Analyse et méthodes de prévention des courts-circuits des circuits imprimés

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.

Carte PCB brûlée par un court-circuit
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 Analyse des défaillances des PCBA en fonction de la situation spécifique. 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 Fabrication de PCB 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 Composants du PCB, 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 Montage DIP, Montage SMT 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 Assemblage de PCB, 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 problème commun de PCB. 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

Détection manuelle des courts-circuits de PCB
Visual inspection method to detect whether the PCB is short circuit

Examiner de très près la surface du circuit imprimé est la première chose à faire lorsque vous essayez de trouver des courts-circuits sur un circuit imprimé. Pendant l'examen de la carte de circuit imprimé, vous devez utiliser une loupe ou un microscope avec un grossissement modeste si vous avez accès à l'un de ces outils. Il sera plus facile de suivre l'emplacement des dommages si vous commencez par tracer le circuit à partir de l'alimentation, car ce sera le point de départ. Faites attention aux moustaches autour des joints de soudure et des pastilles, car elles peuvent provoquer des courts-circuits si vous n'y faites pas attention. S'il y a déjà eu un court-circuit, il peut y avoir des traces de brûlure ou de brûlure. Celles-ci se démarqueront du fond vert de la carte car elles auront la couleur d'une marque de brûlure, qui est brune.

Inspection par caméra thermique/Infrarouge

Image du PCB sous la caméra thermique/infrarouge
Thermal Inspection of PCB Short Circuit

L'utilisation d'une caméra thermique pour trouver l'emplacement d'un court-circuit sur une carte de circuit imprimé n'est pas à la portée de toutes les entreprises, mais elle est indéniablement efficace. Les courts-circuits générant une grande quantité de chaleur, une caméra thermique peut être utilisée pour localiser exactement l'endroit où se situe le problème sur la carte. Mettez la carte sous tension et cherchez un composant ou un joint de soudure beaucoup plus chaud que les autres ; ce sont les endroits où se trouvent vos courts-circuits. Réglez le courant au niveau le plus bas possible. Plus vite le court-circuit est détecté, moins il peut causer de dommages.

Digital Multimeter - the most common PCB short circuit finder

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

La vérification de la résistance entre les différents points du circuit est un moyen de déterminer s'il y a un court-circuit sur une carte de circuit imprimé. Si un contrôle visuel ne donne aucun indice sur la position du court-circuit ou sa source, vous devez prendre un multimètre et tenter de localiser l'endroit physique du circuit imprimé où le problème se produit. La stratégie d'utilisation d'un multimètre a des avis partagés dans la plupart des communautés électriques ; cependant, le fait de tracer les emplacements de vos tests de court-circuit peut vous aider à déterminer ce qui n'est pas le problème dans votre système.

La possibilité d'un pontage interne ou externe existe si une résistance exceptionnellement faible est détectée entre deux conducteurs qui devraient se trouver dans des circuits différents.

Test de court-circuit par rapport à la terre

La présence d'un court-circuit qui implique une voie mise à la terre ou un plan de masse est particulièrement importante. Les cartes de circuits imprimés (PCB) multicouches qui comprennent un plan de masse interne auront un canal de retour par un via près des composants. Ce chemin de retour offre un endroit pratique pour vérifier tous les autres vias et pastilles sur la couche de surface de la carte. Placez une sonde sur une connexion de masse et déplacez l'autre sonde autour de la carte pour qu'elle entre en contact avec les différents conducteurs.

Essais destructifs

Destruction du PCB afin de détecter un court-circuit
Destructive Testing of PCB

Si aucun des tests précédents ne donne de résultats, vous devrez effectuer le test ultime, qui implique le démontage physique de votre carte. Vous pourrez déterminer s'il s'agit des problèmes en retirant chaque composant un par un, puis en effectuant des tests au multimètre sur les plots qui sont maintenant exposés. Il s'agit d'un type de test extrême, qui doit être réservé aux cas où toutes les autres options ont été épuisées. Avec le temps, vous serez en mesure de déterminer quels composants de la carte manquent, ce qui a créé un court-circuit. Le test avec un multimètre ne révélera pas tous les problèmes d'un composant, mais cela vous permettra de retirer le composant problématique et de le remplacer ultérieurement.

Aussi frustrants qu'ils puissent paraître, les courts-circuits sont assez courants. Avec un peu de chance, vous serez en mesure d'identifier et de résoudre ces problèmes rapidement et facilement à l'aide des outils de diagnostic.

How to prevent PCB short circuit

Assurez-vous de vérifier minutieusement les règles de test en circuit, pour détecter les erreurs, les défauts de conception et les tolérances de fabrication, si vous ne voulez pas avoir à subir l'agonie de la chasse aux courts-circuits. Pour éviter les courts-circuits de PCB, vous devez en rechercher les causes de manière approfondie. Parfois, les courts-circuits électriques se produisent dans la production ou la Processus d'assemblage des PCB. Un court-circuit est produit lorsqu'une quantité minuscule de cuivre est laissée à la fin du processus de fabrication. Il est possible qu'un court-circuit se produise pendant le processus de soudage par refusion. 

Parfois, un mauvais fonctionnement des composants, plutôt que du PCB. conseil d'administration lui-même, sont à blâmer pour le court-circuit. Pour résoudre le problème, il suffit de retirer la partie cassée.

Lorsqu'on travaille avec un PCBA, les responsabilités courantes comprennent la réécriture des conceptions et le changement des composants selon les besoins. Avec le programme clé en main de FS Tech PCBA Service, il est possible de gagner du temps et de l'argent en coopérant avec un partenaire compétent en matière de test, d'assemblage et de production de PCBA.

Le court-circuit est l'un des défauts les plus courants des circuits imprimés, mais pas le seul. Nous devons prêter attention à chaque maillon du processus de conception, de fabrication et d'utilisation. Voici quelques articles sur le thème des défauts :

Analyse des défauts de PCBA et mesures de résolution des défauts

Comment dessouder les composants d'un PCBA

Directives d'orientation pour le placement des composants du PCB

Guide de dépannage PCB CAF

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