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技術(shù)專(zhuān)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(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中執行的特定測試集取決于其應用領(lǐng)域、理想的服務(wù)條件，當然還有您產(chǎn)品的相關(guān)行業(yè)標準。在制造和組裝過(guò)程中，可能會(huì )要求對您的PCB/PCBA執行一些基本測試和檢查任務(wù)，建議執行這些測試，至少以確保連續性、準確組裝，并簡(jiǎn)單地發(fā)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(jiǎn)單的電氣測試和檢查，無(wú)論是在制造/組裝過(guò)程中，一旦原型進(jìn)入設計團隊手中，和/或由外部測試實(shí)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(lèi)的事情時(shí)，新設計師可能會(huì )認為他們忘記了某些事情，或者他們必須計劃進(jìn)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(jìn)行大量功能測試，但您無(wú)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(chǎn)品出現監管要求，你正在向高容量過(guò)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(guò)度考慮這一點(diǎn)。業(yè)余愛(ài)好項目、簡(jiǎn)單原型、演示板項目或一次性項目通常不適合進(jìn)行電氣壓力測試。有一些數量為 1 的例外，例如高度專(zhuān)業(yè)化的航空航天產(chǎn)品（衛星、無(wú)人機等）。如果您的電路板不會(huì )部署在存在極端電應力風(fēng)險的區域或條件中，那么您可能不需要進(jìn)行電應力測試。
順便說(shuō)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(guò)應力測試
靜電放電(ESD)測試
環(huán)境壓力篩選
加速壽命測試
這個(gè)想法是找出會(huì )在董事會(huì )中造成意外故障的問(wèn)題，或者簡(jiǎn)單地量化董事會(huì )何時(shí)發(fā)生故障（或兩者兼而有之）。雖然在制造過(guò)程中可能會(huì )進(jìn)行其他質(zhì)量控制測試，但我們暫時(shí)將重點(diǎn)放在上面的列表上。
電氣過(guò)載(EOS)測試
這有時(shí)會(huì )與ESD混為一談，因為它們都是組件上的過(guò)應力形式。EOS測試可能是可以執行的最簡(jiǎn)單的電氣壓力測試：組件基本上過(guò)載，并且DUT會(huì )受到監控，直到設備出現故障。這通常在晶圓級或單個(gè)設備級執行，只是為了量化設備何時(shí)會(huì )發(fā)生故障及其故障機制。
EOS故障（左圖）與單個(gè)晶體管的ESD故障（右圖）相比。請注意，ESD故障會(huì )在集電極和發(fā)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(huì )看到基于單個(gè)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(guò)這些值。您沒(méi)有看到的是系統級別的電氣過(guò)載。這是您需要在每個(gè)接口和電源處手動(dòng)對系統施加過(guò)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(guò)載。
靜電放電(ESD)測試
這個(gè)測試正如其名：它測試的是PCBA能夠承受ESD事件的程度。當發(fā)生ESD事件時(shí)，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(guò)幾安培的電流。如果此類(lèi)事件未轉移回系統中的安全接地，則可能會(huì )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(jìn)入系統中的安全接地區域。某些數字接口（例如以太網(wǎng)PHY上的IEEE 802.3標準）有自己的ESD要求，必須在組件級別滿(mǎn)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(huì )發(fā)生什么，因為這是他們可以控制的區域。
該圖顯示了可能發(fā)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(fā)生在PCBA內，可能會(huì )影響多個(gè)組件，導致以下結果之一：
系統繼續工作沒(méi)有問(wèn)題
系統出現故障/鎖定（軟故障），但沒(méi)有物理故障。
系統遭受物理?yè)p壞（硬故障）
超出 IPC標準的各種行業(yè)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(chǎn)品所采用的標準（例如IEC 62368-1/IEC 61000、汽車(chē)的ISO 10605、航空電子設備的DO-160等）。請參閱您的產(chǎn)品和行業(yè)的相關(guān)安全標準，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備的理想部署環(huán)境。ESS測試可能涉及應用熱循環(huán)、跌落測試、振動(dòng)測試、熱/機械沖擊測試，以及設備在運行期間預計會(huì )受到的任何其他環(huán)境或機械暴露。更專(zhuān)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(jìn)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(huì )失敗以及功能是否受到損害。這些測試不僅著(zhù)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(guò)應力甚至ESD。由于這通常是需要執行的專(zhuān)業(yè)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(gè)方面：
老化測試：一種使用統計技術(shù)確定哪些組件和/或組件會(huì )及早發(fā)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(guò)度運行中出現故障。這模擬了在部署設備的實(shí)際環(huán)境條件下的過(guò)度操作。
高度加速應力測試 (HAST)：與HALT類(lèi)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(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(jìn)行。這種測試組合可能是高度專(zhuān)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
上述電氣應力測試旨在確定設備的極限，同時(shí)評估其是否能夠承受運行期間的環(huán)境條件。如果您發(fā)現設計無(wú)法承受預期的壓力水平并且失敗了，則需要進(jìn)行一些故障分析以確定設備故障的根本原因。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(jìn)行一些取證調查以確定故障機制。