單孔阻值測量在高低溫沖擊試驗中的應(yīng)用

孫龍生

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

0 前言

高低溫沖擊是模擬印制電路板在長期使用過程中環(huán)境溫度改變引起的老化程度，由于不可能采用與實際使用情況相同的試驗條件，只能通過瞬間經(jīng)極高溫及極低溫來模擬檢測試樣的承受能力。高低溫沖擊與阻值測量相結(jié)合可以監(jiān)控電路板在經(jīng)極高溫及極低溫的連續(xù)環(huán)境下試樣因熱脹冷縮所引起的內(nèi)部變化過程，常規(guī)的高低溫沖擊只能測量試驗前和試驗后的導(dǎo)通阻值，且只針對阻值較大的測試單元；對于毫歐級別的單孔電阻在線測量，我們使用了更加精密的測量設(shè)備，以及量身定做的一套測試軟件系統(tǒng)來實現(xiàn)了阻值測量的實時監(jiān)控。實時監(jiān)測可以更直觀地了解電路板在試驗過程中的變化情況，可以及時找出試樣發(fā)生失效的時間點，并在產(chǎn)生失效的第一時間進(jìn)行分析處理。

1 單孔圖形較鏈狀圖形的優(yōu)勢

以往高低溫沖擊都是測量鏈狀電路圖形，鏈狀圖形的總電阻包含了若干個鍍覆孔的阻值和連接導(dǎo)線的阻值（見圖1所示），總電阻通常超過了100 mΩ，而單孔阻值的大小大約在1 mΩ左右（見圖2所示）。鏈狀圖形試驗時，當(dāng)某一個鍍覆孔孔壁出現(xiàn)部分?jǐn)嗔褜?dǎo)致阻值發(fā)生變化時，即使變化率超過了20%，阻值的變化量也只有0.2 mΩ，相對于總電阻而言，變化率只有0.2%，無法呈現(xiàn)失效現(xiàn)象；這通常表現(xiàn)在總電阻變化率較小，切片分析下來發(fā)現(xiàn)孔壁出現(xiàn)部分?jǐn)嗔熏F(xiàn)象。除非當(dāng)所有鍍覆孔都發(fā)生斷裂現(xiàn)象，從而引起鏈狀圖形整體電阻變大，否則我們將無法直觀地通過阻值判定試樣失效與否。但一個鏈狀圖形中所有鍍覆孔同時失效的可能性是極低的，因此我們引入了單孔阻值測量方法，用四線法在一個鍍覆孔的頂面和底面焊接測試線，排除線阻的影響，只測量整個單孔的阻值，可以通過阻值變化觀察到這個鍍覆孔從開始斷裂到最終失效的全過程；對于多層印制線路板，也可測量內(nèi)層孔壁之間的阻值。由于單孔阻值較小的特殊性，我們需要更加精密，穩(wěn)定性更高的測量設(shè)備，在測量過程中施加一定的電流，待電流穩(wěn)定后測量鍍覆孔兩端的電勢差，從而得到單孔的阻值。

圖1 鏈狀圖形（摘自IPC-2221）

圖2 單孔阻值四線測量

2 二線與四線測試的區(qū)別

當(dāng)測量小電阻時，電纜自身的電阻會造成嚴(yán)重的測量誤差。為解決這一問題，我們采用 四線（也稱為遠(yuǎn)程傳感或開爾文連接）測量功能。在四線方案中，兩個連接器輸入電流，另外兩個連接器測量電壓。由于測量電壓的連接器沒有任何電流流過，因此它們可以精確地傳感被測器件上的實際電壓，以下是關(guān)于二線測試和四線測試的區(qū)別。

圖3 二線測試

二線測試只有一個回路（見圖3所示），所測得的阻值為引線電阻（R1和R2）和待測線路電阻（Rpcb）之和，即測得的阻值為R1+R2+Rpcb，故無法精確測定被測PCB的低阻值。但因為二線測試經(jīng)常被應(yīng)用于開短路測試中，評判開路的條件一般為20 Ω，故引線電阻影響不大，可以忽略不計。二線測試用來判斷線路的開短路已經(jīng)能滿足絕大部分的電路板的需要，但僅適用于完全斷線、完全孔斷之測試，對于低阻值測試則無能為力。

低阻四線測試又名開爾文連接，開爾文連接有兩個要求：對于每個測試點都有一條激勵線和一條檢測線，二者嚴(yán)格分開，各自構(gòu)成獨立回路，同時要求檢測線必須接到一個極高輸入阻抗的測試回路上，使流過檢測線的電流極小，近似為零（見圖4所示）。激勵線即是電流供給回路，檢測線即是電壓測定回路，電流、電壓兩回路各自獨立。電流供給回路兩端子與電壓測定回路兩端子共計四端子，故稱四線測試。

圖4 四線測試

電壓表測得的電壓V≈I1xRpcb（待測線路電阻與電流之乘積），因電壓表的內(nèi)部電阻非常高（MΩ級），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電壓測定回路的引線電阻R3和R4（Ω級），使得電流幾乎全部流經(jīng)Rpcb，流經(jīng)電壓表的電流I2幾乎為零，故所量到的電壓也幾乎是Rpcb本身的壓降，引線電阻完全可以忽略，使所測得的電阻值幾乎近似于Rpcb本身；由此可精確測定被測PCB之微小阻值，有效地消除了引線電阻（R1、R2）帶來的誤差，這對于mΩ級的小電阻而言是相當(dāng)關(guān)鍵的。

3 影響單孔阻值測量結(jié)果準(zhǔn)確性的因素

3.1 溫度影響

首先在試驗箱內(nèi)放置一塊溫控板，這塊板需要采用和待測單孔測試板相同的制造工藝，唯一區(qū)別是需要將一根溫度傳感線壓入板內(nèi)層；此操作的目的在于實時監(jiān)控測試板的板內(nèi)溫度，因為板內(nèi)溫度將直接影響所測單孔的阻值，微小的溫度波動將直接影響阻值的波動，我們會在板內(nèi)溫度達(dá)到規(guī)定的高溫后穩(wěn)定15 min開始測量阻值，此時的測試板受熱膨脹趨于恒定，阻值測量結(jié)果較穩(wěn)定。其次在試驗箱內(nèi)還引入了參考板，此操作的目的在于修正試驗箱內(nèi)高溫穩(wěn)定后溫度的微小變化。

舉個例子，試驗箱高溫設(shè)定125 ℃，穩(wěn)定后溫度會在125±1 ℃波動，雖然我們采用了純進(jìn)口的德國偉思試驗箱，這個溫度波動會更小，幾乎保持在±0.5 ℃以下，但是在124.5 ℃和125.5 ℃溫度下測得的阻值結(jié)果將有所差別。我們將一塊測試板放入高低溫沖擊試驗箱中，分別將試驗溫度設(shè)置為124.5 ℃和125.5 ℃，穩(wěn)定1 h 后重復(fù)測量測試板40次，得到124.5 ℃時的平均阻值為1.348379 mΩ，125.5 ℃時的平均阻值為1.351831 mΩ，阻值變化率接近0.26%，需要利用參考板人為修正這一差異。我們引入一根純線路電阻，它位于線路板表面，能夠及時感知箱內(nèi)溫度的變化，并反映在阻值的變化上面，可以通過以下的公式對每個循環(huán)的單孔阻值進(jìn)行修正，以減少設(shè)備溫度波動造成阻值微小差異。阻值變化率見圖5所示。

圖5 阻值變化率反應(yīng)式

圖5中Rw,z——第Z個循環(huán)高溫下的導(dǎo)通電阻；Rw,1——第1個循環(huán)高溫下的導(dǎo)通電阻，

Rref。z——參考板第Z個循環(huán)高溫下的導(dǎo)通電阻，

Rref。z——第Z個循環(huán)修正后的阻值變化率。

從圖6、圖7中可以看出，單孔阻值變化除了線路板自身的變化之外還受到了溫度對其的影響，出現(xiàn)了波動，參考板也在相同時間段出現(xiàn)了類似的波動。通過參考板的引入，進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟妊a償（見圖8所示），可以基本消除試驗箱內(nèi)溫度波動對阻值產(chǎn)生的影響，較準(zhǔn)確地體現(xiàn)了單孔阻值的實際變化率。

圖6 修正前高溫下的單孔阻值變化率

圖7 高溫下的參考板阻值變化率

圖8 經(jīng)參考板修正后的單孔阻值變化率

3.2 測量電流影響

單孔阻值較小，合適的電流可以增加測量穩(wěn)定性，減少測量波動（見圖9所示）。因為外測電阻對電?表來說是串聯(lián)的，當(dāng)用大電流測大電阻時，大部分電流被電阻吸收，儀表吸收的電流會很小，影響其指針的擺動。所以我們選用小電流測大電阻；而測量小電阻時則剛好相反，使用大電流可以使電流被儀表吸收，使其可以正常顯示。通過查閱設(shè)備性能參數(shù)可知，選擇自動四線阻值測量功能，當(dāng)電阻測量檔位為2 Ω時，使用1.1 A測量電流時，設(shè)備分辨率可達(dá)1 μΩ；而使用0.1 A測量電流時，設(shè)備分辨率僅為10 μΩ。圖8是在同一溫度下分別采用1.1 A和0.1 A電流測量1 mΩ左右電阻200次所得阻值變化率的對比。由數(shù)據(jù)分析可知，使用1.1 A測量電流的標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.000506，而使用0.1 A測量電流的標(biāo)準(zhǔn)差卻高達(dá)0.005887，兩者有10倍的差異。因此在測量低電阻時采用1.1 A電流將得到更準(zhǔn)確，更穩(wěn)定的測量結(jié)果。

圖9 不同測試電流所測阻值的波動情況

3.3 通電時間影響

電阻具有溫度系數(shù)，即電阻值隨溫度而變化，長時間通電將造成電阻發(fā)熱，并造成電阻值變化，導(dǎo)致測量誤差，尤其是單孔測量中我們采用了較大的1.1 A電流，發(fā)熱現(xiàn)象更嚴(yán)重，對阻值的影響比較大，因此我們在測量的過程中將通電時間嚴(yán)格控制在（1±0.05）s，以減少測量誤差。

4 總結(jié)

單孔測量技術(shù)已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用到電路板的可靠性測試中，用來評定高低溫沖擊對孔銅的影響，每次只檢測一個孔，即使輕微孔壁開裂也能立即被監(jiān)測到，讓細(xì)微缺陷無處遁形。