印制電路板的可靠性試驗(yàn)與評(píng)價(jià)

1、-35- 印制電路板的可靠性試驗(yàn)與評(píng)價(jià)李小明 翟玉環(huán) 卜宏坤（江南計(jì)算技術(shù)研究所，江蘇 無錫 214083）摘 要 文章把印制電路板的可靠性概括為三個(gè)方面，并分別就其可靠性的試驗(yàn)和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了簡要綜述，提出了后續(xù)要介紹的印制電路板領(lǐng)域多種可靠性試驗(yàn)和評(píng)價(jià)方法。關(guān)鍵詞 可靠性試驗(yàn)；可焊性；連接可靠性；絕緣可靠性中圖分類號(hào)：TN41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-0096（2010）7-0035-03Reliability Test and Evaluation for Printed Circuit BoardLI Xiao-ming ZHAI Yu-huan PU Hong-kunAb

2、stract In this paper the reliability of PCB has been summed up three aspects and summarized the reliability evaluation methods for PCB respectively. Kinds of reliability evaluation methods for PCB will be introduced in subsequently.Key words reliability test; soldering; reliability of junction; reli

3、ability of insulation在近年的高科技印制電路板產(chǎn)品發(fā)展潮流中，高密度互連（HDI ）印制板和高頻化的高速數(shù)字電路印制板的需求正急速膨脹，成為企業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。但高密度互連組裝的大幅度提高，使得PCB 板的孔徑、焊盤、布線寬度和線距都愈來愈微細(xì)化，介質(zhì)基材日益薄型化，這既給PCB 的內(nèi)部導(dǎo)線與孔互連可靠性、內(nèi)部導(dǎo)線與孔絕緣可靠性提出了挑戰(zhàn)，也給外部PCB 與器件的焊接可靠性帶來了新的問題。高頻化的高速數(shù)字電路印制板由于存在信號(hào)的趨膚效應(yīng)，需要盡量保證銅箔平整、光滑，但這又導(dǎo)致PCB 的表面導(dǎo)線、焊盤與介質(zhì)層的粘合力下降，直接影響產(chǎn)品的使用壽命；無鉛工藝焊接窗口溫度的提高，使

4、得這些高科技印制板產(chǎn)品存在的可靠性問題更加突出。為此，我們將結(jié)合近幾年來的一些測試與評(píng)估案例，和大家一起分期探討如何應(yīng)用相關(guān)的測試標(biāo)準(zhǔn)或方法，來開展樣品的質(zhì)量檢測和可靠性評(píng)價(jià)。本文作為印制板可靠性專題的前文，將簡要?dú)w納總結(jié)印制板可靠性存在的幾個(gè)方面，并相應(yīng)介紹列出一些試驗(yàn)的方法，最后給出將陸續(xù)發(fā)表的印制板典型的質(zhì)量檢測和可靠性評(píng)價(jià)方法。1 可靠性試驗(yàn)的意義與目的印制電路板的可靠性，主要包括兩層意義：（1）長期使用的穩(wěn)定性，這是從產(chǎn)品使用壽命上講的可靠性；（2）保證批次內(nèi)每個(gè)產(chǎn)品的優(yōu)良品質(zhì)的可靠性。對(duì)于PCB 可靠性，進(jìn)行高頻率的檢驗(yàn)是困難的。但又需要有連續(xù)性，以積累各方面的檢測數(shù)據(jù)，從而改善P

5、CB 產(chǎn)品的潛在缺陷。針對(duì)PCB 的可靠性，通常開展的是可靠性的增長試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，可靠性增長試驗(yàn)是一個(gè)有計(jì)劃地試驗(yàn)、分析及確定問題的過程。在這個(gè)過程中，產(chǎn)品處在實(shí)際環(huán)境、模擬環(huán)境或加速變化的環(huán)境下經(jīng)受試驗(yàn)，以暴露設(shè)計(jì)和工藝中的缺陷。統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)包括可靠性鑒定試驗(yàn)和可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)：可靠性鑒定試驗(yàn)的目的是向訂購方提供合格證明，即產(chǎn)品在批準(zhǔn)投產(chǎn)之前已經(jīng)符合最低可接收的可靠性要求。可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)的目的在于對(duì)交付的某些產(chǎn)品或編者按：為了PCB行業(yè)的需求，全面了解PCB的可靠性試驗(yàn)與評(píng)價(jià)，本期起逢單月刊登此系列文章(約為11篇，供業(yè)內(nèi)人士探討交流。 -36-生產(chǎn)批次進(jìn)行評(píng)價(jià)。這種試驗(yàn)必須反應(yīng)實(shí)際使用情況，并

6、提供驗(yàn)證可靠性的估計(jì)。PCB 可靠性試驗(yàn)流程如圖1所示。從圖1可以看出，樣品的性能檢測（主要以電性能為主）分試驗(yàn)前、試驗(yàn)中、試驗(yàn)后三個(gè)階段。在傳統(tǒng)的PCB 可靠性試驗(yàn)中，中間檢測必須中斷試驗(yàn)進(jìn)行，具有較大的局限性，無法真實(shí)地反應(yīng)樣品的整個(gè)失效變化趨勢(shì)，對(duì)材料、工藝的失效模式不能獲取有價(jià)值的細(xì)節(jié)因素。因此，我們將在后續(xù)的可靠性評(píng)價(jià)方法中為大家更多的介紹自動(dòng)測試系統(tǒng)的應(yīng)用。圖1 可靠性試驗(yàn)與測試流程2 印制電路板可靠性的“三個(gè)要點(diǎn)”從圖2多層PCB 的結(jié)構(gòu)示意圖中可以看出，信號(hào)電互連介質(zhì)一般都是由蝕刻而成的銅線和金屬化的孔組成，電氣絕緣則是由玻纖布、樹脂組成的介質(zhì)層特性決定。因此，我們可以這樣認(rèn)為

7、，保證印制電路板的可靠性只需做到三點(diǎn)：（1）在存放、組裝環(huán)境條件下能保持“焊盤、孔焊接可靠性”；（2）在組裝、使用環(huán)境條件下能保持“導(dǎo)線和孔連接可靠性”；（3）在組裝、使用環(huán)境條件下能保持“線間、層間絕緣可靠性”。圖2 多層印制板樣品的截面圖2.1 “焊盤、孔焊接可靠性”的試驗(yàn)與評(píng)價(jià)高密度互連及無鉛化生產(chǎn)工藝等給“焊盤、孔焊接可靠性”帶來的問題：（1）PCB 板面的孔、焊盤越來越小型化，與器件引腳或焊球焊接時(shí)有效接觸面積和以往相比大大的縮小，PCB 板面的每個(gè)焊盤或孔的可焊性要求更高。（2）大尺寸多引腳的陣列BGA 芯片焊接需要PCB 具有更好的共面性，而無鉛焊接工藝的溫度提升給PCB 的板面

8、翹曲帶來了隱患。（3）PCB 生產(chǎn)及存放過程中帶來的表面污染和氧化，造成焊盤或孔的可焊性不良。對(duì)于PCB 焊盤或孔的可焊性測試，目前除圖3所示傳統(tǒng)的浮焊、浸焊定性試驗(yàn)判定方法外，定量的潤濕天平測試方法也已應(yīng)用于PCB 的來料檢驗(yàn)、產(chǎn)品開發(fā)、工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理等方面。圖3 印制板孔、焊盤的可焊性樣品圖針對(duì)本節(jié)列出的問題，我們后面將陸續(xù)推出以下相關(guān)文章予以深入探討和分析：（1）印制電路板焊盤與孔的可焊性測試方法。 （2）貼裝高密度陣列BGA 芯片的印制板翹曲試驗(yàn)與評(píng)價(jià)。（3）印制電路板表面鍍層的老化與可焊性評(píng)價(jià)。2.2 “導(dǎo)線和孔連接可靠性”的試驗(yàn)與評(píng)價(jià)印制電路板的連接可靠性主要包括：金屬化孔的連

9、接可靠性、基底銅和鍍層的連接可靠性、導(dǎo)線的連接可靠性。在當(dāng)前，高密度互連使得印制板的孔和導(dǎo)線在尺寸上大大減小，相應(yīng)它們的機(jī)械強(qiáng)度降低，但無鉛焊接溫度的提高卻加劇了熱膨脹系數(shù)差帶來的連接可靠性風(fēng)險(xiǎn)。因此，正確合理地選用好試驗(yàn)和評(píng)價(jià)方法，對(duì)于產(chǎn)品開發(fā)、工藝設(shè)計(jì)、質(zhì)量管理控制等具有重要意義。從影響導(dǎo)線和孔連接可靠性的主要原因入手，考核PCB 連接可靠性的試驗(yàn)方法主要有：熱應(yīng)力、耐熱油、溫度沖擊、溫度循環(huán)、回流焊、機(jī)械應(yīng)力等試驗(yàn)；樣品的測試評(píng)價(jià)主要通過金相（顯微剖切）、互連電阻測試、孔電阻測試等來分析判定。與溫度相關(guān)的應(yīng)力試驗(yàn)方法中，PCB 樣品在低溫與高溫之間移動(dòng)的周期性氣相沖擊試驗(yàn)，是最為典型的方

10、法。在此項(xiàng)熱沖擊試驗(yàn)中，各廠家對(duì)溫度、時(shí)間等條件要求都會(huì)有所不同（原因）；液相試驗(yàn)法可使此類試驗(yàn)的評(píng)價(jià)時(shí)間縮短，高溫硅油的-37- 溫度條件接近組裝的實(shí)際工藝溫度，低溫則采用室溫溫度條件。由于液相試驗(yàn)對(duì)PCB 樣品的熱沖擊影響甚大，因而在短期內(nèi)就可獲得試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于高頻化的高速數(shù)字電路印制板的應(yīng)用，由于保證信號(hào)傳輸質(zhì)量的需要，使得PCB 的表面導(dǎo)線、焊盤與介質(zhì)層的粘合力下降，因此這是需要關(guān)注的一個(gè)問題。為此，在生產(chǎn)檢驗(yàn)中需要利用如圖4和表1列舉的拉脫強(qiáng)度、模擬返工、剝離強(qiáng)度等方法來對(duì)導(dǎo)線和焊盤進(jìn)行可靠性的試驗(yàn)與評(píng)價(jià)。圖4 多層印制板用綜合測試圖形針對(duì)“導(dǎo)線和孔連接可靠性”的問題，我們后面將陸續(xù)

11、推出以下相關(guān)文章予以深入探討和分析：（1）印制電路板溫度循環(huán)（沖擊）試驗(yàn)方法與互連電阻測試評(píng)價(jià)；（2）印制電路板的液相溫度沖擊試驗(yàn)方法與測試評(píng)價(jià)；（3）印制電路板的焊接試驗(yàn)方法與測試評(píng)價(jià)；（4）印制電路板的機(jī)械應(yīng)力試驗(yàn)與評(píng)價(jià)。2.3 “線間、層間絕緣可靠性”的試驗(yàn)與評(píng)價(jià)從“線間、層間絕緣可靠性”的角度來考察，絕緣可靠性主要包括：導(dǎo)體圖形間的絕緣可靠性、介質(zhì)層間的絕緣可靠性。與高密度互連使得印制板的孔和導(dǎo)線互連風(fēng)險(xiǎn)加大一樣，高密度互連的孔、導(dǎo)線間距縮小，介質(zhì)層薄化同樣使得其線間、層間絕緣可靠性問題更加突出，同時(shí)由于無鉛化使得導(dǎo)體間更容易造成離子遷移，形成錫須而導(dǎo)致絕緣劣化。在絕緣可靠性的測試方法

12、中，都必須有水份的存在，這樣才能創(chuàng)造出一個(gè)加濕的試驗(yàn)條件，從而對(duì)濕態(tài)處理下樣品的絕緣性能進(jìn)行評(píng)價(jià)和檢測。目前常用的絕緣可靠性試驗(yàn)方法，主要有溫濕度周期性試驗(yàn)法、常規(guī)加濕試驗(yàn)法，HAST 試驗(yàn)法、PCT 試驗(yàn)法。其中溫濕度周期性試驗(yàn)法在試驗(yàn)條件上講，屬于 溫和型 的。在得到此項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果的時(shí)間上，是需要較長的一段時(shí)間的。常規(guī)加濕試驗(yàn)法多選用85/85%RH試驗(yàn)處理?xiàng)l件，處理的時(shí)間，可與用戶協(xié)商而定（一般采用1000 h居多）。HAST （Highly Accelerated Temperatare & Humidity Stress Test高加速溫濕度應(yīng)力試驗(yàn)）試驗(yàn)法是以加速加濕過程為特點(diǎn)的加濕

13、絕緣性能試驗(yàn)方法。原本的該試驗(yàn)條件是用于汽車導(dǎo)體封裝內(nèi)的封裝材料物理性變化的檢測，將此試驗(yàn)法搬入對(duì)多層PCB 的考察加濕處理后絕緣性能的變化，是否適用目前還仍在研究探討之中。另外，PCT （Preessure Cooker Test）試驗(yàn)法（又稱作壓力鍋蒸煮試驗(yàn)），是在飽和水蒸氣條件下所進(jìn)行的相當(dāng)嚴(yán)酷的高濕試驗(yàn)。對(duì)有機(jī)材料為樣品的標(biāo)準(zhǔn)要求目前還未建立，標(biāo)準(zhǔn)中也未有對(duì)試驗(yàn)裝置的詳細(xì)規(guī)定。但是，許多用戶要求PCB 生產(chǎn)廠進(jìn)行此項(xiàng)可靠性試驗(yàn)的要求是很強(qiáng)烈的，因而此項(xiàng)試驗(yàn)在日本眾多PCB 生產(chǎn)廠中得到采用。我們依據(jù)多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)或測試方法來看，考核絕緣劣化主要選擇表2列舉的幾種試驗(yàn)方法：吸水性、濕氣敏感度試

14、驗(yàn)、水煮試驗(yàn)、常規(guī)濕熱試驗(yàn)、HAST 試驗(yàn)、CAF 測試等；樣品的測試評(píng)價(jià)主要通過如圖5所示測試圖形或成品取樣件的金相（顯微剖切）、絕緣電阻測試、介質(zhì)耐電壓等方法來分析判定。圖5 常用絕緣性能測試圖形表1 綜合測試圖形的用途（下轉(zhuǎn)第59頁）-59- 拉動(dòng)反而會(huì)使元件立起產(chǎn)生“立碑”現(xiàn)象。這是因?yàn)椋海?）與元件接觸較多的焊錫端得到更多熱容量，從而先熔化；（2）元件兩端與焊膏的粘力不同。所以應(yīng)調(diào)整好元件的貼片精度，避免產(chǎn)生較大的貼片偏差。較輕的元件“立碑”現(xiàn)象的發(fā)生率較高，這是因?yàn)椴痪獾膹埩梢院苋菀椎乩瓌?dòng)元件。所以在選取元件時(shí)如有可能，應(yīng)優(yōu)先選擇尺寸重量較大的元件。2 結(jié)語焊接缺陷還有很多，本

15、文列舉的只是三種最為常見的缺陷。解決這些焊接缺陷的措施也很多，但往往相互制約。如提高預(yù)熱溫度可有效消除立碑，但卻有可能因?yàn)榧訜崴俣茸兛於a(chǎn)生大量的焊錫球。因此在解決這些問題時(shí)應(yīng)從多個(gè)方面進(jìn)行考慮，選擇一個(gè)折衷方案，這一點(diǎn)在實(shí)際工作中我們應(yīng)切記。作者簡介鮮飛，工程碩士，工程師，從事電子組裝工藝技術(shù)工作，在各種學(xué)術(shù)會(huì)議及電子科技期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文200多篇，出版有電子組裝技術(shù)專著，2008年深圳華南Nepcon 最佳SMT 工程師獲得者。針對(duì)“線間、層間絕緣可靠性”的問題，我們后面將陸續(xù)推出以下相關(guān)文章予以深入探討和分析：（1）印制電路板濕熱試驗(yàn)方法與絕緣電阻測試評(píng)價(jià)；（2）印制電路板加速濕熱試驗(yàn)方法與絕緣電阻測試評(píng)價(jià)；（3）印制電路板的介質(zhì)耐電壓（抗電強(qiáng)度）測試方法；（4）IC 有機(jī)載板濕氣敏感度試驗(yàn)方法與絕緣電阻測試評(píng)價(jià)。3 結(jié)論文章對(duì)當(dāng)前高密度互連、高速數(shù)字電路的印制表2 印制板常用絕緣性能考核評(píng)估試驗(yàn)方法板及無鉛化工藝