PCB可靠性测试评估方法简述.pdf

检测与可靠性 Inspection&Reliability印制电路信息 2024 No.1PCB可靠性测试评估方法简述刘立国 高蕊 张永华（无锡江南计算技术研究所，江苏 无锡 214083）摘要印制电路板（PCB）技术向高密度、高集成化等方向发展，导致PCB可靠性问题日益凸显。针对PCB失效机理，并结合现有PCB标准及实践应用情况，详细介绍了3种PCB可靠性测试评估的方法失效率预计法、加速试验预计法和试验鉴定法，以期为从业者开展PCB可靠性测试评估提供一定的帮助。关键词印制电路板（PCB）；失效机理；可靠性测试；可靠性评估中图分类号：TN41文献标志码：A文章编号：10090096（2024）01003004Brief description of reliability test and evaluation methods of PCBLIU Liguo GAO Rui ZHANG Yonghua(Wuxi Jiangnan Institute of Computing Technology,Wuxi 214083,Jiangsu,China)Abstract The printed circuit board(PCB)technology will continue to develop toward higher density and higher integration,so that PCB reliability problems will become increasingly prominent.This paper briefly introduces the failure mechanism of PCB.Combined with the existing standards and practical applications,three reliability test and evaluation methods of PCB are introduced in detail:failure rate prediction method,accelerated test prediction method and test identification method.We hope to provide some help for practitioners to carry out PCB reliability test and evaluation.Key wordsprinted circuit board(PCB);failure mechanism;reliability test;reliability evaluation0引言所有的电子元器件必须互连和组装在一起，才能形成功能完整且可运行的系统。印制电路板（printed circuit board，PCB）为元器件提供了固定支撑、电气连接和电绝缘，是电子系统中最基础、最重要的部件之一，且在可预见的未来仍将保持强大的发展趋势，是电子信息产业中必不可缺的部件1。随着半导体技术的发展，芯片级封装（chip scale package，CSP）、板上芯片（chip on board，COB）等封装技术的应用演进，以及埋入有源器件技术、系统级封装（system in package，SIP）技术的应用，PCB技术将继续向高精度、高作者简介：刘立国（1986），男，工程师，本科，主要研究方向为印制板、电子组装等电子互连工艺质量及可靠性测试评估技术。-30印制电路信息 2024 No.1检测与可靠性 Inspection&Reliability密度、高频高速化及高集成化方向发展。新材料、新工艺的应用，高密度、高集成化的发展，给PCB的可靠性带来了严峻的挑战。本文结合现有的标准及行业内的实践方法，简单介绍PCB可靠性的主要测试评估方法。1PCB失效机理1.1热致失效PCB在生产制造、后续组装及产品应用等过程中面临着各种各样的热应力，可能是长期的高温暴露，或单独、重复的热循环。在各种热应力的作用下，引起PCB失效的模式主要有镀覆孔断裂、层压板分层、导体与镀覆孔孔壁分离等。失效 机 理 主 要 有 构 成 PCB 各 材 料 热 膨 胀 系 数（coefficient of thermal expansion，CTE）的 不 一致、金属材料的疲劳、非金属材料的老化、生产制造的缺陷等。1.2机械致失效一般印制电路板组装（printed circuit board assembly，PCBA）后装入卡槽或固定到支架位置，在使用中遇到机械冲击或振动，元器件的互连部分将成为PCBA薄弱环节。机械应力致PCB失效的概率很小，但在PCB制造、组装或应用过程中，由于操作不规范、设计不合理等原因，可能会导致PCB受到磕碰、弯曲等过机械应力，进而导致PCB被破坏或断裂而失效，不可见的内部损伤也会影响PCB的可靠性。1.3化学致失效化学致PCB失效的主要模式是绝缘电阻降低。PCB应用的环境无法避免水汽，制造、组装或应用都可能受到离子污染，当PCB以及PCBA的表面或内部离子污染物吸收水分后，引起导体或金属镀层枝晶生长和金属迁移、电化学腐蚀、导电阳极丝（conductive anodic filament，CAF）生长等电化学现象，进而导致 PCB绝缘失效。高温、高湿和外加偏压通常会加速其电化学失效。2PCB可靠性测试评估方法按照PCB的3类失效机理，对应的可靠性测试也分为 3 类：热测试。一般主要是热应力（热油、漂锡、再流焊等）测试、温度冲击测试等。机械测试。一般PCB较少进行机械测试，通常是进行镀层或涂覆层与层压板的附着性能测试。温度、湿度、偏压测试。测试是为了促进PCB表面的腐蚀或导电阳极丝的生长，进而引起绝缘电阻降低2。针对PCB长期或应用可靠性，结合其主要失效机理，应重点考察的是其互连可靠性、绝缘可靠性及存储可靠性。结合电子设备、印制板、半导体相关标准，以及行业主要应用的方法，本文认为目前PCB可靠性测试评估方法主要有失效率预计法、加速试验预计法和试验鉴定法3种方法。2.1失效率预计法失效率预计法是根据产品基本失效率、产品环境系数、产品质量系数、产品复杂系数等经验值计算产品失效率，进而反映产品的可靠性，一般分为非工作状态和工作状态。非工作状态失效率预计模型、方法和参数可以参考 GJB 108A2006电子设备非工作状态可靠性预计手册3。工作状态失效率预计模型、方法和参数可以参考GJB 299C2006电子设备可靠性预计手册4。PCB制造工艺复杂，特别是高密度多层板制造工艺，细化可以分为几百道工序，因此制造商的技术能力、制造工艺及制造过程质量管理控制是决定相同材料、相同设计的产品质量和可靠性的关键因素。失效率预计法利用产品基本失效率、环境系数、复杂系数等经验数据计算得到产品失效率，对材料差异、制造工艺差异、质量管控等未作考虑，此方法一般适用于工艺成熟且复杂系数不高的产品，或产品研制的初步设计阶段，不能真实反映产品的可靠性，因此该方法并未得到广泛应用。2.2加速试验预计法加速试验预计法5是利用产品可靠性加速环境试验数据和可靠性数学模型来预计产品使用环境的可靠性，具体可分为存储可靠性、互连可靠性和绝缘可靠性。（1）存储可靠性。存储可靠性测试评估是评价在不通电高温存储试验下的连通性失效。若将金属的扩散速率与试验的绝对温度T作图，一般可得到直线关系（阿伦尼乌斯图），假设其故障模-31检测与可靠性 Inspection&Reliability印制电路信息 2024 No.1式为阿伦尼乌斯公式：K=Cexp(-ERT)（1）式中：K为反应速度常数；C为常数；R为玻尔兹曼常数；E为活化能；T为热力学温度。由式（1）可以推导出试验加速系数FA，其是故障时间的比率，表达式如下：AF=LfieldLlab=exp ER(1Tfield-1Tlab)（2）式中：Lfield为实用条件寿命；Llab为应力试验条件寿命；Tfield为实用温度；Tlab为应力试验温度。试验时开展 3种不同温度应力条件下的高温存储试验，根据平均失效时间结果计算得出式（2）中活化能E的平均值；再利用加速系数公式、试验温度条件、实用温度条件和试验失效时间，计算评估实际存储可靠性。（2）互连可靠性。互连可靠性测试评估是评价在温度冲击试验下的连通性失效。假定树脂、金属的疲劳寿命服从如下Coffin-Manson定律：C=Ni(i)n（3）式中：Ni为疲劳寿命；i为应变量；n为未知数。若产品在实用条件下的循环数为Nfield，与该循环数相当的应力试验循环数为Nlab，可以推导得出试验加速系数AF是应力试验中的应力与实用条件下的应力之比：AF=NfieldNlab=(TlabTfield)n（4）式中：Tfield为实用温度范围；Tlab为应力试验温度范围。试验时开展 3种不同温度应力条件下的温度冲击试验，根据平均失效循环数计算式（4）中未知数n的平均值，再利用加速系数公式、试验温度条件、实用温度条件和试验失效循环数计算实际应用的循环数，进而评估得到互连可靠性。（3）绝缘可靠性。绝缘可靠性测试评估是评价高温高湿偏压试验下的绝缘性能失效。假定导体 金 属 迁 移 造 成 绝 缘 电 阻 的 恶 化 遵 守 艾 林（Eyring）公式如下：K=C exp(-ERT)exp(f(HR)V（5）式中：f为湿度参数；HR为相对湿度；V为偏压。由式（5）可以推导得出试验加速系数AF是故障时间的比率，计算式如下：AF=LfieldLlab=exp ER(1Tfield-1Tlab)expf()HR_lab-HR_fieldVlabVfield（6）式中：HR_field为实用相对湿度；HR_lab为应力试验相对湿度；Vfield为实用外加电压；Vlab为应力试验外加电压。开展 3种不同温度应力条件下的高温高湿偏置试验，根据平均失效时间结果计算式（6）中活化能E的平均值；开展3种不同湿度应力条件的高温高湿偏置试验，根据平均失效时间结果计算式（6）中湿度参数f；再利用加速系数公式、试验条件、实际工作条件和试验失效时间计算评估实际绝缘可靠性。加速试验预计法依靠实际产品的使用材料、制造工艺和质量管理过程，制造与产品复杂度一致的样品进行可靠性试验，得到真实的可靠性数据，再通过数学模型计算得到应用环境的可靠性，其预计结果具有更高的可信度和准确率。该方法具体的加速试验条件和试验程序可以参考 IPC/JPCA6801积层/高密度互连（HDI）印制板的术语及定义、试验方法与设计示例。但是由于此方法试验周期较长、试验数据量大、成本高等原因，并没有得到制造商或使用方的广泛应用，在国内相关数据的积累也较少。2.3试验鉴定法试验鉴定法即按照标准试验方法、试验条件开展可靠性试验，通过试验前中后测试相关性能的符合性，判定样品是否满足其可靠性要求。具体试验也可以根据产品特点、应用环境或设计要求等对标准规范进行裁剪。PCB常用的可靠性试验方法有：温度冲击试验、高加速热冲击试验（highly accelerated thermal shock，HATS）、互连应力测试（interconnection test system，IST）、高温高湿偏置试验、高压加速寿命试验（highly accelerated temperature and humidity stress test，HAST）、高 压 蒸 煮 试 验（pressure cooker test，PCT）、高温存储试验、低温存储试验等。常用的可靠性试验参考标准有 IPC-9151 印制板工艺、生产能力、质量及相关可靠性（PCQR 2）基准测试标准和数据库、GJB 360B2009 电子及电气元件试验方法及JESD22-A系列标准等。-32印制电路信息 2024 No.1检测与可靠性 Inspection&Reliability由于方法简单、试验周期短、成本低和结果覆盖率广等优点，试验鉴定法得到广泛应用。一般产品制造商根据技术能力对最高技术能力和最大复杂度的产品进行可靠性试验鉴定，鉴定结果可以覆盖相同材料和相同工艺下的所有产品。产品使用方一般也使用工艺鉴定或试验鉴定对产品进行可靠性的符合性验证。3结语国内针对PCB开展的可靠性测试评估方法研究及数据积累较少，本文总结目前PCB可靠性测试评估方法，主要有失效率预计法、加速试验预计法和试验鉴定法3类。由于失效率预计法应用的局限性和结果的不确定性，加速试验预计法应用的高成本、长周期等原因，目前试验鉴定法是行业应用最为广泛的方法。建议有条件的单位或机构，可以针对不同类型、不同材料、不同工艺的产品开展加速试验预计法的应用研究，进行试验数据的积累，形成经验的数学模型参数，促进加速试验预计法的推广应用，为PCB可靠性的准确评估提供支撑。参考文献 1 何为,周国云.印制电路基础:原理、工艺技术及应用M.北京:机械工业出版社,2022.2 COOMBS C F.印制电路手册M.乔书晓,陈力颖,译.北京:科学出版社,2018.3 中国人民解放军总装备部电子信息基础部.电子设备非工作状态可靠性预计手册:GJB 108A2006S.2006.4 中国人民解放军总装备部电子信息基础部.电子设备可靠性预计手册:GJB 299C2006S.2006.5 Terms and definitions,test methods,and design examples for build up/high density interconnect(HDI)printed wiring boards:IPC/JPCA6801S.2000.天承科技拟投建珠海研发中心12月11日，天承科技发布公告称，公司于2021年第一次临时股东大会审议通过了 关于新建投资项目的议案，决定在珠海市新设子公司，并投资2亿元在金湾区内投资建设“年产30000吨专用电子材料电子化学品项目”。9月，项目公司取得位于珠海市金湾区南水镇化联三路东南侧的地块（现门牌号为珠海市金湾区南水镇化联三路280号）用以实施上述“年产30000吨专用电子材料电子化学品项目”。为改善公司研发试制与产品检测的整体环境，提升公司研发创新的综合实力，公司拟利用自有资金5000万元在前述地块附近新购土地并建设珠海研发中心，建设周期24个月。天承科技表示，本项目符合公司长期发展战略规划，项目建成后将提升公司的研发效率，促进技术和产品创新，增强公司的综合竞争力，符合公司及全体股东的利益。公司将按照项目进度分期投入资金，短期内项目建设将增加公司资本开支和现金支出 从长远来看，本项目对公司业务布局和经营业绩将具有积极影响。-33