PCB-betrouwbaarheidstesten

Waarom PCB-betrouwbaarheid testen?

In het huidige tijdperk van snelle ontwikkeling van elektronische producten, printplaten (PCB), als de kerncomponenten van elektronische apparatuur, is hun betrouwbaarheid direct gerelateerd aan de prestaties en levensduur van het gehele product.PCB betrouwbaarheid testen is om ervoor te zorgen kwaliteit van het product is een belangrijk onderdeel van de kwaliteit van het product, die door middel van een reeks van strenge testmiddelen om de prestaties van PCB te beoordelen in een verscheidenheid van omgevingen en arbeidsomstandigheden, om de stabiliteit op lange termijn van PCB werking van het product te garanderen. PCB betrouwbaarheid testen is een belangrijk onderdeel van de kwaliteitsborging van het product.

1. Elektrische prestatietests:

Elektrische prestaties vormen de basis voor een goede werking van circuits.

Continuïteitstesten

Het testen van de continuïteit is een van de meest fundamentele en cruciale stappen bij het testen van de betrouwbaarheid van PCB's. Het primaire doel van deze test is om te controleren of alle geleidende paden op de PCB open of kortgesloten zijn. In de praktijk gebruiken technici gespecialiseerde circuittesters om de continuïteit van elk geleidend pad te controleren, zodat alle elektrische verbindingen voldoen aan de ontwerpvereisten. Voor PCB's met meerdere lagenHet testen van de continuïteit van binnenlaagse sporen is vooral belangrijk omdat verborgen sporen moeilijk visueel te inspecteren zijn.

Moderne continuïteitstests maken meestal gebruik van vliegende taster- of spijkerbedmethoden, waardoor open of kortsluitingen snel en nauwkeurig kunnen worden vastgesteld. Tijdens het testen wordt een kleine stroom toegepast om de weerstand tussen twee punten te meten en te bepalen of de verbinding normaal is. Continuïteitstests moeten niet alleen worden uitgevoerd na productie, maar ook voor en na PCB-assemblage om schade tijdens de productie te voorkomen.

Isolatieweerstand testen

Het testen van de isolatieweerstand evalueert de isolatieprestaties tussen verschillende geleiders op een printplaat. Tijdens de test wordt een gelijkspanning (meestal 100 V, 250 V of 500 V, afhankelijk van de productspecificaties) toegepast tussen twee geleiders en wordt de isolatieweerstand gemeten. Deze test is vooral kritisch voor hoogspanningstoepassingen en printplaten met meerdere lagen, omdat slechte isolatie kan leiden tot lekkage, kortsluiting of zelfs brandgevaar.

PCB's van hoge kwaliteit vereisen over het algemeen een isolatieweerstand in het megaohmbereik (MΩ) of hoger, waarbij de specifieke normen variëren op basis van het gebruik van het product en de bedrijfsomgeving.Medische apparatuur en PCB's voor de luchtvaart vereisen bijvoorbeeld strengere isolatieprestaties dan consumentenelektronica.Er moet ook rekening worden gehouden met omgevingsfactoren zoals temperatuur en vochtigheid, omdat deze een aanzienlijke invloed hebben op de prestaties van isolatiemateriaal.

Testen van diëlektrische weerstand tegen spanning (Hi-Pot)

Het testen van de diëlektrische weerstand tegen spanning (ook bekend als hipot testen) is essentieel voor het evalueren van de betrouwbaarheid van een PCB’s isolatiesysteem.Hierbij wordt een spanning hoger dan de normale bedrijfsspanning (meestal 2-3 keer de werkspanning) tussen geleiders of tussen geleiders en aarde toegepast om de veiligheid van de PCB&#8217 onder abnormale hoogspanningsomstandigheden te controleren.Tijdens de test wordt de spanning geleidelijk verhoogd tot een vooraf bepaald niveau en gedurende een bepaalde tijd (meestal 1 minuut) gehandhaafd om te zien of er doorslag of ontlading optreedt.

Deze test is vooral belangrijk voor voedingsborden, hoogspanningsapparatuur en veiligheidskritische toepassingen.Defecten kunnen zich manifesteren als vonkvorming, afbraak of verkoling van isolatiematerialen.Merk op dat hipot-testen destructief zijn en cumulatieve schade aan isolatiematerialen kunnen veroorzaken.

Impedantietesten

Naarmate elektronische apparaten zich ontwikkelen in de richting van hogere frequenties en snelheden, wordt PCB impedantiecontrole steeds belangrijker.Impedantietesten controleren of de karakteristieke impedantie van transmissielijnen op een PCB voldoet aan de ontwerpspecificaties, wat cruciaal is voor signaalintegriteit en het minimaliseren van elektromagnetische interferentie.De test wordt meestal uitgevoerd met een netwerkanalysator of time-domain reflectometer (TDR) om de impedantie bij specifieke frequenties te meten.

Verkeerde impedanties kunnen signaalreflecties, ringing en overshoot veroorzaken, waardoor de systeemprestaties ernstig verslechteren.Voor digitale circuits met hoge snelheid (bijvoorbeeld DDR-geheugen, PCIe-interfaces) en analoge circuits met hoge frequentie (bijvoorbeeld RF-frontkoppen) is een nauwkeurige impedantieregeling van fundamenteel belang om de signaalkwaliteit te garanderen.Ontwerpers moeten rekening houden met factoren zoals spoorbreedte, diëlektrische dikte, kopergewicht en diëlektrische constante, en het eigenlijke product valideren door te testen.

2. Mechanische prestatietests

Mechanische eigenschappen om de structurele integriteit van PCB's te beoordelen.

Peel Sterkte Testen

Het testen van de afpelsterkte is een standaardmethode om de hechtsterkte tussen koperfolie en het PCB-substraat te evalueren. Deze test kwantificeert de hechting door de kracht te meten die nodig is om de koperfolie van het substraat te pellen. Een gespecialiseerde afpelkrachttester wordt gebruikt om een specifieke breedte koperfolie af te pellen met een constante snelheid en hoek (meestal 90 graden) terwijl de trekkracht wordt geregistreerd.

Een goede afpelsterkte is essentieel voor de betrouwbaarheid van PCB's onder thermische stress, mechanische trillingen en langdurig gebruik.Volgens de IPC-normen mag de afpelsterkte van standaard PCB's niet minder zijn dan 1,1 N/mm, met hogere eisen voor toepassingen met een hoge betrouwbaarheid.Faalwijzen zijn onder andere het loslaten van de koperfolie van het substraat of breuk van de koperfolie, vaak veroorzaakt door onjuiste laminering, slechte behandeling van het koperoppervlak of problemen met de kwaliteit van het substraat.

Flexurale testen

Buigingstesten worden voornamelijk gebruikt voor flexibele PCB's (FPC's) en starre flexibele platen om hun duurzaamheid bij herhaald buigen te beoordelen. Het monster wordt vastgeklemd in een speciale armatuur en gebogen onder een bepaalde hoek (bijvoorbeeld 90 of 180 graden) en frequentie (bijvoorbeeld 100 cycli per minuut) tot breuk of een vooraf bepaald aantal cycli wordt bereikt.

Deze test simuleert mechanische spanningen in echte toepassingen, zoals scharnierzones in opvouwbare telefoons of buigsecties in draagbare apparaten.De testresultaten helpen bij het optimaliseren van de materiaalselectie, het ontwerp van de stapeling en de buigradius. Merk op dat de elektrische prestaties ook moeten worden gecontroleerd na buigtests, aangezien mechanische schade niet altijd visueel zichtbaar is, maar wel de functionaliteit van het circuit kan beïnvloeden.

Thermische belastingstesten

Thermische belastingstesten evalueren de mechanische stabiliteit van een PCB&#8217 onder hoge temperaturen, met name de betrouwbaarheid van soldeerverbindingen en vias.De meest gebruikelijke methode bestaat uit het onderdompelen van het monster in gesmolten soldeer bij 288°C gedurende 10 seconden (simuleren van reflow solderen) en het inspecteren op delaminatie, blaasvorming of scheiding van koperfolie.Voor zeer betrouwbare producten kunnen meerdere cycli van thermische schokken nodig zijn.

Deze test brengt problemen aan het licht die te maken hebben met afwijkingen in de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE), een belangrijke oorzaak van thermische spanningsfouten.Inspectie na de test met behulp van microscopie of röntgenbeeldvorming moet zich richten op de interne structuren, met name de integriteit van de viawand.Voor interconnectiekaarten met hoge dichtheid (HDI) is de betrouwbaarheid van microvia's bijzonder kritisch vanwege hun gevoeligheid voor thermische spanning.

3. Testen van het omgevingsaanpassingsvermogen

De PCB omgevingsaanpassingstest controleert voornamelijk de prestaties van PCB's in verschillende extreme omstandigheden om de betrouwbaarheid van PCB's te garanderen.

Verouderingstest bij hoge temperatuur

De verouderingstest bij hoge temperaturen beoordeelt de stabiliteit van PCB-prestaties bij langdurige blootstelling aan hoge temperaturen. Monsters worden gedurende honderden tot duizenden uren in een omgeving geplaatst die de normale bedrijfstemperaturen overschrijdt (bv. 125°C of 150°C), met periodieke controles op elektrische en fysieke veranderingen. Deze test versnelt de veroudering van het materiaal en helpt de levensduur van het product onder normale omstandigheden te voorspellen.

De belangrijkste parameters die gecontroleerd worden zijn isolatieweerstand, diëlektrisch verlies en degradatie van mechanische sterkte.Hoge temperaturen kunnen verkleuring van het substraat, verbrossing, afbraak van hars of metaalmigratie veroorzaken.Voor toepassingen bij hoge temperaturen (bijv. elektronica in de motorruimte van auto's) is deze test vooral belangrijk om ongeschikte materialen of processen te screenen.

Vochtige warmtetest

De vochtwarmtetest simuleert de effecten van hoge vochtigheid en temperatuur op PCB's en evalueert de vochtbestendigheid en de weerstand tegen corrosie van metalen onderdelen.Typische condities zijn 85°C en 85% relatieve vochtigheid (RH), met een duur van 96 tot 1000 uur.Tijdens en na de test worden de isolatieweerstand, oppervlakte isolatieweerstand (SIR) en metaalcorrosie gecontroleerd.

Vochtige omgevingen kunnen verschillende storingen veroorzaken, zoals verminderde isolatieprestaties, dendrietgroei die kortsluiting veroorzaakt, corrosie van soldeerverbindingen en blaasvorming van coatings.Voor buitenapparatuur, auto-elektronica en scheepstoepassingen is een uitstekende vochtbestendigheid essentieel.Functionele controles na de test moeten gericht zijn op circuits met hoge impedantie en fijne steekafstanden, omdat deze gebieden gevoeliger zijn voor vervuiling en vocht.

Zoutneveltest

De zoutneveltest evalueert specifiek de corrosiebestendigheid van PCB's en oppervlakteafwerking in zoute, vochtige omgevingen.De monsters worden blootgesteld aan een 5% zoutnevel bij 35°C gedurende 24 uur tot enkele honderden uren, afhankelijk van de productvereisten.Deze test is vooral belangrijk voor kust-, zee- en automobieltoepassingen.

Bij inspecties na de test moeten metalen onderdelen (bijv. elektroden, pennen en connectoren) worden onderzocht op corrosie en veranderingen in de prestaties van het isolatiemateriaal.De keuze van de oppervlakteafwerking (bijv. ENIG, onderdompeltin, OSP) heeft een significante invloed op de resultaten.Merk op dat zoutneveltesten een versnelde corrosietest zijn en dat de resultaten kunnen afwijken van de werkelijke prestaties, maar vergelijkende materiaalgegevens opleveren.

Thermische cyclustest

De thermische cyclustest evalueert de weerstand van PCB's tegen thermische stress door herhaaldelijk te schakelen tussen extreme temperaturen (bv. -40°C tot +125°C).Elke cyclus omvat gewoonlijk periodes van temperatuurverblijf en snelle overgangen, met een totaal aantal cycli dat varieert van honderden tot duizenden.Deze test brengt CTE-mismatches, vermoeidheid van soldeerverbindingen en interfaciale delaminatie aan het licht.

Inspecties na de test omvatten visuele controles, dwarsdoorsnedeanalyse en functionele tests.Veel voorkomende faalwijzen zijn scheuren in soldeerverbindingen, via-breuken, vermoeidheid van BGA-kogels en delaminatie van het substraat.Toepassingen in de auto- en luchtvaartindustrie stellen strenge eisen aan thermische cycli vanwege grote en frequente temperatuurschommelingen.

4. Testen van chemische prestaties en speciale toepassingen

Testen op ionische verontreiniging

Ionische verontreinigingstesten kwantificeren resterende ionische verontreinigingen op PCB-oppervlakken, die elektrochemische migratie en corrosie kunnen veroorzaken.De IPC-TM-650 methode wordt vaak gebruikt om veranderingen in de geleidbaarheid van oplosmiddelen te meten na het reinigen van monsters.De resultaten worden uitgedrukt als equivalente NaCl-concentratie in μg/cm².

Hoge ionische vervuiling (bijvoorbeeld door vloeimiddelresten, vingerafdrukken of proceschemicaliën) vermindert de isolatieweerstand van het oppervlak aanzienlijk en kan leiden tot dendrietgroei en kortsluiting in vochtige omgevingen.Voor producten met een hoge betrouwbaarheid moet ionische vervuiling strikt onder controle gehouden worden.Reiniging na de test en procesverbeteringen zijn de belangrijkste oplossingen.

Adhesietests voor oppervlaktecoatings

Adhesietests voor oppervlaktecoatings (bijv. soldeermasker, legenda-inkt, conforme coatings) evalueren de hechtsterkte tussen beschermende lagen en substraten.Gangbare methoden zijn onder andere tape testen (standaard tape aanbrengen en snel verwijderen), kruislings snijden (een rasterpatroon aanbrengen en beoordelen of de tape loslaat) en slijtagetesten.

Een slechte hechting kan leiden tot delaminatie van de coating tijdens gebruik, waardoor de bescherming in gevaar komt.Factoren die van invloed zijn, zijn onder andere oppervlaktereinheid, uithardingsprocessen en materiaalcompatibiliteit. Testfouten rechtvaardigen een herziening van de voorbehandeling, uithardingsparameters en materiaalselectie.

EMI/EMC-tests

Elektromagnetische interferentie (EMI) en elektromagnetische compatibiliteit (EMC) testen beoordelen de elektromagnetische eigenschappen van een PCB&#8217, waaronder uitgestraalde emissies en immuniteit.Tests worden uitgevoerd in afgeschermde kamers met behulp van antennes, sondes en gespecialiseerde apparatuur om de sterkte van elektromagnetische velden bij specifieke frequenties te meten.Voor digitale en draadloze apparaten met hoge snelheid zijn goede EMI/EMC-prestaties van cruciaal belang.

Ontwerpoverwegingen omvatten aardingsstrategieën, afscherming, filtercircuits en optimalisatie van de lay-out.Defecten vereisen vaak verbeterde stack-up ontwerpen, spoorroutering of extra filtercomponenten.Merk op dat EMC-problemen vaak pas laat aan de oppervlakte komen, maar vroeg in het ontwerp moeten worden aangepakt.

Betrouwbaarheidstesten van soldeerverbindingen

Betrouwbaarheidstests voor soldeerverbindingen evalueren de prestaties op lange termijn onder mechanische en thermische stress.Gangbare methodes zijn afschuiftesten (meting van de kracht om soldeerverbindingen te breken), trektesten en thermische vermoeiingstesten.Voor geavanceerde pakketten zoals BGA en CSP is de betrouwbaarheid van soldeerverbindingen bijzonder kritisch.

De resultaten helpen bij het optimaliseren van het padontwerp, soldeerprocessen en materiaalselectie.Defectanalysetechnieken zoals röntgeninspectie, kleurstofpenetratie en dwarsdoorsnede diagnosticeren soldeerproblemen.Loodvrij solderen heeft het belang van deze tests vergroot vanwege de brosheid van loodvrije legeringen.

5. Algemene problemen met PCB-betrouwbaarheid en oplossingen

Probleem 1: PCB-beschadiging bij hoge temperaturen

Oplossing:

1. Gebruik materialen met een hoge Tg (bijv. Tg ≥170°C) voor een betere hittebestendigheid.
2. Lamineerparameters optimaliseren voor de juiste harsstroom en uitharding
3. Controleer de koperbehandeling van de binnenlaag op voldoende oppervlakteruwheid
4. Overweeg compatibelere prepregmaterialen
5. Kies voor hoogfrequente toepassingen keramisch gevulde materialen met een lage CTE

Probleem 2: open binnenlaag tijdens continuïteitstests

Oplossing:

1. De boorkwaliteit verbeteren om goede verbindingen tussen de binnenlagen te garanderen
2. Optimaliseer metallisatie van gaten (afstrijken, plateren) voor uniforme dekking
3. Pas de ets-parameters aan om over-etsen te voorkomen
4. Gebruik vormvaste substraten om krimp te minimaliseren
5. Verminder thermische stress tijdens het hetelucht nivelleren en solderen

Dwarsdoorsnedeanalyse wordt aanbevolen om de foutlocaties te lokaliseren.

Vraagstuk 3: Kopercorrosie na zoutneveltests

Oplossing:

1. Dikkere oppervlakteafwerkingen aanbrengen zoals ENIG of hard goud
2. Gebruik voor kostengevoelige toepassingen immersiezilver of verbeterd OSP
3. Zorg voor een volledige dekking van het soldeermasker met een goede randafdichting
4. Verbeterde reiniging om corrosieve resten te verwijderen
5. Blootgesteld koper aan de randen van de printplaat vermijden; randbeplating overwegen
6. Selecteer corrosiebestendige koperlegeringen

Vraagstuk 4: falen van impedantieregeling in hoogfrequente schakelingen

Oplossing:

1. Meet nauwkeurig impedantieafwijkingen
2. Zorgen voor consistente diëlektrische dikte met strakkere procesbesturing
3. Ontwerpen met fijne spoorbreedte/afstand
4. Gebruik materialen met stabiele diëlektrische constanten (lage Dk/Df).
5. Laagstapeling optimaliseren met ononderbroken referentievlakken
6. Samenwerken met fabrikanten aan procesmogelijkheden
7. Pre-productiesimulaties uitvoeren

Probleem 5: Opheffen van de elektroden na loodvrij solderen

Oplossing:

1. Gebruik materialen met een hoge Tg of halogeenvrije materialen voor een betere hittebestendigheid
2. Optimaliseer padontwerpen om thermische concentratie te vermijden (bijv. traanplaten)
3. Lagere soldeertemperaturen en -tijden met behoud van kwaliteit
4. Zorg voor een goede koper-op-substraat hechting met oppervlaktebehandelingen
5. Gebruik voor dikke koperplaten een trapsgewijze voorverwarming om de spanning te verminderen
6. Overweeg laag-CTE substraten zoals platen met metalen kern of keramische platen
7. Soldeermaskeropeningen optimaliseren om spanningsconcentratie te voorkomen

Conclusie

Het testen van de betrouwbaarheid van PCB's is een belangrijke schakel om de stabiele werking van elektronische producten op de lange termijn te garanderen gedurende de gehele levenscyclus van ontwerp, productie en toepassing. Een uitgebreid testsysteem omvat elektrische prestaties, mechanische eigenschappen, milieuaanpassingsvermogen en chemische eigenschappen en andere dimensies, die potentiële defecten en zwakke schakels effectief kunnen identificeren. Veelvoorkomende betrouwbaarheidsproblemen zoals delaminatie, open circuits, corrosie, impedantieafwijkingen en soldeerdefecten kunnen worden aangepakt door middel van systematische analyse en gerichte verbeteringsmaatregelen. Het selecteren van een ervaren PCB-fabrikant, het opzetten van een degelijk betrouwbaarheidstestproces en het vroeg in het ontwerpproces rekening houden met de factoren maakbaarheid en betrouwbaarheid zijn effectieve manieren om de productkwaliteit te verbeteren.