Teste de PCB - um guia definitivo para testes de protótipo e montagem de PCB

No teste de PCB, os aplicativos de PCB tornaram-se cada vez mais populares e diversificados. No momento, PCBs fabricados por engenheiros são usados ​​para alimentar circuitos que funcionam em aparelhos militares como aqueles que sustentam vidas humanas em hospitais. Assim, o teste de PCB torna-se essencial para garantir que as placas funcionem perfeitamente e conforme o esperado de seus projetos. Além disso, como a vida das pessoas está claramente em jogo, erros nas produções de PCB não são apenas desencorajados, mas proibidos.

Às vezes, mesmo como um engenheiro estabelecido, você pode errar um pouco e desenvolver algumas juntas de solda fria ou outros defeitos relacionados à produção de PCB. No momento, muito poucos fabricantes contratados testam suas placas extensivamente. Como WellPCB , temos orgulho de estar entre os melhores no nicho de testes de PCB.

Então, como você vai saber onde você errou um pouco? Além disso, como você pode reduzir o alto custo dos testes de PCB, mas ainda fornecer eletrônicos de qualidade? Para entender mais sobre essas velhas preocupações, leia nosso guia abrangente sobre testes de PCB para produção de unidades e montagem de PCB .

Falhas de PCB em poucas palavras

1.1 Erros de um bilhão de dólares que poderiam ter sido evitados

Em 2014, a General Motors gastou cerca de US$ 4,1 bilhões para reparar e compensar um defeito no circuito de um dos interruptores de ignição de seu modelo de carro que seus engenheiros (aparentemente) ignoraram. Agora, pense sobre isso novamente. Quão grande é uma chave de ignição quando comparada a um carro em funcionamento?

Um sistema de veículo totalmente funcional foi testado em todos os padrões (mesmo para os caros testes de colisão de veículos), mas foi decepcionado por um erro de circuito na placa de ignição. Além disso, (golpe) houve um erro de $ 4,1 bilhões de um PCB! Provavelmente, nem mesmo todo o circuito; talvez apenas um transistor defeituoso poderia ter sido a causa.

O caso da General Motors foi um caso isolado? Não. Há cerca de um ano, a Samsung gastou cerca de US$ 5,3 bilhões para recuperar e compensar um defeito no sistema de carregamento do smartphone Samsung Note Seven. Portanto, não apenas a Samsung; 33 milhões de pulseiras de fitness do McDonald's foram retiradas do mercado praticamente ao mesmo tempo (o custo nunca foi divulgado).

Geralmente, histórias de defeitos de PCB que custam bilhões de dinheiro para consertar estão se tornando o pão com manteiga das histórias de design eletrônico moderno. As startups fazem isso tanto quanto as empresas estabelecidas. A amarga verdade é que esses erros não são perdoáveis ​​pelo mercado. Então, como você saberá quando um PCB tem defeitos?

1.2  Estágios de teste de PCB e indicadores de PCBs mal testados

Às vezes, é fácil detectar falhas em PCBs. Por exemplo, inspecionando visualmente um PCB, você pode notar os defeitos comuns, como os das juntas superaquecidas de cor marrom. Juntas de solda com muita solda, umedecimento insuficiente e componentes instáveis ​​com juntas perturbadas (você pode ler mais sobre esses defeitos em juntas de solda frias). Este método de detecção de defeitos é conhecido como Inspeção Visual Manual (VMI).

Para aumentar a precisão no VMI, você pode usar uma lente de mão para verificar as juntas e garantir que não haja aberturas nas juntas. Você pode fazer essa inspeção verificando a penetração de luz nas juntas com o auxílio de uma lente.

No entanto, às vezes os olhos também podem falhar em detectar defeitos de PCB que podem afetar a eficiência do PCB. A maioria desses defeitos só são notados por meio de testes de eficácia dos componentes do dispositivo. Essa avaliação estendida requer equipamentos aprimorados e especializados. Também é feito sob rigorosas avaliações de variáveis ​​como moeda, tensão, capacitância e resistência. Essas variáveis ​​também podem ditar o uso de outros equipamentos especializados, como discutiremos nos capítulos posteriores.

Comparando as entradas e saídas esperadas em vários componentes com as medições reais.

Você pode saber se algumas peças da placa estão com defeito. Este processo é conhecido como In-Circuit Testing (ICT). As TIC, por si só, se tornariam complicadas quando mais componentes fossem usados ​​em um circuito. Devido a essas complicações, o equipamento computadorizado foi desenvolvido para facilitar o teste de componentes individuais de PCB. A maioria desses dispositivos também será discutida mais adiante.

O último indicador de um PCB mal testado é um aumento nas reclamações dos clientes. Agora, principalmente, todos os dispositivos atraem algumas críticas terríveis dos usuários. É muito típico. Alguns clientes podem criticar um projeto físico; alguns podem criticar um recurso e qualquer outra coisa. No entanto, quando as reclamações sobre um determinado eletrônico persistirem sobre sua eficiência ou desempenho, isso pode indicar um defeito na placa de circuito impresso.

Essas falhas de PCB são as mais indesejáveis, mais difíceis de detectar e mais caras para as organizações. Raramente ocorrem. Quando acontecem, têm o impacto mais significativo nas empresas afetadas.

Agora, vamos ver os dois tipos comuns de defeitos disponíveis em placas de circuito.

1.3: Tipos de falhas de PCB

Existem dois tipos principais de defeitos de PCB:defeitos estruturais e defeitos elétricos. Geralmente, quase todas as falhas em PCBs podem ser classificadas em qualquer uma das duas categorias.

1.3.1: Falhas estruturais do PCB

Defeitos estruturais de PCB resultam de erros associados à estruturação inadequada de um PCB ao fabricar PCBs. Essas falhas são os tipos mais comuns de falhas em PCBs. Eles incluem defeitos como:

• Circuitos abertos: como o nome sugere, são circuitos incompletos que são ignorados durante a fabricação. A maioria dos cursos abertos estão relacionados à solda e ocorrem durante a soldagem, geralmente resultantes de não derreter a solda adequadamente. Esses erros têm a maior preferência de acontecer em PCBs, com uma taxa de ocorrência de 25%.

• Solda insuficiente:esses defeitos também estão relacionados à solda. No entanto, eles geralmente ocorrem como resultado da molhagem insuficiente de uma junta. Defeitos de solda inadequados têm uma taxa de preferência de ocorrência de 18%

• Curto-circuito:embora o curto-circuito possa ser classificado tanto em estrutura quanto em defeitos elétricos, o curto-circuito tem maior preferência de ocorrer como resultado de um projeto errado do que como resultado de um componente elétrico defeituoso. A falha ocorre a uma taxa de cerca de 13% nos defeitos gerais da PCB.

• Falta de componente elétrico:estes erros ocorrem com um índice de preferência próximo ao de curto-circuito (cerca de 12%).

• Componentes desalinhados:componentes desalinhados podem às vezes ser notados após o projeto, mas logo antes da montagem. Esses defeitos ocorrem a uma taxa de cerca de 8% do número total de defeitos durante a produção.

• Excesso de solda: embora o excesso de solda possa ser problemático, dificilmente o excesso de solda causa defeitos na produção. Este argumento está correto porque o excesso de solda é fácil de notar e corrigir. No entanto, há momentos em que esses defeitos ocorrem. Esses erros ocorrem a uma taxa de cerca de três por cento.

• Falta de peças não elétricas: Esses erros dificilmente ocorrem. Eles têm uma escassa taxa de preferência de ocorrência de cerca de dois por cento.

1.3.2: Defeitos elétricos

Defeitos elétricos são os tipos de falhas que decorrem do uso indevido de componentes elétricos em placas de circuito. Esses tipos de erros raramente ocorrem nos tempos modernos e, mesmo quando ocorrem, não são tão fatais quanto os erros de design.

• ​Componentes elétricos defeituosos: esses defeitos ocorrem quando componentes defeituosos são soldados em circuitos. Eles também são fáceis de detectar e corrigir. Esses erros têm uma taxa de ocorrência de preferência de cerca de oito por cento.

• ​Usando componentes errados: às vezes, os defeitos podem ocorrer quando componentes defeituosos, por exemplo, resistores com classificações diferentes das classificações recomendadas são usados. Eles ocorrem a uma taxa de cerca de cinco por cento.

• ​Uma orientação errada dos componentes: esses defeitos ocorrem quando os componentes são soldados com exposições incorretas. Eles ocorrem a uma taxa de cerca de dois por cento.

1.4 Visão geral do capítulo

Testes abrangentes de PCBs estão frequentemente implicados na qualidade dos eletrônicos produzidos por um fabricante. PCBs bem testados, onde o teste dá um resultado detalhado para eletrônicos de alta qualidade, assim como PCBs mal testados resultam para eletrônicos defeituosos.

Como você deve ter observado nas poucas ilustrações, as falhas da PCB são sempre caras. Para as startups, erros de PCB podem custar a reputação de uma empresa. Para as empresas desenvolvidas, os defeitos podem custar-lhes dinheiro e parte de sua reputação. Ambas as duas perdas são indesejáveis.

Antigamente, muita ênfase era dada aos erros que podiam ser cometidos na fase de projeto de PCBs. No entanto, com tecnologia aprimorada, há uma melhoria no design de PCBs hoje em dia. Mais ênfase no teste de PCB foi dada ao próprio processo de fabricação de PCBs. É por isso que qualquer fabricante de eletrônicos interessada em permanecer no mercado por um período mais longo deve investir mais em testes de PCBs.

No futuro, agora teremos uma visão mais detalhada dos métodos de teste populares e equipamentos industriais que podem ser utilizados para testar PCBs.

Métodos de teste de PCB

Ao desenvolver PCBs locais como hobby, você pode não precisar de nenhuma estratégia consistente para estabelecer os PCBs. Consequentemente, você também não precisará de uma estratégia de teste. Uma vez que você tenha um esboço do circuito que você espera, tudo pode cair em seu lugar.

No entanto, a produção comercial de PCB e o teste de PCB não apostam em seus procedimentos de implementação. Segue estratégias estabelecidas que auxiliam na avaliação da eficiência e tolerância a falhas. Atualmente, existem cerca de sete abordagens para testar PCBs. Das sete, apenas três das estratégias são dominantes na indústria. Essas três principais categorias de testes incluem Inspeção Visual Manual (VMI), Teste In-Circuit (ICT) e Teste Funcional (FT).

2.1 Teste de PCB —Inspeção visual manual (MVI)

Esse é o principal método de teste de PCBs. Envolve procurar falhas em um PCB a olho nu. VMI é a maneira mais simples, antiga e ainda a mais popular de inspecionar PCBs. É aplicável para a produção simples e de baixo volume de PCBs.

No entanto, não é muito eficiente para PCBs de alto volume ou complexos, pois os olhos humanos (sem ajuda) podem não notar algumas das conexões que podem estar ocultas. Além disso, ao inspecionar produções de alto volume, os humanos tendem a ficar entediados ou cansados. Devido a essas duas principais desvantagens do VMI, existem outros métodos para minimizar erros, embora intimamente relacionados ao VMI. Top nesta lista é o uso de lentes.

2.3 Uso de microscópios e lentes

Seu PCB pode não atender aos requisitos de design, embora o VMI sem ajuda possa mostrar que tudo está bem. Aqui é quando você precisará ter uma visão mais próxima sobre uma lente ou um microscópio.

Às vezes, nossos olhos podem não ser tão eficazes na detecção de alguns defeitos menores nas juntas de solda dos PCBs. No entanto, com o auxílio de lentes, você pode ampliar as placas e aproximar as conexões da placa.

2.4 Usando raios-X

As varreduras de raios-X em PCBs fornecem muitos detalhes sobre uma placa que não podem ser facilmente vistos mesmo sob uma lente. Raios-X são essenciais ao examinar placas que possuem conexões ocultas. Você precisará fazer algumas digitalizações da mesma placa sob diferentes ângulos e depois comparar as imagens com os links esperados das especificações do projeto original.

O único problema com o uso de raios-X é que é caro e pode não ser aplicável para amadores e produtores de pequena escala.

2.5 Teste de PCB —Usando uma serra

Certamente, cortar uma tábua é realmente uma má ideia. No entanto, há momentos em que um PCB pode indicar conexões questionáveis ​​em partes ocultas (geralmente após analisar uma imagem de raio-X). Uma das maneiras mais fáceis de resolver as preocupações é cortar a placa com uma serra e inspecionar as conexões subjacentes das falhas.

Ao fazer isso, você poderá observar erros internos e corrigi-los para ter melhores produções de outras placas.

2.6: Inspeção óptica automatizada (AOI)

Ao produzir um grande número de PCBs, o VMI torna-se tedioso. AOI é uma melhoria automatizada do VMI. Os sistemas tiram instantâneos de várias partes da placa e usam as imagens para construir uma representação da placa real em uma composição que é então comparada com o design original.

O AOI é mais rápido e preciso que o VMI. No entanto, é caro adquirir e manter para projetos simples.

2.7 Testes em circuito (TIC)

In-Circuit Testing é a maneira mais abrangente de testar um PCB quanto a defeitos. Tem como objetivo testar os componentes de uma placa para verificar sua eficiência em todo o protótipo da placa. Normalmente, o PCB a ser testado é submetido a um leito de pregos conectados a diferentes componentes seletivamente para avaliar seu desempenho como unidades.

Embora seja a forma mais recomendável de teste, as TIC são muitas vezes caras, tediosas e demoradas. Assim, geralmente é reservado para testar PCBs que são produzidos em larga escala. Uma versão diferente e mais recente do teste de TIC que é mais barata e oferece uma maneira mais econômica de testar protótipos é conhecida como o método “sonda voadora” que é discutido em detalhes no capítulo 3, quando se fala de ferramentas.

2.8 Teste de PCB —Teste funcional

É sempre a última fase de teste de PCBs. Uma vez que um PCB é feito, um teste funcional compreende um conjunto de programas carregados no dispositivo de teste para verificar se ele desempenha suas funções conforme o esperado.

Conclusão

Principalmente, não é que esses métodos sejam perfeitos; eles são apenas menos propensos a erros. Essa suposição é válida porque as estratégias têm sido submetidas a constantes inspeções e revisões para melhorar sua eficácia.

Esses métodos (em grande medida) também ditam os tipos de ferramentas desenvolvidas para testar PCBs. Em nosso próximo capítulo, vamos agora restringir nosso foco às diferentes ferramentas usadas nas indústrias para testar PCBs.

Equipamento de teste de PCB industrial

O capítulo anterior destacou alguns dos métodos que você pode implantar para encontrar falhas em PCBs verificando-os manualmente. Em outros casos, você pode empregar lentes e outros dispositivos, como um multímetro, para a mesma finalidade.

Por outro lado, ao trabalhar como fabricantes especializados, esses métodos podem se tornar tediosos. Diariamente, você será submetido a circuitos incrivelmente complexos com especificações diferentes. Sob tais condições, o VMI sem ajuda torna-se defeituoso. Este capítulo examinará algumas dessas ferramentas críticas que usamos nas indústrias ao testar PCBs. Abaixo estão alguns dos dispositivos.

3.1 Inspeção óptica automatizada (AOI)

O requisito fundamental do teste de PCB é garantir que os PCBs sejam produzidos para atender a todas as condições incluídas em seus projetos. No entanto, como indiquei na introdução, às vezes os erros são esquecidos durante a produção. As máquinas AOI são máquinas que ajudam você a escanear uma PCB e verificar irregularidades no projeto.

As máquinas AOI são usadas para auxiliar a Inspeção Visual Manual (VMI) durante a fabricação de PCB. Eles consistem em um sistema de câmeras de coordenação e uma plataforma para segurar o PCB a ser inspecionado. A placa é então iluminada de diferentes ângulos específicos à medida que as câmeras capturam imagens das pontas. Usando as imagens, as máquinas AOI podem construir uma representação abstrata da PCB e compará-la com as especificações do projeto original da PCB.

Essas máquinas fazem algumas VMI de uma forma mais rápida e precisa que poderia ser feita manualmente. Principalmente, as ferramentas de inspeção óptica automatizada se concentram na minimização de erros estruturais.

Atualmente, existem máquinas AOI 2D e 3D. Dos dois tipos, as novas máquinas 3D AOI têm um desempenho mais rápido e melhor do que seus predecessores 2D. As máquinas 3D AOI também são sensíveis o suficiente para detectar erros significativos relacionados à energia.

Vantagens das máquinas AOI

1. Eles são populares do que outras máquinas
2. Detectar erros estruturais mais rapidamente
3. Pode ser utilizado durante o processo de fabricação para minimizar o tempo total gasto nos testes finais.

Desvantagens das máquinas AOI

1. Eles não podem examinar conexões ocultas ou sob BGAs
2. Eles são ineficazes ao examinar placas carregadas com componentes ocultos.

3.2 Teste de PCB —Máquina de teste de sonda voadora

As máquinas Flying Probe Testing (às vezes chamadas de máquinas Flying Prototype) fornecem uma plataforma para avaliar o desempenho dos protótipos. Essas máquinas diferem das AOIs na medida em que realizam alguns testes em circuito de PCBs. Eles são preferidos aos métodos mais antigos de teste porque são econômicos e fáceis de operar.

O Flying Probers consiste em uma placa de pinos que são interligados a diferentes componentes a bordo. Essas máquinas executam uma abordagem de teste rápido no circuito em componentes de teste para verificar a eficácia dos protótipos. Os membros então são testados através da alimentação ou do envio de sinais e avaliando suas entradas e saídas com as esperadas em seus projetos.

Vantagens das máquinas de teste de sonda

1. Eles são mais baratos e mais rápidos do que as máquinas de teste de TIC comuns.
2. Aumente a qualidade, pois eles permitem que os engenheiros produzam protótipos e adicionem alterações neles antes dos lançamentos finais.
3. Eles são mais fáceis de operar do que máquinas de TIC tradicionais.

Desvantagens dos dispositivos de teste de sonda

1. Não são detalhistas como as máquinas convencionais de TIC.

3.3 Máquinas de teste de controle de impedância

O projeto físico de um circuito a bordo e a quantidade de corrente que passa pela placa afetam qualquer circuito CA que passe próximo ao mesmo curso. Uma combinação desses efeitos e a resistência através do circuito formam a impedância de um circuito.

O teste de impedância é muitas vezes tedioso de realizar. Você precisará determinar o comprimento do condutor, o espaçamento entre os circuitos, a largura e a altura do condutor, bem como o tempo adequado para medir a impedância. Um refletor de domínio de tempo (TDR) é usado para medir a impedância de bordo. No entanto, TDRs normais não são muito úteis em testes automatizados de impedância. Máquinas de teste de controle de impedância aprimoradas são, portanto, empregadas na fabricação de PCBs em maior escala.

3.4 Testadores de espessura de cobre e máquinas de exame de furos

Os testadores de espessura de cobre e examinadores de furos são máquinas razoavelmente relacionadas. Essas ferramentas geralmente são dispositivos de mesa usados ​​para medir a largura de uma peça perfurada ou a espessura dos componentes de interconexão da camada de cobre.

Um exemplo de testador de espessura de cobre

Um testador de espessura de cobre mede a espessura do cobre. Um testador de espessura típico se parece com a imagem acima.

Uma máquina de exame de furos

Máquinas de exame de furos são usadas para estimar o diâmetro dos furos inserindo pinos com diâmetros diferentes. Uma máquina típica de exame de furos pode se parecer com a mostrada acima.

3.5 Teste de PCB —Sistemas de teste elétrico de PCB

Uma vez que todos os componentes são soldados na PCB, é fundamental realizar alguns Testes In-Circuit e verificar a eficiência dos recursos integrados. Normalmente, esta fase deve vir após uma TIC completa. Sem testes abrangentes de TIC, esse tipo de teste só pode indicar a probabilidade de um problema existente sem necessariamente fornecer uma maneira de localizar ou resolver o erro.

Geralmente, qualquer outro sistema desenvolvido para analisar a eficiência e confiabilidade de uma placa de circuito pode se enquadrar nessa categorização.

3.6 Visão geral do capítulo

Até agora, destacamos a necessidade de testar PCBs e mostramos algumas das máquinas usadas na indústria para testar PCBs. Nos capítulos restantes, focaremos agora no teste de montagem de PCBs.

Teste de montagem de PCB

4.1 Teste de PCB —Introdução

O teste de montagem de PCBs é um tipo de teste que é feito depois que os componentes elétricos especificados em uma lista de materiais (BOM) de um PCB são instalados a bordo. O teste de montagem de PCB está intimamente ligado às TIC (que já discutimos antes).

Normalmente, o teste é feito em um leito de pregos fixados em uma superfície plana com acesso a vários componentes conectados ao PCB. Dependendo do tipo de teste programado para ser realizado, a placa pode ou não estar energizada.

A lista de materiais (BOM) de um PCB é instalada em uma placa. O teste de montagem de PCB é feito em duas abordagens:

1. Testar um único componente/módulo a bordo e investigar sua correlação com todos os outros componentes dentro da rede de componentes/módulos elétricos. Esse teste geralmente é realizado para componentes individuais e avançado para todos os outros componentes da rede que compartilham interesses com o elemento testado.
2. Teste por amostragem de alguns componentes críticos específicos no circuito e investigando os resultados do desempenho dos componentes com os resultados esperados.

4.2 Benefícios do teste de montagem

1. Uma placa de circuito inteira é testada quanto a falhas de energia, como curtos ou circuitos incompletos. O teste também estabelece a presença de componentes defeituosos em um protótipo.
2.  Esse tipo de teste também envolve testes de ativação que ajudam a minimizar significativamente as necessidades de depuração de um cliente
3. Ele pode detectar quase todas as falhas possíveis em um PCB
4. Tem uma plataforma de teste de PCB independente da plataforma do sistema operacional
5. Os testes seguem os padrões IPC universais aceitos

4.3 Teste de PCB —Deméritos do teste de montagem

O principal problema com o teste de montagem é que testar um único protótipo de PCB leva muito tempo e recursos financeiros. Às vezes, testar uma única placa complexa pode levar entre cinco e seis semanas, e o custo para testar essa placa pode ser muito alto. O teste de montagem é, no entanto, funcional e mais preciso ao tentar PCBs do que qualquer outro método de teste. É, portanto, ideal para marcas desenvolvidas que exigem altos padrões de qualidade e produções em massa.

Conclusão

Testar PCBs é um passo fundamental para todos os projetistas e engenheiros de PCBs. Conforme visto nas ilustrações deste guia, as técnicas e abordagens adequadas de teste de PCB podem afetar diretamente a qualidade dos eletrônicos produzidos por um engenheiro. Consequentemente, técnicas de teste ruins são caras para as empresas.

Portanto, como o teste de PCB afeta diretamente a qualidade dos eletrônicos produzidos por qualquer empresa, vale cada centavo, pois está diretamente ligado à lucratividade geral de qualquer empresa. O único problema é que a maioria dos fabricantes de contrato sobrecarrega o teste de PCBs.

Como WellPCB, nos equipamos com os métodos mais modernos de equipamentos de teste de PCB e dedicamos nosso tempo e experiência para testar PCBs para nossos clientes. O último processo do WellPCB. Forneceremos um serviço de balcão único e produtos de alta qualidade. Você pode nos enviar os documentos que você precisa fazer e obter uma cotação imediatamente! O que estamos esperando? Temos dez anos de fabricação de PCB para verificar e testar as especificações, requisitos e problemas de circuito novamente. Assim, para o teste de PCB e a qualidade, você ficará satisfeito. Como alternativa, você pode nos fornecer uma cotação para que seus PCBs sejam montados e testados.