Зачем нужно тестирование надежности печатных плат？
В современную эпоху быстрого развития электронной продукции, печатные платы (PCB), как основные компоненты электронного оборудования, их надежность напрямую связана с производительностью и сроком службы всего продукта.Испытания надежности PCB является обеспечение качества продукции является важной частью качества продукции, которая через ряд строгих средств тестирования для оценки производительности PCB в различных средах и условиях работы, чтобы обеспечить долгосрочную стабильность работы PCB продукта. Испытания на надежность печатных плат являются важной частью обеспечения качества продукции.
1. Испытание электрических характеристик:
Электрические характеристики являются основой для обеспечения правильного функционирования цепей.
Испытание на непрерывность
Проверка непрерывности - один из наиболее фундаментальных и критически важных этапов тестирования надежности печатных плат. Основная цель этого теста - проверить, все ли проводящие пути на печатной плате имеют обрыв или короткое замыкание. На практике технические специалисты используют специализированные тестеры цепей для проверки непрерывности каждого проводящего пути, гарантируя, что все электрические соединения соответствуют проектным требованиям. Для многослойные печатные платыПроверка целостности трасс внутреннего слоя особенно важна, так как скрытые трассы трудно проверить визуально.
В современных методах проверки целостности обычно используются методы "летающего щупа" или "ногтевого ложа", позволяющие быстро и точно определить обрыв или короткое замыкание. Во время тестирования подается небольшой ток для измерения сопротивления между двумя точками, определяя, является ли соединение нормальным. Проверку непрерывности следует проводить не только после производства, но и до и после ПКС в сборе чтобы избежать повреждений во время производства.
Испытания на сопротивление изоляции
Испытание сопротивления изоляции позволяет оценить характеристики изоляции между различными проводниками на печатной плате. Во время испытания между двумя проводниками подается постоянное напряжение (обычно 100 В, 250 В или 500 В, в зависимости от спецификации продукта), и измеряется сопротивление изоляции. Этот тест особенно важен для высоковольтных приложений и многослойных печатных плат, поскольку плохая изоляция может привести к утечке, короткому замыканию или даже пожару.
Высококачественные печатные платы обычно требуют сопротивления изоляции в диапазоне мегаом (MΩ) или выше, при этом конкретные стандарты зависят от назначения изделия и условий эксплуатации. Например, для медицинских приборов и печатных плат аэрокосмического назначения предъявляются более жесткие требования к изоляции, чем для бытовой электроники. Необходимо также учитывать такие факторы окружающей среды, как температура и влажность, поскольку они существенно влияют на характеристики изоляционного материала.
Испытание на выдерживание диэлектрического напряжения (Hi-Pot)
Испытание диэлектрика на выдерживание напряжения (также известное как hipot-испытание) необходимо для оценки надежности системы изоляции печатной платы. Оно включает в себя приложение напряжения, превышающего нормальное рабочее напряжение (обычно в 2-3 раза больше рабочего напряжения), между проводниками или между проводниками и землей для проверки безопасности печатной платы в условиях аномального высокого напряжения. Во время испытания напряжение постепенно повышается до заданного уровня и поддерживается в течение определенного времени (обычно 1 минута), чтобы наблюдать, происходит ли пробой или разряд.
Этот тест особенно важен для силовых щитов, высоковольтного оборудования и критически важных приложений. Неисправность может проявиться в виде дуги, пробоя или карбонизации изоляционных материалов. Обратите внимание, что испытание на дуговую нагрузку является разрушительным и может привести к кумулятивному повреждению изоляционных материалов, поэтому его не следует повторять на одном и том же изделии.
Испытание на импеданс
По мере развития электронных устройств в направлении повышения частот и скоростей контроль импеданса печатной платы становится все более важным. Тестирование импеданса позволяет проверить, соответствует ли характеристический импеданс линий передачи на печатной плате проектным спецификациям, что крайне важно для обеспечения целостности сигнала и минимизации электромагнитных помех. Для измерения импеданса на определенных частотах обычно используется сетевой анализатор или рефлектометр с временной диаграммой направленности (TDR).
Несоответствие импеданса может привести к отражению сигнала, звону и перегрузке, что значительно снижает производительность системы. Для высокоскоростных цифровых схем (например, память DDR, интерфейсы PCIe) и высокочастотных аналоговых схем (например, радиочастотные передние фронты) точное управление импедансом является основой для обеспечения качества сигнала. Проектировщики должны учитывать такие факторы, как ширина трассы, толщина диэлектрика, вес меди и диэлектрическая проницаемость, а также проверять реальный продукт путем тестирования.
2. Испытание механических характеристик
Механические свойства для оценки структурной целостности печатных плат.
Испытание на прочность пилинга
Испытание на прочность отслаивания - это стандартный метод оценки прочности связи между медной фольгой и подложкой печатной платы. Это испытание количественно определяет адгезию путем измерения силы, необходимой для отслаивания медной фольги от подложки. Специализированный тестер используется для отслаивания медной фольги определенной ширины с постоянной скоростью и под постоянным углом (обычно 90 градусов), при этом регистрируется усилие отрыва.
Хорошая прочность на отслаивание имеет решающее значение для обеспечения надежности печатных плат при тепловом напряжении, механических вибрациях и длительной эксплуатации. Согласно стандартам IPC, прочность на отслаивание стандартных печатных плат должна составлять не менее 1,1 Н/мм, при этом для высоконадежных приложений предъявляются более высокие требования. Способы отказа включают отделение медной фольги от подложки или разрушение медной фольги, что часто вызвано неправильным ламинированием, плохой обработкой поверхности меди или проблемами с качеством подложки.
Испытание на изгиб
Испытания на изгиб в основном используются для гибкие печатные платы (FPC) и жестко-гибких плат для оценки их прочности при многократном изгибе. Образец зажимается в специальном приспособлении и изгибается на определенный угол (например, 90 или 180 градусов) и с определенной частотой (например, 100 циклов в минуту) до разрушения или достижения заданного количества циклов.
Это испытание имитирует механические нагрузки, возникающие в реальных приложениях, например, в местах шарниров в складных телефонах или изгибающихся участках в носимых устройствах. Результаты испытаний помогают оптимизировать выбор материала, конструкцию стека и радиус изгиба. Обратите внимание, что после испытаний на изгиб следует также проверить электрические характеристики, поскольку механические повреждения не всегда заметны визуально, но могут повлиять на функциональность схемы.
Испытание на термическую нагрузку
Испытание на термическую нагрузку позволяет оценить механическую устойчивость печатной платы при высоких температурах, в частности надежность паяных соединений и межслойных отверстий. Наиболее распространенный метод предполагает погружение образца в расплавленный припой при температуре 288 °C на 10 секунд (имитируя пайку оплавлением) и проверку на наличие расслоения, пузырей или отслоения медной фольги. Для высоконадежных изделий может потребоваться несколько циклов теплового шока.
Это испытание позволяет выявить проблемы, связанные с несоответствием коэффициента теплового расширения (КТР), что является основной причиной разрушения при тепловых нагрузках. После тестирования с помощью микроскопии или рентгеновских снимков следует проверить внутренние структуры, особенно целостность стенок отверстий. Для плат межсоединений высокой плотности (HDI) надежность микропроводов особенно важна из-за их восприимчивости к тепловым нагрузкам.
3. Испытание на адаптацию к окружающей среде
Тест на адаптацию печатной платы к окружающей среде в основном проверяет работу печатной платы в различных экстремальных условиях для обеспечения надежности печатной платы.
Испытание на высокотемпературное старение
Испытание на высокотемпературное старение позволяет оценить стабильность характеристик печатных плат при длительном воздействии высоких температур. Образцы помещаются в среду, превышающую нормальную рабочую температуру (например, 125°C или 150°C), на сотни-тысячи часов с периодической проверкой электрических и физических изменений. Это испытание ускоряет старение материала, помогая предсказать срок службы изделия при нормальных условиях.
Основные контролируемые параметры включают сопротивление изоляции, диэлектрические потери и деградацию механической прочности. Высокие температуры могут вызвать обесцвечивание подложки, охрупчивание, разложение смолы или миграцию металла. Для высокотемпературных применений (например, электроника моторного отсека автомобиля) этот тест особенно важен для отсеивания неподходящих материалов или процессов.
Испытание влажным теплом
Испытание влажным теплом имитирует воздействие высокой влажности и температуры на печатные платы, оценивая влагостойкость и коррозионную стойкость металлических компонентов. Типичные условия - 85°C и относительная влажность (RH) 85%, продолжительность от 96 до 1 000 часов. Во время и после тестирования проверяется сопротивление изоляции, поверхностное сопротивление изоляции (SIR) и коррозия металла.
Влажная среда может привести к различным отказам, включая снижение характеристик изоляции, рост дендритов, вызывающих короткое замыкание, коррозию паяных соединений и разрушение покрытия. Для наружного оборудования, автомобильной электроники и морской техники очень важна превосходная устойчивость к влажному теплу. Послетестовые функциональные проверки должны быть сосредоточены на высокоомных цепях и компонентах с мелким шагом, поскольку эти области более чувствительны к загрязнению и влаге.
Испытание соляным туманом
Испытание в соляном тумане позволяет оценить коррозионную стойкость печатных плат и поверхностных покрытий в соленой и влажной среде. Образцы подвергаются воздействию соляного тумана 5% при температуре 35°C в течение от 24 часов до нескольких сотен часов, в зависимости от требований к продукту. Это испытание особенно важно для прибрежных, морских и автомобильных применений.
После испытаний следует проверить металлические компоненты (например, колодки, контакты и разъемы) на предмет коррозии и изменения характеристик изоляционного материала. Выбор способа обработки поверхности (например, ENIG, погружное олово, OSP) существенно влияет на результаты. Обратите внимание, что испытания в соляном тумане - это ускоренные коррозионные испытания, и их результаты могут отличаться от реальных, но позволяют получить сравнительные данные о материале.
Испытание на термоциклирование
Испытание на термоциклирование позволяет оценить устойчивость печатной платы к тепловым нагрузкам путем многократного переключения между экстремальными температурами (например, от -40°C до +125°C). Каждый цикл обычно включает периоды температурной паузы и быстрых переходов, общее количество циклов варьируется от сотен до тысяч. Это испытание позволяет выявить несоответствия CTE, усталость паяных соединений и межфазное расслоение.
Послетестовые проверки включают визуальный контроль, анализ поперечного сечения и функциональное тестирование. Распространенные виды отказов включают трещины в паяных соединениях, сквозные трещины, усталость шариков BGA и отслоение подложки. Автомобильная и аэрокосмическая промышленность предъявляет жесткие требования к термоциклированию из-за сильных и частых перепадов температур.
4. Испытания химических свойств и специальных применений
Испытание на ионное загрязнение
Испытания на ионное загрязнение определяют остаточные ионные загрязнения на поверхности печатных плат, которые могут вызывать электрохимическую миграцию и коррозию. Метод IPC-TM-650 обычно используется для измерения изменений проводимости растворителя после очистки образцов. Результаты выражаются в эквивалентной концентрации NaCl в мкг/см².
Сильное ионное загрязнение (например, от остатков флюса, отпечатков пальцев или технологических химикатов) значительно снижает поверхностное сопротивление изоляции и может привести к росту дендритов и короткому замыканию во влажной среде. Для высоконадежных изделий ионное загрязнение должно строго контролироваться. Ключевыми решениями являются очистка после испытаний и совершенствование технологических процессов.
Испытание адгезии поверхностных покрытий
Испытание адгезии поверхностных покрытий (например, паяльной маски, чернил для легенд, конформных покрытий) позволяет оценить прочность связи между защитными слоями и подложками. Распространенные методы включают испытания с использованием ленты (нанесение и быстрое удаление стандартной ленты), испытания с поперечным разрезом (нанесение рисунка сетки и оценка отслоения) и испытания на истирание.
Плохая адгезия может привести к отслоению покрытия в процессе эксплуатации, что снижает его защиту. Влияющие факторы включают чистоту поверхности, процессы отверждения и совместимость материалов. Неудачные испытания требуют пересмотра предварительной обработки, параметров отверждения и выбора материала.
Испытания на электромагнитную совместимость/ЭМС
Испытания на электромагнитные помехи (EMI) и электромагнитную совместимость (EMC) оценивают электромагнитные характеристики печатной платы, включая излучение и помехоустойчивость. Испытания проводятся в экранированных камерах с использованием антенн, зондов и специализированного оборудования для измерения напряженности электромагнитного поля на определенных частотах. Для высокоскоростных цифровых и беспроводных устройств хорошие характеристики EMI/EMC имеют решающее значение.
При проектировании учитываются стратегии заземления, экранирования, фильтрующие цепи и оптимизация компоновки. Для устранения неисправностей часто требуются улучшенные конструкции стеков, прокладка трасс или дополнительные фильтрующие компоненты. Обратите внимание, что проблемы ЭМС часто проявляются поздно, но их следует решать на ранних этапах проектирования.
Испытание надежности паяных соединений
Испытания на надежность паяных соединений оценивают долговременные характеристики при механических и термических нагрузках. К распространенным методам относятся испытания на сдвиг (измерение силы, разрушающей паяные соединения), испытания на растяжение и испытания на термическую усталость. Для современных корпусов, таких как BGA и CSP, надежность паяных соединений особенно важна.
Результаты помогают оптимизировать конструкцию площадок, процессы пайки и выбор материалов. Методы анализа отказов, такие как рентгеновский контроль, проникновение красителя и поперечное сечение, позволяют диагностировать проблемы пайки. Бессвинцовая пайка повысила важность этих испытаний из-за хрупкости бессвинцовых сплавов.
5. Общие проблемы надежности печатных плат и их решения
Выпуск 1: Отслоение печатных плат при высоких температурах
Решение:
- Используйте материалы с высокой ТГ (например, ТГ ≥170°C) для повышения термостойкости.
- Оптимизируйте параметры ламинирования для правильной подачи и отверждения смолы
- Проверьте обработку внутреннего слоя меди на наличие достаточной шероховатости поверхности
- Рассмотрите более совместимые материалы для препрегов
- Для высокочастотных применений выбирайте материалы с керамическим наполнителем и низким CTE.
Проблема 2: Открытые цепи внутреннего слоя при испытаниях на непрерывность
Решение:
- Улучшение качества сверления для обеспечения надлежащего соединения внутренних слоев
- Оптимизация металлизации отверстий (обеспыливание, нанесение покрытия) для равномерного покрытия
- Регулировка параметров травления для предотвращения перетравливания
- Используйте стабильные по размерам подложки, чтобы минимизировать усадку
- Снижение теплового напряжения при выравнивании горячим воздухом и пайке
Для точного определения мест повреждения рекомендуется проводить анализ поперечного сечения.
Выпуск 3: Коррозия меди после испытания соляным туманом
Решение:
- Нанесение более толстых покрытий, таких как ENIG или твердое золото
- Для экономичных применений используйте серебро для погружения или улучшенное OSP.
- Обеспечьте полное покрытие паяльной маски с хорошей герметизацией краев
- Усиленная очистка для удаления коррозионных остатков
- Избегайте открытой меди на краях платы; рассмотрите возможность нанесения покрытия на края
- Выберите коррозионно-стойкие медные сплавы
Выпуск 4: Неисправности контроля импеданса в высокочастотных цепях
Решение:
- Точное измерение отклонений импеданса
- Обеспечение постоянной толщины диэлектрика с более жестким контролем процесса
- Точная настройка ширины трассы/расстояния между трассами
- Используйте материалы со стабильными диэлектрическими константами (низкие Dk/Df)
- Оптимизация укладки слоев с помощью непрерывных опорных плоскостей
- Сотрудничать с производителями по вопросам технологических возможностей
- Выполните предпроизводственное моделирование
Проблема 5: Подъем площадки после бессвинцовой пайки
Решение:
- Для повышения термостойкости используйте материалы с высокой ТГ или без галогенов
- Оптимизируйте конструкцию площадок, чтобы избежать тепловой концентрации (например, капельки)
- Снижение температуры и времени пайки при сохранении качества
- Обеспечение надлежащего сцепления меди с подложкой с помощью обработки поверхности
- Для толстых медных плат используйте ступенчатый предварительный нагрев для снижения напряжения
- Рассмотрите возможность использования подложек с низким коэффициентом теплопроводности, например, металлических или керамических плит
- Оптимизация отверстий в паяльной маске для предотвращения концентрации напряжений
Iii. Выводы и рекомендации
Тестирование надежности печатных плат является ключевым звеном для обеспечения долгосрочной стабильной работы электронных изделий на протяжении всего жизненного цикла разработки, производства и применения. Комплексная система тестирования включает в себя электрические характеристики, механические свойства, адаптивность к окружающей среде, химические свойства и другие параметры, что позволяет эффективно выявлять потенциальные дефекты и слабые места. Такие распространенные проблемы надежности, как расслоение, обрыв цепи, коррозия, отклонения импеданса и дефекты пайки, могут быть решены с помощью систематического анализа и целенаправленных мер по улучшению. Выбор опытного производителя печатных плат, создание надежного процесса тестирования надежности и учет факторов технологичности и надежности на ранних этапах проектирования - эффективные способы повышения качества продукции.