Test af PCB's pålidelighed

Hvorfor teste PCB's pålidelighed?

I dagens æra med hurtig udvikling af elektroniske produkter, printkort (PCB), som kernekomponenter i elektronisk udstyr, er deres pålidelighed direkte relateret til ydeevnen og levetiden for hele produktet. PCB-pålidelighedstest er at sikre produktkvalitet er en vigtig del af produktkvaliteten, som gennem en række strenge testmidler til at vurdere PCB's ydeevne i forskellige miljøer og arbejdsforhold for at sikre den langsigtede stabilitet i PCB-produktets drift. PCB-pålidelighedstest er en vigtig del af produktkvalitetssikringen.

1. Test af elektrisk ydeevne:

Elektrisk ydeevne er grundlaget for at sikre, at kredsløb fungerer korrekt.

Test af kontinuitet

Kontinuitetstest er et af de mest grundlæggende og afgørende trin i pålidelighedstest af printkort. Det primære formål med denne test er at kontrollere, om alle ledende baner på printkortet har åbne eller korte kredsløb. I praksis bruger teknikere specialiserede kredsløbstestere til at verificere kontinuiteten i hver ledende sti og sikre, at alle elektriske forbindelser opfylder designkravene. For PCB'er med flere lagDet er især vigtigt at teste kontinuiteten af de indre lags spor, da skjulte spor er vanskelige at inspicere visuelt.

Moderne kontinuitetstest anvender typisk metoder med flyvende sonde eller søm, som giver mulighed for hurtig og præcis identifikation af åbne eller korte kredsløb. Under testen tilføres en lille strøm for at måle modstanden mellem to punkter og afgøre, om forbindelsen er normal. Kontinuitetstest bør ikke kun udføres efter produktion, men også før og efter PCB-samling for at sikre, at der ikke opstår skader under fremstillingen.

Test af isolationsmodstand

Test af isolationsmodstand evaluerer isoleringsevnen mellem forskellige ledere på et printkort. Under testen tilføres en jævnspænding (typisk 100V, 250V eller 500V, afhængigt af produktspecifikationerne) mellem to ledere, og isolationsmodstanden måles. Denne test er især kritisk for højspændingsapplikationer og PCB'er med flere lag, da dårlig isolering kan føre til lækage, kortslutning eller endda brandfare.

PCB'er af høj kvalitet kræver generelt isolationsmodstand i megaohm-området (MΩ) eller højere, og de specifikke standarder varierer afhængigt af produktets anvendelse og driftsmiljøet.For eksempel kræver medicinsk udstyr og printkort til rumfart strengere isoleringsevne end forbrugerelektronik.Miljøfaktorer som temperatur og luftfugtighed skal også tages i betragtning, da de i høj grad påvirker isoleringsmaterialets ydeevne.

Test af dielektrisk modstandsspænding (Hi-Pot)

Test af dielektrisk modstandsspænding (også kendt som hipot-test) er afgørende for at evaluere pålideligheden af et PCB&#8217s isoleringssystem.Det indebærer påføring af en spænding, der er højere end den normale driftsspænding (typisk 2-3 gange arbejdsspændingen) mellem ledere eller mellem ledere og jord for at verificere PCB&#8217s sikkerhed under unormale højspændingsforhold.Under testen øges spændingen gradvist til et forudbestemt niveau og opretholdes i en bestemt periode (normalt 1 minut) for at observere, om der sker nedbrydning eller afladning.

Denne test er særlig vigtig for powerboards, højspændingsudstyr og sikkerhedskritiske applikationer.Fejl kan vise sig som lysbuer, nedbrydning eller karbonisering af isoleringsmaterialer.Bemærk, at hipot-test er destruktiv og kan forårsage kumulativ skade på isoleringsmaterialer, så den bør ikke gentages på det samme produkt.

Test af impedans

I takt med at elektroniske enheder udvikler sig i retning af højere frekvenser og hastigheder, er PCB-impedanskontrol blevet stadig vigtigere.Impedanstest verificerer, om den karakteristiske impedans af transmissionslinjer på et printkort opfylder designspecifikationerne, hvilket er afgørende for signalintegritet og minimering af elektromagnetisk interferens.Testen udføres typisk ved hjælp af en netværksanalysator eller et tidsdomænereflektometer (TDR) for at måle impedans ved specifikke frekvenser.

Impedansforskelle kan forårsage signalrefleksioner, ringning og overshoot, hvilket i høj grad forringer systemets ydeevne.For digitale højhastighedskredsløb (f.eks. DDR-hukommelse, PCIe-grænseflader) og højfrekvente analoge kredsløb (f.eks. RF-frontends) er præcis impedansstyring grundlæggende for at sikre signalkvaliteten.Designere skal overveje faktorer som sporbredde, dielektrisk tykkelse, kobbervægt og dielektrisk konstant og validere det faktiske produkt gennem testning.

2. Test af mekanisk ydeevne

Mekaniske egenskaber til vurdering af PCB's strukturelle integritet.

Test af afskalningsstyrke

Test af skrælstyrke er en standardmetode til at evaluere bindingsstyrken mellem kobberfolie og PCB-substrat. Denne test kvantificerer vedhæftningen ved at måle den kraft, der kræves for at trække kobberfolien af underlaget. En specialiseret aftræksstyrke-tester bruges til at trække en bestemt bredde kobberfolie af ved en konstant hastighed og vinkel (typisk 90 grader), mens trækkraften registreres.

God skrælningsstyrke er afgørende for at sikre printkortets pålidelighed under termisk stress, mekaniske vibrationer og langvarig brug.I henhold til IPC-standarder skal afskalningsstyrken for standardprintkort være mindst 1,1 N/mm, med højere krav til applikationer med høj pålidelighed.Fejltilstande omfatter adskillelse af kobberfolie fra underlaget eller brud på kobberfolie, ofte forårsaget af forkert laminering, dårlig overfladebehandling af kobber eller problemer med underlagets kvalitet.

Bøjningstest

Bøjningstest bruges primært til fleksible printkort (FPC'er) og rigid-flex boards for at vurdere deres holdbarhed under gentagen bøjning. Prøven spændes fast i et specialiseret armatur og bøjes i en bestemt vinkel (f.eks. 90 eller 180 grader) og frekvens (f.eks. 100 cyklusser pr. minut), indtil den går i stykker eller et forudbestemt antal cyklusser er nået.

Denne test simulerer mekaniske belastninger, der opstår i virkelige anvendelser, som f.eks. hængselområder i foldbare telefoner eller bøjningssektioner i bærbare enheder.Testresultaterne hjælper med at optimere materialevalg, stakningsdesign og bøjningsradius. Bemærk, at den elektriske ydeevne også bør kontrolleres efter bøjningstest, da mekaniske skader ikke altid er visuelt synlige, men kan påvirke kredsløbets funktionalitet.

Test af termisk stress

Termisk stresstest evaluerer et PCB&#8217s mekaniske stabilitet under høje temperaturer, især pålideligheden af loddefuger og vias.Den mest almindelige metode er at nedsænke prøven i smeltet loddemetal ved 288 °C i 10 sekunder (simulerer reflow-lodning) og inspicere for delaminering, blæredannelse eller adskillelse af kobberfolie.For produkter med høj pålidelighed kan det være nødvendigt med flere termiske chokcyklusser.

Denne test afslører problemer i forbindelse med uoverensstemmelse mellem varmeudvidelseskoefficienter (CTE), som er en hovedårsag til fejl ved termisk belastning.Inspektion efter testen ved hjælp af mikroskopi eller røntgenbilleder bør fokusere på interne strukturer, især via-væggens integritet.For HDI-kort (High Density Interconnect) er mikrovia-pålidelighed særlig kritisk på grund af deres følsomhed over for termisk stress.

3. Test af miljømæssig tilpasningsevne

PCB-miljøtilpasningstest verificerer hovedsageligt PCB's ydeevne under forskellige ekstreme forhold for at sikre PCB's pålidelighed.

Ældningstest ved høj temperatur

Ældningstesten ved høj temperatur vurderer PCB's ydelsesstabilitet under langvarig eksponering for høje temperaturer. Prøverne placeres i et miljø, der overstiger normale driftstemperaturer (f.eks. 125 °C eller 150 °C) i hundreder til tusinder af timer, med regelmæssige kontroller for elektriske og fysiske ændringer. Denne test fremskynder materialets ældning og hjælper med at forudsige produktets levetid under normale forhold.

Nøgleparametre, der overvåges, omfatter isolationsmodstand, dielektrisk tab og nedbrydning af mekanisk styrke.Høje temperaturer kan forårsage misfarvning af substratet, skørhed, nedbrydning af harpiks eller metalmigration.Til højtemperaturanvendelser (f.eks. elektronik i bilers motorrum) er denne test især vigtig for at screene uegnede materialer eller processer.

Test af fugtig varme

Den fugtige varmetest simulerer virkningerne af høj luftfugtighed og temperatur på printkort og evaluerer fugtbestandighed og metalkomponenters korrosionsbestandighed.Typiske betingelser er 85 °C og 85 % relativ luftfugtighed (RH), som varer fra 96 til 1.000 timer.Under og efter testen kontrolleres isolationsmodstand, overfladeisolationsmodstand (SIR) og metalkorrosion.

Fugtige miljøer kan fremkalde forskellige former for svigt, herunder nedsat isoleringsevne, dendritvækst, der forårsager kortslutninger, korrosion af loddeforbindelser og blærer i belægningen.Til udendørs udstyr, bilelektronik og marineapplikationer er fremragende modstandsdygtighed over for fugtig varme afgørende.Funktionskontrol efter test bør fokusere på kredsløb med høj impedans og fine komponenter, da disse områder er mere følsomme over for forurening og fugt.

Test med saltspray

Salttågetesten evaluerer specifikt PCB'ers og overfladebehandlingers korrosionsbestandighed i saltholdige, fugtige miljøer.Prøverne udsættes for 5 % salttåge ved 35 °C i 24 timer til flere hundrede timer, afhængigt af produktkravene.Denne test er særlig vigtig for kyst-, marine- og bilindustrien.

Inspektioner efter test skal undersøge metalkomponenter (f.eks. puder, stifter og stik) for korrosion og ændringer i isoleringsmaterialets ydeevne.Valg af overfladefinish (f.eks. ENIG, immersion tin, OSP) påvirker resultaterne betydeligt.Bemærk, at salttågetest er en accelereret korrosionstest, og resultaterne kan afvige fra den virkelige verden, men giver sammenlignelige materialedata.

Test af termisk cykling

Den termiske cyklustest evaluerer printkortets modstandsdygtighed over for termisk stress ved gentagne gange at skifte mellem ekstreme temperaturer (f.eks. -40 °C til +125 °C).Hver cyklus omfatter typisk temperaturopholdsperioder og hurtige overgange, og det samlede antal cyklusser varierer fra hundreder til tusinder.Denne test afslører CTE-misforhold, træthed i loddefugen og delaminering af grænsefladen.

Inspektioner efter test omfatter visuel kontrol, tværsnitsanalyse og funktionstest.Almindelige fejltilstande omfatter revner i loddeforbindelser, via-brud, udmattelse af BGA-kugler og delaminering af substratet.Bil- og rumfartsapplikationer stiller strenge krav til termisk cykling på grund af store og hyppige temperatursvingninger.

4. Test af kemisk ydeevne og særlige anvendelser

Test af ionisk forurening

Test af ionisk forurening kvantificerer resterende ioniske forureninger på PCB-overflader, som kan forårsage elektrokemisk migration og korrosion.IPC-TM-650-metoden bruges ofte til at måle ændringer i opløsningsmidlers ledningsevne efter rengøring af prøver.Resultaterne udtrykkes som ækvivalent NaCl-koncentration i μg/cm².

Høj ionisk forurening (f.eks. fra fluxrester, fingeraftryk eller proceskemikalier) reducerer overfladeisolationsmodstanden betydeligt og kan føre til dendritvækst og kortslutning i fugtige miljøer.For produkter med høj pålidelighed skal ionisk forurening kontrolleres nøje.Rengøring efter test og procesforbedringer er nøgleløsninger.

Test af overfladebelægningens vedhæftning

Test af vedhæftning af overfladebelægninger (f.eks. loddemaske, blæk, konforme belægninger) evaluerer bindingsstyrken mellem beskyttelseslag og substrater.Almindelige metoder omfatter tape-test (påføring og hurtig fjernelse af standardtape), cross-cut-test (indridsning af et gittermønster og vurdering af løsrivelse) og slibetest.

Dårlig vedhæftning kan forårsage delaminering af belægningen under brug, hvilket kompromitterer beskyttelsen.Indflydelsesrige faktorer omfatter overfladens renhed, hærdningsprocesser og materialekompatibilitet. Testfejl berettiger til gennemgang af forbehandling, hærdningsparametre og materialevalg.

EMI/EMC-testning

Test af elektromagnetisk interferens (EMI) og elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) vurderer et PCB&#8217s elektromagnetiske egenskaber, herunder udstråling og immunitet.Testene udføres i afskærmede rum ved hjælp af antenner, prober og specialudstyr til at måle elektromagnetiske feltstyrker ved specifikke frekvenser.For digitale og trådløse højhastighedsenheder er god EMI/EMC-ydelse afgørende.

Designovervejelser omfatter jordingsstrategier, afskærmning, filtreringskredsløb og layoutoptimering.Fejl kræver ofte forbedret stack-up-design, trace routing eller yderligere filtreringskomponenter.Bemærk, at EMC-problemer ofte dukker op sent, men bør behandles tidligt i designet.

Test af loddesamlingers pålidelighed

Test af loddefugenes pålidelighed evaluerer den langsigtede ydeevne under mekanisk og termisk stress.Almindelige metoder omfatter forskydningstest (måling af kraft til at bryde loddeforbindelser), træktest og termisk udmattelsestest.For avancerede pakker som BGA og CSP er loddefugenes pålidelighed særlig kritisk.

Resultaterne hjælper med at optimere paddesign, loddeprocesser og materialevalg.Fejlanalyseteknikker som røntgeninspektion, farveindtrængning og tværsnit diagnosticerer loddeproblemer.Blyfri lodning har øget betydningen af disse tests på grund af de blyfri legeringers skørhed.

5. Almindelige problemer med PCB-pålidelighed og løsninger

Problem 1: PCB-delaminering under høje temperaturer

Løsning:

1. Brug materialer med høj Tg (f.eks. Tg ≥170°C) for bedre varmebestandighed
2. Optimer lamineringsparametre for korrekt resinflow og hærdning
3. Undersøg det indre lags kobberbehandling for tilstrækkelig overfladeruhed
4. Overvej mere kompatible prepreg-materialer
5. Vælg keramikfyldte materialer med lav CTE til højfrekvente anvendelser.

Problem 2: Åbne kredsløb i det indre lag under kontinuitetstestning

Løsning:

1. Forbedre borekvaliteten for at sikre korrekte forbindelser mellem de indre lag
2. Optimer hulmetallisering (afsmøring, plettering) for ensartet dækning
3. Juster ætsningsparametre for at forhindre overætsning
4. Brug dimensionsstabile substrater for at minimere svind
5. Reducerer termisk stress under varmluftsudjævning og lodning

Tværsnitsanalyse anbefales for at lokalisere fejlsteder.

Problem 3: Kobberkorrosion efter test med saltspray

Løsning:

1. Påfør tykkere overfladebehandlinger som ENIG eller hårdt guld
2. Til omkostningsfølsomme anvendelser skal du bruge nedsænkningssølv eller forbedret OSP
3. Sørg for fuldstændig dækning af loddemasken med god kantforsegling
4. Forbedret rengøring for at fjerne ætsende rester
5. Undgå eksponeret kobber ved kortets kanter; overvej kantbelægning
6. Vælg korrosionsbestandige kobberlegeringer

Udgave 4: Fejl i impedansstyring i højfrekvente kredsløb

Løsning:

1. Mål impedansafvigelser præcist
2. Sørg for ensartet dielektrisk tykkelse med strammere proceskontrol
3. Finjustér design af sporbredde/afstand
4. Brug materialer med stabile dielektriske konstanter (lav Dk/Df)
5. Optimer lagopbygningen med uafbrudte referenceplaner
6. Samarbejd med producenter om procesmuligheder
7. Udfør præproduktionssimuleringer

Problem 5: Løft af puder efter blyfri lodning

Løsning:

1. Brug materialer med høj Tg eller halogenfri materialer for bedre varmebestandighed
2. Optimer pudedesign for at undgå termisk koncentration (f.eks. dråber)
3. Reducer loddetemperaturer og -tider, mens kvaliteten bevares
4. Sørg for korrekt binding mellem kobber og underlag med overfladebehandlinger
5. Brug trinvis forvarmning til tykke kobberplader for at reducere stress.
6. Overvej lav-CTE-substrater som metalkerne- eller keramikplader
7. Optimer loddemaskeåbninger for at forhindre spændingskoncentration

Konklusion

Test af printkortets pålidelighed er et vigtigt led i at sikre en langsigtet stabil drift af elektroniske produkter gennem hele livscyklussen med design, fremstilling og anvendelse. Et omfattende testsystem omfatter elektrisk ydeevne, mekaniske egenskaber, miljømæssig tilpasningsevne og kemiske egenskaber og andre dimensioner, som effektivt kan identificere potentielle defekter og svage led. Almindelige pålidelighedsproblemer som delaminering, åbne kredsløb, korrosion, impedansafvigelser og loddefejl kan løses gennem systematisk analyse og målrettede forbedringstiltag. En effektiv måde at forbedre produktkvaliteten på er at vælge en erfaren printkortproducent, etablere en sund pålidelighedstestproces og overveje faktorer for fremstillbarhed og pålidelighed tidligt i designprocessen.