Por que testar a confiabilidade da placa de circuito impresso？
Na era atual de rápido desenvolvimento de produtos eletrônicos, as placas de circuito impresso (PCB), como os principais componentes de equipamentos eletrônicos, sua confiabilidade está diretamente relacionada ao desempenho e à vida útil de todo o produto. O teste de confiabilidade da PCB é uma parte importante da qualidade do produto, que, por meio de uma série de testes rigorosos, avalia o desempenho da PCB em uma variedade de ambientes e condições de trabalho, para garantir a estabilidade a longo prazo da operação do produto PCB. Os testes de confiabilidade de PCBs são uma parte importante da garantia de qualidade do produto.
1. Teste de desempenho elétrico:
O desempenho elétrico é a base para garantir que os circuitos funcionem adequadamente.
Teste de continuidade
O teste de continuidade é uma das etapas mais fundamentais e cruciais do teste de confiabilidade da PCB. O objetivo principal desse teste é verificar se todos os caminhos condutores na placa de circuito impresso têm circuitos abertos ou curtos. Na prática, os técnicos usam testadores de circuito especializados para verificar a continuidade de cada caminho condutor, garantindo que todas as conexões elétricas atendam aos requisitos do projeto. Para PCBs multicamadasO teste de continuidade dos traços da camada interna é particularmente importante, pois os traços ocultos são difíceis de inspecionar visualmente.
Os testes de continuidade modernos normalmente empregam métodos de sonda voadora ou de cama de pregos, permitindo a identificação rápida e precisa de circuitos abertos ou curtos. Durante o teste, uma pequena corrente é aplicada para medir a resistência entre dois pontos, determinando se a conexão está normal. Os testes de continuidade devem ser realizados não apenas após a produção, mas também antes e depois de Montagem de PCB para garantir que não ocorram danos durante a fabricação.
Teste de resistência do isolamento
O teste de resistência de isolamento avalia o desempenho do isolamento entre diferentes condutores em uma placa de circuito impresso. Durante o teste, uma tensão CC (normalmente 100 V, 250 V ou 500 V, dependendo das especificações do produto) é aplicada entre dois condutores, e a resistência do isolamento é medida. Esse teste é especialmente importante para aplicações de alta tensão e PCBs de várias camadas, pois o isolamento deficiente pode causar vazamentos, curtos-circuitos ou até mesmo riscos de incêndio.
As PCBs de alta qualidade geralmente exigem resistência de isolamento na faixa de megaohm (MΩ) ou superior, com padrões específicos que variam de acordo com o uso do produto e o ambiente operacional. Por exemplo, os dispositivos médicos e as PCBs aeroespaciais exigem um desempenho de isolamento mais rigoroso do que os produtos eletrônicos de consumo. Fatores ambientais, como temperatura e umidade, também devem ser considerados, pois afetam significativamente o desempenho do material de isolamento.
Teste de tensão dielétrica suportável (Hi-Pot)
O teste de tensão suportável dielétrica (também conhecido como teste hipot) é essencial para avaliar a confiabilidade do sistema de isolamento de uma placa de circuito impresso. Ele envolve a aplicação de uma tensão maior do que a tensão operacional normal (normalmente de 2 a 3 vezes a tensão de trabalho) entre os condutores ou entre os condutores e o aterramento para verificar a segurança da placa de circuito impresso em condições anormais de alta tensão. Durante o teste, a tensão é aumentada gradualmente até um nível predeterminado e mantida por uma duração especificada (geralmente 1 minuto) para observar se ocorre ruptura ou descarga.
Esse teste é particularmente importante para placas de energia, equipamentos de alta tensão e aplicações críticas de segurança. A falha pode se manifestar como arco elétrico, quebra ou carbonização dos materiais de isolamento. Observe que o teste de hipot é destrutivo e pode causar danos cumulativos aos materiais de isolamento, portanto, não deve ser repetido no mesmo produto.
Teste de impedância
À medida que os dispositivos eletrônicos evoluem para frequências e velocidades mais altas, o controle da impedância da placa de circuito impresso se torna cada vez mais importante. O teste de impedância verifica se a impedância característica das linhas de transmissão em uma PCB atende às especificações do projeto, o que é fundamental para a integridade do sinal e para minimizar a interferência eletromagnética. Normalmente, o teste é realizado com um analisador de rede ou um refletômetro no domínio do tempo (TDR) para medir a impedância em frequências específicas.
As incompatibilidades de impedância podem causar reflexos de sinal, ringing e overshoot, degradando gravemente o desempenho do sistema. Para circuitos digitais de alta velocidade (por exemplo, memória DDR, interfaces PCIe) e circuitos analógicos de alta frequência (por exemplo, front ends de RF), o controle preciso da impedância é fundamental para garantir a qualidade do sinal. Os projetistas devem considerar fatores como a largura do traço, a espessura do dielétrico, o peso do cobre e a constante dielétrica, além de validar o produto real por meio de testes.
2. Teste de desempenho mecânico
Propriedades mecânicas para avaliar a integridade estrutural de PCBs.
Teste de resistência do peeling
O teste de força de descolamento é um método padrão para avaliar a força de ligação entre a folha de cobre e o substrato da placa de circuito impresso. Esse teste quantifica a adesão medindo a força necessária para descolar a folha de cobre do substrato. Um testador de resistência ao descascamento especializado é usado para descascar uma largura específica de folha de cobre a uma velocidade e ângulo constantes (normalmente 90 graus) enquanto registra a força de tração.
Uma boa resistência ao descolamento é essencial para garantir a confiabilidade da PCB sob estresse térmico, vibração mecânica e uso a longo prazo. De acordo com os padrões do IPC, a resistência ao descolamento de PCBs padrão não deve ser inferior a 1,1 N/mm, com requisitos mais altos para aplicações de alta confiabilidade. Os modos de falha incluem a separação da folha de cobre do substrato ou a fratura da folha de cobre, geralmente causada por laminação inadequada, tratamento deficiente da superfície do cobre ou problemas de qualidade do substrato.
Teste de flexão
O teste de flexão é usado principalmente para PCBs flexíveis (FPCs) e placas rigid-flex para avaliar sua durabilidade sob flexão repetida. A amostra é fixada em um dispositivo especializado e dobrada em um ângulo especificado (por exemplo, 90 ou 180 graus) e em uma frequência (por exemplo, 100 ciclos por minuto) até que ocorra uma falha ou um número predeterminado de ciclos.
Esse teste simula tensões mecânicas encontradas em aplicações do mundo real, como áreas de dobradiças em telefones dobráveis ou seções de dobra em dispositivos vestíveis. Os resultados dos testes ajudam a otimizar a seleção de materiais, o design de empilhamento e o raio de curvatura. Observe que o desempenho elétrico também deve ser verificado após o teste de flexão, pois os danos mecânicos nem sempre são visualmente aparentes, mas podem afetar a funcionalidade do circuito.
Teste de estresse térmico
O teste de estresse térmico avalia a estabilidade mecânica de uma PCB sob altas temperaturas, especialmente a confiabilidade das juntas de solda e vias. O método mais comum envolve a imersão da amostra em solda derretida a 288°C por 10 segundos (simulando a soldagem por refluxo) e a inspeção de delaminação, formação de bolhas ou separação da folha de cobre. Para produtos de alta confiabilidade, podem ser necessários vários ciclos de choque térmico.
Esse teste revela problemas relacionados à incompatibilidade do coeficiente de expansão térmica (CTE), uma das principais causas de falhas por estresse térmico. A inspeção pós-teste usando microscopia ou imagens de raios X deve se concentrar nas estruturas internas, especialmente na integridade da parede da via. Para placas de interconexão de alta densidade (HDI), a confiabilidade da microvia é particularmente importante devido à sua suscetibilidade ao estresse térmico.
3. Teste de adaptabilidade ambiental
O teste de adaptabilidade ambiental da PCB verifica principalmente o desempenho da PCB em várias condições extremas para garantir a confiabilidade da PCB.
Teste de envelhecimento em alta temperatura
O teste de envelhecimento em alta temperatura avalia a estabilidade do desempenho de PCBs sob exposição prolongada a altas temperaturas. As amostras são colocadas em um ambiente que excede as temperaturas operacionais normais (por exemplo, 125°C ou 150°C) por centenas a milhares de horas, com verificações periódicas de alterações elétricas e físicas. Esse teste acelera o envelhecimento do material, ajudando a prever a vida útil do produto em condições normais.
Os principais parâmetros monitorados incluem resistência de isolamento, perda dielétrica e degradação da resistência mecânica. As altas temperaturas podem causar descoloração do substrato, fragilização, decomposição da resina ou migração do metal. Para aplicações de alta temperatura (por exemplo, componentes eletrônicos do compartimento do motor automotivo), esse teste é especialmente importante para a triagem de materiais ou processos inadequados.
Teste de calor úmido
O teste de calor úmido simula os efeitos de alta umidade e temperatura em PCBs, avaliando a resistência à umidade e a resistência à corrosão de componentes metálicos. As condições típicas são 85°C e 85% de umidade relativa (RH), com duração de 96 a 1.000 horas. Durante e após o teste, a resistência do isolamento, a resistência do isolamento da superfície (SIR) e a corrosão do metal são verificadas.
Ambientes úmidos podem induzir a vários modos de falha, inclusive redução do desempenho do isolamento, crescimento de dendritos que causam curtos-circuitos, corrosão da junta de solda e formação de bolhas no revestimento. Para equipamentos externos, eletrônicos automotivos e aplicações marítimas, a excelente resistência ao calor úmido é essencial. As verificações funcionais pós-teste devem se concentrar em circuitos de alta impedância e componentes de passo fino, pois essas áreas são mais sensíveis à contaminação e à umidade.
Teste de névoa salina
O teste de névoa salina avalia especificamente a resistência à corrosão de PCBs e acabamentos de superfície em ambientes salgados e úmidos. As amostras são expostas a uma névoa salina 5% a 35°C por 24 horas a várias centenas de horas, dependendo dos requisitos do produto. Esse teste é particularmente importante para aplicações costeiras, marítimas e automotivas.
As inspeções pós-teste devem examinar os componentes metálicos (por exemplo, almofadas, pinos e conectores) quanto a corrosão e alterações no desempenho do material de isolamento. As opções de acabamento de superfície (por exemplo, ENIG, estanho por imersão, OSP) afetam significativamente os resultados. Observe que o teste de névoa salina é um teste de corrosão acelerado, e os resultados podem diferir do desempenho no mundo real, mas fornecem dados comparativos do material.
Teste de ciclo térmico
O teste de ciclo térmico avalia a resistência do PCB ao estresse térmico alternando repetidamente entre extremos de temperatura (por exemplo, -40°C a +125°C). Cada ciclo normalmente inclui períodos de permanência na temperatura e transições rápidas, com ciclos totais que variam de centenas a milhares. Esse teste revela incompatibilidades de CTE, fadiga da junta de solda e delaminação interfacial.
As inspeções pós-teste incluem verificações visuais, análise de seção transversal e testes funcionais. Os modos de falha mais comuns incluem rachaduras na junta de solda, fraturas de via, fadiga da esfera BGA e delaminação do substrato. As aplicações automotivas e aeroespaciais impõem requisitos rigorosos de ciclos térmicos devido às amplas e frequentes flutuações de temperatura.
4. Testes de desempenho químico e de aplicações especiais
Teste de contaminação iônica
Os testes de contaminação iônica quantificam os contaminantes iônicos residuais nas superfícies de PCBs, que podem causar migração eletroquímica e corrosão. O método IPC-TM-650 é comumente usado para medir as alterações de condutividade do solvente após a limpeza das amostras. Os resultados são expressos como concentração equivalente de NaCl em μg/cm².
A alta contaminação iônica (por exemplo, de resíduos de fluxo, impressões digitais ou produtos químicos de processo) reduz significativamente a resistência de isolamento da superfície e pode levar ao crescimento de dendritos e curtos-circuitos em ambientes úmidos. Para produtos de alta confiabilidade, a contaminação iônica deve ser rigorosamente controlada. A limpeza pós-teste e as melhorias no processo são as principais soluções.
Teste de adesão de revestimento de superfície
O teste de adesão de revestimento de superfície (por exemplo, máscara de solda, tinta de legenda, revestimentos isolantes) avalia a força de ligação entre as camadas protetoras e os substratos. Os métodos comuns incluem teste de fita (aplicação e remoção rápida de fita padrão), teste de corte transversal (marcação de um padrão de grade e avaliação do descolamento) e teste de abrasão.
A má adesão pode causar a delaminação do revestimento durante o uso, comprometendo a proteção. Os fatores que influenciam incluem a limpeza da superfície, os processos de cura e a compatibilidade do material. As falhas nos testes justificam a revisão do pré-tratamento, dos parâmetros de cura e da seleção de materiais.
Testes de EMI/EMC
Os testes de interferência eletromagnética (EMI) e compatibilidade eletromagnética (EMC) avaliam as características eletromagnéticas de uma PCB, incluindo emissões irradiadas e imunidade. Os testes são realizados em câmaras blindadas usando antenas, sondas e equipamentos especializados para medir a intensidade do campo eletromagnético em frequências específicas. Para dispositivos digitais e sem fio de alta velocidade, o bom desempenho EMI/EMC é fundamental.
As considerações de projeto incluem estratégias de aterramento, blindagem, circuitos de filtragem e otimização de layout. As falhas geralmente exigem projetos de empilhamento aprimorados, roteamento de traços ou componentes de filtragem adicionais. Observe que os problemas de EMC geralmente surgem tardiamente, mas devem ser abordados no início do projeto.
Teste de confiabilidade da junta de solda
O teste de confiabilidade da junta de solda avalia o desempenho de longo prazo sob estresse mecânico e térmico. Os métodos comuns incluem teste de cisalhamento (medição da força para romper as juntas de solda), teste de tração e teste de fadiga térmica. Para pacotes avançados, como BGA e CSP, a confiabilidade da junta de solda é especialmente importante.
Os resultados ajudam a otimizar o design das almofadas, os processos de solda e a seleção de materiais. Técnicas de análise de falhas, como inspeção por raios X, penetração de corante e seção transversal, diagnosticam problemas de soldagem. A soldagem sem chumbo aumentou a importância desses testes devido à fragilidade das ligas sem chumbo.
5. Problemas e soluções comuns de confiabilidade de PCBs
Problema 1: Delaminação de PCBs sob altas temperaturas
Solução:
- Use materiais de alta Tg (por exemplo, Tg ≥170°C) para obter melhor resistência ao calor
- Otimizar os parâmetros de laminação para o fluxo e a cura adequados da resina
- Inspecione o tratamento de cobre da camada interna quanto à rugosidade adequada da superfície
- Considere materiais pré-impregnados mais compatíveis
- Para aplicações de alta frequência, selecione materiais preenchidos com cerâmica com baixo CTE
Problema 2: Circuitos abertos na camada interna durante o teste de continuidade
Solução:
- Melhorar a qualidade da perfuração para garantir conexões adequadas da camada interna
- Otimize a metalização de orifícios (remoção de manchas, revestimento) para obter uma cobertura uniforme
- Ajuste os parâmetros de gravação para evitar o excesso de gravação
- Use substratos dimensionalmente estáveis para minimizar o encolhimento
- Reduzir o estresse térmico durante o nivelamento e a soldagem com ar quente
Recomenda-se a análise de seção transversal para identificar os locais de falha.
Questão 3: Corrosão do cobre após teste de névoa salina
Solução:
- Aplicar acabamentos de superfície mais espessos, como ENIG ou ouro duro
- Para aplicações sensíveis ao custo, use prata de imersão ou OSP aprimorada
- Assegurar a cobertura completa da máscara de solda com boa vedação das bordas
- Aprimorar a limpeza para remover resíduos corrosivos
- Evite a exposição de cobre nas bordas da placa; considere o revestimento das bordas
- Selecione ligas de cobre resistentes à corrosão
Questão 4: Falhas no controle de impedância em circuitos de alta frequência
Solução:
- Medir com precisão os desvios de impedância
- Garanta uma espessura dielétrica consistente com um controle de processo mais rígido
- Ajuste fino dos projetos de largura/espaçamento de traços
- Use materiais com constantes dielétricas estáveis (baixo Dk/Df)
- Otimize o empilhamento de camadas com planos de referência ininterruptos
- Colaborar com os fabricantes sobre os recursos do processo
- Realizar simulações de pré-produção
Problema 5: Levantamento da almofada após a soldagem sem chumbo
Solução:
- Use materiais de alta Tg ou sem halogênio para obter melhor resistência ao calor
- Otimizar os projetos de almofadas para evitar a concentração térmica (por exemplo, gotas de lágrima)
- Reduzir as temperaturas e os tempos de soldagem, mantendo a qualidade
- Garantir a ligação adequada entre cobre e substrato com tratamentos de superfície
- Para placas de cobre espessas, use o pré-aquecimento escalonado para reduzir o estresse
- Considere substratos com baixo CET, como placas de núcleo metálico ou de cerâmica
- Otimize as aberturas da máscara de solda para evitar a concentração de tensão
Conclusão
O teste de confiabilidade de PCBs é um elo fundamental para garantir a operação estável de longo prazo de produtos eletrônicos durante todo o ciclo de vida do projeto, da fabricação e da aplicação. Um sistema de teste abrangente inclui desempenho elétrico, propriedades mecânicas, adaptabilidade ambiental e propriedades químicas, além de outras dimensões, que podem identificar com eficácia possíveis defeitos e elos fracos. Problemas comuns de confiabilidade, como delaminação, circuitos abertos, corrosão, desvios de impedância e defeitos de solda, podem ser resolvidos por meio de análise sistemática e medidas de melhoria direcionadas. A seleção de um fabricante experiente de PCBs, o estabelecimento de um processo sólido de testes de confiabilidade e a consideração de fatores de manufaturabilidade e confiabilidade no início do processo de projeto são maneiras eficazes de melhorar a qualidade do produto.