Každý z nás sa už určite stretol s tým, že elektronické zariadenie z nejakého dôvodu prestane fungovať. A potom vám v servise povedia, že na vine je doska plošných spojov. Dovolím si tipnúť, že by ste radi poznali bežné príčiny porúch PCB tak, aby ste sa im v budúcnosti, ak je to možné vedeli vyhnúť.

V tomto článku sa preto s vami podrobne podelím o všetky možné príčiny zlyhaní dosiek plošných spojov.

Čo je zlyhanie PCB

Na začiatku je PCB alebo jednoducho doska plošného spoja, ktorá pozostáva konštrukčne z vodivých a izolačných vrstiev. V takmer každom elektronickom zariadení sú dosky plošných spojov potrebné na vzájomné vodivé prepojenie jenotlivých komponentov s napájacími a signálnymi cestami.

Čo však vlastne znamená pojem "zlyhanie dosky plošného spoja" a aké má dôsledky na zariadenie? Je to jednoducho nesprávna funkcia tejto časti zariadenia, ktorá má za následok nedostatočnú, alebo úplnú nefunkčnosť zariadenia.

Čo spôsobuje zlyhanie PCB?

Návrh dosky plošného spoja

Často sa stáva, že práve zlý návrh dosky plošného spoja v spojení s nesprávnym umiestnením komponentov sa v konečnom dôsledku podpíše na prehrievaní sa dosiek ich vzájomnom rušení atď. Existujú však ešte dve nuansy, o ktorých sa hovorí len zriedkavo. Doska s plošnými spojmi je prvotná časť elektronického zariadenia. Jednotlivé vodivé spoje, rezistory, diódy, spájkovacie body a ďalšie časti dosky plošných spojov sú zvyčajne dobre navrhnuté tak, aby fungovali čo najefektívnejšie a pokiaľ je to možné tak s nízkym cyklom chybovosti.

Stáva sa však, že táto vrstvená štruktúra z rôznych elektronických súčiastok v praxi nefunguje tak, ako by mala. Príčin zlyhania môže byť viacero a v niektorých prípadoch je pomerne ťažké ich predvídať. Niekedy sú problémy s návrhom spojené s určitými úpravami dosky plošného spoja pri jej vývoji. Dobrá správa: tento problém sa takmer vždy zistí skôr, ako sa doska uvoľní pre sériovú výrobu, nakoľko vždy prejde sériou testov, ktoré sú nutnosťou pri odhaľovaní možných problémov.

Nie menej dôležitým aspektom je aj vhodný výber rôznych materiálov a typ spájkovacej pasty, alebo spájky, ktoré rovnako výrazne ovplyvňujú životnosť dosky. Je nevyhnutné zvážiť vlastnosti každej látky potrebnej pri výrobe dosiek plošných spokov. Zvyčajne nižšia konštrukčná pevnosť, pružnosť alebo vodivé vlastnosti majú za následok výrobu celých sérií dosiek s nízkou kvalitou a tým pádom s vysokou chybovosťou.

Výrobné chyby

Degradácia materiálu

Táto vada úzko súvisí s výberom materiálov vo fáze návrhu. Typickým dôsledkom takejto chyby je predčasné zlyhanie dosky plošného spoja. Bežne ju sprevádzajú akékoľvek iné faktory, ktoré postupne zhoršujú aj vlastnosti elektrických komponentov.

Materiály dosiek s nízkym koeficientom tepelnej rozťažnosti (CTE) ako také sa môžu ľahko znehodnotiť, ak sú počas prevádzky vystavené nadmernému pôsobeniu teploty. Prípadne je to aj spájka, ktorá môže rovnako spôsobiť nevratné poškodenie. Preto je napríklad bezolovnatá spájka dobrou voľbou, pokiaľ sa predpokladá použitie finálnefo výrobku v extrémne vysokých teplotách.

Nesúlad vrstiev

Montáž / osádzanie dosky plošných spojov elektronickými komponentami je pomerne zložitý a technologicky náročný proces kvôli potrebe dokonalého zarovnania viacerých vrstiev. Problémy, ktoré sa môžu vyskytnúť v tejto fáze, sú prerušenia vodivých dráh, skraty alebo prekrížené signálové vedenia. Manuálna alebo automatizovaná optická kontrola často zistí takéto nedostatky. Stále však existuje šanca, že hotové zariadenie začne nesprávne fungovať kvôli chybe na doske plošných spojov.

Posunutie komponentu

Už z názvu problému je zrejmé, že problém môže nastať aj posunom komponentu mimo stanovenú pozíciu pri jeho osádzaní a následnom spájkovaní. Pracovníci zvyčajne neumiestňujú elektrické mikrosúčiastky ručne. Žiadny osádzací automat však nie je bezchýbný, nakoľko existujú chyby, ktoré sa môžu s určitou pravdepodobnosťou vyskytnúť z nasledujúcich dôvodov.

Posunutie komponentu na doske plošného spoja

• Vystavenie vibráciám.

Častým problémom je vplyv vibrácií na jednotlivé komponenty zariadenia. To má za následok možnosť zmeny polohy komponentov. Osádzací automat by tak nebol schopný správne zdvihnúť a umiestniť komponent alebo by dokonca mohol odobrať kus určený pre ďalšiu fázu montáže.

• Chyby softvéru

Zriedkavo sa stáva, že komponenty posunuté v dôsledku vibrácií sú ďalej umiestnené nesprávne. Zvyčajne ich odmietne stroj, ktorý má na starosti zostaveniei dosky. Chyba v softvéri, ktorý je zodpovedný za kontrolu správnej polohy komponentu, však môže umožniť posun komponentu.

• Prebytok spájkovacej pasty

Je veľmi dôležité naniesť dostatočné množstvo spájkovacej pasty na plošné spoje. Nadbytok pasty zvyčajne spôsobuje, že sa súčiastka vznáša a pohybuje. Viac informácií o problematike spájkovacej pasty nájdete v tomto článku - klikni.

Zlomenie dosky plošného spoja

Fyzické alebo mechanické namáhanie je ďalším častým dôvodom, prečo elektronický komponent nefunguje tak, ako by mal. Dosky plošných spojov nie sú výnimkou a nemusí ísť nevyhnutne o priamy fyzický náraz. Opakované nárazy alebo vibrácie pôsobiace na zariadenie, ktoré v sebe obsahuje dosku plošných spojov, môžu ľahko spôsobiť zlomenie dosky a tým pádomprerušenie vodivých drách na doske. Ohybné / flexibilné dosky sú menej citlivé, ale aj tak môže dôjsť k ich znehodnoteniu, ak sa prekročia ich pevnostné parametre.

Delaminácia

Tento problém nastane vtedy, keď sa laminát aplikovaný na spodnej vrstve dosky plošného spoja oddeľuje od vodivej vrstvy, alebo ak sa laminát rozlepí v strede dosky. Typickou príčinou je nevhodná CTE - koeficient tepelnej rozťažiteľnosti použitého materiálu. Bežne ju tento jav sprevádzaný nevhodnou vysokou tepelotou prostredia, v ktorom bola doska inštalovaná. Za takýto problém nikdy nemôže používateľ, pokiaľ nedošlo k fyzickému zásahu.

Kontaminácia

Tento pojem sa zvyčajne pripisuje biotechnológii alebo inej príbuznej disciplíne. V inžinierstve sa však kontaminácia označuje ako prítomnosť látok / častíc / tekutín, ktoré narúšajú normálne fungovanie komponentu. Približne 15 % porúch dosiek plošných spojov vzniká práve v dôsledku iónovej kontaminácie, napr. záporne alebo kladne nabitých atómov alebo molekúl. Na doskách plošných spojov môžu zostať aj zvyšky niektorých iných látok, z technologického procesu ako sú napríklad :

• Soli.
• Organické aj anorganické kyseliny.
• Etanolamín.
• Aktivátory, lepidlá a tavidlá.

Kontaminácia je zvyčajne výsledkom nedostatočnej čistoty dosky alebo naopak aplikácie agresívnej chémie na povrch zariadenia počas opravných prác, kedy sa zanedbá čistenie dosky po oprave.

Spálené komponenty

Vystavenie priamemu pôsobenie otvoreného plameňa zvyčajne vedie k úplnému znehodnoteniu celej dosky. Dosky plošných spojov sú relatívne odolné voči teplu, kým nepresiahnu teplotu 170 °C. Dlhodobá prevádzka dosky pri teplote 145 °C alebo vyššej však môže spôsobiť aj zahorenie komponentov a/alebo aj celej dosky, či zariadenia.

Priame extrémne teplo nie je jedinou príčinou spálených komponentov. Preto v prípade, že sú komponenty umiestnené blízko seba (pozri návrh dosky plošného spoja vyššie), sa môžu navzájom zahrievať. Toto má potom priamy vplyv na výkon susedných komponentov, ako aj celého zariadenia a spôsobuje chyby súvisiace s teplom. Napokon, komponenty nemusia byť správne chránené pred prepätím. V dôsledku toho sa výrazne zvyšuje šanca, že komponent zhorí od prepätia.

Faktory životného prostredia

Nejde o vonkajšie počasie, ale skôr o prevádzkové prostredie, v ktorom sa doska plošného spoja, alebo zariadenie prevádzkuje. Nielen vo fáze výroby, ale aj počas prevádzky je každá elektronika veľmi citlivá na akékoľvek namáhanie. Rozhodujúce sú tieto faktory:

• Kolísanie teploty

Tento problém vzniká v dôsledku vystavenia zariadenia slnečnému žiareniu a vonkajším teplotám. Prípadne sa elektronika môže ohrievať z vonkajších zdrojov v blízkosti. K tomu sa pridáva vnútorná teplota, spôsobená zahrievaním komponentov dosky. Pri následnom náraze na dosku plošných spojov môže dôjsť k prasknutiu spájkovaných spojov a poškodeniu elektroniky.

Okrem toho rýchle zmeny vonkajšej teploty sú ešte deštruktívnejšie ako samotné zahrievanie dosky. Ak sa zariadenie prinesie z vonkajšieho prostredia počas teplého obdobia a abstraktne sa "vloží do chladničky", teplotný rozdiel by znehodnotil elektroniku ešte rýchlejšie.

• Vlhkosť

Na hodinách fyziky nám všetkým hovorili o nepriamej závislosti medzi teplotou a relatívnou vlhkosťou vzduchu. Vlhkosť sú kvapky vody obsiahnuté vo vzduchu, ktoré sú výsledkom rýchlej zmeny teploty prostredia. Kondenzovaná kvapalina sa môže ľahko usadzovať vo vnútri elektronického zariadenia. A ako možno viete, voda predstavuje hlavné nebezpečenstvo pre komponenty, a aj pre dosku plošného spoja.

• Prach

Prach je tvorený zmesou mikročastíc rôznej povahy. Môže obsahovať vyššie uvedené kontaminanty a svojim pôsobením môže napríklad zhoršovať kvalitu spájkovacej pasty. Oba problémy vedú k poruche dosky plošného spoja z dôvodu nedostatočného vodivého spojenia.

Problémy zo spájkovaním

Toto je kapitola sama o sebe. Spájkovacia pasta bola v tejto súvislosti spomenutá už viackrát. Táto látka je v podstate potrebná na vytvorenie elektronických a mechanických spojov medzi podložkami na doske plošných spojov a komponentami na povrchovú montáž (rezistory, kondenzátory atď.). Pasta sa zvyčajne vyrába z granulátu spájky v spojení z tavidlom a nanáša sa v kontrolovanom prostredí v presne určenom množstve. Pozrime sa na typy chýb, ktoré vznikajú v dôsledku nevhodného spájkovania.

• Nadmerné množstvo spájky, ktoré vedie k efektu plávania a opäť k strate vodivých spojení s inými komponentmi.
• Vyššie opísaný posun komponentov je ďalším vysvetlením spôsobu, akým sa môže nevhodne aplikovať spájkovacia pasta a zhoršiť tak celkovú funkčnosť.
• Nedostatok spájkovacej pasty spôsobuje "studené spoje", t. j. nepokrýva všetky trasy a spoje, čo spôsobuje ich nesprávnu funkciu.
• Spájkovacie mostíky alebo inými slovami spojenie prostredníctvom spájkovacej pasty medzi dvoma komponentmi, ktoré nie sú určené na spojenie spôsobujúce skraty.
• Rozstrek spájkovacej pasty znižuje funkčnosť a vodivé spojenia.
• A nakoniec, spájkovacie plôšky sa môžu zdvihnúť kvôli chybe pri nanášaní spájkovacej pasty, čo má za následok nekvalitné spojenie spájky a komponentu.

Ľudská chyba

No, mohol som tu napísať rovno, že "ľudia robia chyby" a to je všetko. Skutočne, aj skvelí odborníci, ktorí sa podieľajú na výrobe dosiek plošných spojov, môžu byť príčinou vzniku chyby. Zopakujme si spôsoby, akými môže ľudská práca zasahovať do výroby dosiek plošných spojov.

• Nesprávne čítanie schémy, alebo inými slovami, postupnosť vrstiev a umiestnenie jednotlivých komponentov nemusí vzniknúť chybou stroja. Niekedy konštruktér nesprávne naplánuje výrobný cyklus, čo spôsobí takmer všetky chyby v konštrukcii.
• Nesprávne nainštalované komponenty. Ručné osádzanie komponentov nie je bežné, ale pri niektorých typoch komponentov sú nevyhnutné a môžu byť vykonané s chybou.
• Umiestnenie vodivých stôp na doske plošného spoja príliš blízko vedľa seba. Táto chyba sa tiež pripisuje návrhu plošného spoja.
• Zlé spájkovanie. V prípade, že sa tento postup vykonáva ručným spájkovaním, riziko nesprávneho spájkovania sa exponenciálne zvyšuje. Dôsledky už zďaleka poznáte.

Starnutie zariadenia

Každé zariadenie má svoju obmedzenú životnosť. Výrobcovia lacnejších zariadení spravidla očakávajú, že ich elektronické zariadenia budú fungovať do času keď sú v záruke. Drahšie a dobre skonštruované kusy elektroniky majú záruku až 5 alebo dokonca 10 rokov. Skôr či neskôr však každá kvalitná súčiastka zlyhá a vyžaduje si výmenu. Všetky uvedené body možno tiež považovať za faktory znižujúce životnosť aj dosky plošných spojov.

Tepelný stres

V tejto chvíli je predpokladám, že už máte vytvorený aký taký prehľad o poruchách dosiek plošných spojov spôsobených nadmerným teplom. Keďže však tieto vysvetlenia súviseli s inými faktormi, zhrňme si všetko a pridajme ešte niečo navyše. Vystavenie teplu a vlhkosti (koncipované nadmernou vlhkosťou vzduchu) je príčinou tepelného namáhania.

A ešte väčším problémom je rozpínanie materiálov pri tepelnom namáhaní. Ide len o to, že niektoré materiály sa môžu deformovať za asistencie teply a vlhkosti. Dokonca aj menšie zhoršenie môže viesť k strate niektorých spojov a následkom, ktorých ste si vedomí.

Záverečné slovo

Zdá sa, že škála faktorov, ktoré vedú k viacerým chybám, je taká široká, že je ťažké očakávať, že akákoľvek elektronika bude dlhodobo dobre fungovať, nakoľko je mnoho faktorov, ktoré sa podieľajú na celkovej kondícii a životnosti plošného spoja, či celého zariadenia. Niekedy ani dôsledná optická kontrola tak isto nezaručuje, že ojedinelý nekvalitný komponent, alebo chyba spájkovania budú včas odhalené. Vždy preto dbajte na všetky aspekty a faktory, ktoré sa môžu významne podpísať na celkovej kvalite výrobného procesu. Ak ste sa dočítali až sem, tak som rád a verím, že vás tento článok zaujal a niečo vám dal.

Používateľ zasa môže často predísť poruche DPS, čím pomôže svojim elektronickým zariadeniam fungovať dobre dlhšie obdobie.