Проектирование надежности печатной платы — это систематическая методология, которая применяет ряд правил и стратегий на этапе компоновки печатной платы для предотвращения электрических сбоев., механическое повреждение, и термические неисправности во время реальной эксплуатации.
Ключевые выводы
✔ Примерно 70% отказов на местах можно отнести к дефектам надежности, возникшим во время Дизайн печатной платы этап ✔ Принятие двойной стратегии DFM (Дизайн для технологичности) + ДФР (Дизайн для надежности) может снизить уровень неудач в раннем возрасте на 30–50 %. ✔ Управление температурным режимом является наиболее важным фактором надежности печатной платы.; на каждые 10°C повышения температуры, процент отказов увеличивается примерно в два раза ✔ Конструкция силовой/земляной панели и резервирование — два наиболее недооцененных метода повышения долгосрочной надежности.
Сбои в электронных изделиях часто происходят не внутри самой ИС., а вот на плате — трещины в пайке, через переломы, расслоение медных следов, или шорты, вызванные CAF (Проводящая анодная нить) рост. В бытовой электронике, эти проблемы могут привести к возврату или ремонту продукта.; в автомобильной электронике, медицинские устройства, и промышленные системы управления, они могут привести к серьезным нарушениям безопасности.
Многие инженеры по аппаратному обеспечению придерживаются подхода «функции прежде всего».: при условии, что схема верна и прототип работает., проект считается квалифицированным. Однако, настоящая проблема связана с циклическим изменением температуры, вибрационный шок, влажность, и электрохимическая миграция после длительного включения питания.
Эта статья поможет вам:
Освойте полный рабочий процесс проектирования надежности, от выбора материала и проектирования компоновки до маршрутизации, тепловой расчет, и тестирование
Поймите, какие параметры конструкции оказывают наибольшее влияние на срок службы., и как значительно улучшить среднее время безотказной работы, используя недорогие методы
Избегайте ошибок, связанных с надежностью, которые 80% младших инженеров сталкиваются
Что такое проектирование надежности печатной платы?
Проектирование надежности печатной платы относится к методологии проектирования, которая, на этапе физического проектирования печатной платы, всесторонне учитывает свойства материала, электрический стресс, thermo-mechanical stress, Факторы окружающей среды, и производственные процессы, гарантирующие, что готовое изделие выполняет свои предназначенные функции в течение установленного срока службы и с приемлемой интенсивностью отказов..
Это не просто постпроизводственное тестирование. В тот момент, когда вы маршрутизируете следы, размещать переходы, определить стеки, или выберите материалы для ламината, ты уже отвечаешь на вопрос:
«Станет ли эта территория проблемой через три года??”
Простой пример
Для тех же переходных отверстий, соединяющих две площадки BGA., ориентированная на надежность конструкция потребует:
Использование составных переходных отверстий вместо обычных сквозных отверстий. (во избежание стаб-эффектов и концентрации напряжений)
Добавление капелек между переходными отверстиями и контактными площадками (для улучшения механической прочности)
Проект, не ориентированный на надежность, может заботиться только о том, «работает ли соединение».
Как систематически реализовывать проектирование надежности печатных плат
Шаг 1: Выбор материала и определение компоновки
Надежность начинается не с маршрутизации, но с материалами платы и структурным дизайном.
Выбирайте материалы с высоким ТГ с помощью ТГ. (температура стеклования) ≥ 170°C для бессвинцовых процессов и применений с высокой мощностью
Для помещений с высокой влажностью (наружное или автомобильное применение), отдавайте приоритет материалам с более высокой стойкостью к CAF, например EMC IT-170G или Panasonic R-1755V
Контролируйте изменение толщины промежуточного слоя и содержание смолы, чтобы снизить риск коробления после ламинирования.
Шаг 2: Конструкция тепловой надежности
Тепло – убийца печатных плат номер один.
Разместите массивы тепловых переходов под ключевыми тепловыделяющими компонентами. (по диаметру: 0.3–0,4 мм, интервал: 1.0–1,2 мм)
Зарезервируйте сплошные медные участки для сильноточных сетей внутреннего уровня, чтобы избежать локального перегрева, вызванного маршрутизацией с перемычкой вниз.
Используйте симметричные штабелированные структуры, чтобы минимизировать термическое коробление.; доски с нечетным слоем часто менее склонны к деформации, чем доски с четным слоем.
Шаг 3: Целостность силовой и заземляющей плоскостей
Шум и нестабильность опорных плоскостей ускоряют старение компонентов..
Убедитесь, что каждая плоскость питания/земли непрерывна и не имеет длинных пазов.. Если пересечение расколов неизбежно, добавить мостовые конденсаторы (0.1мкФ + 1нФ параллельно)
Следите за тем, чтобы толщина диэлектрика между силовой и заземляющей пластинами была как можно тоньше. (≤ 50 мкм) для улучшения емкости межплоскостной связи
Опорные плоскости высокоскоростного сигнала должны оставаться непрерывными.; при смене слоев, разместить переходные отверстия обратного пути внутри 50 мил сигнала через
Шаг 4: DFM (Дизайн для технологичности) и механическая надежность
Поддерживать по крайней мере 20 зазор в милах между дорожками и краями платы (внутренние слои могут быть расслаблены до 15 мил)
Обеспечьте достаточное расстояние между переходными отверстиями., и между переходными отверстиями и контактными площадками, для предотвращения разрушения подложки
Добавьте медное армирование или локальное утолщение под разъемами и тяжелыми компонентами, чтобы уменьшить нагрузку при вставке и вибрацию.
Шаг 5: Планирование тестового покрытия и проверки надежности
Резерв ИКТ (Внутрисхемное тестирование) и контрольные точки летающих зондов, позволяющие 100% Обнаружение обрыва/короткого замыкания во время производства
Разработайте съемные позиции резисторов 0 Ом в критически важных сетях электропитания для испытаний на старение и изоляции неисправностей.
На стадии прототипа, perform HALT (Высокоскоростное тестирование ресурса) выявить слабые места в конструкции, rather than relying solely on standard functional testing
Методы проверки надежности печатных плат
True reliability is not “theoretical reliability,” but the ability to operate stably under extreme conditions. Поэтому, high-reliability PCBs must undergo environmental stress validation.
1. Тест на циклическое изменение температуры (ТСТ)
Самый важный тест надежности печатной платы.
Типичные условия
-40°С ↔ 125 °С Скорость изменения температуры: 10°С/мин Время задержки: 15 мин 500–1000 циклов
Выявленные основные проблемы
Через взлом
Усталость паяного соединения BGA
PCB delamination
2. Тайские баты (Смещение температуры и влажности)
Used to verify CAF and electrochemical migration risks.
Типичные условия
85° C. / 85% относительной влажности
Продолжительность: 500–1000 ч
С приложенным напряжением смещения
Выявленные основные проблемы
Рост CAF
Ток утечки
Выход из строя высокоомных сетей
3. HAST-тестирование
Ускоренная версия тестирования THB.
По сравнению с THB:
Shorter testing time
Более высокий уровень стресса
Более эффективно выявляет скрытые дефекты материала.
4. Вибрационные испытания
В первую очередь проверяет:
Тяжелые компоненты
Разъемы
Усталость паяного соединения
Особенно критично для автомобильной и промышленной системы управления..
5. Тестирование на выработку
Эксплуатация изделия при повышенных температурах в течение длительного времени., неудачи в раннем возрасте могут быть выявлены заранее.
Это один из самых эффективных методов снижения:
Ранние отказы в модели отказов «кривая ванны».
Real-World Case: Снижение частоты отказов печатных плат автомобильных камер за счет 62%
А Уровень 1 Поставщик Опыт производства модулей камер кругового обзора составил около 8% сбой мерцания изображения после 18 месяц эксплуатации автомобиля. Анализ отказов выявил:
Разделение между стенками цилиндра и внутренним слоем меди (растрескивание внутреннего слоя)
Слоты в силовой плоскости, вызывающие помехи от отражения земли в датчике изображения
Меры по улучшению
Заменены все сквозные отверстия на многослойные переходные отверстия. + наполненный смолой посредством процессов, и добавлены избыточные переходные отверстия (увеличился с 1 к 3 переходные отверстия на сеть)
Переработана плоскость питания, чтобы исключить слоты., и добавлены развязывающие конденсаторы емкостью 0,1 мкФ во всех точках перехода слоев.
Материал печатной платы повышен с TG 150°C до материала с низким КТР с TG 175°C.
Результаты
Совокупный показатель отказов на местах за два года снизился с 8.2% к 3.1% (а 62% снижение)
Стоимость одной платы увеличилась примерно 12%, но гарантийные расходы уменьшились на 41%
Прошел ежегодный аудит надежности заказчика и получил номинации на новые проекты
Семь ключевых факторов, влияющих на надежность печатных плат
1. Материал КТР (Коэффициент термического расширения) Соответствие
Материалы печатных плат со слишком высоким КТР по оси Z могут вызвать растрескивание во время пайки оплавлением и циклического изменения температуры.. Стандартный FR-4 обычно имеет Z-CTE 50–70 ppm/°C., в то время как в конструкциях высокой надежности следует использовать материалы с ≤ 50 ppm/° C..
2. Шероховатость поверхности медной фольги
Чрезмерная шероховатость увеличивает потери в проводнике., но более критично, создает концентрацию напряжений во время термоциклирования. ВЛП (Very Low Profile) медная фольга предпочтительна для высокочастотных и высоконадежных приложений..
3. Целостность покрытия паяльной маски
Медные следы под паяльной маской более подвержены электрохимической миграции во влажной среде.. Критические сети (часы, перезагрузить, аналоговые сигналы с высоким импедансом) следует поддерживать полное покрытие паяльной маски или использовать конформное покрытие.
4. Через шероховатость стены и качество удаления смазывания
Остаточные загрязнения эпоксидной смолы на переходных стенках становятся путем роста CAF.. Поставщики должны предоставлять независимые отчеты о качестве с оценкой проверки подсветки не ниже Grade. 9 (максимальная оценка 10).
5. Маршрутизация и плотность переходов
Excessively high routing density “hollows out” the substrate and reduces mechanical strength. Maintain a local resin fill ratio of no less than 30%.
6. Количество циклов пайки оплавлением
Чем больше циклов пайки проходит плата, the greater the internal stress and delamination risk. Четко определите допустимое количество циклов оплавления во время проектирования и строго соблюдайте его во время производства..
7. Экологические стрессовые условия
Диапазон температурного цикла, влажность, спектр вибрации, and salt spray directly determine required design margins. Automotive electronics typically require surviving 1000 циклы от -40°C до 125°C без сбоев.
Отказы печатной платы редко происходят мгновенно.. Most result from the accumulation of thermal stress, механическое напряжение, и электрохимические реакции с течением времени.
Понимание режимы отказа важнее, чем просто запоминание правил, поскольку суть проектирования надежности заключается в заблаговременном предотвращении этих путей отказа..
Режим отказа
Первопричина
Распространенные сценарии
Типичное последствие
Путем взлома ствола
Усталость от расширения по оси Z в результате термоциклирования
Как выбрать приоритеты надежности в зависимости от типа продукта
Тип продукта
Высший приоритет
Вторичный приоритет
Приемлемый компромисс
Бытовая электроника (телефоны, ноутбуки)
Технологичность (DFM), warpage control
Срок службы термоциклирования
Производительность CAF, via-wall roughness
Автомобильная электроника (некритичный с точки зрения безопасности)
Температурный цикл, вибрация
Сопротивление CAF
Плотность маршрутизации (можно уменьшить)
Автомобильные системы безопасности (АДАС, прибыль на акцию)
Резервируемая конструкция, HALT проходной балл
Материал марки CAF
Расходы (до 20% увеличение приемлемо)
Медицинские имплантаты / устройства жизнеобеспечения
Долговременная электрохимическая стабильность
Biocompatibility + отслеживание
Размер (can moderately increase)
Промышленный контроль / серверы
Силовая целостность, тепловое управление
Через резервирование
Количество слоев (может увеличиться)
Как быстро повысить надежность существующих конструкций
Немедленно добавьте резервное заземление рядом с каждым сигнальным отверстием в регионах BGA. (практически нулевые дополнительные затраты)
Выполняйте фактические измерения повышения температуры на сильноточных цепях вместо того, чтобы полагаться исключительно на опыт или инструменты моделирования.
В ходе опытного производства новых проектов, обеспечивать соблюдение 200 циклы от -40°C до 85°C, циклическое изменение температуры в качестве обязательного критерия проверки
Распространенные ошибки и риски
Неправильная практика
Последствие
Чрезмерное разделение сигнала в плоскостях питания
Шум отскока земли, чрезмерная пульсация мощности, ненормальная работа чувствительных цепей
Размещение переходов непосредственно на контактных площадках без заполнения
Впитывание припоя, холодная пайка соединений, снижение выхода продукции
Игнорирование изолированных медных островков на внутренних слоях
Отслоение меди во время вибрации, вызывающее труднообнаружимые короткие замыкания.
Недостаточное расстояние между краями платы (< 10 мил)
Через растрескивание во время депанелизации, приводящие к разрыву цепи
Выполнение испытаний только при комнатной температуре без проверки термоциклирования.
Чрезвычайно высокий уровень неудач в раннем возрасте («кривая ванны»)
Ультратонкие диэлектрические слои (< 2 мил) в многослойных платах без должного контроля
Недостаточное межслоевое выдерживаемое напряжение, пробой под высоким напряжением или влажностью
Рекомендуемые диапазоны ключевых параметров конструкции
Сокращение до 3/3 значительно снижает доходность и долгосрочную надежность
Через кольцевое кольцо
≥ 5 мил
3 мил
Недостаточное кольцевое кольцо после смещения сверла может привести к разрыву цепи.
Расстояние от края до платы
≥ 20 мил (внешние слои)
10 мил
Напряжение депанелизации передается непосредственно на переходные отверстия.
Термический диаметр
0.3–0,4 мм
Ниже 0.2 мм
Малый диаметр препятствует заполнению припоем и снижает теплопередачу.
Толщина меди (внешний слой)
Начиная с 1 унция (35мкм)
0.5 унция (неэнергетические приложения)
Тонкая медь становится хрупкой после многократного оплавления
Покрытие тестовых точек
≥ 90% сетей
< 70%
Открытия не могут быть полностью обнаружены, leaving latent defects
Ширина перемычки паяльной маски (область BGA)
≥ 4 мил
< 3 мил
Неисправность перемычки паяльной маски может привести к образованию перемычек между соседними контактными площадками.
Общие стандарты и спецификации надежности печатных плат
Проектирование печатных плат высокой надежности не основано на «эмпирических правилах» проектирования., но на основе устоявшихся отраслевых стандартов.
В разных отраслях предъявляются совершенно разные требования к надежности., поэтому необходимо ссылаться на соответствующие стандарты.
Проектирование надежности печатной платы — это не абстрактная теория, но набор исполняемых файлов, проверяемый, и прослеживаемые инженерные дисциплины. Основной принцип заключается в выявлении и устранении потенциальных видов отказа на этапе проектирования., вместо того, чтобы оставлять проблемы производству или развертыванию на местах.
Три оценочных вопроса
Ваш дизайн прошел более чем 200 температурные циклические испытания?
Все ли критически важные сети на вашей печатной плате (власть, часы, перезагрузить) содержать любую единственную точку отказа (одно переходное отверстие или одна узкая дорожка)?
Знаете ли вы выдерживаемое напряжение CAF и значения Z-CTE выбранного вами материала печатной платы??
Рекомендуемое действие
Во время вашего следующего обзора проекта, используйте контрольный список в этой статье в качестве обязательного справочника по обзору конструкции печатной платы..
Вы быстро обнаружите: потратить два дополнительных дня на оптимизацию надежности гораздо проще, чем отзывать десять тысяч вышедших из строя плат.
Часто задаваемые вопросы
1. В чем разница между проектированием надежности печатной платы и DFM (Дизайн для технологичности)?
DFM фокусируется на том, можно ли производить продукт бесперебойно, и в основном решает вопросы производительности.. При проектировании надежности основное внимание уделяется тому, как долго продукт будет функционировать после изготовления., решение проблем, связанных со сроком службы и сбоями в эксплуатации.
Эти двое дополняют друг друга, но конструкция надежности имеет более длительный жизненный цикл и гораздо более серьезные последствия скрытых затрат..
2. Мой продукт продается только с годовой гарантией.. Нужно ли мне еще заботиться о надежности печатной платы??
Да.
Годовая гарантия не означает, что неисправности происходят только через год.. Ранний период неудач (обычно первые 3–6 месяцев) напрямую связано с надежностью и качеством проектирования.
Кроме того, пользователи, теряющие доверие к бренду из-за того, что продукты «выходят из строя сразу после истечения срока гарантии», могут нанести серьезный репутационный ущерб.
3. Действительно ли необходимо заполнение?
For BGA regions, устройства с мелким шагом, и герметичное оборудование, подверженное изменениям давления, абсолютно.
Обычные сквозные отверстия могут задерживать пузырьки воздуха и остатки флюса во время пайки оплавлением., приводит к росту CAF или соединениям холодной пайки.
Когда бюджет позволяет, приоритет должен отдаваться заполненным смолой и медным покрытиям отверстиям..
4. Как я могу оценить, соответствует ли уровень надежности моей печатной платы требованиям??
Самый прямой метод – выполнение HALT. (Высокоскоростное тестирование ресурса) определить термический, вибрация, и пределы напряжения конструкции.
Другим распространенным методом является выборка прототипов плат и выполнение 500 циклы температур от -40°C до 125°C с мониторингом изменений сопротивления. Увеличение, превышающее 10% следует рассматривать как предупреждающий знак.
Виктор закончил 20 многолетний опыт работы в индустрии печатных плат/PCBA. В 2003, он начал свою карьеру в сфере печатных плат в качестве инженера-электронщика в Shennan Circuits Co., ООО, один из ведущих производителей печатных плат в Китае. За время своего пребывания в должности, он получил обширные знания в области производства печатных плат, инженерия, качество, и обслуживание клиентов. В 2006, он основал Leadsintec, компания, специализирующаяся на предоставлении услуг по производству печатных плат/PCBA для малых и средних предприятий по всему миру.. Как генеральный директор, он привел Leadsintec к быстрому росту, сейчас работают два крупных завода в Шэньчжэне и Вьетнаме., Предлагаю дизайн, Производство, и услуги по сборке для клиентов по всему миру.
