Analyse von PCB-Kurzschlüssen und Methoden zu ihrer Vermeidung

Overview: A circuit board short circuit is something that all engineers do not want to see, and once it happens, it may bring a devastating blow. However, circuit boards are complex and fragile electronic components, and no matter how skilled engineers are, they may expose to a variety of potential risks that could compromise the integrity of each board. In this article, FS Tech will focus on this most troublesome and destructive common PCB issue, and provide you with several methods to detect and fix PCB shorts. Keeping these things in mind will help you make changes that will hopefully save your work.

Kurzschluss verbrannte Platine
Damaged PCBA board due to short circuit

Reasons and solutions for circuit board short circuit

Circuit shorts occur anywhere on the board frame and can be caused by PCB shorts, misalignment when installing components, secondary damage caused by rework, and it can also be caused by a minute particle that becomes lodged between the pins of an IC chip. The construction and installation of PCBs are vulnerable to the danger posed by short circuits, which can cause the circuitry to overheat and even destroy PCB components. Either a solder bridge connecting neighbouring pins or vias is to blame, or a badly built PCB board is to blame for the issue. For finding the cause of the short circuit, we need to conduct a PCBA Fehleranalyse entsprechend der jeweiligen Situation. Below we list some reasons for PCB functional short circuit and give corresponding solutions:

  • Soldering short circuit
  • Component short circuit
  • ESD breakdown
  • Electrochemical short circuit (chemical residue, electro-migration)
  • Short circuit caused by other reasons

Soldering short circuit

Soldering short circuit is usually caused by too dense IC pins or too small spacing between components, usually for the following reasons:

Excessive solder paste​

The electric board short circuit due to excess solder paste for the following reasons:

  • The thickness of the stencil used in solder paste printing and the size of the holes are not set properly;
  • There is a problem with the distribution of dripping solder paste due to uneven support or tilted stencil during printing;
  • Problems with PCB-Herstellung causing its surface to be uneven;
  • The steel mesh tension does not meet the standard;
  • The stencil is not cleaned in time or not cleaned after use.
 

Optimization:

  • Carefully review the customer’s component list, and select steel meshes of different thicknesses according to the density of component distribution and whether there are small components;
  • Adjust the printing speed, pressure and other parameters of the SMT equipment according to the CPK value of the solder paste thickness;
  • Regularly check and clean the stencil.

PCB position offset

FS Technology strictly requires every process in the assembly plant. When the printing offset exceeds 1/4 pad, we judge it as printing offset. PCB position deviation during printing causes solder paste to drop to the wrong position, resulting in short circuit of the finished board. The reasons are as follows:

  • PCB fixture failure
  • Poor precision of loading machine
 

Optimization

  • Adjust or replace fixtures
  • Manual calibration of printing accuracy
  • Enhanced printer identification

Edge collapse

If you find edge collapse during printing, you need to analyze the cause in time and solve it immediately, otherwise the circuit board will be short-circuited. Causes of edge collapse include the following:

  • Solder paste exposed to the air for a long time may be polluted or oxidized, resulting in low viscosity and poor thixotropy, and it is prone to flow and sag after printing;
  • Due to the roughness of the steel mesh, the dripping solder paste is sharpened, resulting in edge collapse;
  • When the placement machine mounts SOP, QFP, QFN, CSP and other PCB-Komponenten, due to excessive pressure, the solder paste is deformed and causes edge collapse;
  • When the reflow soldering machine is preheated, the temperature rises too fast, causing the solution in the solder paste to volatilize too quickly, causing the solder particles to be squeezed out of the soldering area and collapse.
 

Optimization:

  • Prepare the solder paste before solder paste printing, and ensure that the viscosity of the solder paste is moderate;
  • Use more advanced laser cutting machines to manufacture stencils and regularly check the quality of stencils;
  • Adjust the pressure and placement height of the placement machine, and conduct a small batch test before high volume PCB assembly to ensure correctness;
  • Set the temperature of the reflow soldering machine according to the Profile parameters provided by the solder paste supplier.

PCB component short circuit

Component short circuit is a form of short circuit that users feel most deeply. Some ordinary users (without electrical knowledge) attribute the short circuit phenomenon of all electronic products to short circuit of electronic components. Electronic components are usually soldered to the circuit board by PCB assembly companies through DIP Montage, SMT-Bestückung or mixed assembly technology. Due to the fragility of this electronic device, there are many reasons for its short circuit, including component failure, assembly failure, cleaning problems, etc. The most common electrical failures of all components are: the two ends of the electrical appliances in the circuit are directly connected by wires; the power supply is directly connected by wires without any electrical appliances.

Ohm’s law: I = U / R, the supply voltage V is too large and the resistance R is too small, the circuit through the components of the current will become large, if the appliance is running for a long time, the components can not carry the flow of electricity will lead to line overheating or even burned.

ESD breakdown

Electrical Static Discharge (ESD), contact between human body or components, friction, induction between electrical appliances may produce this natural phenomenon. If the PCB is not designed to prevent ESD, the electronic products using the PCBA board will run unstable or burn out. The following are the measures provided by FS Technology to prevent ESD PCBA short circuit:

  • Using Avalanche Diodes to Prevent Electrostatic Shorting of PCBs
  • Use High Voltage Capacitors to Protect Circuits
  • Using Ferrite Beads to Reduce ESD Current and Suppress Radiation
  • Eliminate high-frequency energy by reducing the area of the loop through decoupling capacitors
  • Use CMOS devices or TTL devices to avoid circuit short circuits
  • Improve the circuit structure and use multi-layer PCB to provide protection for electronic products
  • Adding an LC filter reduces the risk of high-frequency static electricity entering the circuit
  • Spark gap method (The microstrip line layer consisting of copper skins is formed using triangular copper skins with their tips aligned with each other, with one end of the triangular copper skins connected to the signal line and the other triangular copper skins connected to ground.)

Electrochemical short circuit

Electrochemical short circuit means that after the PCB assembly is completed, due to the influence of chemical (ion) residues, the PCBA is corroded and undergoes electrochemical migration, which eventually reduces the life of electronic components or presents a difficult PCB short circuit problem. Due to the complexity of PCB assembly and manufacturing processes, there are many reasons for chemical (ionic) residues, the following are the two most common:

Highly Active Compound Residues

Due to the poor wettability of lead-free solder, the assembly factory has an excessively high failure rate during PCB-Montage, so the assembly factory solves this problem by increasing the activity of PCB flux. Then there are gains and losses. Improper soldering process coordination when using these highly reactive compounds will result in active material residues and short circuits in the assembled PCB as a result.

Poor cleaning process

Factories use no-clean or simple cleaning processes to save costs. Although there is no problem with these PCBs and PCBAs in the early stage of production, after a period of storage or after the customer receives the goods and puts them into finished product production, the surface of the circuit board will rot or electromigrate.

Optimization:

  • Carefully look for PCBA suppliers, check qualifications or clarify processes
  • Use solder as needed

How to Test a Circuit Board for Shorts

The results of a short circuit might range from immediately observable damage to mistakes that will not become apparent until the product is put through further testing. On the other hand, sometimes more subtle shorts might develop between the input pins or other components, and the harm caused by these shorts will not become apparent until you run the starting tests. There are many ways to test for this häufiges PCB-Problem. The way most people use is to inspect the board by eye, but there are a lot of tricks beyond this step (requires the use of PCB shorts).

Power-on Detection Method

The easiest way to tell if a PCB is shorted is by applying power to it. Electronic products almost always have a pungent smell or smoke when a short circuit occurs. This is the same as the circuit board. The reason for this phenomenon is mainly due to the burning of components. This type of detection cannot determine which component is short-circuited and requires analysis of the schematic.

Least Resistance Verification

Electronic engineers use PCB short-circuit detection tools to detect the resistance of GND points at different positions on the board, and find the position with the smallest resistance, which is the accurate short-circuit PCB position. Although this method can accurately determine the location, it is extremely demanding and requires precise detection tools and manual review.

Fish dead net breaking method (not recommended)

The short-circuit area is determined by continuously supplying voltage to the circuit board to find the hot location. In actual operation, because the power-on time is too short, the PCB may not change in temperature difference, so it needs to be powered on until it reaches the tolerance limit of the chip. Because this method will cause damage to the board, it is not recommended to use it, unless faced with some special circumstances, that is, the test circuit board displays normal when the power is not turned on, but fails when the power is turned on. This situation is usually caused by insufficient power, indicating that the current parameter during design is smaller than the actual load.

Visual inspection

Manuelle Erkennung von PCB-Kurzschlüssen
Visual inspection method to detect whether the PCB is short circuit

Wenn Sie versuchen, Kurzschlüsse auf einer Leiterplatte zu finden, sollten Sie zunächst die Oberfläche der Leiterplatte genau untersuchen. Bei der Untersuchung der Leiterplatte sollten Sie eine Lupe oder ein Mikroskop mit bescheidener Vergrößerung verwenden, wenn Sie Zugang zu einem dieser Hilfsmittel haben. Es ist einfacher, den Überblick über mögliche Schäden zu behalten, wenn Sie zunächst die Schaltkreise von der Stromversorgung aus verfolgen, da dies der Ausgangspunkt ist. Achten Sie auf Whisker um Lötstellen und Lötpads, da diese Kurzschlüsse verursachen können, wenn Sie nicht darauf achten. Wenn es schon einmal einen Kurzschluss gegeben hat, können Sie dies an Brandnarben oder Verbrennungen erkennen. Diese heben sich von dem grünen Hintergrund der Platine ab, da sie die Farbe eines Brandflecks haben, die braun ist.

Inspektion mit Wärme-/Infrarotkamera

PCB-Bild unter Wärme-/Infrarotkamera
Thermal Inspection of PCB Short Circuit

Der Einsatz einer Wärmebildkamera zur Lokalisierung eines Kurzschlusses auf einer Leiterplatte ist nicht für alle Unternehmen erschwinglich, aber unbestreitbar effektiv. Da Kurzschlüsse sehr viel Wärme erzeugen, kann eine Wärmebildkamera verwendet werden, um genau zu bestimmen, wo auf der Platine das Problem liegt. Schalten Sie den Strom ein und suchen Sie nach einem Bauteil oder einer Lötstelle, die viel heißer ist als die anderen; das sind die Stellen Ihrer Kurzschlüsse. Stellen Sie die Stromstärke auf die niedrigstmögliche Einstellung. Je früher der Kurzschluss entdeckt wird, desto weniger Schaden kann er anrichten.

Digital Multimeter - the most common PCB short circuit finder

Detecting PCB Short Circuits Using a Digital Multimeter
Short Circuit Testing with Digital Multimeter

Das Prüfen des Widerstands zwischen den verschiedenen Punkten im Schaltkreis ist eine Möglichkeit, um festzustellen, ob ein Kurzschluss auf einer Leiterplatte vorliegt. Wenn eine visuelle Prüfung keine Hinweise auf die Position des Kurzschlusses oder die Quelle des Kurzschlusses liefert, sollten Sie ein Multimeter nehmen und versuchen, die Stelle auf der Leiterplatte ausfindig zu machen, an der das Problem aufgetreten ist. Die Strategie, ein Multimeter zu verwenden, wird in den meisten Elektrofachkreisen mit gemischten Gefühlen beurteilt. Dennoch kann das Aufspüren der Stellen, an denen der Kurzschluss auftritt, Ihnen dabei helfen, herauszufinden, was nicht das Problem in Ihrem System ist.

Die Möglichkeit einer internen oder externen Überbrückung besteht, wenn ein außergewöhnlich niedriger Widerstand zwischen zwei Leitern festgestellt wird, die in unterschiedlichen Stromkreisen liegen sollten.

Testen eines Kurzschlusses im Verhältnis zur Erde

Das Vorhandensein eines Kurzschlusses, der eine geerdete Leitung oder Massefläche betrifft, ist von besonderer Bedeutung. Mehrlagige Leiterplatten (PCBs), die über eine innere Massefläche verfügen, haben einen Rückkanal durch eine Durchkontaktierung in der Nähe der Komponenten. Dieser Rückweg bietet einen praktischen Punkt, um alle anderen Durchkontaktierungen und Pads auf der Oberflächenschicht der Leiterplatte zu überprüfen. Setzen Sie eine Sonde auf eine Masseverbindung und bewegen Sie die andere Sonde auf der Leiterplatte, um verschiedene Leiter zu berühren.

Zerstörende Prüfung

Zerstörung der Leiterplatte zur Erkennung eines Kurzschlusses
Destructive Testing of PCB

Wenn keiner der vorangegangenen Tests zu einem Ergebnis führt, müssen Sie den ultimativen Test durchführen, bei dem Sie Ihr Board physisch zerlegen müssen. Sie können feststellen, ob es sich um das Problem handelt, indem Sie jede Komponente einzeln ausbauen und dann Multimetertests an den nun freiliegenden Pads durchführen. Dies ist eine extreme Art des Testens, die Sie sich aufheben sollten, wenn alle anderen Möglichkeiten ausgeschöpft sind. Mit der Zeit werden Sie feststellen können, welche Komponenten auf der Platine fehlen, die wiederum einen Kurzschluss verursacht haben. Der Test mit einem Multimeter wird nicht jedes Problem mit einer Komponente aufdecken, aber er ermöglicht es Ihnen, die problematische Komponente zu entfernen und sie später zu ersetzen.

So frustrierend sie auch sein mögen, Kurzschlüsse sind recht häufig. Hoffentlich können Sie diese Probleme mit Hilfe der Diagnosetools schnell und einfach identifizieren und beheben.

How to prevent PCB short circuit

Vergewissern Sie sich, dass Sie gründlich nach Fehlern, Designfehlern und Fertigungstoleranzen suchen, wenn Sie sich nicht mit der Suche nach Kurzschlüssen herumplagen wollen. Um Leiterplattenkurzschlüsse zu vermeiden, sollten Sie deren Ursachen gründlich untersuchen. Manchmal entstehen elektrische Kurzschlüsse in der Produktion oder PCB Montageprozess. Ein Haarkurzschluss entsteht, wenn am Ende des Herstellungsprozesses auch nur eine winzige Menge Kupfer zurückbleibt. Es ist möglich, dass ein Kurzschluss während des Reflow-Lötvorgangs auftritt. 

Manchmal funktionieren die Komponenten nicht richtig, sondern die Leiterplatte Vorstand selbst, für den Kurzschluss verantwortlich sind. Um das Problem zu beheben, nehmen Sie einfach das defekte Teil heraus.

Bei der Arbeit mit PCBAs gehört es zu den Routineaufgaben, Entwürfe umzuschreiben und Komponenten nach Bedarf auszutauschen. Mit dem FS Tech's Turnkey PCBA Service ist es möglich, sowohl Zeit als auch Geld zu sparen, indem Sie mit einem Partner zusammenarbeiten, der sich mit dem Testen, der Montage und der Produktion von PCBAs auskennt.

Ein Kurzschluss ist einer der häufigsten PCB-Fehler, aber nicht der einzige. Wir müssen auf jedes Glied im Design-, Herstellungs- und Nutzungsprozess achten. Hier finden Sie einige Artikel zum Thema Fehler:

PCBA-Fehleranalyse und Maßnahmen zur Fehlerbehebung

Entlöten von Komponenten von PCBA

Richtlinien für die Platzierung von PCB-Komponenten

PCB CAF-Fehlerbehebungsanleitung

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