印制電路板的可靠性試驗與評價

1、-35- 印制電路板的可靠性試驗與評價李小明 翟玉環(huán) 卜宏坤（江南計算技術研究所，江蘇 無錫 214083）摘 要 文章把印制電路板的可靠性概括為三個方面，并分別就其可靠性的試驗和評價方法進行了簡要綜述，提出了后續(xù)要介紹的印制電路板領域多種可靠性試驗和評價方法。關鍵詞 可靠性試驗；可焊性；連接可靠性；絕緣可靠性中圖分類號：TN41 文獻標識碼：A 文章編號：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)新的經濟增長點。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化，介質基材日益薄型化，這既給PCB 的內部導線與孔互連可靠性、內部導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的趨膚效應，需要盡量保證銅箔平整、光滑，但這又導致PCB 的表面導線、焊盤與介質層的粘合力下降，直接影響產品的使用壽命；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品存在的可靠性問題更加突出。為此，我們將結合近幾年來的一些測試與評估案例，和大家一起分期探討如何應用相關的測試標準或方法，來開展樣品的質量檢測和可靠性評價。本文作為印制板可靠性專題的前文，將簡要歸納總結印制板可靠性存在的幾個方面，并相應介紹列出一些試驗的方法，最后給出將陸續(xù)發(fā)表的印制板典型的質量檢測和可靠性評價方法。1 可靠性試驗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，這是從產品使用壽命上講的可靠性；（2）保證批次內每個產品的優(yōu)良品質的可靠性。對于PCB 可靠性，進行高頻率的檢驗是困難的。但又需要有連續(xù)性，以積累各方面的檢測數(shù)據，從而改善P

5、CB 產品的潛在缺陷。針對PCB 的可靠性，通常開展的是可靠性的增長試驗和統(tǒng)計試驗，可靠性增長試驗是一個有計劃地試驗、分析及確定問題的過程。在這個過程中，產品處在實際環(huán)境、模擬環(huán)境或加速變化的環(huán)境下經受試驗，以暴露設計和工藝中的缺陷。統(tǒng)計試驗包括可靠性鑒定試驗和可靠性驗收試驗：可靠性鑒定試驗的目的是向訂購方提供合格證明，即產品在批準投產之前已經符合最低可接收的可靠性要求?？煽啃则炇赵囼灥哪康脑谟趯桓兜哪承┊a品或編者按：為了PCB行業(yè)的需求，全面了解PCB的可靠性試驗與評價，本期起逢單月刊登此系列文章(約為11篇，供業(yè)內人士探討交流。 -36-生產批次進行評價。這種試驗必須反應實際使用情況，并

6、提供驗證可靠性的估計。PCB 可靠性試驗流程如圖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）分試驗前、試驗中、試驗后三個階段。在傳統(tǒng)的PCB 可靠性試驗中，中間檢測必須中斷試驗進行，具有較大的局限性，無法真實地反應樣品的整個失效變化趨勢，對材料、工藝的失效模式不能獲取有價值的細節(jié)因素。因此，我們將在后續(xù)的可靠性評價方法中為大家更多的介紹自動測試系統(tǒng)的應用。圖1 可靠性試驗與測試流程2 印制電路板可靠性的“三個要點”從圖2多層PCB 的結構示意圖中可以看出，信號電互連介質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、樹脂組成的介質層特性決定。因此，我們可以這樣認為

7、，保證印制電路板的可靠性只需做到三點：（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”的試驗與評價高密度互連及無鉛化生產工藝等給“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有效接觸面積和以往相比大大的縮小，PCB 板面的每個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、浸焊定性試驗判定方法外，定量的潤濕天平測試方法也已應用于PCB 的來料檢驗、產品開發(fā)、工藝設計、生產管理等方面。圖3 印制板孔、焊盤的可焊性樣品圖針對本節(jié)列出的問題，我們后面將陸續(xù)推出以下相關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與評價。（3）印制電路板表面鍍層的老化與可焊性評價。2.2 “導線和孔連接可靠性”的試驗與評價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、導線的連接可靠性。在當前，高密度互連使得印制板的孔和導線在尺寸上大大減小，相應它們的機械強度降低，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險。因此，正確合理地選用好試驗和評價方法，對于產品開發(fā)、工藝設計、質量管理控制等具有重要意義。從影響導線和孔連接可靠性的主要原因入手，考核PCB 連接可靠性的試驗方法主要有：熱應力、耐熱油、溫度沖擊、溫度循環(huán)、回流焊、機械應力等試驗；樣品的測試評價主要通過金相（顯微剖切）、互連電阻測試、孔電阻測試等來分析判定。與溫度相關的應力試驗方法中，PCB 樣品在低溫與高溫之間移動的周期性氣相沖擊試驗，是最為典型的方

10、法。在此項熱沖擊試驗中，各廠家對溫度、時間等條件要求都會有所不同（原因）；液相試驗法可使此類試驗的評價時間縮短，高溫硅油的-37- 溫度條件接近組裝的實際工藝溫度，低溫則采用室溫溫度條件。由于液相試驗對PCB 樣品的熱沖擊影響甚大，因而在短期內就可獲得試驗結果。對于高頻化的高速數(shù)字電路印制板的應用，由于保證信號傳輸質量的需要，使得PCB 的表面導線、焊盤與介質層的粘合力下降，因此這是需要關注的一個問題。為此，在生產檢驗中需要利用如圖4和表1列舉的拉脫強度、模擬返工、剝離強度等方法來對導線和焊盤進行可靠性的試驗與評價。圖4 多層印制板用綜合測試圖形針對“導線和孔連接可靠性”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）試驗方法與互連電阻測試評價；（2）印制電路板的液相溫度沖擊試驗方法與測試評價；（3）印制電路板的焊接試驗方法與測試評價；（4）印制電路板的機械應力試驗與評價。2.3 “線間、層間絕緣可靠性”的試驗與評價從“線間、層間絕緣可靠性”的角度來考察，絕緣可靠性主要包括：導體圖形間的絕緣可靠性、介質層間的絕緣可靠性。與高密度互連使得印制板的孔和導線互連風險加大一樣，高密度互連的孔、導線間距縮小，介質層薄化同樣使得其線間、層間絕緣可靠性問題更加突出，同時由于無鉛化使得導體間更容易造成離子遷移，形成錫須而導致絕緣劣化。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)造出一個加濕的試驗條件，從而對濕態(tài)處理下樣品的絕緣性能進行評價和檢測。目前常用的絕緣可靠性試驗方法，主要有溫濕度周期性試驗法、常規(guī)加濕試驗法，HAST 試驗法、PCT 試驗法。其中溫濕度周期性試驗法在試驗條件上講，屬于 溫和型 的。在得到此項試驗結果的時間上，是需要較長的一段時間的。常規(guī)加濕試驗法多選用85/85%RH試驗處理條件，處理的時間，可與用戶協(xié)商而定（一般采用1000 h居多）。HAST （Highly Accelerated Temperatare & Humidity Stress Test高加速溫濕度應力試驗）試驗法是以加速加濕過程為特點的加濕

13、絕緣性能試驗方法。原本的該試驗條件是用于汽車導體封裝內的封裝材料物理性變化的檢測，將此試驗法搬入對多層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）試驗法（又稱作壓力鍋蒸煮試驗），是在飽和水蒸氣條件下所進行的相當嚴酷的高濕試驗。對有機材料為樣品的標準要求目前還未建立，標準中也未有對試驗裝置的詳細規(guī)定。但是，許多用戶要求PCB 生產廠進行此項可靠性試驗的要求是很強烈的，因而此項試驗在日本眾多PCB 生產廠中得到采用。我們依據多個標準或測試方法來看，考核絕緣劣化主要選擇表2列舉的幾種試驗方法：吸水性、濕氣敏感度試

14、驗、水煮試驗、常規(guī)濕熱試驗、HAST 試驗、CAF 測試等；樣品的測試評價主要通過如圖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（下轉第59頁）-59- 拉動反而會使元件立起產生“立碑”現(xiàn)象。這是因為：（1）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。所以應調整好元件的貼片精度，避免產生較大的貼片偏差。較輕的元件“立碑”現(xiàn)象的發(fā)生率較高，這是因為不均衡的張力可以很容易地拉動元件。所以在選取元件時如有可能，應優(yōu)先選擇尺寸重量較大的元件。2 結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。如提高預熱溫度可有效消除立碑，但卻有可能因為加熱速度變快而產生大量的焊錫球。因此在解決這些問題時應從多個方面進行考慮，選擇一個折衷方案，這一點在實際工作中我們應切記。作者簡介鮮飛，工程碩士，工程師，從事電子組裝工藝技術工作，在各種學術會議及電子科技期刊上發(fā)表學術論文200多篇，出版有電子組裝技術專著，2008年深圳華南Nepcon 最佳SMT 工程師獲得者。針對“線間、層間絕緣可靠性”的問題，我們后面將陸續(xù)推出以下相關文章予以深入探討和分析：（1）印制電路板濕熱試驗方法與絕緣電阻測試評價；（2）印制電路板加速濕熱試驗方法與絕緣電阻測試評價；（3）印制電路板的介質耐電壓（抗電強度）測試方法；（4）IC 有機載板濕氣敏感度試驗方法與絕緣電阻測試評價。3 結論文章對當前高密度互連、高速數(shù)字電路的印制表2 印制板常用絕緣性能考核評估試驗方法板及無鉛化工藝