PCB可靠性測(cè)試評(píng)估方法簡(jiǎn)述

劉立國(guó) 高 蕊 張永華

（無(wú)錫江南計(jì)算技術(shù)研究所，江蘇 無(wú)錫 214083）

0 引言

所有的電子元器件必須互連和組裝在一起，才能形成功能完整且可運(yùn)行的系統(tǒng)。印制電路板（printed circuit board，PCB）為元器件提供了固定支撐、電氣連接和電絕緣，是電子系統(tǒng)中最基礎(chǔ)、最重要的部件之一，且在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)仍將保持強(qiáng)大的發(fā)展趨勢(shì)，是電子信息產(chǎn)業(yè)中必不可缺的部件［1］。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，芯片級(jí)封裝（chip scale package，CSP）、板上芯片（chip on board，COB）等封裝技術(shù)的應(yīng)用演進(jìn)，以及埋入有源器件技術(shù)、系統(tǒng)級(jí)封裝（system in package，SIP）技術(shù)的應(yīng)用，PCB 技術(shù)將繼續(xù)向高精度、高密度、高頻高速化及高集成化方向發(fā)展。新材料、新工藝的應(yīng)用，高密度、高集成化的發(fā)展，給PCB 的可靠性帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)內(nèi)的實(shí)踐方法，簡(jiǎn)單介紹PCB 可靠性的主要測(cè)試評(píng)估方法。

1 PCB失效機(jī)理

1.1 熱致失效

PCB 在生產(chǎn)制造、后續(xù)組裝及產(chǎn)品應(yīng)用等過(guò)程中面臨著各種各樣的熱應(yīng)力，可能是長(zhǎng)期的高溫暴露，或單獨(dú)、重復(fù)的熱循環(huán)。在各種熱應(yīng)力的作用下，引起PCB 失效的模式主要有鍍覆孔斷裂、層壓板分層、導(dǎo)體與鍍覆孔孔壁分離等。失效機(jī)理主要有構(gòu)成PCB 各材料熱膨脹系數(shù)（coefficient of thermal expansion，CTE）的不一致、金屬材料的疲勞、非金屬材料的老化、生產(chǎn)制造的缺陷等。

1.2 機(jī)械致失效

一般印制電路板組裝（printed circuit board assembly，PCBA）后裝入卡槽或固定到支架位置，在使用中遇到機(jī)械沖擊或振動(dòng)，元器件的互連部分將成為PCBA 薄弱環(huán)節(jié)。機(jī)械應(yīng)力致PCB失效的概率很小，但在PCB 制造、組裝或應(yīng)用過(guò)程中，由于操作不規(guī)范、設(shè)計(jì)不合理等原因，可能會(huì)導(dǎo)致PCB 受到磕碰、彎曲等過(guò)機(jī)械應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致PCB 被破壞或斷裂而失效，不可見(jiàn)的內(nèi)部損傷也會(huì)影響PCB的可靠性。

1.3 化學(xué)致失效

化學(xué)致PCB失效的主要模式是絕緣電阻降低。PCB 應(yīng)用的環(huán)境無(wú)法避免水汽，制造、組裝或應(yīng)用都可能受到離子污染，當(dāng)PCB 以及PCBA 的表面或內(nèi)部離子污染物吸收水分后，引起導(dǎo)體或金屬鍍層枝晶生長(zhǎng)和金屬遷移、電化學(xué)腐蝕、導(dǎo)電陽(yáng)極絲（conductive anodic filament，CAF）生長(zhǎng)等電化學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致PCB 絕緣失效。高溫、高濕和外加偏壓通常會(huì)加速其電化學(xué)失效。

2 PCB可靠性測(cè)試評(píng)估方法

按照PCB 的3 類失效機(jī)理，對(duì)應(yīng)的可靠性測(cè)試也分為3 類：①熱測(cè)試。一般主要是熱應(yīng)力（熱油、漂錫、再流焊等）測(cè)試、溫度沖擊測(cè)試等。② 機(jī)械測(cè)試。一般PCB 較少進(jìn)行機(jī)械測(cè)試，通常是進(jìn)行鍍層或涂覆層與層壓板的附著性能測(cè)試。③溫度、濕度、偏壓測(cè)試。測(cè)試是為了促進(jìn)PCB 表面的腐蝕或?qū)щ婈?yáng)極絲的生長(zhǎng)，進(jìn)而引起絕緣電阻降低［2］。

針對(duì)PCB 長(zhǎng)期或應(yīng)用可靠性，結(jié)合其主要失效機(jī)理，應(yīng)重點(diǎn)考察的是其互連可靠性、絕緣可靠性及存儲(chǔ)可靠性。結(jié)合電子設(shè)備、印制板、半導(dǎo)體相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以及行業(yè)主要應(yīng)用的方法，本文認(rèn)為目前PCB 可靠性測(cè)試評(píng)估方法主要有失效率預(yù)計(jì)法、加速試驗(yàn)預(yù)計(jì)法和試驗(yàn)鑒定法3種方法。

2.1 失效率預(yù)計(jì)法

失效率預(yù)計(jì)法是根據(jù)產(chǎn)品基本失效率、產(chǎn)品環(huán)境系數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量系數(shù)、產(chǎn)品復(fù)雜系數(shù)等經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算產(chǎn)品失效率，進(jìn)而反映產(chǎn)品的可靠性，一般分為非工作狀態(tài)和工作狀態(tài)。非工作狀態(tài)失效率預(yù)計(jì)模型、方法和參數(shù)可以參考GJB 108A—2006《電子設(shè)備非工作狀態(tài)可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》［3］。工作狀態(tài)失效率預(yù)計(jì)模型、方法和參數(shù)可以參考GJB 299C—2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》［4］。

PCB 制造工藝復(fù)雜，特別是高密度多層板制造工藝，細(xì)化可以分為幾百道工序，因此制造商的技術(shù)能力、制造工藝及制造過(guò)程質(zhì)量管理控制是決定相同材料、相同設(shè)計(jì)的產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的關(guān)鍵因素。失效率預(yù)計(jì)法利用產(chǎn)品基本失效率、環(huán)境系數(shù)、復(fù)雜系數(shù)等經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到產(chǎn)品失效率，對(duì)材料差異、制造工藝差異、質(zhì)量管控等未作考慮，此方法一般適用于工藝成熟且復(fù)雜系數(shù)不高的產(chǎn)品，或產(chǎn)品研制的初步設(shè)計(jì)階段，不能真實(shí)反映產(chǎn)品的可靠性，因此該方法并未得到廣泛應(yīng)用。

2.2 加速試驗(yàn)預(yù)計(jì)法

加速試驗(yàn)預(yù)計(jì)法［5］是利用產(chǎn)品可靠性加速環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)和可靠性數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)計(jì)產(chǎn)品使用環(huán)境的可靠性，具體可分為存儲(chǔ)可靠性、互連可靠性和絕緣可靠性。

（1）存儲(chǔ)可靠性。存儲(chǔ)可靠性測(cè)試評(píng)估是評(píng)價(jià)在不通電高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)下的連通性失效。若將金屬的擴(kuò)散速率與試驗(yàn)的絕對(duì)溫度T作圖，一般可得到直線關(guān)系（阿倫尼烏斯圖），假設(shè)其故障模式為阿倫尼烏斯公式：

式中：K為反應(yīng)速度常數(shù)；C為常數(shù)；R為玻爾茲曼常數(shù)；E為活化能；T為熱力學(xué)溫度。

由式（1）可以推導(dǎo)出試驗(yàn)加速系數(shù)FA，其是故障時(shí)間的比率，表達(dá)式如下：

式中：Lfield為實(shí)用條件壽命；Llab為應(yīng)力試驗(yàn)條件壽命；Tfield為實(shí)用溫度；Tlab為應(yīng)力試驗(yàn)溫度。

試驗(yàn)時(shí)開(kāi)展3 種不同溫度應(yīng)力條件下的高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)，根據(jù)平均失效時(shí)間結(jié)果計(jì)算得出式（2）中活化能E的平均值；再利用加速系數(shù)公式、試驗(yàn)溫度條件、實(shí)用溫度條件和試驗(yàn)失效時(shí)間，計(jì)算評(píng)估實(shí)際存儲(chǔ)可靠性。

（2）互連可靠性。互連可靠性測(cè)試評(píng)估是評(píng)價(jià)在溫度沖擊試驗(yàn)下的連通性失效。假定樹(shù)脂、金屬的疲勞壽命服從如下Coffin-Manson定律：

式中：Ni為疲勞壽命；εi為應(yīng)變量；n為未知數(shù)。

若產(chǎn)品在實(shí)用條件下的循環(huán)數(shù)為Nfield，與該循環(huán)數(shù)相當(dāng)?shù)膽?yīng)力試驗(yàn)循環(huán)數(shù)為Nlab，可以推導(dǎo)得出試驗(yàn)加速系數(shù)AF是應(yīng)力試驗(yàn)中的應(yīng)力與實(shí)用條件下的應(yīng)力之比：

式中：ΔTfield為實(shí)用溫度范圍；ΔTlab為應(yīng)力試驗(yàn)溫度范圍。

試驗(yàn)時(shí)開(kāi)展3 種不同溫度應(yīng)力條件下的溫度沖擊試驗(yàn)，根據(jù)平均失效循環(huán)數(shù)計(jì)算式（4）中未知數(shù)n的平均值，再利用加速系數(shù)公式、試驗(yàn)溫度條件、實(shí)用溫度條件和試驗(yàn)失效循環(huán)數(shù)計(jì)算實(shí)際應(yīng)用的循環(huán)數(shù)，進(jìn)而評(píng)估得到互連可靠性。

（3）絕緣可靠性。絕緣可靠性測(cè)試評(píng)估是評(píng)價(jià)高溫高濕偏壓試驗(yàn)下的絕緣性能失效。假定導(dǎo)體金屬遷移造成絕緣電阻的惡化遵守艾林（Eyring）公式如下：

式中：f為濕度參數(shù)；HR為相對(duì)濕度；V為偏壓。

由式（5）可以推導(dǎo)得出試驗(yàn)加速系數(shù)AF是故障時(shí)間的比率，計(jì)算式如下：

式中：HR_field為實(shí)用相對(duì)濕度；HR_lab為應(yīng)力試驗(yàn)相對(duì)濕度；Vfield為實(shí)用外加電壓；Vlab為應(yīng)力試驗(yàn)外加電壓。

開(kāi)展3 種不同溫度應(yīng)力條件下的高溫高濕偏置試驗(yàn)，根據(jù)平均失效時(shí)間結(jié)果計(jì)算式（6）中活化能E的平均值；開(kāi)展3種不同濕度應(yīng)力條件的高溫高濕偏置試驗(yàn)，根據(jù)平均失效時(shí)間結(jié)果計(jì)算式（6）中濕度參數(shù)f；再利用加速系數(shù)公式、試驗(yàn)條件、實(shí)際工作條件和試驗(yàn)失效時(shí)間計(jì)算評(píng)估實(shí)際絕緣可靠性。

加速試驗(yàn)預(yù)計(jì)法依靠實(shí)際產(chǎn)品的使用材料、制造工藝和質(zhì)量管理過(guò)程，制造與產(chǎn)品復(fù)雜度一致的樣品進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，得到真實(shí)的可靠性數(shù)據(jù)，再通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到應(yīng)用環(huán)境的可靠性，其預(yù)計(jì)結(jié)果具有更高的可信度和準(zhǔn)確率。該方法具體的加速試驗(yàn)條件和試驗(yàn)程序可以參考IPC/JPCA—6801《積層/高密度互連（HDI）印制板的術(shù)語(yǔ)及定義、試驗(yàn)方法與設(shè)計(jì)示例》。但是由于此方法試驗(yàn)周期較長(zhǎng)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)量大、成本高等原因，并沒(méi)有得到制造商或使用方的廣泛應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)的積累也較少。

2.3 試驗(yàn)鑒定法

試驗(yàn)鑒定法即按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法、試驗(yàn)條件開(kāi)展可靠性試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)前中后測(cè)試相關(guān)性能的符合性，判定樣品是否滿足其可靠性要求。具體試驗(yàn)也可以根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)、應(yīng)用環(huán)境或設(shè)計(jì)要求等對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行裁剪。PCB 常用的可靠性試驗(yàn)方法有：溫度沖擊試驗(yàn)、高加速熱沖擊試驗(yàn)（highly accelerated thermal shock，HATS）、互連應(yīng)力測(cè)試（interconnection test system，IST）、高溫高濕偏置試驗(yàn)、高壓加速壽命試驗(yàn)（highly accelerated temperature and humidity stress test，HAST）、高壓蒸煮試驗(yàn)（pressure cooker test，PCT）、高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)、低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)等。常用的可靠性試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)有IPC-9151《印制板工藝、生產(chǎn)能力、質(zhì)量及相關(guān)可靠性（PCQR 2）基準(zhǔn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)庫(kù)》、GJB 360B—2009《電子及電氣元件試驗(yàn)方法》及JESD22-A系列標(biāo)準(zhǔn)等。

由于方法簡(jiǎn)單、試驗(yàn)周期短、成本低和結(jié)果覆蓋率廣等優(yōu)點(diǎn)，試驗(yàn)鑒定法得到廣泛應(yīng)用。一般產(chǎn)品制造商根據(jù)技術(shù)能力對(duì)最高技術(shù)能力和最大復(fù)雜度的產(chǎn)品進(jìn)行可靠性試驗(yàn)鑒定，鑒定結(jié)果可以覆蓋相同材料和相同工藝下的所有產(chǎn)品。產(chǎn)品使用方一般也使用工藝鑒定或試驗(yàn)鑒定對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性的符合性驗(yàn)證。

3 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)針對(duì)PCB 開(kāi)展的可靠性測(cè)試評(píng)估方法研究及數(shù)據(jù)積累較少，本文總結(jié)目前PCB 可靠性測(cè)試評(píng)估方法，主要有失效率預(yù)計(jì)法、加速試驗(yàn)預(yù)計(jì)法和試驗(yàn)鑒定法3 類。由于失效率預(yù)計(jì)法應(yīng)用的局限性和結(jié)果的不確定性，加速試驗(yàn)預(yù)計(jì)法應(yīng)用的高成本、長(zhǎng)周期等原因，目前試驗(yàn)鑒定法是行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的方法。建議有條件的單位或機(jī)構(gòu)，可以針對(duì)不同類型、不同材料、不同工藝的產(chǎn)品開(kāi)展加速試驗(yàn)預(yù)計(jì)法的應(yīng)用研究，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，形成經(jīng)驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型參數(shù)，促進(jìn)加速試驗(yàn)預(yù)計(jì)法的推廣應(yīng)用，為PCB 可靠性的準(zhǔn)確評(píng)估提供支撐。