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PCBA-Fehleranalyse und Maßnahmen zur Fehlerbehebung

Die bestückte Leiterplatte (PCBA) ist die wichtigste Komponente in allen elektrischen Geräten und die weltweite Nachfrage nach PCBA ist in den letzten Jahrzehnten gestiegen. Angesichts dieser gestiegenen Nachfrage liegt das Hauptaugenmerk vieler Leiterplattenhersteller nun auf der Minimierung von Fehlern auf der Leiterplatte. Daher ist ein umfassendes Verständnis der häufigsten PCB-Fehler erforderlich, insbesondere um die Ursache(n) zu finden und das entsprechende Wissen zur Vermeidung dieser Fehler zu haben. Dieses Verständnis ist die Voraussetzung dafür, dass qualitativ hochwertige Leiterplatten und schließlich ein hochwertiges PCBA-Produkt hergestellt werden. Es ist wichtig, diese Punkte zu beachten, denn sie haben einen direkten Einfluss auf die Funktionalität und Qualität des Endprodukts. PCB-Montage. Wie bei den aktuellen Fortschritten in der Technologie nimmt auch die Komplexität von Leiterplatten ständig zu, was bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit von Fehler bei der PCB-Bestückung auftreten. Diese Fehler können in vier Gruppen eingeteilt werden:

  • PCB-Designfehler führen zu PCBA-Ausfall (z.B. unzureichender Abstand)
  • Fehler bei der Leiterplattenherstellung (z.B. Überätzen, Bohrfehler und unsachgemäßes Löten)
  • Schäden durch unsachgemäßen Gebrauch von Leiterplatten (z.B. übermäßige Nutzung und kumulative Schäden/Ermüdung)
  • Defekte im Zusammenhang mit der Lagerungsumgebung der PCBA (z.B. feuchte und/oder staubige Umgebung)
Techniker mit defekter Platine

Mit viel Glück, die meisten PCBA-Ausfälle können durch das richtige Wissen über Leiterplattenausfälle verhindert werden. FS Technology empfiehlt Ihnen daher, nach der Entdeckung eines Fehlers auf einer Leiterplatte nicht in Panik zu verfallen und stattdessen der Fehleranalyse und -behebung Vorrang einzuräumen. Wenn Sie ein Leiterplattendesigner sind oder ein PCB-Herstellung Industriellen ist es wichtig, dass Sie verstehen, wie eine PCBA unter bestimmten Bedingungen ausfallen kann. In diesem Blog-Beitrag von FS Tech werden die Techniken zur Fehleranalyse bei der Leiterplattenbestückung im Detail besprochen und einige häufige PCBA-Fehler aufgelistet, wobei auch die Ursachen analysiert werden, um Lösungen zu finden.

PCBA-Design-Fehleranalyse und Abhilfemaßnahmen

Fehlende Lötstoppmaske zwischen den Pads

Eine Kupferschicht auf einer Leiterplatte hat in der Regel eine dünne, spezielle Schicht auf der obersten Oberfläche, die so genannte Lötmaske. Der Hauptzweck dieser Schicht besteht darin, im Wesentlichen als Abschirmung zu fungieren und eine Schutzschicht zwischen der Umgebung und den Leiterbahnen in den Kupferschichten der Leiterplatte zu bilden. Sie verhindert, dass diese Leiterbahnen mit anderen Materialien wie Metall oder Lötzinn in Berührung kommen und schützt so die bestückte Leiterplatte vor Korrosion und Stromschlägen. 

Wenn sich zwischen den Pads (die Metallteile, die absichtlich zum Löten freigelegt werden) auf einer Leiterplatte keine Lötmaske befindet, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass Lötbrücken entstehen und ein Kurzschluss auf der Platine zwischen zwei benachbarten Pads auf einer Leiterplatte. Außerdem ist der Schutz vor Korrosion auf der Leiterplatte geringer.

Abhilfe

Dieses Problem lässt sich vermeiden, indem Sie das PCB-Design doppelt überprüfen, bevor Sie es an die Hersteller schlüsselfertiger PCBAs senden. In einigen Fällen kann es zu einem Versehen kommen, aber es ist wichtig, dass Sie Ihr Design an Hersteller weitergeben, die über eine gute Erfolgsbilanz mit ordnungsgemäßen DFM-Prüfprotokollen verfügen, damit eventuelle Probleme erkannt werden können, bevor das Design realisiert wird.

Elektromagnetische Probleme

Elektromagnetische Störungen (EMI) und elektromagnetische Fähigkeiten (EMC) sind zwei unterschiedliche Faktoren, die beim Leiterplattendesign zu berücksichtigen sind. EMI wird als Rauschen im Elektromagnetismus betrachtet, wie z.B. unerwünschte oder schädliche Auswirkungen von elektromagnetischen Fähigkeiten, während EMC die Erzeugung, Ausbreitung und Wahrnehmung von elektromagnetischer Energie bezeichnet. Wenn die EMI über einen bestimmten Grenzwert hinaus ansteigt, kann dies zu einer fehlerhaften Leiterplatte führen, was aufgrund von Fehlern im Schaltungsdesign passieren kann.

Abhilfe

EMI kann durch Vergrößerung der Massefläche der Leiterplatte minimiert werden. Die meisten im 90-Grad-Winkel angeordneten Komponenten auf Leiterplatten erzeugen mehr EMI, so dass sie vermieden werden müssen. Andererseits sind abgeschirmte Kabel im Kabelbaum von Baugruppen am besten geeignet, da sie EMV absorbieren und schließlich zur Reduzierung der EMI beitragen können.

Die Moduldichte ist zu hoch

Nach der Herstellung einer PCBA-Platine wird eine sehr hohe Temperatur verwendet, um elektronische Komponenten auf die Platine zu löten, aber während dieses Prozesses könnten andere umliegende Komponenten verbrannt werden, wenn die Platine zu dicht mit Komponenten bestückt ist. Ein weiteres Problem bei sehr dichten PCBAs ist, dass die PCBA mehr Wärme produziert, wenn sie schneller laufen muss, was problematisch werden kann. Bei dicht gepackten Komponenten kann die Wärme im Inneren der PCBA eingeschlossen bleiben, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die gesamte PCBA verbrennt oder überhitzt. Diese Art von Problem ist in der Regel am schwierigsten in den Griff zu bekommen, da neben der problematischen, fehlerhaften Komponente(n) auch die elektronische Natur anderer Komponenten zerstört wird. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen Überhitzung und Schäden an der Schaltung da ein Anstieg der Hitze zu einer stärkeren Schädigung des Schaltkreises führt. Wenn ein Hitzeschaden auf einer PCBA ignoriert wird, wird es viel schwieriger, die Probleme auf der Platine zu diagnostizieren.

Verbrannte Leiterplatte durch Lötfehler

Abhilfe: 

Jede Leiterplatte kann bis zu einem gewissen Grad Wärme absorbieren, bevor sie vollständig ausfällt. Wenn die Wärme diesen Grenzwert überschreitet, kann dies schwerwiegende Folgen haben und die Leiterplatte dauerhaft unbrauchbar machen. Dieses Problem lässt sich durch die richtige Größe und Struktur abmildern, um die Komponentendichte auf einer Leiterplatte zu verringern und mehr Wärme ableiten zu können, anstatt die Wärme im Inneren der Leiterplatte einzuschließen. Mit dem Wissen über die Orientierungshilfe für PCB-Komponenten kann die Ursache für das Problem einer hohen Dichte von PCB-Komponenten beseitigen.

PCBA-Fertigungsmängelliste und Lösungen

Unsachgemäßes Löten

Lötbrücken oder unsachgemäßes Löten ist eines der häufigsten Probleme bei allen Defekte bei der PCB-Bestückung. Manchmal werden Lötbrücken auch als "Kurzschlüsse" bezeichnet. Lot ist ein wichtiger Bestandteil des Herstellungsprozesses von Leiterplatten, da es die elektrische Verbindung zwischen einem Bauteil und seinem Schaltkreis herstellt. Es kann jedoch gelegentlich verunreinigt werden und einen Ausfall der PCBA verursachen. Lot kann einen Kurzschluss verursachen, wenn es aufgrund von übermäßiger Feuchtigkeit im Lot leitfähig wird. Einige häufige Lötfehler, wie z.B. zu viel verwendetes Lot und/oder angehobene Pads, haben verschiedene Auswirkungen auf die Platine. Darüber hinaus können Kurzschlüsse entstehen, wenn es anormale Verbindungen zwischen benachbarten Pads oder Leiterbahnen gibt. Solche Brücken sind meist sehr klein und dünn, so dass es schwierig sein kann, sie zu entdecken, und wenn sie unentdeckt bleiben, können sie Folgendes verursachen Schäden an PCB-Baugruppen auf einem katastrophalen Niveau wie dem Abbrand/Blasen einiger elektronischer Komponenten. Unsachgemäßes Löten umfasst im Allgemeinen Lötblasen, Trockenlöten und Kaltlöten. All diese Fehler können zum Versagen der Leiterplatte und schließlich zum Versagen der PCBA führen.

Abhilfe

Die visuelle Röntgeninspektion ist eine der besten Vorkehrungen, um unsachgemäße Lötungen und Lötbrücken zu erkennen, die selbst mit bloßem Auge schwer zu erkennen sind. In den meisten Fällen können diese Lötfehler behoben werden durch Entlöten der PCB-Komponenten und sie richtig wieder anzulöten.

Ungereinigte Leiterplatte

Vernachlässigung saubere PCBs ist ein häufiger Fehler, der von den meisten Leiterplattenherstellern begangen wird. Es besteht kein Zweifel, dass metallische Leiterplatten durch verschiedene Umweltbedingungen beeinträchtigt werden. Öl auf der Oberfläche des menschlichen Körpers, Schweiß, Sauerstoff in der Natur und feuchte Umgebungen können allesamt mögliche Ursachen für PCBA-Schaden. Die meisten schlüsselfertigen PCBA-Unternehmen verfügen daher nicht nur über fortschrittliche Montageanlagen und perfekte Qualitätskontrollsysteme, sondern legen auch großen Wert auf die Reinigung von Leiterplatten. Im Folgenden finden Sie die von FS Technology angewandten und organisierten PCB-Reinigungsprozesse:

  • Reinigung auf Wasserbasis
  • Halbwässrige Reinigung
  • Lösungsmittel-Reinigungsverfahren
  • No-clean-Verfahren

Hohlräume in der Beschichtung

Durchkontaktierte Löcher in einer Leiterplatte sind kupferbeschichtete Löcher, durch die Strom von einer Schicht zu anderen Schichten der Leiterplatte fließen kann. Die Hersteller von Leiterplatten erzeugen diese Löcher in der Regel durch ein spezielles Bohrverfahren, damit die Löcher durch alle Schichten einer Leiterplatte gehen. Nach dem Bohren wird ein Galvanisierungsverfahren angewandt, um die äußere Oberfläche dieser Löcher mit Kupfer zu beschichten, damit sie leitfähig werden. 

Durch den Prozess der Abscheidung wird eine dünne Schicht leitfähigen Kupfers auf die Leiterplatte aufgebracht, die in einigen Fällen nicht perfekt ist und während der Beschichtung Hohlräume erzeugen kann. Diese Hohlräume sind Lücken in der Kupferbeschichtung, die problematisch werden, weil solche Lücken in Durchkontaktierungen oder Löchern keinen Strom zwischen den Schichten der Leiterplatte leiten können. Dies führt zu einer mangelhaften Funktion der PCBA oder sogar zu einem vollständigen Ausfall der PCBA. 

Die Hauptursache für solche Beschichtungslücken sind eine unzureichende Reinigung der Bohrlöcher, Verunreinigungen des Beschichtungsmaterials, grobes Bohren der Löcher und die Bildung von Luftblasen während der Beschichtung.

Abhilfe

Verunreinigungen des Beschichtungsmaterials und grobes Bohren lassen sich vermeiden, indem Sie die Löcher ordnungsgemäß reinigen und auch das Beschichtungsmaterial aufbereiten. Um ein sauberes Loch in die Leiterplatte zu bohren, sollten Sie sich immer an die Anweisungen des Herstellers halten, z.B. die empfohlene Bohrgeschwindigkeit oder die erforderliche Anzahl von Bohrungen.

Schäden durch unsachgemäße Verwendung von Leiterplatten

Kumulativer Schaden/Müdigkeit

Der häufigste Grund für das Versagen von PCBAs ist das Vorhandensein von Fehlern. Während des Zusammenbaus von Leiterplatten treten häufig Fehler auf. 

PCBA-Schäden können durch elektrostatische Schäden (ESD) verursacht werden, da PCBAs besonders anfällig für ESD sind. Auch wenn wir ESD nur in der Größenordnung von Tausenden von Volt spüren können, kann die geringste Entladung zum Ausfall einer PCBA-Komponente führen. Dieses Versagen kann versteckt sein, so dass die PCBA weiterhin funktioniert, aber weniger zuverlässig ist, oder es kann katastrophale Folgen haben. Seriöse PCBA-Hersteller wie FS Tech setzen eine Reihe von Sicherheitsmaßnahmen ein, um das Risiko elektrostatischer Entladungen in der Produktion zu vermeiden. Dazu gehören Kittel, die gegen ESD resistent sind.

Das Verbrennen von Komponenten ist ebenfalls eine Art von PCBA-Schaden, weshalb es wichtig ist, dies hervorzuheben, da es eine der Hauptursachen für PCBA-Ausfälle ist. Ein verbranntes Bauteil kann je nach Schwere des Schadens den Austausch der gesamten Leiterplatte und nicht nur eines einzelnen Bauteils erforderlich machen. Im Folgenden finden Sie die drei Hauptgründe für verbrannte Komponenten:

  • Intensive Hitze: Wenn ein Gerät zu heiß wird oder wenn eine Platine direkt von einer Flamme verbrannt wird, besteht ein erhöhtes Risiko für ein hitzebedingtes Problem.
  • Unsachgemäßer Abstand zwischen den Komponenten: Auf der PCBA könnte die Leistung benachbarter elektronischer Komponenten leiden, wenn einige Komponenten zu dicht beieinander liegen, da dies zu einer Überhitzung führen könnte. Um hitzebedingte Fehler zu vermeiden, ist es wichtig, dass die Leiterplatten mit dem optimalen Platzangebot entworfen werden. Natürlich, wenn Sie wissen Wie Sie einen PCB-Hersteller auswählenist es unwahrscheinlich, dass diese Art von Problem auftritt. Nehmen Sie FS Technology als Beispiel. Wenn Sie sich für unseren schlüsselfertigen Service entscheiden, erhalten Sie von unseren PCB-Designern eine professionelle Designberatung, die dieses Problem von der Wurzel her beseitigen kann.
  • Technische Defekte: Wenn die Verbindungen auf einer PCBA nicht richtig hergestellt werden oder die Spannungsschutzvorrichtungen nicht ausreichend sind, besteht eine größere Wahrscheinlichkeit, dass die PCBA überhitzt und Feuer fängt. Genaue Anweisungen, wie etwas anzuschließen ist, können dazu beitragen, die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass einem Techniker ein Fehler unterläuft.

Übermäßiger Gebrauch

PCBAs haben eine Lebensdauer, die der eines Menschen ähnlicher ist als der eines guten Weins. Aufgrund ihres fortgeschrittenen Alters beginnen sie sich zu verschlechtern, wenn sie älter werden. Im Gegensatz dazu kann ein Unternehmen, das schlüsselfertige Leiterplatten montiert, ihre Lebensdauer durch eine rigorose Prozess der PCB-Qualitätskontrolle.

Wenn sich die Komponenten dem Ende ihres geplanten Lebenszyklus nähern, beginnen sie zu versagen. Zu diesem Zeitpunkt müssen die PCBAs entweder repariert oder durch neue ersetzt werden. Bei der Implementierung der Fehleranalyse wird die PCBA schrittweise bis zum Ausfall belastet (thermisch, mechanisch und umwelttechnisch). Anschließend wird die PCBA untersucht, um den spezifischen Fehler zu entdecken und zu untersuchen. Es erfordert beträchtliches Fachwissen, um Fehler in jeder dieser verschiedenen Kategorien zu erkennen.

PCBA-Ausfall durch Lagerungsumgebung verursacht

PCBAs sind sehr anfällig für die Auswirkungen von Umweltvariablen. CLeiterplatten sind anfällig für Ausdehnungen, wenn sie Hitze und Feuchtigkeit ausgesetzt werden, was zu Verformungen führen und möglicherweise Lötverbindungen beschädigen kann. Aus diesem Grund findet die Produktion von PCBAs fast immer in einem Bereich statt, in dem Temperatur und Luftfeuchtigkeit sorgfältig kontrolliert werden, damit sie innerhalb akzeptabler Parameter bleiben.

Staub beeinträchtigt die Arbeit auf Leiterplatten

Wenn die PCBA-Platine in Betrieb ist, erzeugt sie eine geringe Menge an magnetischen und elektromagnetischen Feldern, und diese magnetischen und elektromagnetischen Felder ziehen feinen Staub in der Luft an. Wenn die PCBA unter schlechten Bedingungen gelagert und lange Zeit nicht gereinigt wurde, wird der angesammelte Staub die gedruckten Leitungen der Leiterplatte und die Stifte der Komponenten korrodieren und im schlimmsten Fall sogar Schimmel auf den gedruckten Leitungen verursachen. Schimmel tritt in der Regel in den Signalleitungen und in den Durchkontaktierungen der Leiterplatte auf. Der Ausfall oder die Fehlfunktion vieler gängiger elektronischer Produkte kann durch Schimmel verursacht werden. Wenn es sich um ein partielles Runaway-Phänomen handelt, kann dies auf die Korrosion der Metallstifte zurückzuführen sein. Kennen Sie auch das Phänomen, dass elektronische Geräte je nach Wetterlage gut oder schlecht funktionieren? Wenn Ihr elektronisches Gerät bei sonnigem Wetter gut funktioniert, bei feuchtem Wetter aber nicht, kann das daran liegen, dass sich der Staub auf der Leiterplatte mit der Feuchtigkeit in der Luft zu einem unsichtbaren Widerstandsnetzwerk verbindet, was zu einem Runaway-Phänomen führt.

Der Einfluss von Feuchtigkeit auf die Leiterplatte

Die Auswirkungen von Feuchtigkeit auf Leiterplatten liegen auf der Hand, und auch ein fertiges elektronisches Produkt kann in einer feuchten Umgebung stark leiden. Übermäßige Feuchtigkeit kann Folgendes verursachen Häufige PCB-Probleme. Eine übermäßige Feuchtigkeitssättigung in der Luft führt dazu, dass Wassertropfen auf die Leiterplatte tropfen und sich an den Pins der Komponenten festsetzen. Die Leiterplattenkomponenten, die von vielen Unternehmen für die schlüsselfertige PCBA-Montage verwendet werden, sind SOP- oder SSOP-SMD-Komponenten. Das größte Merkmal dieser Chipkomponenten ist, dass der Abstand zwischen den Pins gering ist, was eine gute Plattform für die Anhaftung von Wassertropfen bietet. Wenn der integrierte Schaltkreis im SSOP-Gehäuse mit Wassertropfen in Berührung kommt, entsteht zwischen den Pins des integrierten Schaltkreises ein unsichtbarer Widerstand, der leicht zu einem Kurzschluss führen kann, der zu einem Ausfall der Leiterplatte, der Signalverarbeitung oder der Übertragungsleitungen führt. Darüber hinaus können die Pins, auch wenn sie nicht funktionieren, bei längerer Einwirkung dieser Umgebung korrodieren und brechen, was zu einem Ausfall der gesamten Platine führt.

PCB durch Feuchtigkeit beschädigt

Abhilfe

Das beste Mittel ist, Nässe so weit wie möglich zu vermeiden. Wenn sich dies aufgrund der Besonderheiten des Projekts nicht vermeiden lässt, empfiehlt FS Technology, dass Sie sich für ein Keramik-Leiterplatte, die die Eigenschaften von 0% Wasseraufnahme hat. Dieser Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf die Analyse von Leiterplattenfehlern und geht nicht zu sehr auf die verschiedene PCB-Typen.

Die neueste Erkennungsmethode zur Vorbeugung von PCB-Montagefehlern

Da die Technologie zur Herstellung von PCBAs von Tag zu Tag fortschreitet, sind verschiedene PCB-Baugruppeninspektion Technologien haben sich durchgesetzt. Die letzten Technologien, die zu diesem Zweck eingesetzt werden, werden im Folgenden erläutert.

Optische Inspektion

Bei dieser Inspektionsmethode wird ein leistungsstarkes optisches Mikroskop verwendet, um die Oberflächenschicht einer Leiterplatte (PCB) zu untersuchen. Zu den Fehlern, die erkannt werden müssen, gehören Korrosion, fehlerhafte Lötstellen, Kurzschlüsse oder Öffnungen, Ansammlungen von festen Verunreinigungen (wie Korrosion) oder Schäden an der Oberflächenschicht. Diese Fehler können durch eine Inspektion der Oberflächenschicht festgestellt werden.

Inspektion der Mikrosektion

Bei dieser Inspektionstechnologie wird ein kleiner Ausschnitt der Leiterplatte entweder mit einem optischen Mikroskop oder einem Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht. Laminierung, Migration der Beschichtung, Zuverlässigkeit und Rauheitsprüfungen gehören zu den häufigsten Anwendungen dieser Technologie.

Röntgeninspektion

Alles, was nicht visuell oder durch einen Test mit einem Rasterelektronenmikroskop beobachtet werden kann, wird mit Röntgentechnologie untersucht. Die Inspektion von Fehlern in der Ebene, die Untersuchung von BGA-Fehlern und die Inspektion anderer Fehlermechanismen in der Ebene sind alles Anwendungen dafür.

Da Sie nun wissen, was bei einer PCBAwissen Sie hoffentlich auch, wie Sie zukünftige Fehlfunktionen verhindern können. Bei der Arbeit mit PCBAs ist es oft erforderlich, Entwürfe umzuschreiben und Komponenten auszutauschen, wenn es nötig ist. Das liegt einfach in der Natur der Branche. Sie können Zeit und Geld sparen, wenn Sie mit einem Geschäftspartner wie FS Tech zusammenarbeiten, der sich mit dem Testen, der Montage und der Herstellung von PCBAs bestens auskennt.

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