测试 PCB 的可靠性是一项涉及多项测试的广泛程序。PCB 制造商使用可靠性测试来识别设计缺陷，因此在向客户提供电路板之前，这是一项必不可少的过程。在 Amission Electronics，我们概述了任务关键型 PCB 应用的可靠性和测试策略、我们采用的方法以及我们遵守的测试标准。
什么是 PCB 的可靠性测试？
PCB 的可靠性测试是识别其在极端条件下的故障模式的过程。这意味着将电路板暴露在各种压力源下。
通过测量并使用结果来确定损坏的程度和性质，测试人员还可以确定造成损害所需的条件水平。模拟应用条件的压力源包括：
- 灰尘和潮湿等环境条件
- 过电压负载
- 接触化学物质
- 温度变化
- 冲击和震动
为什么要进行 PCB 可靠性测试？
测试 PCB 的可靠性有助于在大规模生产开始之前识别故障模式。除了识别故障模式外，还需要了解其原因以及发生的原因。PCB 制造商使用可靠性测试的信息来识别有缺陷的设计，重新设计有缺陷的设计，并改进设计以防止将来发生此类故障。
在设计过程中，几乎不可能确定印刷电路板在其运行环境中的行为。通过可靠性测试，制造商可以消除其老化和性能问题。
测试 PCB 的可靠性还可以表明其是否符合区域和国际的电路板质量和测试标准。PCB 制造商可以自行进行这些测试，也可以委托其他公司进行测试。
关键任务应用的可靠性测试是否不同？
与消费电子设备相比，任务关键型 PCB 应用（包括 汽车、 航天、医疗和工业）的设备需要采用不同的可靠性分析方法。这种方法需要更好地模拟加速电气老化和设备退化。它还需要研究可能导致设备特性发生变化的其他现象，同时使用现实模型来表示设备的使用方式。
哪些可靠性测试适用于关键任务应用程序？
1. 降低产品生命周期内的故障率
降低产品整个生命周期内的故障率是任务关键型应用面临的主要挑战之一。传统上，这种故障率被称为“ 浴缸故障曲线”。
浴盆曲线有三个区域。分别是早期寿命、有效工作寿命和寿命末期区域。该曲线描述了产品到达消费者手中后发生的一般故障类型。
早期故障主要是由于测试期间未发现的缺陷设备造成的。
在有效工作寿命内，挑战在于确保器件在可靠性分析所需的工作范围内运行。例如，热过应力是一个特别令人担忧的问题。
在使用寿命结束时，故障通常由于设备或组件磨损而发生。在此阶段，设备特性的变化主要由于电应力引起。
客户对故障的看法与工程师不同。他们希望故障率较低，理想情况下为零，并且在产品的有效使用寿命结束后仍保持为零。
例如，如果汽车中 IC 的故障率为 1dppm，即每百万个部件中有一个缺陷，会有什么影响？典型的普通汽车大约有 80 个 ECU 或电子控制单元，每个 ECU 包含多个 IC。如果制造商生产几百万辆汽车，那么每生产一百万辆汽车，大约有 1.5% 或 15,000 辆汽车会有缺陷。这当然是不可接受的。
与传统的消费类应用要求相比，任务关键型应用对 PCB 和其他组件的使用寿命的可靠性要求更高。消费类产品的典型使用寿命最多为三年，而任务关键型应用则要求至少 15 年的使用寿命。
2. PCB可靠性测试标准概述
PCB 的可靠性测试主要包括将 PCB 组件暴露 在极端环境条件下，如潮湿、腐蚀、高温等。随后进行性能测试，检查电路板是否能够承受这些条件。在进行可靠性测试时，PCB 组件上可能存在多种应力源：
- 电气负载，如降额验证、大功率、EMC，符合 SAE/IEC/IPC 标准和 UL。
- 热负荷包括 MIL-STD-202G 和 IPC-TM-650 2.6.7 下的热冲击、极端温度和热通量等气候条件；JEDEC JESD22-A106、IPC-9701A 和 MIL-STD-883 方法 1011 下的热循环。
- 根据 SAE/IPC/MIL-STD 标准进行的机械载荷，例如冲击测试、振动和静态载荷。
- 化学负荷（例如化学暴露或腐蚀）以匹配部署环境。
- 暴露于液体、颗粒、灰尘等。
- 电离辐射暴露量，通常以 TID 或总电离剂量计算。
- 电子组件的人工老化测试，如HATS、HASS、HALT等。
3. 可靠性测试期间会发生什么？
评估 PCB 可靠性需要针对上述每个领域进行一系列测试。通常，制造商将执行基本的成品板测试，这些测试必须证明裸板符合客户在制造说明中指定的要求。
4. 如何分析PCB故障？
确定任务关键型 PCB 应用的可靠性极限需要准确定位故障，并确定故障在设备中是如何发生的。一旦电路板发生故障，就必须对其进行调查。故障可能由于损坏的累积以及不稳定或突然、随机或间歇性冲击而逐渐出现。调查故障模式需要应用上述测试，包括对 PCBA 施加累积应力直至发生故障。然后检查电路板以识别和检查具体故障。
| 检查方法 | 故障模式 |
| 光学检测 | 该方法使用光学显微镜检查 PCB 的顶层。光学检查有助于定位焊料短路、开路、故障、固体污染物的存在、腐蚀和损坏， |
| 显微切片 分析 | 切下一块薄板，用扫描电子显微镜或普通光学显微镜进行检查。这种方法有助于检查粗糙度、通孔、镀层迁移和层压板。 |
| 污染测试 | 该方法用于调查组装过程中通常会积聚在电路板上的特定污染物。某些环境可能会使电路板暴露于危险化学品中，因此需要量化这些物质对电路板的污染程度。 |
| EDX/SEM 检查 | 有时，当显微切片分析发现电路板表面存在某些缺陷时，可能需要进行更深入的检查。EDX 有助于确定化学成分。SEM 或扫描电子显微镜有助于观察样品。 |
| X射线检查 | 此方法用于检查光学或显微切片测试中无法立即看到的缺陷。通常用于检查平面内故障模式和 BGA 故障检查。 |
结论
根据 Amission Electronics 的经验，没有任何 PCB 组件是无懈可击的，即使是对于任务关键型应用也是如此。此外，任何设计过分强调最终都可能导致灾难性故障。如果施加的应力在产品预期环境中正常运行期间不太可能遇到的水平，那么从可靠性的角度来看，该设计可以被视为成功。在调查故障和测试可靠性时，有必要考虑并解决设备在运行过程中最有可能遇到的故障模式。