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      技術專題

      PCBA電氣應力測試方法概述


      PCBA電氣應力測試方法概述

      批量生產和原型制作中的質量控制有一組重要的共同任務:PCB測試的需要。您需要在 PCBA中執行的特定測試集取決于其應用領域、理想的服務條件,當然還有您產品的相關行業標準。在制造和組裝過程中,可能會要求對您的PCB/PCBA執行一些基本測試和檢查任務,建議執行這些測試,至少以確保連續性、準確組裝,并簡單地發現可能需要返工的任何明顯缺陷。

      高可靠性應用可能需要的不僅僅是簡單的電氣測試和檢查,無論是在制造/組裝過程中,一旦原型進入設計團隊手中,和/或由外部測試實驗室。電氣應力測試只是應在高可靠性組件中執行的可能測試之一,以確保PCBA能夠承受苛刻的電氣條件。 

      電氣壓力測試基礎

      首先,每當提到測試之類的事情時,新設計師可能會認為他們忘記了某些事情,或者他們必須計劃進行一些極端測試,然后才能接受制造商提供的電路板。您將進行大量功能測試,但您無需擔心具體量化電路板中的應力限制,除非您受到標準組織(例如UL)的審查,您的產品出現監管要求,你正在向高容量過渡。

      如果您正在制作原型,或者您只生產少量的一次性板,那么不要過度考慮這一點。業余愛好項目、簡單原型、演示板項目或一次性項目通常不適合進行電氣壓力測試。有一些數量為 1 的例外,例如高度專業化的航空航天產品(衛星、無人機等)。如果您的電路板不會部署在存在極端電應力風險的區域或條件中,那么您可能不需要進行電應力測試。

      順便說一下,目前電氣壓力測試的新型技術是什么,究竟什么是“壓力”?一些主要的壓力測試方法可能屬于以下領域:

      電氣過應力測試

      靜電放電(ESD)測試

      環境壓力篩選

      加速壽命測試

      這個想法是找出會在董事會中造成意外故障的問題,或者簡單地量化董事會何時發生故障(或兩者兼而有之)。雖然在制造過程中可能會進行其他質量控制測試,但我們暫時將重點放在上面的列表上。

      電氣過載(EOS)測試

      這有時會與ESD混為一談,因為它們都是組件上的過應力形式。EOS測試可能是可以執行的最簡單的電氣壓力測試:組件基本上過載,并且DUT會受到監控,直到設備出現故障。這通常在晶圓級或單個設備級執行,只是為了量化設備何時會發生故障及其故障機制。

       

      EOS故障(左圖)與單個晶體管的ESD故障(右圖)相比。請注意,ESD故障會在集電極和發射極區域之間造成短路。

      如果您正在查看數據表中的額定值,您會看到基于單個組件的EOS測試結果的建議。這些額定值的定義具有一定的安全邊際,因此您可能能夠超過這些值。您沒有看到的是系統級別的電氣過載。這是您需要在每個接口和電源處手動對系統施加過載的地方,并且您需要監控性能或輸出以確保設備能夠承受任何預期的過載。

      靜電放電(ESD)測試

      這個測試正如其名:它測試的是PCBA能夠承受ESD事件的程度。當發生ESD事件時,您的PCBA將與非常強的電脈沖相互作用,可能達到10,000 V以上并超過幾安培的電流。如果此類事件未轉移回系統中的安全接地,則可能會損壞組件。ESD電路旨在吸收和/或轉移 ESD脈沖,使其遠離組件并進入系統中的安全接地區域。某些數字接口(例如以太網PHY上的IEEE 802.3標準)有自己的ESD要求,必須在組件級別滿足這些要求。

      JEDEC在組件級別和系統級別區分ESD。PCB設計人員需要考慮系統級會發生什么,因為這是他們可以控制的區域。

       

      該圖顯示了可能發生系統級ESD的位置。暴露的IO和連接器是ESD事件可以將電脈沖傳播到系統中并可能損壞組件的明顯位置。

      系統級ESD事件發生在PCBA內,可能會影響多個組件,導致以下結果之一:

      系統繼續工作沒有問題

      系統出現故障/鎖定(軟故障),但沒有物理故障。

      系統遭受物理損壞(硬故障)

      超出 IPC標準的各種行業標準對設備承受靜電放電的能力提出了要求。具體的測試方法取決于您的產品所采用的標準(例如IEC 62368-1/IEC 61000、汽車的ISO 10605、航空電子設備的DO-160等)。請參閱您的產品和行業的相關安全標準,以確定您的產品所需的ESD保護級別。

      環境壓力篩選 (ESS)測試

      這些測試旨在密切模擬設備的理想部署環境。ESS測試可能涉及應用熱循環、跌落測試、振動測試、熱/機械沖擊測試,以及設備在運行期間預計會受到的任何其他環境或機械暴露。更專業的測試方法可能涉及碰撞測試、壓力和濕度測試,甚至海拔測試。高度可靠的系統需要在電氣運行期間經受住所有這些環境因素的影響,因此通常需要進行多種測試以確??煽啃?。

      還在這些測試之前、之中和之后執行功能測試,以完全確定設計是否會失敗以及功能是否受到損害。這些測試不僅著眼于電氣應力,而且還驗證了各種壓力情況下的功能,這些情況可能包括電氣過應力甚至ESD。由于這通常是需要執行的專業測試的組合,因此嚴格的評估由設計團隊而非制造商執行。

      加速壽命測試

      這是指一組可能的測試,旨在確定新設備的大致使用壽命。加速壽命測試通常被歸為“老化測試”,盡管這些測試有多種變體。加速壽命試驗可分為以下幾個方面:

      老化測試:一種使用統計技術確定哪些組件和/或組件會及早發生故障的方法。

      高加速壽命測試 (HALT):這里的目標是對設備施加壓力,直到它在嚴重過度運行中出現故障。這模擬了在部署設備的實際環境條件下的過度操作。

      高度加速應力測試 (HAST):與HALT類似,因為設計受到應力直至完全失效。

      高度加速壓力測試 (HASS):使用HASS相同的環境壓力,但級別較低,并且通常在完成完整的HALT測試之后。

      只要有合適的測試室和設備,任何這些壽命/壓力測試都可以按照上述其他測試方法進行。這種測試組合可能是高度專業化的,但它們對于確定電子產品的使用壽命和識別故障機制至關重要。

      故障分析

      上述電氣應力測試旨在確定設備的極限,同時評估其是否能夠承受運行期間的環境條件。如果您發現設計無法承受預期的壓力水平并且失敗了,則需要進行一些故障分析以確定設備故障的根本原因。故障可能發生在組件級別、電路板級別或兩者兼而有之,因此需要進行一些取證調查以確定故障機制。

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