5 основных причин выхода из строя электронных печатных плат и методы восстановления

Электронные печатные платы выходят из строя по нескольким повторяющимся сценариям. Понимание причин неисправности помогает не только правильно описать проблему при обращении в сервис, но и предотвратить повторный отказ после ремонта.

Разбираем 5 основных причин выхода из строя электронных плат управления, методы их диагностики и восстановления в соответствии со стандартом IPC-7711/7721 — международным стандартом ремонта и восстановления электронных плат.

Несмотря на то, что мы настоятельно рекомендуем заказчикам не вскрывать и не пытаться выполнять ремонт сложной электроники самостоятельно, большая часть блоков приходит к нам со следами вмешательства пытливых коллег-инженеров. Поэтому мы подготовили статью, в которой описали, как можно идентифицировать некоторые из наиболее распространенных проблем, связанных с электронными печатными платами, чтобы, если устройство выйдет из строя, вы, по крайней мере, знали, что могло пойти не так, и какие могут быть пути решения проблемы.  

Электронная печатная плата является основным компонентом почти всех электронных устройств. Во всем, кроме простейшей электроники, используется какая-то плата для электрического соединения и механической фиксации всех электронных компонентов устройства. 

Электронные компоненты, в числе которых микросхемы, резисторы, светодиоды, транзисторы, конденсаторы и многое другое, припаяны к контактным площадкам на плате. Современные технологии производства печатных плат позволяют изготавливать их многослойными (до 40 слоев), в зависимости от сложности электронной схемы и конструктивных особенностей устройства.  Стоит отметить, что многослойные платы обеспечивают множество преимуществ, но анализировать и ремонтировать их гораздо сложнее.

«Инженерная компания «555» является первой российской ремонтной организацией, которая имеет сертификат международного стандарта IPC-7711B/7721B. Ремонт по международным стандартам подразумевает высокие требования к оснащенности лабораторий и квалификации персонала. В стандарте также подробно отражены требования для максимально эффективного восстановления современных многослойных электронных плат.

Почему печатные платы выходят из строя?

Причины отказа печатных плат делятся на две группы:

• Внешние (эксплуатационные) — связаны с условиями работы устройства: перепады напряжения, перегрев, механические воздействия, влага. Эти причины устранимы организационными мерами — правильными условиями монтажа и эксплуатации.
• Внутренние (аппаратные) — связаны с отказом компонентов, дефектами производства или конструктивными просчётами. Требуют диагностики и ремонта на компонентном уровне.

1. Отказ компонентов

Неисправности самих компонентов являются достаточно частой причиной отказа печатных плат. Фактически, когда нет механических повреждений, но устройство не работает или не включается, практически наверняка, что это связано с выходом из строя одного или нескольких компонентов, находящихся на плате. Это может быть что угодно: от конденсатора или диода до микропроцессора. Если проблема связана с компонентом, который вышел из строя или не работал, возможно, его необходимо заменить. Однако проблема не всегда в неисправных компонентах. Иногда из-за старения, перегрева или скачков напряжения электрическая цепь может нарушиться до такой степени, что перестанет быть проводящей. Также возможно, что один или несколько компонентов полностью отсоединились от платы, и их необходимо заново установить.

Визуальные признаки отказа компонентов:

• Вздутые или потёкшие электролитические конденсаторы — наиболее частый и легко распознаваемый признак.
• Следы перегрева: потемнение корпуса компонента или прилегающей подложки, оплавление.
• Трещина в корпусе микросхемы или транзистора.
• Запах горелого вблизи конкретного компонента или зоны платы.
• «Холодная» пайка — матовая, зернистая поверхность паяного соединения вместо блестящей.

Электростатический разряд (ESD) — отдельная и нередко недооцениваемая причина отказа компонентов. Даже разряд в несколько сотен вольт, который человек не ощущает, способен необратимо повредить чувствительные полупроводниковые компоненты. ESD-повреждение может быть «латентным»: компонент продолжает работать, но с ухудшенными характеристиками, и выходит из строя спустя часы или недели после воздействия. Для защиты от ESD при работе с платами используют антистатические браслеты, заземлённые рабочие поверхности и ESD-упаковку при транспортировке.

Как диагностировать и ремонтировать

Часто, просто открыв устройство, можно увидеть отказавшие компоненты. Их корпус может иметь следы перегрева, быть с трещинами или полностью разрушенным, либо компонент полностью отсоединен от платы и находится внутри корпуса устройства. Казалось бы, что если дело в вышедшем из строя компоненте, то его надо заменить, чтобы плата и устройство заработало. Опять же, процесс ремонта и замены неисправных компонентов лучше доверить профессионалам. Существуют различные приборы для измерения параметров электронных компонентов, различные устройства, с помощью которых можно диагностировать неисправности. Профессиональные устройства, которыми оснащена наша лаборатория, очень недешевы, но они имеют требуемую точность, диапазон измерения и эффективны в использовании. Чтобы заменить неисправный компонент, наши инженеры используют 3-4 канальные паяльные станции. Для работ с BGA компонентами используются инфракрасные паяльные станции и различные устройства для нагрева по площади.

2. Сбой питания

В большинстве случаев сбой питания очень похож на отказ компонента. Основная проблема возникает из-за того, что произошел серьезный сбой питания всей или части платы. Один из компонентов мог быть подвержен воздействию более высокого напряжения, чем обычно, что привело к его перегреву и выходу из строя.  В любом случае, необходимо оценить токи потребления каждого отдельного электронного компонента и суммарного потребления платы.

Внешние причины сбоев питания:

• Перепады и импульсные помехи в сети — кратковременные скачки напряжения (спайки), которые не успевает подавить входная защита.
• Несоответствие параметров источника питания — подключение с неверным напряжением или полярностью.
• Пульсации на шине питания — характерны для изношенных или некачественных блоков питания с деградировавшими конденсаторами.
• Отсутствие заземления — повышает риск как ESD-повреждений, так и помех в цепях питания.

Как диагностировать и ремонтировать

У всех специалистов, которые занимаются восстановлением печатных плат должны быть необходимые знания, документация и приборы для выявления проблем с завышенным или заниженным током потребления. Это действительно единственный способ диагностировать проблему. Что касается ремонта, лучше всего доверить этот процесс профессионалам. Как правило, требуется замена неисправных компонентов.

Меры защиты от сбоев питания:

• Использовать ИБП или стабилизатор напряжения для критически важного оборудования.
• Устанавливать на входе питания TVS-диоды или варисторы для подавления импульсных выбросов.
• Применять фильтры сетевых помех при работе в условиях зашумлённой электросети.

3. Повреждение токопроводящих дорожек

Дорожки на печатной плате - это соединения, состоящие из серебра или меди. Как правило, проблему с дорожками можно увидеть невооруженным глазом, но не всегда. Если дорожка перегорела или механически повреждена, это может вызвать серьезные проблемы с работоспособностью устройства в целом. Некоторые из наиболее распространенных причин повреждений: сильные скачки напряжения или короткие замыкания, загрязнение металлической пылью, перегрев и процесс естественного старения.

Коррозия и влага

Влага является одним из наиболее распространённых и коварных врагов печатных плат. Попадание воды или работа в условиях повышенной влажности (выше рекомендованных условий эксплуатации) приводит к:

• Коррозии медных дорожек и контактных площадок — проявляется зелёным или голубоватым налётом (патина) на меди.
• Электрохимической миграции металла — растворённые ионы металлов перемещаются под напряжением, создавая токопроводящие перемычки между дорожками (КЗ).
• Деградации паяных соединений — влага проникает в микротрещины паяного соединения, вызывая его разрушение.

Для защиты плат, работающих во влажной среде, применяется конформное покрытие (лак) — прозрачное защитное покрытие поверхности платы. Восстановление плат, повреждённых коррозией, возможно только на ранних стадиях; при глубоком поражении дорожки требуют замены.

Как диагностировать и ремонтировать

При условии, что токопроводящая дорожка не очень тонкая и трудноразличимая, повреждение обычно можно определить визуально. Медь и серебро по своей природе яркие и блестящие, что упрощает идентификацию повреждения. Имейте в виду, что это не всегда так. Чтобы отремонтировать неисправные или поврежденные дорожки, необходимо восстановить соединения с помощью требуемых расходных материалов. Это восстановит нарушенную цепь, и есть вероятность, что устройство опять заработает.

Для многослойных плат (4 слоя и более) диагностика и восстановление внутренних дорожек представляют особую сложность: внутренние слои недоступны для визуального осмотра и требуют применения рентгеновских установок или специализированных сканеров. Восстановление внутреннего слоя в большинстве случаев невозможно — заменяется плата целиком либо выполняется переразводка поверхностных дорожек для обхода дефектного участка.

4. Конструктивный дефект

Какими бы умными не были инженеры или разработчики устройства, иногда они могут некачественно сделать свою работу. Нередко бывает, что по какой-либо причине команда разработчиков, например, может сэкономить при разработке платы или подборе необходимых компонентов. Это может привести, например, к работе устройства в условиях повышенного нагрева, что впоследствии приведет к выходу устройства из строя. К сожалению, конструктивные просчеты при проектировании устройства могут привести к нескольким причинам, которые уже описаны выше.

Наиболее распространённые конструктивные дефекты электронных плат:

• Недостаточная ширина токопроводящих дорожек — при токах, превышающих расчётные, дорожки перегреваются и разрушаются.
• Отсутствие или неправильно рассчитанные тепловые зазоры — компонент перегревается из-за плохого отвода тепла.
• Отсутствие защиты от ESD на входных цепях — порты, подключённые к внешним цепям, не защищены TVS-диодами.
• Ошибки в разводке земляных шин — паразитные токи и помехи в чувствительных цепях.
• Применение компонентов с заниженным рейтингом — конденсаторы или транзисторы, рассчитанные на напряжение ниже рабочего.
• Несоответствие посадочного места компонента и его фактических размеров — приводит к нарушению пайки.

Как диагностировать и ремонтировать

Вы узнаете, что у вас именно эта проблема, если ваше устройство будет продолжать выходить из строя снова и снова, даже после ремонта или обслуживания. Лучшее решение для некачественной электронной платы - полностью заменить ее, прибегнув к помощи квалифицированных инженеров ремонтного центра. Самый простой способ определить плохо спроектированную плату - это количество отказов или проблем после длительного использования. В некоторых случаях это просто означает, что оригинальный производитель использовал дешевые или ненадежные компоненты, но сама плата в порядке.

5. Механические повреждения

Это наиболее понятная причина, когда речь идет о видимых повреждениях печатной платы. Частые причины отказов печатных плат связаны с механическими повреждениями устройства или его внутренних компонентов. Это может быть что угодно, относящееся к механическим повреждениям или удару. Рассматриваемое устройство могло упасть с большой или даже небольшой высоты. Возможно, его толкнули, придавили или ударили другим предметом. Часто мы получаем устройства, которые утопили или перегрели. Также существует вероятность того, что устройство было разобрано по какой-либо причине, в том числе неквалифицированными специалистами, и повреждение произошло непосредственно на плате.

Визуальные и функциональные признаки механического повреждения платы:

• Трещины в подложке платы — от микроскопических (видны с лупой) до сквозных переломов.
• Отрыв компонентов от места пайки — особенно характерен для конденсаторов и резисторов при ударе.
• Расслоение (делеминация) платы — вздутие или отслоение слоёв подложки, видно на торце платы.
• Обрыв токопроводящих дорожек в месте изгиба или удара.
• Деформация (коробление) платы — нарушает контакт в разъёмах и паяных соединениях.

Вибрация как причина механических повреждений. В промышленном оборудовании (станки, насосные агрегаты, конвейеры) постоянная вибрация является самостоятельной причиной выхода плат из строя. Длительное воздействие вибрации приводит к: постепенному расшатыванию паяных соединений (появление «холодной» пайки); усталостным трещинам в корпусах компонентов; ослаблению и отпайке разъёмов. Для защиты плат в вибронагруженных условиях применяют специальные лаковые покрытия, виброизоляторы и механические фиксаторы.

Как диагностировать и ремонтировать

Если плата полностью разрушена, например, если по плате проехал асфальтоукладчик, плата упала с огромной высоты, раскололась или полностью сломалась – в этом случае восстановление невозможно. В большинстве остальных случаев механические повреждения можно устранить. Как правило, это включает в себя восстановление поврежденных токопроводящих дорожек, контактных площадок, межслойных соединений с помощью пайки. Не имея опыта, специального инструмента, расходных материалов и знания технологии восстановления, качественно устранить механические повреждения невозможно.

6. Влага, загрязнение и коррозия

Воздействие влаги, загрязнений и агрессивных сред — одна из наиболее распространённых причин выхода из строя плат промышленного оборудования. В отличие от механических повреждений и отказов компонентов, повреждение от влаги носит постепенный характер и может не проявляться месяцами.

Как влага повреждает плату:

• Коррозия медных дорожек и контактных площадок — проявляется зелёным или белым налётом, разрушает проводящий слой.
• Электрохимическая миграция (дендриты) — растворённые металлы образуют токопроводящие мосты между дорожками, вызывая КЗ.
• Деградация паяных соединений — влага проникает в микропоры, ускоряя окисление и разрушение контакта.
• Конденсат при перепадах температуры — резкое охлаждение платы вызывает выпадение конденсата даже при нормальной влажности.

Как диагностировать:

• Визуально: зелёный, белый или бурый налёт на компонентах и дорожках, следы разводов от высохшей воды, матовая поверхность контактных площадок.
• Функционально: нестабильная работа устройства в зависимости от влажности окружающей среды, появление ошибок после дождя или ночного хранения.

Как восстановить:

1. Шаг 1. Промыть плату специальным очистителем электроники или изопропиловым спиртом 99% (не водой).
2. Шаг 2. Тщательно просушить — феном при температуре не выше +60 °C или в сушильном шкафу.
3. Шаг 3. Удалить следы коррозии с дорожек — механически (ластик, полировочный инструмент) с последующей обработкой флюсом.
4. Шаг 4. Проверить целостность дорожек и паяных соединений — прозвонить повреждённые цепи.
5. Шаг 5. Нанести защитное лаковое покрытие для предотвращения повторного повреждения.

Таблица: причины выхода из строя и ремонтопригодность плат