車用PCB的高低溫沖擊測試技術(shù)

嚴澤軍

（麥可羅泰克（常州）產(chǎn)品服務有限公司，江蘇 常州 213031）

0 前言

隨著汽車智能化的發(fā)展，汽車的電子化水平日益提高，汽車電子的快速增長帶來相應車用印制電路板（PCB）需求量的快速增長。汽車電子市場很大程度上由世界知名汽車零部件廠商德爾福、采埃孚、博世、大陸等巨頭占領(lǐng)，PCB企業(yè)要想成為這些企業(yè)的合格供應商，首先要通過這些企業(yè)的認證測試。我公司是汽車電子企業(yè)授權(quán)的第三方檢測機構(gòu)，從事車用PCB相關(guān)性能的檢測。根據(jù)以往的檢測結(jié)果，高低溫測試是比較難通過的一項測試，一次通過率大約在50%左右。有些PCB企業(yè)技術(shù)人員對該項測試比較困惑，找不到改善的方向?，F(xiàn)根據(jù)我公司在高低溫沖擊試驗中累積的大量經(jīng)驗，歸納了一些高低溫沖擊測試的樣品要求、預處理條件、測試條件、測試方法、評價要求、失效原因以及改善對策。希望可以供板廠參考，做好提前改善，節(jié)約公司的測試成本。

1 高低溫沖擊測試原理和技術(shù)特點

高低溫沖擊試驗是一個加速試驗，可作為其產(chǎn)品改進的依據(jù)或參考。其原理是在溫度急劇變化時，由于熱脹冷縮效應引起交變應力，造成材料開裂、接觸不良、性能變化等現(xiàn)象，適用的對象包括金屬、塑料、橡膠、電子等材料。PCB在高溫和低溫的循環(huán)中，受到層壓材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）給鍍通孔加壓，使鍍層發(fā)生斷裂。

車用PCB的高低溫沖擊測試的技術(shù)特點：

（1）測試樣品必須先做3次無鉛回流焊處理，而普通電子產(chǎn)品不需要。

（2）測試樣品的性能要求至少達到IPC相關(guān)規(guī)范的3級要求，有些要求比IPC的相關(guān)規(guī)范更加嚴格。

（3）測試時間很長，測試周期需連續(xù)運行至少500 h，有些產(chǎn)品甚至需要測試2000 h，而普通電子產(chǎn)品一般只需要50 h。

（4）由于測試條件比較嚴酷，PCB企業(yè)需要篩選材料、優(yōu)化工藝，甚至多次整改后才能通過測試。

2 測試標準與設(shè)備

測試標準按照：汽車零部件廠商技術(shù)規(guī)范；IEC 60068-2-14溫度變化；IPC-A-600J和IPC-6012D剛性印制板的可接收條件和印制板的鑒定及性能規(guī)范；IPC-TM-650 試驗方法手冊（方法2.6.7.2和2.1.1）。

測試設(shè)備有：高低溫沖擊箱、回流焊爐、切片研磨機和金相顯微鏡。

3 測試樣品準備

3.1 測試樣品要求

一般每個型號（材料）需要5～10塊測試樣品，每塊測試樣品包含多個測試單元，每個測試單元由孔和導線組成的鏈狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（見圖1）。

圖1 高低溫沖擊測試樣品

每個汽車零部件廠商對測試樣品、品質(zhì)要求都有詳細的技術(shù)要求，PCB企業(yè)的工程技術(shù)人員首先要仔細閱讀、消化這些技術(shù)資料，制定樣品制造方案，然后再進行樣品的制造。制作過程中還要根據(jù)汽車零部件廠商的技術(shù)規(guī)范要求對制程參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整（如：為減小孔壁粗糙度需要對鉆孔參數(shù)進行調(diào)整、為提高孔銅質(zhì)量需要調(diào)整電流密度和電鍍藥水濃度），品質(zhì)保障部門對照技術(shù)要求嚴格對測試樣品進行檢驗。這些技術(shù)規(guī)范要求測試樣品的性能要求至少要達到IPC相關(guān)規(guī)范的3級要求，表1是某汽車零部件廠商A對接收態(tài)測試樣品金相切片的要求，所有測試樣品只有符合了這些要求方可作為高低溫沖擊測試的樣品。制作、檢驗完成后放入干燥劑進行真空包裝。

表1 PCB的質(zhì)量要求（金相切片）

3.2 樣品預處理

根據(jù)汽車零部件廠商提供的溫度和時間要求設(shè)定參數(shù)，在制作測試樣品時多備1塊樣品用于回流焊曲線調(diào)試，確定所調(diào)曲線參數(shù)符合要求后將樣品進行規(guī)定次數(shù)的回流焊處理。

IPC-TM-650方法2.6.7.2和IEC 60068-2-14標準規(guī)定高低溫測試前不需要做預處理，而汽車零部件廠商要求高低溫沖擊測試前測試樣品必需先做3次無鉛回流焊處理（由于回流焊峰值溫度遠高于材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。PCB中的有機材料開始降解，CTE也會隨著時間的增加而增大，從而 增加了通孔的應力，減少了通孔失效所需的循環(huán)數(shù)），并且升溫和降溫速率都比IPC-TM-650方法2.6.27的要快得多（如圖2和圖3所示），使材料在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度前發(fā)生快速膨脹和收縮變化，因此選用高Tg和低Z軸膨脹系數(shù)的材料可減小對通孔的應力破壞。

圖2 汽車零部件廠商A回流焊參數(shù)

圖3 IPC-TM-650方法2.6.27回流焊參數(shù)

4 測試方法、評價和失效原因

4.1 測試條件

根據(jù)PCB的功能和使用環(huán)境，汽車零部件廠商把高低溫沖擊測試條件分成若干個等級。如某汽車零部件廠商A把高低溫沖擊測試條件分成8個等級（見表2），PCB企業(yè)根據(jù)自身能力申請某一等級的條件進行測試，一般產(chǎn)品通常會被要求做C1000或D1000等級的測試。

4.2 測試方法

測試前需按規(guī)定對高低溫沖擊箱進行檢查和保養(yǎng)，試運行至少2個循環(huán)以上，運行曲線符合要求方可進行正式測試（TB溫度在設(shè)定值的±2 ℃內(nèi)，TA溫度在設(shè)定值的±3 ℃內(nèi)，2個極限溫度間傳輸時間t2≤10 s，高溫和低溫的浸泡時間符合要求）。將測試樣品垂直固定在支架上，每塊樣品放置的間距大于13 mm，樣品的放置方向應該與箱體內(nèi)空氣流動方向平行。根據(jù)產(chǎn)品測試等級要求，對高低溫沖擊箱進行參數(shù)設(shè)置。測試過程應定期檢查設(shè)備運行是否正常，溫度曲線是否符合要求。由于測試周期很長，對沖擊箱的可靠性要求很高，德國偉思（WEISS）的沖擊箱在控溫精度，轉(zhuǎn)換速度和可靠性方面都有很好的表現(xiàn)（見圖4）。

圖4 高低溫沖擊溫度循環(huán)曲線

4.3 測試評價

當達到規(guī)定測試循環(huán)數(shù)后及時取出樣品，按照汽車零部件廠商要求（如表3）對所有樣品分別進行外觀檢查和切片檢查。只要有一個條款不符合要求，高低溫測試結(jié)果就判定不合格。

表2 高低溫沖擊測試條件

表3 廠商A 對高低溫沖擊后樣品質(zhì)量要求

圖5 高低溫沖擊測試失效原因

4.4 失效原因分析

從以往的檢測結(jié)果來看，失效模式主要是孔壁鍍層斷裂（占比大約在96%以上），其次是內(nèi)層導體和孔壁分離或夾雜物（占比大約在2%左右）。鍍層異常和板材質(zhì)量是導致鍍層在高低溫沖擊測試后出現(xiàn)斷裂的主要原因，典型案例和失效原因如圖5所示。

5 總結(jié)

對于汽車用PCB的制作，材料的選擇是非常重要的一個關(guān)鍵因素。如果選材不當，即使制程各個環(huán)節(jié)都沒有問題，也仍然無法通過高低溫沖擊測試。目前常用的是FR-4材料，以往測試數(shù)據(jù)顯示高耐熱性（高Tg）和低熱膨脹系數(shù)（Z-CTE）的材料能取得很好的測試結(jié)果。根據(jù)測試的溫度和時間，一般選擇材料的Tg點溫度比測試條件高溫的溫度至少要大20℃以上；高Tg的材料Z-CTE在Tg點前應小于45 μm/m·℃。

PCB制程控制是能否通過測試的另一個關(guān)鍵因素，主要的質(zhì)控點有壓合（壓合后板材要充分固化，一般△Tg應小于3℃）、鉆孔（孔壁粗糙度）、PTH（去鉆污、負凹蝕、化學鍍銅）和電鍍銅，電鍍銅的品質(zhì)尤為重要，電鍍銅擁有優(yōu)良的延伸率和抗張強度才能承受測試過程中的應力沖擊。PCB企業(yè)應側(cè)重于鍍層的延展性測試、鍍層結(jié)晶異常分析以及研究不同光劑含量和藥水污染水下對鍍層的可靠性影響。某PCB企業(yè)研究表明，采用長周期、較低電流密度（1.5 A/dm2～1.8 A/dm2）、中等含量添加劑、高酸低銅以及低有機污染的電鍍液有利于提升電鍍銅的延伸率和抗張強度。