Pruebas de PCB: Guía Definitiva para Aseguramiento de Calidad en Prototipos y Ensamblaje

En el ámbito de las pruebas de PCB, las aplicaciones de los circuitos impresos se han vuelto cada vez más populares y diversas. Actualmente, los PCB fabricados por ingenieros alimentan circuitos que operan en dispositivos militares, al igual que aquellos que sostienen vidas humanas en hospitales. Por ello, las pruebas de PCB resultan esenciales para garantizar que las placas funcionen impecablemente y según lo previsto en sus diseños. Además, dado que hay vidas humanas en juego, los errores en la producción de PCB no solo se desaconsejan, sino que están terminantemente prohibidos.

Incluso un ingeniero experimentado puede cometer errores y crear uniones de soldadura en frío u otros defectos relacionados con la producción de PCB. En la actualidad, muy pocos fabricantes por contrato someten sus placas a pruebas exhaustivas. Como WellPCB, nos enorgullece estar entre los mejores en el nicho de las pruebas de PCB.

¿Cómo saber dónde fallaste? Y, ¿cómo reducir el alto coste de las pruebas sin sacrificar la calidad de la electrónica? Para responder a estas preocupaciones clásicas, te invitamos a leer nuestra guía completa sobre pruebas de PCB para producciones unitarias y ensamblaje de PCB.

Defectos de PCB en Resumen

1.1 Errores de Miles de Millones que Hubieran Podido Evitarse

En 2014, General Motors destinó cerca de 4.100 millones de dólares a reparar y compensar un defecto en el circuito del interruptor de encendido de uno de sus modelos, un fallo que sus ingenieros habían pasado por alto. Reflexionemos: ¿qué tamaño tiene una llave de encendido comparada con un coche funcional?

Un sistema vehicular totalmente funcional superaba todas las pruebas estándar (incluidas las costosas pruebas de choque), pero falló por un error en la placa del interruptor. Además, ¡un error de 4.100 millones de dólares provocado por un PCB! Probablemente ni siquiera todo el circuito; quizás solo un transistor defectuoso fue la causa.

¿Fue el caso de General Motors un incidente aislado? No. Aproximadamente un año después, Samsung gastó cerca de 5.300 millones de dólares en retirar y compensar un defecto en el sistema de carga del smartphone Galaxy Note 7. Tampoco Samsung estuvo sola: se retiraron 33 millones de pulseras de actividad de McDonald's casi al mismo tiempo (el coste nunca se divulgó).

En general, las historias de defectos de PCB que cuestan miles de millones en reparaciones se están convirtiendo en el pan de cada día del diseño electrónico moderno. Las cometen tanto startups como empresas consolidadas. La cruda realidad es que el mercado no perdona estos errores. Entonces, ¿cómo saber cuándo un PCB tiene defectos?

1.2 Etapas de Prueba de PCB e Indicadores de Placas Mal Probadas

A veces, detectar fallos en PCB es sencillo. Por ejemplo, mediante inspección visual se pueden notar defectos comunes como uniones sobrecalentadas de color marrón. Uniones con exceso de soldadura, humectación insuficiente y componentes inestables con uniones alteradas (puedes leer más sobre estos defectos en uniones de soldadura en frío). Este método se conoce como Inspección Visual Manual (IVM).

Para aumentar la precisión en la IVM, conviene usar una lupa para examinar las uniones y verificar que no haya aberturas. Se puede comprobar la penetración de luz en las uniones con ayuda de la lupa.

Sin embargo, a veces la vista no detecta defectos que afectan la eficiencia del PCB. La mayoría de estos fallos solo se revelan probando la efectividad de los componentes del dispositivo. Esta evaluación extendida requiere equipos especializados y se realiza bajo rigurosas pruebas de variables como corriente, voltaje, capacitancia y resistencia. Estas variables también pueden requerir otros equipos especializados, que abordaremos en capítulos posteriores.

Comparando las entradas y salidas esperadas en diversos componentes frente a las mediciones reales.

Podrás determinar si algunas partes de la placa son defectuosas. Este proceso se denomina Prueba en Circuito (ICT). La propia ICT se vuelve compleja al aumentar los componentes en un circuito. Por estas complicaciones, se han desarrollado equipos computarizados para facilitar la prueba de componentes individuales. La mayoría de estos dispositivos se tratarán más adelante.

El último indicador de un PCB mal probado es el aumento de quejas de clientes. Todos los dispositivos reciben algunas críticas negativas; es normal. Algunos clientes critican el diseño físico, otros una función, etc. Pero cuando las quejas persisten sobre la eficiencia o el rendimiento de un dispositivo electrónico, eso podría indicar un defecto en el PCB.

Estos fallos son los más indeseables, difíciles de detectar y costosos para las organizaciones. Ocurren rara vez, pero cuando suceden, su impacto es devastador.

Ahora veamos los dos tipos comunes de defectos en circuitos impresos.

1.3: Tipos de Fallos en PCB

Existen dos tipos principales de defectos en PCB: defectos estructurales y defectos eléctricos. Casi todos los fallos pueden clasificarse en una de estas dos categorías.

1.3.1: Defectos Estructurales de PCB

Los defectos estructurales provienen de errores en la estructuración inadecuada del PCB durante su fabricación. Son el tipo más común e incluyen:

• Circuitos abiertos: circuitos incompletos pasados por alto durante la fabricación. La mayoría están relacionados con la soldadura y ocurren al no fundirla correctamente. Tienen la mayor tasa de ocurrencia: 25%.
• Soldadura insuficiente: también relacionados con la soldadura, por humectación inadecuada de la unión. Tasa de ocurrencia: 18%.
• Cortocircuitos: aunque pueden clasificarse en ambas categorías, tienen mayor preferencia por errores de diseño (13% del total de defectos).
• Componente eléctrico faltante: tasa similar al cortocircuito, ~12%.
• Componentes desalineados: a veces detectables tras el diseño pero antes del ensamblaje. Tasa: ~8%.
• Exceso de soldadura: problemático pero fácil de notar y rectificar. Tasa: ~3%.
• Piezas no eléctricas faltantes: apenas ocurren. Tasa: ~2%.

1.3.2: Defectos Eléctricos

Los defectos eléctricos surgen del uso incorrecto de componentes eléctricos en las placas. Rara vez ocurren en la actualidad y, cuando lo hacen, no son tan fatales como los errores de diseño.

• Componentes eléctricos defectuosos: se sueldan componentes defectuosos en el circuito. Fáciles de detectar y rectificar. Tasa: ~8%.
• Uso de componentes incorrectos: p.ej., resistencias con valores distintos a los recomendados. Tasa: ~5%.
• Orientación errónea de componentes: componentes soldados con orientación incorrecta. Tasa: ~2%.

1.4 Resumen del Capítulo

Las pruebas exhaustivas de PCB están directamente ligadas a la calidad de la electrónica que produce un fabricante. Los PCB bien probados, con atención al detalle, resultan en electrónica de alta calidad; los mal probados, en electrónica defectuosa.

Como habrás observado, los fallos en PCB siempre son costosos. Para una startup, un error puede costar su reputación. Para una empresa consolidada, le cuesta dinero y parte de su reputación. Ambas pérdidas son indeseables.

Antiguamente se hacía hincapié en los errores de la fase de diseño. Con la tecnología actual, el diseño ha mejorado, y el énfasis en las pruebas se ha desplazado al propio proceso de fabricación. Por eso, cualquier empresa de electrónica que quiera mantenerse en el mercado a largo plazo debe invertir más en pruebas de PCB.

En los próximos capítulos analizaremos en detalle los métodos de prueba populares y los equipos industriales para testear PCB.

Métodos de Prueba de PCB

Al desarrollar PCB como aficionado, no se necesita una estrategia consistente ni de prueba. Con un boceto del circuito, todo encaja.

Sin embargo, la producción y prueba comercial de PCB no deja nada al azar. Sigue estrategias establecidas para evaluar eficiencia y tolerancia a fallos. Actualmente hay unos siete enfoques, de los cuales tres dominan la industria: Inspección Visual Manual (IVM), Prueba en Circuito (ICT) y Prueba Funcional (FT).

2.1 Prueba de PCB — Inspección Visual Manual (IVM)

Es el método primario: buscar fallos en el PCB a simple vista. La IVM es la más simple, antigua y popular. Aplicable para producciones simples y de bajo volumen.

No es eficiente para PCB complejos o de alto volumen, ya que el ojo humano puede pasar por alto conexiones ocultas. Además, en grandes volúmenes, el inspector puede fatigarse. Por estos inconvenientes, existen métodos relacionados que minimizan errores, como el uso de lentes.

2.3 Uso de Microscopios y Lentes

Tu PCB puede no cumplir los requisitos de diseño aunque la IVM indique que todo está bien. Aquí necesitas una visión más cercana mediante lente o microscopio.

Nuestros ojos a veces no detectan defectos menores en las uniones de soldadura. Con lentes, amplías la placa y examinas las conexiones de cerca.

2.4 Uso de Rayos X

Los rayos X revelan detalles invisibles incluso bajo lentes. Son esenciales para examinar placas con conexiones ocultas. Se toman varias escaneos desde distintos ángulos y se comparan con las conexiones esperadas según las especificaciones de diseño.

El inconveniente: es costoso y no aplica para aficionados o pequeños productores.

2.5 Prueba de PCB — Uso de Sierra

Cortar una placa suena mal, pero a veces un PCB muestra conexiones cuestionables en partes ocultas (tras analizar una imagen de rayos X). Una forma de resolver la duda es cortar la placa con una sierra e inspeccionar las conexiones subyacentes del fallo.

Así se observan errores internos y se rectifican para mejorar futuras producciones.

2.6: Inspección Óptica Automatizada (AOI)

En grandes volúmenes, la IVM se vuelve tediosa. La AOI es una mejora automatizada de la IVM. Los sistemas capturan instantáneas de varias partes de la placa y construyen una representación del tablero real en un ordenador, que se compara con el diseño original.

La AOI es más rápida y precisa que la IVM, pero costosa de adquirir y mantener para proyectos simples.

2.7 Prueba en Circuito (ICT)

La ICT es la forma más completa de probar un PCB. Busca testar los componentes para verificar su eficiencia en la placa prototipo. Normalmente, el PCB se somete a una "cama de clavos" conectada selectivamente a distintos componentes para evaluar su rendimiento como unidades.

Aunque es el método más recomendable, la ICT suele ser cara, tediosa y lenta. Por ello, se reserva para PCB producidos a gran escala. Una versión más nueva y económica es el método "flying probe" (sonda volante), que trataremos en el capítulo 3 al hablar de herramientas.

2.8 Prueba de PCB — Prueba Funcional

Es siempre la última fase. Una vez fabricado el PCB, la prueba funcional consiste en cargar un conjunto de programas en el dispositivo de prueba para verificar que cumple sus funciones según lo esperado.

Conclusión

Estos métodos no son perfectos, pero son menos propensos a errores, pues han sido sometidos a inspección y revisiones constantes para mejorar su efectividad.

También dictan, en gran medida, los tipos de herramientas desarrolladas para probar PCB. En el próximo capítulo nos centraremos en los diferentes equipos usados en la industria para testear PCB.

Equipos Industriales de Prueba de PCB

El capítulo anterior destacó métodos para encontrar fallos manualmente. En otros casos, se emplean lentes y dispositivos como multímetros.

Pero como fabricantes especializados, esos métodos resultan tediosos. Diariamente enfrentamos circuitos increíblemente complejos con distintas especificaciones. En tales condiciones, la IVM sin ayuda se vuelve ineficaz. Este capítulo examina algunas herramientas críticas que usamos en la industria para probar PCB.

3.1 Inspección Óptica Automatizada (AOI)

El requisito fundamental es asegurar que los PCB cumplan todas las condiciones de su diseño. Como se indicó, a veces se pasan por alto errores durante la producción. Las máquinas AOI escanean el PCB y buscan irregularidades de diseño.

Las máquinas AOI apoyan la IVM durante la fabricación. Constan de un sistema de cámaras coordinadas y una plataforma para sujetar el PCB. La placa se ilumina desde ángulos específicos mientras las cámaras capturan imágenes. Con ellas, la máquina construye una representación abstracta del PCB y la compara con las especificaciones del diseño original.

Estas máquinas realizan IVM de forma más rápida y precisa. Se centran principalmente en minimizar errores estructurales.

Actualmente existen máquinas AOI 2D y 3D. Las nuevas 3D son más rápidas y mejores que sus predecesoras 2D, y suficientemente sensibles para detectar errores significativos relacionados con potencia.

Ventajas de las máquinas AOI

1. Son más populares que otras máquinas
2. Detectan errores estructurales más rápido
3. Pueden usarse durante la fabricación para minimizar el tiempo total en pruebas finales

Desventajas de las máquinas AOI

1. No pueden examinar conexiones ocultas ni debajo de BGAs
2. Son ineficaces al examinar placas cargadas con componentes ocultos

3.2 Prueba de PCB — Máquina de Prueba con Sonda Voladora (Flying Probe)

Las máquinas Flying Probe (a veces llamadas Flying Prototype) ofrecen una plataforma para evaluar el rendimiento de prototipos. Difieren de las AOI en que realizan pruebas en circuito (ICT). Se prefieren a métodos antiguos por ser rentables y fáciles de operar.

Consisten en una placa de pines interconectados a distintos componentes a bordo. Realizan un enfoque rápido de ICT probando componentes para verificar la efectividad de los prototipos. Los componentes se testean alimentándolos o enviando señales y evaluando sus entradas/salidas frente a lo esperado en el diseño.

Ventajas de las máquinas de sonda voladora

1. Más baratas y rápidas que las máquinas ICT tradicionales
2. Aumentan la calidad al permitir a ingenieros producir prototipos y hacer cambios antes del lanzamiento final
3. Más fáciles de operar que las máquinas ICT tradicionales

Desventajas de los dispositivos de sonda voladora

1. No son tan orientadas al detalle como las máquinas ICT convencionales

3.3 Máquinas de Prueba de Control de Impedancia

El diseño físico del circuito en la placa y la corriente que lo atraviesa afectan a cualquier circuito AC cercano. La combinación de estos efectos y la resistencia del circuito forman la impedancia.

La prueba de impedancia suele ser tediosa: requiere determinar longitud del conductor, espaciado entre circuitos, ancho y altura del conductor, y medir la impedancia en el momento adecuado. Se usa un Reflectómetro de Dominio Temporal (TDR), pero los TDR normales no son muy útiles en pruebas automatizadas. Por ello, en fabricación a gran escala se emplean máquinas mejoradas de control de impedancia.

3.4 Comprobadores de Espesor de Cobre y Máquinas de Examen de Agujeros

Son equipos razonablemente relacionados, usualmente de sobremesa, para medir el ancho de un taladro o el espesor de la capa de cobre que interconecta componentes.

Un Comprobador de Espesor de Cobre de muestra

Mide el espesor del cobre. Un comprobador típico se muestra en la imagen superior.

Una Máquina de Examen de Agujeros

Estiman el diámetro de los agujeros insertando pines de distintos diámetros. Una máquina típica podría verse como la de la imagen superior.

3.5 Prueba de PCB — Sistemas de Prueba Eléctrica de PCB

Una vez soldados todos los componentes, es fundamental realizar pruebas en circuito y verificar la eficiencia de las funciones integradas. Esta fase debe seguir a una ICT completa. Sin una ICT exhaustiva, este tipo de prueba solo indica la probabilidad de un problema, sin necesariamente dar forma de localizarlo o solucionarlo.

En general, cualquier otro sistema desarrollado para analizar la eficiencia y fiabilidad de una placa podría caer en esta categorización.

3.6 Resumen del Capítulo

Hemos destacado la necesidad de probar PCB y mostrado algunas máquinas usadas en la industria. En los capítulos restantes nos centraremos en las pruebas de ensamblaje de PCB.

Pruebas de Ensamblaje de PCB

4.1 Prueba de PCB — Introducción

Las pruebas de ensamblaje de PCB se realizan tras colocar los componentes eléctricos especificados en la Lista de Materiales (BOM) sobre la placa. Están estrechamente ligadas a la ICT (ya tratada).

Normalmente, se prueba sobre una cama de clavos fijada en una superficie plana con acceso a múltiples componentes conectados en el PCB. Según el tipo de prueba, la placa puede estar alimentada o no.

El ensamblaje se prueba en dos enfoques:

1. Probar un solo componente/módulo en la placa e investigar su correlación con todos los demás componentes de la red eléctrica. Suele hacerse para componentes individuales y extenderse a los demás que comparten intereses con el elemento testeado.
2. Muestrear algunos componentes críticos específicos e investigar los resultados de su rendimiento frente a los resultados esperados.

4.2 Beneficios de las Pruebas de Ensamblaje

1. Se prueba toda la placa para fallos de potencia como cortocircuitos o circuitos incompletos. También detecta componentes defectuosos en un prototipo.
2. Incluye pruebas de encendido que reducen significativamente las necesidades de depuración del cliente.
3. Puede detectar casi todos los fallos posibles en un PCB.
4. Plataforma de prueba independiente del sistema operativo.
5. Las pruebas siguen estándares IPC universales aceptados.

4.3 Prueba de PCB — Inconvenientes de las Pruebas de Ensamblaje

El principal problema es que probar un solo prototipo lleva mucho tiempo y recursos. A veces, probar una placa compleja toma entre cinco y seis semanas, y el coste puede ser muy alto. Sin embargo, es funcional y más preciso que cualquier otro método. Por tanto, es ideal para marcas consolidadas que exigen altos estándares de calidad y grandes producciones.

Conclusión

Probar PCB es un paso crucial para todos los diseñadores e ingenieros. Como se ha visto, las técnicas y enfoques adecuados impactan directamente en la calidad de la electrónica producida. En consecuencia, las malas técnicas de prueba son costosas para los negocios.

Por tanto, dado que las pruebas de PCB afectan directamente la calidad de la electrónica que produce cualquier empresa, vale cada céntimo, ya que está directamente vinculada a la rentabilidad global. El problema es que la mayoría de fabricantes por contrato cobran de más por las pruebas.

Como WellPCB, nos hemos equipado con los métodos y equipos más modernos de prueba de PCB, y dedicamos nuestro tiempo y experiencia a probar PCB para nuestros clientes. El último proceso de WellPCB: te ofrecemos un servicio integral y productos de alta calidad. Puedes enviarnos los documentos necesarios y obtener una cotización inmediata. Tenemos diez años de experiencia en fabricación de PCB para verificar y testear especificaciones, requisitos y problemas de circuito. Para las pruebas de PCB y la calidad, quedarás satisfecho. Alternativamente, puedes solicitarnos una cotización para que tus PCB sean ensamblados y probados.