PCBA電(diàn)气应力测试方法概述

2021-11-20

PCBA電(diàn)气应力测试方法概述

批量生产和原型制作中的质量控制有(yǒu)一组重要的共同任務(wù)：PCB测试的需要。您需要在 PCBA中执行的特定测试集取决于其应用(yòng)领域、理(lǐ)想的服務(wù)条件，当然还有(yǒu)您产品的相关行业标准。在制造和组装过程中，可(kě)能(néng)会要求对您的PCB/PCBA执行一些基本测试和检查任務(wù)，建议执行这些测试，至少以确保连续性、准确组装，并简单地发现可(kě)能(néng)需要返工的任何明显缺陷。

高可(kě)靠性应用(yòng)可(kě)能(néng)需要的不仅仅是简单的電(diàn)气测试和检查，无论是在制造/组装过程中，一旦原型进入设计团队手中，和/或由外部测试实验室。電(diàn)气应力测试只是应在高可(kě)靠性组件中执行的可(kě)能(néng)测试之一，以确保PCBA能(néng)够承受苛刻的電(diàn)气条件。 

電(diàn)气压力测试基础

首先，每当提到测试之类的事情时，新(xīn)设计师可(kě)能(néng)会认為(wèi)他(tā)们忘记了某些事情，或者他(tā)们必须计划进行一些极端测试，然后才能(néng)接受制造商(shāng)提供的電(diàn)路板。您将进行大量功能(néng)测试，但您无需担心具體(tǐ)量化電(diàn)路板中的应力限制，除非您受到标准组织（例如UL）的审查，您的产品出现监管要求，你正在向高容量过渡。

如果您正在制作原型，或者您只生产少量的一次性板，那么不要过度考虑这一点。业余爱好项目、简单原型、演示板项目或一次性项目通常不适合进行電(diàn)气压力测试。有(yǒu)一些数量為(wèi) 1 的例外，例如高度专业化的航空航天产品（卫星、无人机等）。如果您的電(diàn)路板不会部署在存在极端電(diàn)应力风险的區(qū)域或条件中，那么您可(kě)能(néng)不需要进行電(diàn)应力测试。

顺便说一下，目前電(diàn)气压力测试的新(xīn)型技术是什么，究竟什么是“压力”？一些主要的压力测试方法可(kě)能(néng)属于以下领域：

電(diàn)气过应力测试

静電(diàn)放電(diàn)(ESD)测试

环境压力筛选

加速寿命测试

这个想法是找出会在董事会中造成意外故障的问题，或者简单地量化董事会何时发生故障（或两者兼而有(yǒu)之）。虽然在制造过程中可(kě)能(néng)会进行其他(tā)质量控制测试，但我们暂时将重点放在上面的列表上。

電(diàn)气过载(EOS)测试

这有(yǒu)时会与ESD混為(wèi)一谈，因為(wèi)它们都是组件上的过应力形式。EOS测试可(kě)能(néng)是可(kě)以执行的最简单的電(diàn)气压力测试：组件基本上过载，并且DUT会受到监控，直到设备出现故障。这通常在晶圆级或单个设备级执行，只是為(wèi)了量化设备何时会发生故障及其故障机制。

 

EOS故障（左图）与单个晶體(tǐ)管的ESD故障（右图）相比。请注意，ESD故障会在集電(diàn)极和发射极區(qū)域之间造成短路。

如果您正在查看数据表中的额定值，您会看到基于单个组件的EOS测试结果的建议。这些额定值的定义具有(yǒu)一定的安全边际，因此您可(kě)能(néng)能(néng)够超过这些值。您没有(yǒu)看到的是系统级别的電(diàn)气过载。这是您需要在每个接口和電(diàn)源处手动对系统施加过载的地方，并且您需要监控性能(néng)或输出以确保设备能(néng)够承受任何预期的过载。

静電(diàn)放電(diàn)(ESD)测试

这个测试正如其名：它测试的是PCBA能(néng)够承受ESD事件的程度。当发生ESD事件时，您的PCBA将与非常强的電(diàn)脉冲相互作用(yòng)，可(kě)能(néng)达到10,000 V以上并超过几安培的電(diàn)流。如果此类事件未转移回系统中的安全接地，则可(kě)能(néng)会损坏组件。ESD電(diàn)路旨在吸收和/或转移 ESD脉冲，使其遠(yuǎn)离组件并进入系统中的安全接地區(qū)域。某些数字接口（例如以太网PHY上的IEEE 802.3标准）有(yǒu)自己的ESD要求，必须在组件级别满足这些要求。

JEDEC在组件级别和系统级别區(qū)分(fēn)ESD。PCB设计人员需要考虑系统级会发生什么，因為(wèi)这是他(tā)们可(kě)以控制的區(qū)域。

 

该图显示了可(kě)能(néng)发生系统级ESD的位置。暴露的IO和连接器是ESD事件可(kě)以将電(diàn)脉冲传播到系统中并可(kě)能(néng)损坏组件的明显位置。

系统级ESD事件发生在PCBA内，可(kě)能(néng)会影响多(duō)个组件，导致以下结果之一：

系统继续工作没有(yǒu)问题

系统出现故障/锁定（软故障），但没有(yǒu)物(wù)理(lǐ)故障。

系统遭受物(wù)理(lǐ)损坏（硬故障）

超出 IPC标准的各种行业标准对设备承受静電(diàn)放電(diàn)的能(néng)力提出了要求。具體(tǐ)的测试方法取决于您的产品所采用(yòng)的标准（例如IEC 62368-1/IEC 61000、汽車(chē)的ISO 10605、航空電(diàn)子设备的DO-160等）。请参阅您的产品和行业的相关安全标准，以确定您的产品所需的ESD保护级别。

环境压力筛选 (ESS)测试

这些测试旨在密切模拟设备的理(lǐ)想部署环境。ESS测试可(kě)能(néng)涉及应用(yòng)热循环、跌落测试、振动测试、热/机械冲击测试，以及设备在运行期间预计会受到的任何其他(tā)环境或机械暴露。更专业的测试方法可(kě)能(néng)涉及碰撞测试、压力和湿度测试，甚至海拔测试。高度可(kě)靠的系统需要在電(diàn)气运行期间经受住所有(yǒu)这些环境因素的影响，因此通常需要进行多(duō)种测试以确保可(kě)靠性。

还在这些测试之前、之中和之后执行功能(néng)测试，以完全确定设计是否会失败以及功能(néng)是否受到损害。这些测试不仅着眼于電(diàn)气应力，而且还验证了各种压力情况下的功能(néng)，这些情况可(kě)能(néng)包括電(diàn)气过应力甚至ESD。由于这通常是需要执行的专业测试的组合，因此严格的评估由设计团队而非制造商(shāng)执行。

加速寿命测试

这是指一组可(kě)能(néng)的测试，旨在确定新(xīn)设备的大致使用(yòng)寿命。加速寿命测试通常被归為(wèi)“老化测试”，尽管这些测试有(yǒu)多(duō)种变體(tǐ)。加速寿命试验可(kě)分(fēn)為(wèi)以下几个方面：

老化测试：一种使用(yòng)统计技术确定哪些组件和/或组件会及早发生故障的方法。

高加速寿命测试 (HALT)：这里的目标是对设备施加压力，直到它在严重过度运行中出现故障。这模拟了在部署设备的实际环境条件下的过度操作。

高度加速应力测试 (HAST)：与HALT类似，因為(wèi)设计受到应力直至完全失效。

高度加速压力测试 (HASS)：使用(yòng)HASS相同的环境压力，但级别较低，并且通常在完成完整的HALT测试之后。

只要有(yǒu)合适的测试室和设备，任何这些寿命/压力测试都可(kě)以按照上述其他(tā)测试方法进行。这种测试组合可(kě)能(néng)是高度专业化的，但它们对于确定電(diàn)子产品的使用(yòng)寿命和识别故障机制至关重要。

故障分(fēn)析

上述電(diàn)气应力测试旨在确定设备的极限，同时评估其是否能(néng)够承受运行期间的环境条件。如果您发现设计无法承受预期的压力水平并且失败了，则需要进行一些故障分(fēn)析以确定设备故障的根本原因。故障可(kě)能(néng)发生在组件级别、電(diàn)路板级别或两者兼而有(yǒu)之，因此需要进行一些取证调查以确定故障机制。