PCB/PCBA可靠性与失效分析概述

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PCB / PCBA的可靠性测试和故障分析齐头并进;当设计压力达到极限时,需要通过彻底的检查和分析来确定其失效模式。其中一些测试和潜在故障原因由制造商处理,因为它们可能在裸板制造过程中出现,而 PCBA 的其他潜在问题应由设计团队在原型制作和设计鉴定期间解决。高可靠性设计,例如在航空电子和国防等领域,可能需要广泛的环境测试和认证,以确保它们在预期的环境中运行。
要开始讨论这个主题,了解将支配您的裸板设计和 PCBA 的资格认证方面非常重要。我们将研究 PCB/PCBA 可靠性的各个方面,以及用于识别潜在设计变更要求的一些标准故障分析技术。
PCB 可靠性测试标准概述
可靠性测试广泛涉及将 PCB 或成品 PCBA 暴露在极端环境条件(热、腐蚀、湿度等)下,然后进行性能测试以确保设备能够承受这些条件。在可靠性测试学科中,PCB 和成品 PCBA 上存在许多可能的应力来源:
机械负载(MIL-STD/IPC/SAE 标准下的静态负载、振动和冲击测试)
热或气候负载(IPC-TM-650 2.6.7 和 MIL-STD-202G 下的热通量、极端温度、热冲击;MIL-STD-883 方法 1011、IPC-9701A [6] 和 JEDEC JESD22 下的热循环-A106)
电气负载(高功率、降额验证、EMC,均符合 IPC/IEC/SAE 标准)和 UL 合规性
化学负载(腐蚀或其他化学暴露以匹配部署环境)
暴露于电离辐射(计算为总电离剂量 (TID))
接触灰尘、颗粒和液体
电子组件的人工老化测试(HALT、HASS、HATS等)
可靠性测试涉及什么?
PCB 可靠性评估需要一组针对上述每个领域的测试。制造商将在您的叠层上执行基本的制造板测试,他们应该能够证明裸板符合您在 PCB 制造说明中指定的要求。对于PCBA,测试和可靠性可以更广泛。您的制造商/组装商将执行他们自己的一系列测试和检查,以验证裸板上是否符合IPC 产品类别和基本 IPC 标准,但通常由设计团队或合同测试公司来运行更专业的测试(环境或化学测试)在设计上验证可靠性。
任何这些领域的测试指南都将涉及一系列文章,因此我不会深入探讨可靠性测试和验证的所有这些方面。IPC、MIL-STD、SAE、NASA/DO 和其他组织提供的标准文件提供了该领域的指导,以及执行这些测试的具体程序。IPC-TM-650 包含 PCB 的标准化测试方法,但上述其他文件可能超出 IPC-TM-650 针对特定产品和行业的要求。
PCB故障分析
确定 PCB 可靠性的极限就是查明故障,以及它们是如何在设备中出现的。一旦电路板发生故障,就需要对其进行调查,并且故障可能由于累积损坏(例如疲劳)、不规则(随机或间歇性)或突然(由于冲击)而逐渐出现。在调查故障模式时,上述测试的应用涉及对 PCBA 施加累积应力,直至出现故障(热、机械和环境),然后检查电路板以定位和检查特定故障。
下表将标准 PCB 故障模式与 PCB 中使用的检查和故障分析方法相匹配。
1
识别这些领域的缺陷需要一些技巧。其中一些是显而易见的,例如由于暴露在湿气中而导致的极端腐蚀,而另一些则只有受过训练的眼睛才能看到。例如,由于记录图像的对比度和分辨率,从 X 射线图像中识别故障并不那么明显。
2
类似的导电阳极成丝,由于在经由筒操作过程中的高电压或断裂延长操作相当容易被发现,无论是从一个显微样品或从SEM图像。使用正确的成像技术,两者都清晰可见。例如,下图显示了在显微切片中清晰可见的断裂,这可能会导致间歇性故障。
3
一旦发现缺陷或故障,就应该采取一些步骤来防止问题在运行期间发生,或者修改设计以使其对此类问题更具弹性。这必须根据具体情况进行处理,具体取决于缺陷的类型和导致故障的机制。
最后的想法
这里要记住的关键是,没有哪一种 PCBA 会立于不败之地,任何设计最终都可能受到压力,直到发生灾难性故障。如果施加的应力非常极端,以至于当部署在产品的预期环境中时,它们在操作期间极不可能遇到,那么您可以从可靠性的角度认为您的设计是成功的。在测试可靠性和调查故障时,有必要考虑您的设备在运行期间最有可能遇到的故障模式并首先解决这些问题。
 
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