabilità dei PCB è un anello fondamentale per garantire il funzionamento stabile a lungo termine dei prodotti elettronici durante l'intero ciclo di vita della progettazione, della produzione e dell'applicazione. Un sistema di test completo comprende le prestazioni elettriche, le proprietà meccaniche, l'adattabilità all'ambiente e le proprietà chimiche e altre dimensioni, in grado di identificare efficacemente potenziali difetti e punti deboli. I problemi di affidabilità più comuni, come la delaminazione, i circuiti aperti, la corrosione, le deviazioni di impedenza e i difetti di saldatura, possono essere affrontati attraverso un'analisi sistematica e misure di miglioramento mirate. La scelta di un produttore di PCB esperto, la definizione di un solido processo di test di affidabilità e la considerazione dei fattori di producibilità e affidabilità fin dalle prime fasi del processo di progettazione sono modi efficaci per migliorare la qualità del prodotto.