PCBA電氣應(yīng)力測(cè)試方法

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(cè)試的需要。您需要在 PCBA中執(zhí)行的特定測(cè)試集取決于其應(yīng)用領(lǐng)域、理想的服務(wù)條件，當(dāng)然還有您產(chǎn)品的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在制造和組裝過程中，可能會(huì)要求對(duì)您的PCB/PCBA執(zhí)行一些基本測(cè)試和檢查任務(wù)，建議執(zhí)行這些測(cè)試，至少以確保連續(xù)性、準(zhǔn)確組裝，并簡(jiǎn)單地發(fā)現(xiàn)可能需要返工的任何明顯缺陷。

高可靠性應(yīng)用可能需要的不僅僅是簡(jiǎn)單的電氣測(cè)試和檢查，無(wú)論是在制造/組裝過程中，一旦原型進(jìn)入設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)手中，和/或由外部測(cè)試實(shí)驗(yàn)室。電氣應(yīng)力測(cè)試只是應(yīng)在高可靠性組件中執(zhí)行的可能測(cè)試之一，以確保PCBA能夠承受苛刻的電氣條件。

電氣壓力測(cè)試基礎(chǔ)

首先，每當(dāng)提到測(cè)試之類的事情時(shí)，新設(shè)計(jì)師可能會(huì)認(rèn)為他們忘記了某些事情，或者他們必須計(jì)劃進(jìn)行一些極端測(cè)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(cè)試，但您無(wú)需擔(dān)心具體量化電路板中的應(yīng)力限制，除非您受到標(biāo)準(zhǔn)組織（例如UL）的審查，您的產(chǎn)品出現(xiàn)監(jiān)管要求，你正在向高容量過渡。

如果您正在制作原型，或者您只生產(chǎn)少量的一次性板，那么不要過度考慮這一點(diǎn)。業(yè)余愛好項(xiàng)目、簡(jiǎn)單原型、演示板項(xiàng)目或一次性項(xiàng)目通常不適合進(jìn)行電氣壓力測(cè)試。有一些數(shù)量為 1 的例外，例如高度專業(yè)化的航空航天產(chǎn)品（衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)等）。如果您的電路板不會(huì)部署在存在極端電應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域或條件中，那么您可能不需要進(jìn)行電應(yīng)力測(cè)試。

順便說一下，目前電氣壓力測(cè)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(cè)試方法可能屬于以下領(lǐng)域：

電氣過應(yīng)力測(cè)試

靜電放電（ESD）測(cè)試

環(huán)境壓力篩選

加速壽命測(cè)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）。雖然在制造過程中可能會(huì)進(jìn)行其他質(zhì)量控制測(cè)試，但我們暫時(shí)將重點(diǎn)放在上面的列表上。

電氣過載（EOS）測(cè)試

這有時(shí)會(huì)與ESD混為一談，因?yàn)樗鼈兌际墙M件上的過應(yīng)力形式。EOS測(cè)試可能是可以執(zhí)行的最簡(jiǎn)單的電氣壓力測(cè)試：組件基本上過載，并且DUT會(huì)受到監(jiān)控，直到設(shè)備出現(xiàn)故障。這通常在晶圓級(jí)或單個(gè)設(shè)備級(jí)執(zhí)行，只是為了量化設(shè)備何時(shí)會(huì)發(fā)生故障及其故障機(jī)制。

EOS故障（左圖）與單個(gè)晶體管的ESD故障（右圖）相比。請(qǐng)注意，ESD故障會(huì)在集電極和發(fā)射極區(qū)域之間造成短路。

如果您正在查看數(shù)據(jù)表中的額定值，您會(huì)看到基于單個(gè)組件的EOS測(cè)試結(jié)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這些值。您沒有看到的是系統(tǒng)級(jí)別的電氣過載。這是您需要在每個(gè)接口和電源處手動(dòng)對(duì)系統(tǒng)施加過載的地方，并且您需要監(jiān)控性能或輸出以確保設(shè)備能夠承受任何預(yù)期的過載。

靜電放電（ESD）測(cè)試

這個(gè)測(cè)試正如其名：它測(cè)試的是PCBA能夠承受ESD事件的程度。當(dāng)發(fā)生ESD事件時(shí)，您的PCBA將與非常強(qiáng)的電脈沖相互作用，可能達(dá)到10，000 V以上并超過幾安培的電流。如果此類事件未轉(zhuǎn)移回系統(tǒng)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(zhuǎn)移 ESD脈沖，使其遠(yuǎn)離組件并進(jìn)入系統(tǒng)中的安全接地區(qū)域。某些數(shù)字接口（例如以太網(wǎng)PHY上的IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)）有自己的ESD要求，必須在組件級(jí)別滿足這些要求。

JEDEC在組件級(jí)別和系統(tǒng)級(jí)別區(qū)分ESD。PCB設(shè)計(jì)人員需要考慮系統(tǒng)級(jí)會(huì)發(fā)生什么，因?yàn)檫@是他們可以控制的區(qū)域。

該圖顯示了可能發(fā)生系統(tǒng)級(jí)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(tǒng)中并可能損壞組件的明顯位置。

系統(tǒng)級(jí)ESD事件發(fā)生在PCBA內(nèi)，可能會(huì)影響多個(gè)組件，導(dǎo)致以下結(jié)果之一：

系統(tǒng)繼續(xù)工作沒有問題

系統(tǒng)出現(xiàn)故障/鎖定（軟故障），但沒有物理故障。

系統(tǒng)遭受物理?yè)p壞（硬故障）

超出 IPC標(biāo)準(zhǔn)的各種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)備承受靜電放電的能力提出了要求。具體的測(cè)試方法取決于您的產(chǎn)品所采用的標(biāo)準(zhǔn)（例如IEC 62368-1/IEC 61000、汽車的ISO 10605、航空電子設(shè)備的DO-160等）。請(qǐng)參閱您的產(chǎn)品和行業(yè)的相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，以確定您的產(chǎn)品所需的ESD保護(hù)級(jí)別。

環(huán)境壓力篩選 （ESS）測(cè)試

這些測(cè)試旨在密切模擬設(shè)備的理想部署環(huán)境。ESS測(cè)試可能涉及應(yīng)用熱循環(huán)、跌落測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試、熱/機(jī)械沖擊測(cè)試，以及設(shè)備在運(yùn)行期間預(yù)計(jì)會(huì)受到的任何其他環(huán)境或機(jī)械暴露。更專業(yè)的測(cè)試方法可能涉及碰撞測(cè)試、壓力和濕度測(cè)試，甚至海拔測(cè)試。高度可靠的系統(tǒng)需要在電氣運(yùn)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(cè)試以確保可靠性。

還在這些測(cè)試之前、之中和之后執(zhí)行功能測(cè)試，以完全確定設(shè)計(jì)是否會(huì)失敗以及功能是否受到損害。這些測(cè)試不僅著眼于電氣應(yīng)力，而且還驗(yàn)證了各種壓力情況下的功能，這些情況可能包括電氣過應(yīng)力甚至ESD。由于這通常是需要執(zhí)行的專業(yè)測(cè)試的組合，因此嚴(yán)格的評(píng)估由設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)而非制造商執(zhí)行。

加速壽命測(cè)試

這是指一組可能的測(cè)試，旨在確定新設(shè)備的大致使用壽命。加速壽命測(cè)試通常被歸為“老化測(cè)試”，盡管這些測(cè)試有多種變體。加速壽命試驗(yàn)可分為以下幾個(gè)方面：

老化測(cè)試：一種使用統(tǒng)計(jì)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(cè)試 （HALT）：這里的目標(biāo)是對(duì)設(shè)備施加壓力，直到它在嚴(yán)重過度運(yùn)行中出現(xiàn)故障。這模擬了在部署設(shè)備的實(shí)際環(huán)境條件下的過度操作。

高度加速應(yīng)力測(cè)試 （HAST）：與HALT類似，因?yàn)樵O(shè)計(jì)受到應(yīng)力直至完全失效。

高度加速壓力測(cè)試 （HASS）：使用HASS相同的環(huán)境壓力，但級(jí)別較低，并且通常在完成完整的HALT測(cè)試之后。

只要有合適的測(cè)試室和設(shè)備，任何這些壽命/壓力測(cè)試都可以按照上述其他測(cè)試方法進(jìn)行。這種測(cè)試組合可能是高度專業(yè)化的，但它們對(duì)于確定電子產(chǎn)品的使用壽命和識(shí)別故障機(jī)制至關(guān)重要。

故障分析

上述電氣應(yīng)力測(cè)試旨在確定設(shè)備的極限，同時(shí)評(píng)估其是否能夠承受運(yùn)行期間的環(huán)境條件。如果您發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)無(wú)法承受預(yù)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(shè)備故障的根本原因。故障可能發(fā)生在組件級(jí)別、電路板級(jí)別或兩者兼而有之，因此需要進(jìn)行一些取證調(diào)查以確定故障機(jī)制。