軍用印制板標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)研究

張永華 王瓔琰 李成虎

(無錫江南計算技術(shù)研究所軍用印制板質(zhì)量檢測中心，江蘇 無錫 214083)

0 前言

印制電路板（簡稱印制板）主要由絕緣基材和附著在基材表面的導(dǎo)電材料組成，在電子設(shè)備中可起到機械支撐、電路絕緣和互連導(dǎo)通的作用，隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，印制板內(nèi)埋置的電阻、電容、電感，甚至集成電路等，使得印制板也逐漸承擔(dān)部分電路元件的功能。軍用印制板是指應(yīng)用于地面固定、車載、艦載、機載和航天等軍用電子設(shè)備中的印制板，其典型特點是應(yīng)用環(huán)境惡劣，服役壽命較長，因此制造過程中的質(zhì)量管控也更為嚴(yán)格，與可靠性相關(guān)的性能要求也更高。

隨著軍用電子裝備小型化、高集成度和多功能化的發(fā)展需求，精細(xì)導(dǎo)線和節(jié)距、微導(dǎo)通孔、高密度組裝焊盤等結(jié)構(gòu)在軍用印制板產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越普遍，這在增大印制板加工制造難度的同時，也增加了軍用電子裝備長期使用可靠性的風(fēng)險，往往輕微的質(zhì)量缺陷便會造成軍事效益和經(jīng)濟效益的巨大損失。因此，明晰軍用印制板的特殊性，并有針對性地對軍用印制板產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、電裝和使用的全壽命過程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化要求，進(jìn)而改進(jìn)、健全、完善符合我國軍用印制板行業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)律的標(biāo)準(zhǔn)體系，對解決產(chǎn)品交付過程中供需雙方的認(rèn)識矛盾問題，持續(xù)提升軍用電子裝備的質(zhì)量和可靠性，推動國防現(xiàn)代化和航天事業(yè)的新發(fā)展，將起到穩(wěn)固的基礎(chǔ)支撐作用。

1 印制板標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)

按照材料、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用環(huán)境的不同，印制板通常分為剛性（常規(guī)）印制板、撓性和剛撓結(jié)合印制板、高頻高速印制板、金屬基（芯）印制板等。印制板標(biāo)準(zhǔn)體系，基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)包括術(shù)語和定義、包裝和貯存等，印制板制造階段包括設(shè)計、基材和輔料的要求，產(chǎn)品交付階段包括質(zhì)量鑒定和性能規(guī)范，以及配套的測試試驗方法等，電子組裝階段包括焊接、清洗和組裝的要求，使用階段包括可靠性評價方法和壽命預(yù)計等，如圖1所示。

圖1 印制板標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)

2 國際和國外先進(jìn)印制板標(biāo)準(zhǔn)體系研究

2.1 國際印制板標(biāo)準(zhǔn)（IEC）

當(dāng)前，印制板國際標(biāo)準(zhǔn)為國際電工委員會（IEC）的標(biāo)準(zhǔn)，IEC成立于1906年，是世界上成立最早的國際性電工標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)，負(fù)責(zé)有關(guān)電氣工程領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)化工作。IEC有81個成員國，我國也是成員國之一，我國印制電路板國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）大多是以IEC標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)編制而成。IEC標(biāo)準(zhǔn)在國際上有著非常重要的地位，但由于其主要針對消費類電子產(chǎn)品，技術(shù)指標(biāo)要求普遍較低，因此在可靠性要求較高的軍用印制板領(lǐng)域和航空、航天領(lǐng)域較少采用。

2.2 國外先進(jìn)印制板標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)（IPC）

1957年9月，美國六家印制板企業(yè)建立了The Institute of Printed Circuit（印制電路協(xié)會），之后改名為The Institute of the Interconnecting and Packing Electronic Circuit（電子電路互連與封裝協(xié)會），又在1998年再次更名為Association Of Connecting Electronics Industries（電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會）。IPC標(biāo)準(zhǔn)體系具有適應(yīng)性強和通用性廣的顯著特點，技術(shù)要求一直處于國際領(lǐng)先地位，是當(dāng)前印制板和電子組裝行業(yè)最為權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)，對全球的電子電路行業(yè)影響巨大，其多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)被美國國家標(biāo)準(zhǔn)（ANNI）和美國軍用標(biāo)準(zhǔn)（MIL）所直接采納。

根據(jù)產(chǎn)品復(fù)雜度、可制造性和可靠性要求不同，IPC標(biāo)準(zhǔn)通常將最終產(chǎn)品的可接受條件分為3個等級：

1級，通用類電子產(chǎn)品。包括消費類電子產(chǎn)品、某些計算機及其外圍設(shè)備和以使用功能為主要用途的產(chǎn)品。

2級，專用服務(wù)類電子產(chǎn)品。包括通訊設(shè)備、復(fù)雜的工商業(yè)設(shè)備和高性能、長壽命測量儀器等。在通常的使用環(huán)境下，這類產(chǎn)品不應(yīng)該發(fā)生故障。

3級，高性能電子產(chǎn)品。包括能持續(xù)運行的高可靠、長壽命的軍用、民用設(shè)備。這類產(chǎn)品在使用過程中絕對不允許發(fā)生中斷故障，同時在惡劣的環(huán)境下，也要確保設(shè)備的可靠的啟動和運行。例如醫(yī)療救生設(shè)備和軍事裝備系統(tǒng)等。

此外，對3級性能之上的更高要求（如航天及軍用航空電子產(chǎn)品）定為3A級。

結(jié)合印制板標(biāo)準(zhǔn)體系，IPC中可參考的常用印制板標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 IPC標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 美國軍用標(biāo)準(zhǔn)（MIL）

美國軍用標(biāo)準(zhǔn)是美國國防部批準(zhǔn)的用于軍用設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。軍用印制板標(biāo)準(zhǔn)最著名的是MIL-P-55110《剛性印制電路板通用規(guī)范》，我國的國軍標(biāo)GJB 362就是主要參照該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制定的。近年來，美軍標(biāo)較少推出新的標(biāo)準(zhǔn)，并逐漸以IPC的3級和3A級標(biāo)準(zhǔn)要求來控制產(chǎn)品質(zhì)量，美軍標(biāo)中的常用印制板標(biāo)準(zhǔn)包括：

MIL-PRF-31032B 印制電路板總規(guī)范

MIL-PRF-31032/1D 有鍍覆孔剛性多層印制板

MIL-PRF-31032/2C 有或無鍍覆孔剛性單雙面印制板

MIL-PRF-31032/3C 有或無鍍覆孔、有或無增強板撓性單雙面印制板

MIL-PRF-31032/4C 有或無鍍覆孔、有或無增強板撓性多層印制板

MIL-PRF-31032/5B有鍍覆孔剛性多層高頻印制板

MIL-PRF-31032/6B有或無鍍覆孔剛性單雙面高頻印制板

MIL-STD-257軍用印制電路設(shè)計

3 國內(nèi)印制板標(biāo)準(zhǔn)狀況研究

3.1 國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）

國標(biāo)分為強制性標(biāo)準(zhǔn)和推薦性標(biāo)準(zhǔn)（GB/T），凡是涉及公共安全、人身健康、生命財產(chǎn)安全和重要軍工系統(tǒng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)都要執(zhí)行強制性標(biāo)準(zhǔn)。印制板是電子整機產(chǎn)品的基礎(chǔ)部件，一般印制板標(biāo)準(zhǔn)不是強制性標(biāo)準(zhǔn)，但在一些重要產(chǎn)品中應(yīng)用時就需要執(zhí)行強制性標(biāo)準(zhǔn)，如宇航、醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)等。GB中可參考的常用印制板標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 國標(biāo)中的印制板標(biāo)準(zhǔn)

3.2 電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SJ）

電子工業(yè)部的前身是第四機械工業(yè)部，電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SJ）是四和機漢語拼音的第一個字母。SJ印制板標(biāo)準(zhǔn)體系（見表3）覆蓋面較廣，并在不斷的補充完善中，更新速度也相對較快，其中的許多標(biāo)準(zhǔn)，如SJ 20810《印制板尺寸和公差》、SJ 10309《印制板用阻焊劑》等標(biāo)準(zhǔn)在行業(yè)內(nèi)認(rèn)可度和使用情況都非常好，國軍標(biāo)中的許多設(shè)計類和材料類的標(biāo)準(zhǔn)要求，也主要以參考SJ標(biāo)準(zhǔn)為主。

表3 SJ中的印制板標(biāo)準(zhǔn)

3.3 中國電子電路行業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)（CPCA）

中國電子電路行業(yè)協(xié)會CPCA成立于1990年6月，由印制電路PCB、覆銅箔板CCL等原輔材料、專用設(shè)備以及部分電子組裝SMT和電子制造服務(wù)EMS的企業(yè)以及相關(guān)科研院校組成。CPCA發(fā)動廣大企業(yè)參與制訂CPCA標(biāo)準(zhǔn)和WECC標(biāo)準(zhǔn)，并與IPC和JPCA制訂了多項聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)，其中有代表性的標(biāo)準(zhǔn)包括：

CPCA 1201-2009 印制板的包裝、運輸和保管

T/CPCA 4105-2016 印制電路用金屬基覆銅箔層壓板

T/CPCA 4106-2016 有機陶瓷基覆銅箔層壓板

CPCA/JPCA 4306-2011 印制板用阻焊劑

CPCA/JPCA 4307-2011 印制板用標(biāo)記油墨

T/CPCA 6044-2017 印制電路板安全性能規(guī)范

T/CPCA 6045-2017 高密度互連印制電路板技術(shù)規(guī)范

4 軍用印制板標(biāo)準(zhǔn)體系現(xiàn)狀

4.1 軍用印制板標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)成

軍用印制板標(biāo)準(zhǔn)是在參考美軍標(biāo)和IPC標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)軍用印制板產(chǎn)品生產(chǎn)制造能力和使用單位需求，遵循軍用標(biāo)準(zhǔn)編寫格式編制而成。現(xiàn)行有效的軍用印制板標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

由表4可見，軍用印制板標(biāo)準(zhǔn)體系中無術(shù)語和定義標(biāo)準(zhǔn)，以參考GB/T 2036為主；印制板設(shè)計要求標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了最常見的剛性和撓性印制板類型，而尺寸和公差、對位精度等要求參考標(biāo)準(zhǔn)SJ 20810等；基材標(biāo)準(zhǔn)有規(guī)定剛性覆銅箔基材、增強型聚四氟乙烯（PTFE）高頻基材和金屬基覆銅箔基材的技術(shù)要求；產(chǎn)品驗收標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了剛性、撓性和微波印制板產(chǎn)品的技術(shù)要求，質(zhì)量保證規(guī)定和交貨準(zhǔn)備（包裝、儲存和運輸?shù)龋约膀炇张袚?jù)；試驗方法標(biāo)準(zhǔn)中有配合基材規(guī)范的試驗方法標(biāo)準(zhǔn)，以及球柵陣列（BGA的平整度、剪切力等）的試驗方法標(biāo)準(zhǔn)，成品印制板測試方法標(biāo)準(zhǔn)以參考GB/T 4677為主，并對銅箔抗拉強度和伸長率、連接盤的拉脫強度等進(jìn)行了補充；印制板組裝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了常見表面安裝器件[片式元件（BGA）、方型扁平式封裝（QFP）、方型偏平式無針腳封裝（QFN）、球柵網(wǎng)格陣列封裝等）]焊接、檢測和返修的要求；可靠性標(biāo)準(zhǔn)是通過對表面安裝器件進(jìn)行溫度循環(huán)試驗的方法來評價焊點的壽命。綜上所述，無論是設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中可制造性和可靠性的考慮，驗收標(biāo)準(zhǔn)中的性能要求和質(zhì)量保證規(guī)定，還是電子組裝件的焊點驗收判據(jù)，其標(biāo)準(zhǔn)制定的核心都是為了保證軍用印制板產(chǎn)品的交付質(zhì)量和使用可靠性。

表4 軍用印制板標(biāo)準(zhǔn)體系

4.2 軍用印制板標(biāo)準(zhǔn)體系存在的主要問題

4.2.1 標(biāo)準(zhǔn)更新周期過長，技術(shù)指標(biāo)缺乏先進(jìn)性

通常軍用印制板標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布實施5年后，才可提出標(biāo)準(zhǔn)修訂的申請，從申請立項到完成標(biāo)準(zhǔn)報批最快也需2～3年時間，加上之后不定期的標(biāo)準(zhǔn)化審查時間，往往標(biāo)準(zhǔn)的最快更新周期也需要近10年。而國際IPC標(biāo)準(zhǔn)，通常在新標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后便會快速啟動修訂工作，其中使用率較高的標(biāo)準(zhǔn)如IPC 600和IPC 610等，3～4年便會有一個新版本推出。

市場對電子產(chǎn)品小型化和高集成度的需求，不斷推動著印制電路行業(yè)新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝、新方法的快速發(fā)展，這與標(biāo)準(zhǔn)遲緩的更新速度產(chǎn)生了顯著的矛盾。一方面，對于已普遍采用的新結(jié)構(gòu)和新工藝，由于現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)中缺少相關(guān)的性能要求或測試方法，無法對其進(jìn)行質(zhì)量考核，為產(chǎn)品交付后的使用可靠性埋下了隱患；另一面，由于行業(yè)整體制造能力的快速提升，落后的技術(shù)指標(biāo)要求也阻礙了新材料和新工藝的廣泛應(yīng)用，以及新方法的推廣實施。

4.2.2 標(biāo)準(zhǔn)類型短缺明顯，限制了標(biāo)準(zhǔn)的推廣應(yīng)用

當(dāng)前軍用印制板標(biāo)準(zhǔn)體系的核心在于規(guī)范軍用印制板產(chǎn)品的交付質(zhì)量，保證軍用電子產(chǎn)品的長期無故障運行，因此產(chǎn)品鑒定和性能規(guī)范，以及電裝后的產(chǎn)品驗收規(guī)范相對完善，但印制板基材和輔料，專業(yè)測試方法，通用電子數(shù)據(jù)，以及電子組裝工藝等標(biāo)準(zhǔn)明顯短缺，這導(dǎo)致承制方和采購方只能按照國外標(biāo)準(zhǔn)或制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來控制產(chǎn)品質(zhì)量。由于缺乏統(tǒng)一權(quán)威的規(guī)范，生產(chǎn)單位和使用單位間的認(rèn)識偏差常常引起不必要的拒收，造成生產(chǎn)成本的增加和資源的巨大浪費。

此外，隨著信號傳輸頻率和傳輸速度的快速提高，行業(yè)對高頻高速電路的設(shè)計、材料和測試評價方法類標(biāo)準(zhǔn)的需求非常迫切，而配套的軍用印制板標(biāo)準(zhǔn)不僅發(fā)布速度跟不上市場步伐，同時已發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)也缺乏有效的推廣宣貫，這不僅限制了標(biāo)準(zhǔn)的實施應(yīng)用，編制單位也無法獲得使用者良好的信息反饋，阻礙了標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步的修訂完善。

4.2.3 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容不夠全面，難以滿足市場需求

我國雖然早已是印制板制造第一大國，工藝技術(shù)能力處于國際領(lǐng)先地位，并貢獻(xiàn)了全球超過60%的產(chǎn)量，但與之不相稱的是印制板相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)一直處于跟隨者的角色，這一方面是由于國內(nèi)印制板行業(yè)起步成熟較晚，更主要的原因是國內(nèi)缺乏良好的標(biāo)準(zhǔn)編制合作模式，以及果敢、堅毅的開拓性精神。

國標(biāo)、電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國軍標(biāo)，無論組成結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)，整體上講主要源自于IEC、IPC和MIL等國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)；借鑒國外標(biāo)準(zhǔn)體系的系統(tǒng)性和先進(jìn)性，結(jié)合國內(nèi)印制板設(shè)計、制造的現(xiàn)狀，對于快速建立成熟、實用的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)體系，的確起到了事半功倍的作用，但國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)編制過程中對技術(shù)指標(biāo)確定來源的過分強調(diào)，對新工藝的過度不信任，無形中也限定了標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的先進(jìn)性和全面性，這種背景下編制出的標(biāo)準(zhǔn)，雖能解決基礎(chǔ)性問題，但面對市場的實際需求和新技術(shù)時，卻完全無應(yīng)對之力。如對阻焊膜厚度（見圖2）的要求，通常規(guī)定“A處的阻焊膜厚度不應(yīng)大于0.1 mm，B處的阻焊膜厚度應(yīng)不小于0.018 mm，C處的阻焊膜應(yīng)能覆蓋導(dǎo)電圖形”。

圖2 阻焊膜厚度測量圖

上述要求對于常規(guī)印制板起到了很好的阻焊覆蓋度要求的限定作用，但對于當(dāng)前高速電路中經(jīng)常采用的較厚銅（大于70 μm）結(jié)構(gòu)，為保證C處阻焊膜不會出現(xiàn)暴露導(dǎo)體的情形，通常都會增大阻焊膜的印刷量，此時A處的阻焊膜厚度往往會超過0.1 mm。此外，限定A處阻焊膜厚度的初衷是為了防止其與鄰近待焊接焊盤高度差過大，引起可焊性不良現(xiàn)象的發(fā)生（見圖3），但這一高度差的具體要求，以及阻焊膜與焊盤（銅箔限定的連接盤）間最小節(jié)距的要求，由于缺少普信的指標(biāo)出處和充分的試驗數(shù)據(jù)支撐，國內(nèi)的印制板標(biāo)準(zhǔn)中均未作出明示，但這些參數(shù)對于指導(dǎo)印制板設(shè)計，保證電裝良率和質(zhì)量，卻是非常關(guān)鍵的，也是生產(chǎn)單位迫切需要的。

圖3 基材上阻焊膜厚度偏厚導(dǎo)致可焊性不良

4.2.4 標(biāo)準(zhǔn)之間的協(xié)調(diào)性差，阻礙了標(biāo)準(zhǔn)的作用發(fā)揮

軍用印制板標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)性差一方面表現(xiàn)在同國標(biāo)、電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)存在重復(fù)修訂，材料名稱、型號、分類等不統(tǒng)一，技術(shù)要求相互矛盾；另一方面，各項軍用印制板標(biāo)準(zhǔn)之間也存在相互引用不合理，內(nèi)容要求不匹配的現(xiàn)象。標(biāo)準(zhǔn)之間的協(xié)調(diào)性差，不僅影響了獨立標(biāo)準(zhǔn)的可信度和可操作性，也削弱了標(biāo)準(zhǔn)體系整體性作用的發(fā)揮。

5 軍用印制板標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的思考

緊密結(jié)合軍用印制板產(chǎn)品設(shè)計、制造的技術(shù)特點，緊跟最新技術(shù)發(fā)展趨勢，合理參照國外先進(jìn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)滿足軍用電子設(shè)備高可靠性要求，適用我國軍用印制板行業(yè)需求的標(biāo)準(zhǔn)體系，仍是軍用印制板標(biāo)準(zhǔn)體系下一階段建設(shè)的主要方式和主體目標(biāo)，在這一建設(shè)思路下，重心工作包括：

（1）緊貼行業(yè)發(fā)展需求，完善標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。對于已喪失技術(shù)先進(jìn)性的標(biāo)準(zhǔn)，如GJB 2830-1997《撓性和剛撓印制板設(shè)計要求》等，快速開展標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作；對于行業(yè)需求度較高的標(biāo)準(zhǔn)，如高頻/高速基材規(guī)范、可靠性考核方法和壽命預(yù)計等，及時開展相關(guān)的技術(shù)研究；對于行業(yè)內(nèi)廣泛采用并對武器裝備質(zhì)量起關(guān)鍵性保證作用的標(biāo)準(zhǔn)，如GJB 9491-2018《微波印制板通用規(guī)范》等，應(yīng)緊跟最新的技術(shù)發(fā)展趨勢，適時開展標(biāo)準(zhǔn)更新；對于特殊類型印制板，如金屬基印制板和埋置器件印制板等，應(yīng)準(zhǔn)確把握實際需求，合理進(jìn)行補充建設(shè)。

（2）在軍民協(xié)作、深度融合的大背景下，積極探索廣泛采用國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的可能性，如印制板設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、基材和輔料標(biāo)準(zhǔn)，以及通用測試方法標(biāo)準(zhǔn)等，減少軍用標(biāo)準(zhǔn)不必要的重復(fù)編制。同時加強與軍品印制板設(shè)計、生產(chǎn)和使用單位的交流合作，共同參與、推動軍用印制板標(biāo)準(zhǔn)體系的特色化、實用性和先進(jìn)性建設(shè)。

（3）在參照國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的同時，準(zhǔn)確把握行業(yè)需求，積極開展技術(shù)創(chuàng)新研究，對明顯處于技術(shù)落后的性能要求，不迷信權(quán)威，果斷修正，對缺少充分參考依據(jù)的指標(biāo)參數(shù)，努力推動共同研討和技術(shù)交流活動，保證標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的實用性和可操作性，使軍用印制板標(biāo)準(zhǔn)能真正發(fā)揮出對產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的支撐作用。