Cribado de Estrés por Vibración

Conclusiones Clave

Definición: El cribado de estrés por vibración (VSS) es un proceso utilizado para precipitar defectos de fabricación latentes en fallas detectables sin reducir la vida útil del hardware en buen estado.
Métricas Clave: La Densidad Espectral de Potencia (PSD) y Grms (Aceleración Cuadrática Media) son las métricas principales para definir el perfil energético de la prueba.
Diferenciación: A diferencia de la calificación de diseño que prueba hasta el fallo, el VSS es un cribado de producción destinado a detectar errores de mano de obra como uniones de soldadura frías o sujetadores sueltos.
Criticidad del Accesorio: El accesorio mecánico utilizado para sujetar la PCB debe estar libre de resonancia dentro del rango de frecuencia de la prueba para asegurar una transmisión de energía precisa.
Validación: Un VSS exitoso requiere monitoreo funcional durante el ciclo de vibración, no solo una verificación de aprobado/fallo posterior.
Costo vs. Fiabilidad: Aunque el VSS añade tiempo de fabricación inicial, reduce significativamente el costo de las devoluciones de campo y las reclamaciones de garantía.
Integración: El VSS es más efectivo cuando se combina con ciclos térmicos en un perfil de Cribado de Estrés Ambiental (ESS).

Qué significa realmente el cribado de estrés por vibración (alcance y límites)

El cribado de estrés por vibración a menudo se malinterpreta como una prueba destructiva, pero su verdadero propósito es la garantía de calidad, no la destrucción. En APTPCB (Fábrica de PCB de APTPCB), definimos el cribado de estrés por vibración como una aplicación controlada de energía mecánica a un conjunto de placa de circuito impreso (PCBA) para exponer fallas ocultas que de otro modo fallarían temprano en la vida útil operativa del producto.

El alcance del VSS cubre la transición de una placa "técnicamente aprobada" a una placa de "fiabilidad probada". En la fabricación estándar, una unión de soldadura podría pasar las pruebas de continuidad eléctrica incluso si está agrietada en un 90% o se mantiene unida solo por residuos de fundente. Bajo condiciones estáticas, esta placa funciona. Sin embargo, una vez que el producto se envía y se somete a las vibraciones del transporte, los motores automotrices o la maquinaria industrial, esa unión débil fallará. El VSS simula estas tensiones en un plazo comprimido para forzar que esa falla ocurra dentro de la fábrica, en lugar de en manos del cliente.

Es crucial distinguir el VSS del HALT (Pruebas de Vida Altamente Aceleradas). El HALT es un proceso de verificación de diseño utilizado durante la I+D para encontrar el punto de ruptura absoluto de un diseño. El VSS, por el contrario, es un cribado de fabricación realizado en el 100% de las unidades de producción (o una muestra estadística) a niveles muy por debajo del límite de diseño pero lo suficientemente altos como para fatigar la mano de obra deficiente. El límite de VSS termina donde comienza la vida útil por fatiga. Un perfil VSS diseñado adecuadamente consume solo una fracción insignificante de la vida útil por fatiga del producto (típicamente menos del 5%) mientras asegura que se detecten defectos de fabricación, como una mala humectación, deformación de los cables o hardware mecánico suelto.

Métricas importantes (cómo evaluar la calidad)

Comprender la definición de VSS sienta las bases para los parámetros específicos utilizados para medir y controlar el proceso de cribado. Para implementar un cribado efectivo, los ingenieros deben ir más allá del simple "agitado" y comprender la física de la energía de vibración. Las siguientes métricas son el lenguaje estándar de las pruebas de vibración.

Métrica	Por qué es importante	Rango típico o factores influyentes	Cómo medir
Densidad Espectral de Potencia (PSD)	Describe cómo se distribuye la potencia de vibración en diferentes frecuencias. Asegura que la prueba excite todas las resonancias relevantes de la PCB.	0.04 $g^2/Hz$ es común para el cribado. Los sectores de alta fiabilidad pueden ir más alto.	Medido mediante acelerómetros y analizado utilizando analizadores de Transformada Rápida de Fourier (FFT).
Grms (Raíz Cuadrática Media)	Representa la energía o intensidad general del perfil de vibración. Es la raíz cuadrada del área bajo la curva PSD.	De 3 Grms a 10 Grms para electrónica estándar; hasta más de 20 Grms para el sector aeroespacial.	Calculado a partir del perfil PSD; monitoreado por el controlador de vibración.
Rango de Frecuencia	Define el ancho de banda de la vibración. El rango debe cubrir las frecuencias naturales de los componentes y de la propia placa.	De 20 Hz a 2000 Hz es el estándar de la industria para la detección de vibraciones aleatorias.	Se configura en el software del controlador de vibración.
Duración	Determina cuánto tiempo se aplica la tensión. Demasiado corto omite defectos; demasiado largo causa daño por fatiga a las piezas buenas.	De 5 a 15 minutos por eje es lo típico para la detección en producción.	Temporizador en el controlador de la mesa de vibración.
Transmitancia (Q)	Indica cuánto se amplifica la vibración por la PCB en su frecuencia de resonancia. Un Q alto significa una alta tensión en los componentes.	Factores Q de 10 a 50 son comunes para las PCB. La amortiguación reduce este valor.	Se mide comparando los G de entrada (mesa) con los G de respuesta (en la PCB).
Curtosis	Mide la "agudeza" de la señal de vibración. Una curtosis más alta introduce picos más extremos, que son mejores para encontrar defectos.	La distribución gaussiana (Curtosis = 3) es estándar; Curtosis > 3 se utiliza para una detección agresiva.	Los controladores de vibración avanzados permiten el control de la curtosis.

Guía de selección por escenario (compromisos)

Una vez que haya comprendido las métricas principales, el siguiente paso es aplicarlas a escenarios industriales específicos donde los compromisos entre costo, riesgo y confiabilidad varían significativamente. No todas las PCB requieren el mismo nivel de detección.

1. Aeroespacial y Defensa

Escenario: PCB utilizadas en aviónica, misiles o satélites.
Compromiso: La fiabilidad es primordial; el coste es secundario.
Orientación: Utilice Grms altos (10-20+) y rangos de frecuencia amplios. El cribado al 100% es obligatorio. El riesgo de un fallo en el campo es catastrófico.
Enlace: Para sustratos de alta fiabilidad, considere las capacidades de PCB para Aeroespacial y Defensa.

2. Electrónica Automotriz

Escenario: Unidades de control del motor (ECU), sensores montados en el chasis.
Compromiso: Alto volumen, entorno hostil, sensible al coste.
Orientación: Céntrese en perfiles "aleatorios sobre aleatorios" o senoidales sobre aleatorios específicos que imiten las armónicas del motor. La duración se mantiene corta para mantener el rendimiento.
Enlace: Vea cómo los estándares de PCB para Electrónica Automotriz influyen en los perfiles de prueba.

3. Sistemas de Control Industrial

Escenario: PLCs, controladores de robótica, interfaces de maquinaria pesada.
Compromiso: Se requiere una larga vida útil (10-20 años).
Orientación: Niveles de Grms moderados. El enfoque está en eliminar fallos tempranos para reducir las llamadas de mantenimiento. A menudo combinado con ciclos térmicos.

4. Electrónica de Consumo (Portátil)

Escenario: Smartphones, tabletas, dispositivos vestibles.
Compromiso: Alto volumen, el choque por caída es más crítico que la vibración continua.
Orientación: El VSS a menudo se reemplaza o complementa con una configuración de prueba de caída. Si se utiliza VSS, se centra en la integridad del conector y los contactos de la batería.

5. Dispositivos Médicos

Escenario: Equipos de imagen, monitores de pacientes.
Compromiso: La precisión y la integridad de la señal son críticas.
Orientación: La detección no debe dañar los componentes analógicos sensibles. Se utilizan niveles de Grms más bajos, pero la monitorización funcional durante la prueba es extremadamente estricta para detectar ruido intermitente.

6. Servidores y Centros de Datos

Escenario: Placas base de alta velocidad, tarjetas GPU pesadas.
Compromiso: Los componentes pesados (disipadores de calor) crean problemas de resonancia únicos.
Orientación: El VSS se centra en la estabilidad mecánica de los disipadores de calor pesados y las uniones de soldadura BGA debajo de ellos. La fijación debe soportar la placa para evitar una flexión excesiva.

Del diseño a la fabricación (puntos de control de implementación)

Seleccionar el escenario correcto es teórico hasta que se aplica a lo largo del ciclo de vida de diseño y fabricación. Una estrategia exitosa de cribado de estrés por vibración comienza en la etapa de diseño y continúa hasta el ensamblaje final.

1. Colocación y Orientación de Componentes

Recomendación: Colocar componentes pesados (inductores, condensadores grandes) cerca de los puntos de montaje o rigidizadores.
Riesgo: Colocar piezas pesadas en el centro de la PCB permite la máxima deflexión, lo que lleva a la fatiga de los componentes.
Método de Aceptación: Análisis de Elementos Finitos (FEA) durante el diseño.

2. Selección de Aleación de Soldadura

Recomendación: Utilizar aleaciones con mayor resistencia a la fatiga para entornos de alta vibración.
Riesgo: El SAC305 estándar puede ser quebradizo bajo altas tasas de deformación en comparación con aleaciones dopadas especializadas.
Método de Aceptación: Pruebas de cizallamiento y análisis de sección transversal.

3. Via-in-Pad e Interconexiones

Recomendación: Asegurar un espesor de chapado robusto para las vías, especialmente en diseños HDI.
Riesgo: La vibración puede causar grietas en el barril de las vías si el chapado es insuficiente o si la relación de aspecto es demasiado alta.
Método de Aceptación: Protocolos de Pruebas y Calidad que incluyen microseccionamiento.

4. Diseño del Accesorio (Fixture)

Recomendación: El accesorio debe ser más rígido que la PCB. Su frecuencia de resonancia debe estar muy por encima del rango de prueba (p. ej., >2000 Hz).
Riesgo: Si el accesorio resuena, amplifica la energía de forma incontrolable, destruyendo placas buenas (sobre-prueba) o absorbiendo energía (sub-prueba).
Método de Aceptación: Estudio del accesorio utilizando un acelerómetro antes de probar los productos.

5. Monitoreo Funcional

Recomendación: Encender la placa y ejecutar diagnósticos durante la vibración.
Riesgo: Una "junta de soldadura fría" podría abrirse intermitentemente solo durante el pico de un ciclo de vibración. Si solo se prueba antes y después, se pasará por alto el defecto.
Método de Aceptación: Registro continuo de datos de señales críticas.

6. Limpieza e Iónicos

Recomendación: Asegurar una estricta adherencia a los fundamentos de iónicos de limpieza.
Riesgo: La vibración puede desalojar residuos conductores o de fundente. Si estas partículas se mueven debajo de los componentes, causan cortocircuitos.
Método de Aceptación: Prueba de Rose o Cromatografía Iónica.

7. Par de Tornillos y Sujetadores

Recomendación: Aplicar sellado de par (marcas de testigo) y usar arandelas de seguridad.
Riesgo: La vibración es la causa principal del aflojamiento de los sujetadores. Los tornillos sueltos se convierten en proyectiles dentro del chasis.
Método de Aceptación: Inspección visual y verificación de par después de la prueba.

8. Recubrimiento Conformal

Recomendación: Aplicar recubrimiento para amortiguar la vibración en componentes pequeños y asegurar cables pesados.
Riesgo: Los condensadores altos sin recubrimiento pueden balancearse y romper sus terminales.
Método de Aceptación: Inspección UV de la cobertura del recubrimiento.

9. Análisis de Estrés por Pasos

Recomendación: Antes de la producción en masa, realizar una prueba de estrés por pasos para encontrar los límites operativos y de destrucción.
Riesgo: Adivinar el nivel de VSS puede llevar a una prueba que sea demasiado débil para encontrar defectos o demasiado fuerte para el diseño.
Método de Aceptación: Informes HALT.

10. Inspección Post-Cribado

Recomendación: Realizar AOI o Rayos X después de la vibración para buscar nuevas grietas.
Riesgo: La propia prueba podría haber inducido una grieta que aún no se ha propagado a una falla eléctrica.
Método de Aceptación: Inspección AOI y muestreo de Rayos X.

Errores comunes (y el enfoque correcto)

Incluso con un plan de implementación robusto, los equipos de ingeniería a menudo caen en trampas específicas durante la ejecución. Evitar estos errores comunes asegura que su cribado de estrés por vibración añada valor en lugar de costo.

1. Confundir los Límites de Diseño con los Límites de Cribado Muchos ingenieros usan erróneamente el "límite de destrucción" encontrado en HALT como nivel de cribado. Esto es peligroso.

Enfoque Correcto: El nivel de cribado debe ser aproximadamente el 50% del límite de destrucción del diseño. Debe ser lo suficientemente fuerte como para precipitar defectos, pero lo suficientemente débil como para preservar la vida útil.

2. Ignorar el Eje Z Probar solo en los ejes X e Y porque son más fáciles de fijar es un error grave.

Enfoque Correcto: Las PCB se flexionan más significativamente en el eje Z (perpendicular a la superficie de la placa). Aquí es donde las uniones de soldadura BGA experimentan la mayor tensión. Debe realizar el cribado en los tres ejes.

3. "Agitar y Hornear" sin Monitoreo Ejecutar un perfil de vibración en placas sin alimentación es esencialmente solo un proceso de asentamiento mecánico.

Enfoque Correcto: Los datos más valiosos provienen de fallas intermitentes que ocurren durante el estrés. Siempre alimente el dispositivo y monitoree los rieles críticos.

4. Descuidar la Resonancia de la Fijación Usar una fijación barata o improvisada que resuena a 500 Hz cuando su prueba llega a 2000 Hz.

Enfoque Correcto: Realice un estudio de la fijación. Si la fijación amplifica la señal 10 veces a una frecuencia específica, está sometiendo el producto a un estrés excesivo a esa frecuencia. 5. Ignorar los efectos térmicos Realizar la vibración solo a temperatura ambiente.
Enfoque correcto: Si bien el VSS es mecánico, combinarlo con ciclos térmicos (cambios de temperatura) hace que la prueba sea exponencialmente más efectiva. La expansión/contracción térmica afloja el defecto, y la vibración lo expone.

6. Asumir que un perfil sirve para todo Usar un perfil "NAVMAT" estándar para un sensor médico delicado.

Enfoque correcto: Adapte el perfil. Una fuente de alimentación pesada necesita un enfoque de baja frecuencia diferente al de una placa RF de alta frecuencia.

7. Olvidar la gestión de cables Permitir que los cables se muevan libremente durante la prueba.

Enfoque correcto: Asegure todo el cableado. Un cable o conector defectuoso causado por una mala configuración de la prueba es un fallo falso que desperdicia tiempo de ingeniería.

8. Ignorar cleanliness ionics basics Asumir que la vibración solo prueba la resistencia mecánica.

Enfoque correcto: Reconozca que la vibración moviliza los contaminantes. Si una placa tiene un alto residuo iónico, la vibración puede mover partículas conductoras a áreas críticas, causando cortocircuitos difíciles de reproducir más tarde.

Preguntas Frecuentes

Para aclarar los matices de cómo evitar estos errores, aquí están las respuestas a las preguntas más frecuentes que recibimos sobre las pruebas de esfuerzo por vibración.

P: ¿Cuál es la diferencia entre la vibración sinusoidal y la aleatoria? A: La vibración sinusoidal barre las frecuencias una a la vez y es buena para encontrar resonancias. La vibración aleatoria excita todas las frecuencias simultáneamente, lo cual es más realista para los entornos del mundo real y mejor para el cribado porque interactúa con múltiples resonancias a la vez.

Q: ¿El VSS daña las placas en buen estado? A: Si se diseña correctamente, no. Un perfil de VSS adecuado consume un porcentaje muy pequeño de la vida útil a la fatiga (daño acumulado) de los materiales. Está diseñado para romper solo las piezas "débiles" que habrían fallado de todos modos.

Q: ¿Cómo se relaciona el VSS con una configuración de prueba de caída? A: Son complementarios. El VSS prueba la fatiga continua y las conexiones sueltas a lo largo del tiempo. Una configuración de prueba de caída prueba el impacto de choque repentino y de alta G (como la caída de un teléfono). La mayoría de los productos electrónicos de consumo requieren ambos.

Q: ¿Puedo usar VSS para placas prototipo? A: Sí, pero para prototipos, normalmente se realiza HALT (prueba hasta el fallo) para conocer los límites de diseño. El VSS se reserva típicamente para la fase de producción para detectar errores de montaje.

Q: ¿Cuánto añade el VSS al costo de una PCB? A: Añade costo en términos de tiempo de máquina, fabricación de accesorios y mano de obra del operador. Sin embargo, para sistemas de alto valor o críticos, este costo es insignificante en comparación con el costo de una retirada del mercado o una reparación en campo.

Q: ¿Cuál es la duración típica de un cribado? A: Un cribado de producción típico dura entre 5 y 15 minutos por eje. Las duraciones más largas producen rendimientos decrecientes para fines de cribado. P: ¿Necesito probar el 100% de mi volumen de producción? R: Para productos de seguridad aeroespaciales, médicos y automotrices, el cribado al 100% es estándar. Para bienes de consumo, una muestra estadística (por ejemplo, el 5% del lote) a menudo es suficiente para monitorear la calidad del proceso.

P: ¿Qué sucede si una placa falla en VSS? R: La placa se analiza para determinar la causa raíz. Si es un problema de mano de obra (por ejemplo, una soldadura defectuosa), se reelabora y se vuelve a probar. Si es un problema de diseño, se debe notificar al equipo de ingeniería.

P: ¿Por qué el accesorio es tan caro? R: El accesorio debe ser mecanizado con precisión a partir de materiales como magnesio o aluminio para ser rígido, ligero y no resonante. Un accesorio deficiente invalida toda la prueba.

P: ¿Puede APTPCB realizar VSS? R: Sí, APTPCB trabaja con socios y capacidades internas para asegurar que su PCBA cumpla con los estándares de fiabilidad requeridos, incluyendo orientación sobre el diseño para la fiabilidad.

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Glosario (términos clave)

Término	Definición
Acelerómetro	Un sensor utilizado para medir las fuerzas de aceleración (fuerza g) durante la prueba.
ESS (Cribado de Estrés Ambiental)	Un proceso de cribado que combina vibración, ciclos térmicos y, a veces, humedad.
Fatiga	El debilitamiento de un material causado por cargas aplicadas repetidamente.
Soporte	La estructura mecánica que asegura la PCB a la mesa de vibración.
Grms	Aceleración Cuadrática Media. Una medida estadística de la magnitud de la vibración aleatoria.
HALT (Prueba de Vida Altamente Acelerada)	Una prueba de verificación de diseño utilizada para encontrar los límites operativos y de destrucción de un producto.
HASS (Cribado de Estrés Altamente Acelerado)	Un cribado de producción derivado de los resultados de HALT, utilizando tensiones más altas que el VSS estándar.
Curtosis	Una medida estadística de la "cola" de la distribución de probabilidad de una variable aleatoria de valor real.
Defecto Latente	Un defecto que está presente pero no es detectable mediante pruebas eléctricas estándar hasta que se aplica una tensión.
PSD (Densidad Espectral de Potencia)	Una medida del contenido de potencia de la señal en función de la frecuencia.
Resonancia	La tendencia de un sistema a oscilar con mayor amplitud en algunas frecuencias que en otras.
Curva S-N	Un gráfico de la magnitud de una tensión cíclica (S) frente a la escala logarítmica de ciclos hasta la falla (N).
Transmisibilidad (Q)	La relación entre la amplitud de respuesta y la amplitud de entrada a una frecuencia específica.
Defecto de Fabricación	Una falla causada por el proceso de fabricación (p. ej., soldadura) en lugar del diseño en sí.

Conclusión (próximos pasos)

La prueba de esfuerzo por vibración es el puente entre un diseño que funciona en papel y un producto que sobrevive en el mundo real. Al aplicar energía mecánica controlada, puede filtrar uniones de soldadura débiles, componentes sueltos e inconsistencias de fabricación antes de que salgan de la fábrica.

Para implementar una estrategia VSS efectiva, debe definir las métricas correctas (PSD, Grms), seleccionar un escenario apropiado para su industria y asegurarse de que su socio de fabricación comprenda los matices de la fijación y el monitoreo.

Cuando esté listo para llevar su diseño de alta confiabilidad a producción, APTPCB está aquí para ayudar. Para una revisión DFM completa y una cotización, proporcione lo siguiente:

Archivos Gerber: Para análisis de diseño.
Detalles de Apilamiento: Para evaluar la rigidez del material.
Lista de Materiales (BOM): Para identificar componentes pesados o sensibles.
Requisitos de Prueba: Estándares específicos (p. ej., MIL-STD, IPC) o perfiles de vibración personalizados que necesite. Asegurar que su producto pueda soportar los rigores de su entorno comienza con el socio de fabricación adecuado. Contáctenos hoy para discutir sus necesidades de fiabilidad.