PCBA电气应力测试方法概述

2021-11-20

PCBA电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一组重要的共同任务：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领域、理想的服务条件，当然还有您产品的相关行业标准。在制造和组装过程中，可能会要求对您的PCB/PCBA执行一些基本测试和检查任务，建议执行这些测试，至少以确保连续性、准确组装，并简单地发现可能需要返工的任何明显缺陷。

高可靠性应用可能需要的不仅仅是简单的电气测试和检查，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。电气应力测试只是应在高可靠性组件中执行的可能测试之一，以确保PCBA能够承受苛刻的电气条件。 

电气压力测试基础

首先，每当提到测试之类的事情时，新设计师可能会认为他们忘记了某些事情，或者他们必须计划进行一些极端测试，然后才能接受制造商提供的电路板。您将进行大量功能测试，但您无需担心具体量化电路板中的应力限制，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电气压力测试。有一些数量为 1 的例外，例如高度专业化的航空航天产品（卫星、无人机等）。如果您的电路板不会部署在存在极端电应力风险的区域或条件中，那么您可能不需要进行电应力测试。

顺便说一下，目前电气压力测试的新型技术是什么，究竟什么是“压力”？一些主要的压力测试方法可能属于以下领域：

电气过应力测试

静电放电(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（或两者兼而有之）。虽然在制造过程中可能会进行其他质量控制测试，但我们暂时将重点放在上面的列表上。

电气过载(EOS)测试

这有时会与ESD混为一谈，因为它们都是组件上的过应力形式。EOS测试可能是可以执行的最简单的电气压力测试：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，只是为了量化设备何时会发生故障及其故障机制。

 

EOS故障（左图）与单个晶体管的ESD故障（右图）相比。请注意，ESD故障会在集电极和发射极区域之间造成短路。

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一定的安全边际，因此您可能能够超过这些值。您没有看到的是系统级别的电气过载。这是您需要在每个接口和电源处手动对系统施加过载的地方，并且您需要监控性能或输出以确保设备能够承受任何预期的过载。

静电放电(ESD)测试

这个测试正如其名：它测试的是PCBA能够承受ESD事件的程度。当发生ESD事件时，您的PCBA将与非常强的电脉冲相互作用，可能达到10,000 V以上并超过几安培的电流。如果此类事件未转移回系统中的安全接地，则可能会损坏组件。ESD电路旨在吸收和/或转移 ESD脉冲，使其远离组件并进入系统中的安全接地区域。某些数字接口（例如以太网PHY上的IEEE 802.3标准）有自己的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区分ESD。PCB设计人员需要考虑系统级会发生什么，因为这是他们可以控制的区域。

 

该图显示了可能发生系统级ESD的位置。暴露的IO和连接器是ESD事件可以将电脉冲传播到系统中并可能损坏组件的明显位置。

系统级ESD事件发生在PCBA内，可能会影响多个组件，导致以下结果之一：

系统继续工作没有问题

系统出现故障/锁定（软故障），但没有物理故障。

系统遭受物理损坏（硬故障）

超出 IPC标准的各种行业标准对设备承受静电放电的能力提出了要求。具体的测试方法取决于您的产品所采用的标准（例如IEC 62368-1/IEC 61000、汽车的ISO 10605、航空电子设备的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想部署环境。ESS测试可能涉及应用热循环、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环境或机械暴露。更专业的测试方法可能涉及碰撞测试、压力和湿度测试，甚至海拔测试。高度可靠的系统需要在电气运行期间经受住所有这些环境因素的影响，因此通常需要进行多种测试以确保可靠性。

还在这些测试之前、之中和之后执行功能测试，以完全确定设计是否会失败以及功能是否受到损害。这些测试不仅着眼于电气应力，而且还验证了各种压力情况下的功能，这些情况可能包括电气过应力甚至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执行。

加速寿命测试

这是指一组可能的测试，旨在确定新设备的大致使用寿命。加速寿命测试通常被归为“老化测试”，尽管这些测试有多种变体。加速寿命试验可分为以下几个方面：

老化测试：一种使用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，因为设计受到应力直至完全失效。

高度加速压力测试 (HASS)：使用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。

只要有合适的测试室和设备，任何这些寿命/压力测试都可以按照上述其他测试方法进行。这种测试组合可能是高度专业化的，但它们对于确定电子产品的使用寿命和识别故障机制至关重要。

故障分析

上述电气应力测试旨在确定设备的极限，同时评估其是否能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析以确定设备故障的根本原因。故障可能发生在组件级别、电路板级别或两者兼而有之，因此需要进行一些取证调查以确定故障机制。