Que testes são necessários para o fabrico de PCB?
No processo de fabrico de produtos electrónicos, a qualidade da placa de circuito impresso (Placa de circuito impresso) determina diretamente o desempenho e a fiabilidade do produto final. Pode haver centenas de componentes e milhares de juntas de soldadura numa placa de circuitos, e qualquer pequeno defeito pode provocar a falha de todo o sistema. A forma de garantir a qualidade do produto, reduzir os custos de produção e melhorar a competitividade do mercado é muito importante.
As vantagens dos ensaios de PCB
O ensaio de PCB é uma parte essencial para garantir a qualidade e a fiabilidade da placa
- Deteção precoce de defeitos de conceção: Os testes abrangentes identificam problemas funcionais e de fabrico nos PCB, permitindo que os designers façam ajustes e optimizações atempadamente.
- Redução significativa de custos: A descoberta de problemas durante a fase de prototipagem permite poupar mais de 90% de custos em comparação com a identificação de problemas após a produção em massa, evitando falhas catastróficas de lotes.
- Menor tempo de colocação no mercado: A rápida identificação das causas principais acelera as iterações de design, permitindo o lançamento mais rápido de produtos maduros do que os concorrentes.
- Melhoria da reputação da marca: Reduzir as taxas de devolução para menos de 1% melhora a satisfação do cliente e aumenta a credibilidade do mercado.
- Segurança garantida: Evita acidentes como incêndios ou choques eléctricos provocados por falhas de PCB, protegendo a vida e os bens dos utilizadores.
Para que é que os PCBs são principalmente testados？
O objetivo dos ensaios e da inspeção de PCB é verificar o desempenho das PCB em relação às placas de circuito impresso normalizadas. Garante que todos os processos de fabrico de placas de circuito impresso estão a funcionar corretamente e sem quaisquer defeitos, de acordo com as especificações do projeto. Uma placa de circuito impresso é constituída por diferentes elementos, componentes, cada um dos quais afecta o desempenho global do circuito eletrónico. Estes elementos são analisados em pormenor para garantir a qualidade da placa de circuito impresso e melhorar a fiabilidade do produto.
1. Qualidade da parede de poros
As paredes dos orifícios são normalmente analisadas em ambientes com ciclos e mudanças rápidas de temperatura para compreender a sua resposta aos efeitos térmicos. Isto garante que as vias não irão rachar ou delaminar quando a PCB for colocada em serviço, o que poderia causar falhas na PCB.
2. Revestimento de cobre
As folhas de cobre nas placas de circuito impresso são fixadas à placa para proporcionar condutividade eléctrica. A qualidade do cobre é testada, e a resistência à tração e o alongamento são analisados em pormenor para garantir que o circuito é suave.
3. Limpeza
A limpeza de uma placa de circuitos impressos é uma medida da capacidade da placa para resistir a factores ambientais como a intempérie, a corrosão e a humidade, o que pode permitir que a placa de circuitos impressos dure mais tempo.
4. Soldabilidade
Os testes de soldabilidade são efectuados em materiais para garantir que os componentes podem ser fixados com segurança à placa e para evitar defeitos de soldadura no produto final.
5. Ensaios eléctricos
A condutividade é fundamental para qualquer placa de circuito impresso, tal como a capacidade de medir a corrente de fuga mínima da placa de circuito impresso.
6. Ensaios ambientais
Trata-se de um teste às alterações de desempenho e qualidade da placa de circuito impresso quando esta funciona num ambiente húmido. As comparações de peso são normalmente feitas antes e depois de colocar a PCB num ambiente húmido e, se o peso mudar significativamente, é considerada sucata.
8 Principais métodos de teste no fabrico de PCB
1. Inspeção visual
Sendo o método de deteção mais básico, a inspeção visual requer que técnicos experientes examinem defeitos superficiais óbvios utilizando lupas ou microscópios (normalmente com uma ampliação de 5-10x).
Principais pontos de inspeção:
- Oxidação e contaminação das almofadas
- Gravação completa do circuito, verificação de circuitos abertos ou curtos-circuitos
- Cobertura uniforme da máscara de solda, verificando se há bolhas ou descamação
- Colocação e polaridade corretas dos componentes
- Brilho e forma da junta de soldadura em conformidade com as normas
Vantagens: Custo extremamente baixo, sem necessidade de equipamento especializado, adequado para empresas de todas as dimensões.
Limitações: A inspeção manual é lenta (~2-5 minutos/placa), detecta apenas ~70% de defeitos superficiais, é ineficaz para juntas de soldadura ocultas como BGAs, e depende muito da experiência e das condições do operador.
2. Inspeção ótica automatizada (AOI)
Os sistemas AOI utilizam câmaras de alta resolução (até 50μm de precisão) para captar imagens de PCB de vários ângulos. Os algoritmos de processamento de imagem comparam-nas com modelos padrão para detetar a maioria dos defeitos de montagem de superfícies.
Capacidades de deteção típicas:
- Componentes em falta, errados ou invertidos
- Solda excessiva ou insuficiente
- Pontas levantadas, sepultamento
- Diâmetro ou passo anormal da esfera de solda
- Marcações ou serigrafias incorrectas
Parâmetros técnicos:
- Velocidade de inspeção: 0,5-2 segundos/placa
- Dimensão mínima detetável: 0201 componentes (0,6×0,3 mm)
- Taxa de falsos alarmes: <3%
Recomendação de implementação: A AOI deve ser implementada em duas estações críticas - pós-refluxo e pós-solda por onda - e integrada com sistemas SPC para ajuste do processo em tempo real.
3. Ensaio em circuito (ICT)
O ICT utiliza dispositivos personalizados de cama de pregos para contactar pontos de teste predefinidos em PCB, verificando os parâmetros eléctricos de cada componente com uma cobertura de falhas >95%.
Os itens de teste incluem:
- Ensaios de curto-circuito/abertura
- Medições de resistência, capacitância e indutância
- Verificação da polaridade do díodo/transístor
- Verificações da corrente de alimentação do CI
- Ensaios de continuidade do conetor
Configuração do equipamento:
- Canais de teste: 512-2048
- Precisão da medição: 0,1%-0,5%
- Tensão de teste: 5V-250V
- Velocidade de teste: 3-10 segundos/placa
Análise económica: Custos de fixação ~$5,000-$20,000, adequados para projectos estáveis com produção mensal >5,000 unidades, atingindo normalmente o ROI em <6 meses.
4. Teste da sonda voadora
Os testadores de sonda voadora utilizam 4-8 sondas móveis programáveis em vez de dispositivos tradicionais, ideais para produção de baixo volume e alta mistura.
Caraterísticas técnicas:
- Cobertura do teste: Até 98%
- Passo mínimo de ensaio: 0,2 mm
- Velocidade de teste: 30-120 segundos/placa (dependente da complexidade)
- Gama de capacitâncias: 0,1pF-100μF
- Precisão da resistência: ±0,5%
Aplicações típicas:
- Verificação do protótipo de um novo produto
- Placas de alta fiabilidade (militar/aeroespacial)
- Produtos de gama alta de baixo volume (dispositivos médicos)
- Fases de desenvolvimento com frequentes alterações de conceção
Últimos avanços: Os modernos aparelhos de teste com sonda voadora integram a medição da altura a laser 3D para inspecionar a coplanaridade, a espessura da pasta de solda e outras caraterísticas mecânicas.
5. Inspeção automatizada por raios X (AXI)
O AXI aproveita a absorção diferencial de raios X pelos materiais para inspecionar juntas de soldadura ocultas, como BGAs e QFNs.
Matriz de capacidade de deteção:
| Tipo de defeito | Taxa de deteção | Taxa de falsos alarmes |
|---|
| Ponte de solda | >99% | <1% |
| Anulação | 95% | 5% |
| Solda insuficiente | 98% | 2% |
| Mudança de componente | 99% | 1% |
Guia de seleção de equipamento:
- 2D AXI: Para uma inspeção BGA simples, ~$150.000
- 3D AXI: Imagem camada a camada, a partir de $300.000
- Tomografia computorizada: dados volumétricos 3D para análise de falhas, >$500,000
6. Ensaio de combustão
O burn-in detecta falhas precoces através de condições de tensão aceleradas. Os métodos mais comuns incluem:
Ciclo de temperatura: -40°C~+125°C, 50-100 ciclos
Queima a alta temperatura: 125°C de funcionamento elétrico durante 96 horas
Tensão de tensão: 1,5 × tensão nominal durante 48 horas
Teste de humidade: 85°C/85%RH durante 1000 horas
Análise de dados: Os modelos de distribuição de Weibull prevêem o tempo de vida útil do produto, normalmente exigindo MTBF>100.000 horas.
7. Teste funcional (FCT)
A FCT simula ambientes operacionais reais para validar a funcionalidade completa da placa. Os sistemas de teste normalmente incluem:
- Fontes de alimentação programáveis (0-30V/0-20A)
- Multímetros digitais (precisão de 6,5 dígitos)
- Geradores de funções (largura de banda de 100MHz)
- Módulos de E/S digitais (64-256 canais)
- Bancos de carga (simulando cargas reais)
Fundamentos do desenvolvimento de testes:
- Criar planos de teste com base nas especificações do produto
- Conceber dispositivos de teste e adaptadores de interface
- Desenvolver scripts de teste automatizados (LabVIEW/Python)
- Estabelecer critérios de aprovação/reprovação
- Integrar sistemas de rastreabilidade de dados
8. Teste de varrimento de limites
Com base na norma IEEE 1149.1, utiliza os circuitos de teste incorporados nos chips para verificar as interligações, especialmente adequados para placas de alta densidade.
Vantagens:
- Não são necessários pontos de teste físicos
- Pode testar os pinos inferiores BGA
- Suporta programação Flash e depuração de CPU
- Alcança uma cobertura de teste de ~85%
Cadeia de ferramentas típica:
- Validação do ficheiro BSDL
- Geração do vetor de teste
- Software de análise de resultados
- Integração de testes a nível do sistema
Cinco desafios e soluções comuns de teste de PCB
Q1: Como equilibrar os custos dos ensaios com os requisitos de qualidade?
R: Implementar testes por níveis - AOI+FCT básico para todas as placas, adicionar amostragem AXI (10-20%) para produtos críticos e inspeção 100% para aplicações militares/médicas. As estatísticas mostram que esta combinação mantém as taxas de fuga de defeitos <200ppm, mantendo os custos de teste abaixo de 5% do custo total do produto.
Q2: A produção de baixo volume deve utilizar TIC ou ensaios com sondas voadoras?
R: A sonda voadora é mais económica para lotes <500/mês. Casos reais mostram que para encomendas de 300 unidades/mês, os custos totais da sonda voadora (depreciação + mão de obra) são cerca de 1/3 do ICT, com o tempo de mudança de produto reduzido de 8 horas para 30 minutos.
Q3: Como inspecionar eficazmente a qualidade da solda BGA?
R: Abordagem recomendada em três fases: AXI 3D para forma/ponte de solda, varrimento de limites para conetividade eléctrica e, em seguida, teste funcional para desempenho real. Um fabricante de equipamento de telecomunicações reduziu as taxas de falha de BGA de 1,2% para 0,05% utilizando este método.
Q4: Como reduzir as falsas falhas nos testes?
R: Controlar as taxas de falsos alarmes abaixo de 2%:
- Otimização dos parâmetros do algoritmo AOI
- Criação de modelos de referência dinâmicos
- Implementação de classificadores de aprendizagem automática
- Adição de estações de verificação para resultados suspeitos
- Calibração regular do equipamento
Q5: Como utilizar os dados de teste para melhorar o processo?
R: Estabelecer sistemas de rastreabilidade dos dados de ensaio com etapas fundamentais:
- Atribuir IDs únicos a cada PCB
- Registar todos os dados de ensaio em bruto
- Efetuar a análise CPK utilizando o Minitab
- Criar cartas de controlo SPC para parâmetros-chave
- Realizar reuniões regulares de melhoria da qualidade
Conclusão
O teste da placa de circuito impresso é um elo fundamental para garantir a fiabilidade dos produtos electrónicos e deve basear-se nas caraterísticas do produto, na escala de produção e no orçamento de custos para conceber um programa de testes razoável. Através de uma estratégia de ensaio científica e sistemática, as empresas podem controlar a taxa de falha de PCB de 50 partes por milhão ou menos, o que pode aumentar a competitividade do mercado de produtos e a reputação da marca!