PCBA電氣應(yīng)力測試方法概述

2021-11-20

PCBA電氣應(yīng)力測試方法概述

批量生產(chǎn)和原型制作中的質(zhì)量控制有一組重要的共同任務(wù)：PCB測試的需要。您需要在 PCBA中執(zhí)行的特定測試集取決于其應(yīng)用領(lǐng)域、理想的服務(wù)條件，當(dāng)然還有您產(chǎn)品的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準。在制造和組裝過程中，可能會要求對您的PCB/PCBA執(zhí)行一些基本測試和檢查任務(wù)，建議執(zhí)行這些測試，至少以確保連續(xù)性、準確組裝，并簡單地發(fā)現(xiàn)可能需要返工的任何明顯缺陷。

高可靠性應(yīng)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(shè)計團隊手中，和/或由外部測試實驗室。電氣應(yīng)力測試只是應(yīng)在高可靠性組件中執(zhí)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(chǔ)

首先，每當(dāng)提到測試之類的事情時，新設(shè)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(dān)心具體量化電路板中的應(yīng)力限制，除非您受到標(biāo)準組織（例如UL）的審查，您的產(chǎn)品出現(xiàn)監(jiān)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(chǎn)少量的一次性板，那么不要過度考慮這一點。業(yè)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(shù)量為 1 的例外，例如高度專業(yè)化的航空航天產(chǎn)品（衛(wèi)星、無人機等）。如果您的電路板不會部署在存在極端電應(yīng)力風(fēng)險的區(qū)域或條件中，那么您可能不需要進行電應(yīng)力測試。

順便說一下，目前電氣壓力測試的新型技術(shù)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(lǐng)域：

電氣過應(yīng)力測試

靜電放電(ESD)測試

環(huán)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(fā)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(zhì)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(yīng)力形式。EOS測試可能是可以執(zhí)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(jiān)控，直到設(shè)備出現(xiàn)故障。這通常在晶圓級或單個設(shè)備級執(zhí)行，只是為了量化設(shè)備何時會發(fā)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(fā)射極區(qū)域之間造成短路。

如果您正在查看數(shù)據(jù)表中的額定值，您會看到基于單個組件的EOS測試結(jié)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(tǒng)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(tǒng)施加過載的地方，并且您需要監(jiān)控性能或輸出以確保設(shè)備能夠承受任何預(yù)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(dāng)發(fā)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(zhuǎn)移回系統(tǒng)中的安全接地，則可能會損壞組件。ESD電路旨在吸收和/或轉(zhuǎn)移 ESD脈沖，使其遠離組件并進入系統(tǒng)中的安全接地區(qū)域。某些數(shù)字接口（例如以太網(wǎng)PHY上的IEEE 802.3標(biāo)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(tǒng)級別區(qū)分ESD。PCB設(shè)計人員需要考慮系統(tǒng)級會發(fā)生什么，因為這是他們可以控制的區(qū)域。

 

該圖顯示了可能發(fā)生系統(tǒng)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(tǒng)中并可能損壞組件的明顯位置。

系統(tǒng)級ESD事件發(fā)生在PCBA內(nèi)，可能會影響多個組件，導(dǎo)致以下結(jié)果之一：

系統(tǒng)繼續(xù)工作沒有問題

系統(tǒng)出現(xiàn)故障/鎖定（軟故障），但沒有物理故障。

系統(tǒng)遭受物理損壞（硬故障）

超出 IPC標(biāo)準的各種行業(yè)標(biāo)準對設(shè)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(chǎn)品所采用的標(biāo)準（例如IEC 62368-1/IEC 61000、汽車的ISO 10605、航空電子設(shè)備的DO-160等）。請參閱您的產(chǎn)品和行業(yè)的相關(guān)安全標(biāo)準，以確定您的產(chǎn)品所需的ESD保護級別。

環(huán)境壓力篩選 (ESS)測試

這些測試旨在密切模擬設(shè)備的理想部署環(huán)境。ESS測試可能涉及應(yīng)用熱循環(huán)、跌落測試、振動測試、熱/機械沖擊測試，以及設(shè)備在運行期間預(yù)計會受到的任何其他環(huán)境或機械暴露。更專業(yè)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(tǒng)需要在電氣運行期間經(jīng)受住所有這些環(huán)境因素的影響，因此通常需要進行多種測試以確?？煽啃浴?o:p>

還在這些測試之前、之中和之后執(zhí)行功能測試，以完全確定設(shè)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(yīng)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(yīng)力甚至ESD。由于這通常是需要執(zhí)行的專業(yè)測試的組合，因此嚴格的評估由設(shè)計團隊而非制造商執(zhí)行。

加速壽命測試

這是指一組可能的測試，旨在確定新設(shè)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(tǒng)計技術(shù)確定哪些組件和/或組件會及早發(fā)生故障的方法。

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

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

高度加速壓力測試 (HASS)：使用HASS相同的環(huán)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(shè)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(yè)化的，但它們對于確定電子產(chǎn)品的使用壽命和識別故障機制至關(guān)重要。

故障分析

上述電氣應(yīng)力測試旨在確定設(shè)備的極限，同時評估其是否能夠承受運行期間的環(huán)境條件。如果您發(fā)現(xiàn)設(shè)計無法承受預(yù)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(shè)備故障的根本原因。故障可能發(fā)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(diào)查以確定故障機制。