Analisi dei cortocircuiti sui PCB e metodi di prevenzione

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.

Cortocircuito della scheda PCB bruciata
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 Analisi dei guasti PCBA in base alla situazione specifica. 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 Produzione di 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 Componenti 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 Assemblaggio DIP, Assemblaggio 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 Assemblaggio di 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 problema comune del 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

Rilevamento manuale dei cortocircuiti dei PCB
Visual inspection method to detect whether the PCB is short circuit

Esaminare da vicino la superficie del circuito stampato è la prima cosa da fare quando si cerca di trovare un cortocircuito su un circuito stampato. Durante l'esame del circuito stampato, è necessario utilizzare una lente di ingrandimento o un microscopio con un modesto ingrandimento, se si dispone di uno di questi strumenti. Sarà più facile individuare i punti in cui possono verificarsi i danni se si inizia a tracciare il circuito dall'alimentatore, in quanto questo sarà il punto di partenza. Tenete d'occhio i baffi intorno alle giunzioni e alle piazzole di saldatura, perché potrebbero causare dei cortocircuiti se non ci fate attenzione. Se in precedenza si è verificato un cortocircuito, è possibile che vi siano tracce di bruciature o ustioni. Queste spiccano sullo sfondo verde della scheda perché hanno il colore delle bruciature, che è marrone.

Ispezione con telecamera termica/all'infrarosso

Immagine del PCB sotto la telecamera termica/infrarossa
Thermal Inspection of PCB Short Circuit

L'uso di una termocamera per individuare la posizione di un corto circuito non è alla portata di tutte le aziende, ma è innegabilmente efficace. Poiché i cortocircuiti generano una grande quantità di calore, una termocamera può essere utilizzata per individuare esattamente il punto della scheda in cui si trova il problema. Accendete l'alimentazione e cercate un componente o un giunto di saldatura che sia molto più caldo degli altri; questi sono i siti dei vostri cortocircuiti. Impostate la corrente al minimo possibile. Prima viene rilevato il cortocircuito, meno danni può causare.

Digital Multimeter - the most common PCB short circuit finder

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

Il controllo della resistenza tra i vari punti del circuito è un modo per determinare se c'è un cortocircuito su una scheda di circuito. Se il controllo visivo non offre alcun indizio sulla posizione del cortocircuito o sulla sua origine, è necessario prendere un multimetro e cercare di rintracciare il punto fisico del circuito stampato in cui si verifica il problema. La strategia di utilizzare un multimetro ha valutazioni contrastanti nella maggior parte delle comunità elettriche; tuttavia, tracciare le posizioni del test di cortocircuito potrebbe aiutarvi a determinare quale non sia il problema nel vostro sistema.

La possibilità di un ponte interno o esterno esiste se viene rilevata una resistenza eccezionalmente bassa tra due conduttori che dovrebbero appartenere a circuiti diversi.

Test del cortocircuito rispetto alla terra

La presenza di un cortocircuito che coinvolge una via o un piano di massa è particolarmente importante. I circuiti stampati multistrato (PCB) che includono un piano di massa interno avranno un canale di ritorno attraverso una via vicino ai componenti. Questo percorso di ritorno offre un punto pratico per controllare tutti gli altri vias e pad sullo strato superficiale della scheda. Posizionare una sonda su una connessione di terra e spostare l'altra sonda intorno alla scheda per entrare in contatto con i vari conduttori.

Test distruttivi

Distruzione del PCB per rilevare il cortocircuito
Destructive Testing of PCB

Se nessuno dei test precedenti fornisce risultati, è necessario eseguire il test definitivo, che prevede lo smontaggio fisico della scheda. Sarà possibile determinare se si tratta di un problema rimuovendo ogni componente uno alla volta ed eseguendo test con il multimetro sui pad ora esposti. Si tratta di un tipo di test estremo, che va conservato per quando tutte le altre opzioni sono state esaurite. Con il tempo, sarà possibile determinare quali componenti della scheda sono mancanti e hanno creato un cortocircuito. Il test con un multimetro non rivelerà tutti i problemi di un componente, ma in questo modo sarà possibile rimuovere il componente problematico e sostituirlo in seguito.

Per quanto frustranti possano sembrare, i cortocircuiti sono piuttosto comuni. Si spera di poter identificare e risolvere questi problemi con l'aiuto degli strumenti di diagnostica in modo rapido e semplice.

How to prevent PCB short circuit

Assicuratevi di aver effettuato un controllo approfondito delle regole di test in-circuit, per individuare errori, difetti di progettazione e tolleranze di fabbricazione, se non volete dover passare attraverso l'agonia della ricerca di cortocircuiti. Per evitare i cortocircuiti dei circuiti stampati, è necessario indagare a fondo sulle loro cause. A volte, i cortocircuiti elettrici si verificano durante la produzione o la Processo di assemblaggio dei PCB. Un cortocircuito si produce quando, al termine del processo di produzione, rimane anche solo una piccola quantità di rame. È possibile che si verifichi un cortocircuito durante il processo di saldatura a riflusso. 

A volte i componenti malfunzionanti, piuttosto che la PCB bordo stesso, sono responsabili del cortocircuito. Per risolvere il problema, è sufficiente rimuovere la parte rotta.

Quando si lavora con i PCBA, le responsabilità di routine includono la riscrittura dei progetti e la modifica dei componenti secondo le necessità. Con il programma chiavi in mano di FS Tech PCBA Il servizio di assistenza è in grado di far risparmiare tempo e denaro collaborando con un partner esperto nel collaudo, nell'assemblaggio e nella produzione di PCBA.

Il cortocircuito è uno dei guasti più comuni dei circuiti stampati e non l'unico. Dobbiamo prestare attenzione a tutti gli anelli del processo di progettazione, produzione e utilizzo. Ecco alcuni articoli sul tema dei guasti:

Analisi dei guasti PCBA e misure di risoluzione dei difetti

Come dissaldare i componenti dal PCBA

Linee guida per l'orientamento dei componenti del PCB

Guida alla risoluzione dei problemi del PCB CAF

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