PCB科技 - 淺談PCB的可靠性

PCB的基本功能之一是承載電信號的傳輸。

研究PCB的可靠性就是研究其基本功能是否沒有喪失，或者某些電力性能指標是否沒有惡化，即其功能的耐久性。 本文擬從安裝後下游PCB用戶的質量、用戶直接調試的質量和產品使用質量3個方面對PCB的可靠性進行研究，以表徵PCB加工質量，為生產高可靠性PCB提供基本途徑。

1 PCB可靠性分析

1.1 PCB安裝後的質量表徵

PCB安裝後，PCB的質量直接體現在：

目視檢查PCB外觀是否有起泡、白點、翹曲等現象。

其中一個擔憂是，在安裝可靠的PCB後，不應出現起泡，業內人士稱之為“爆炸板或分層”。 為了獲得高可靠性PCB，必須從以下幾個方面著手。

1.1.1 PCB資料的選擇

同一種PCB基材的效能因不同廠家的不同而有很大差异，不同類型PCB基材的效能差异更大。 PCB加工選擇基材時要考慮資料的耐熱性和資料的電力效能。 在安裝方面，我們更多考慮資料的耐熱性。 資料的熱阻通常稱為玻璃化轉變溫度（Tg）和熱分解溫度（Td）。 現時，PCB安裝根據元件的焊點成分（鉛和無鉛）分為鉛、無鉛和混合安裝。 相應的回流焊峰值溫度為215、250和225攝氏度。囙此，對於不同的安裝方法，應選擇不同的PCB資料。 對於無鉛焊接，選擇Tg高於170 C的板。 對於混合裝配焊接，選擇Tg高於150 C的板材。

對於鉛焊接，所有資料都適用，但通常使用高於130℃的Tg板。 除考慮Tg外，還應注意製造商的品牌和型號。 現時，性能穩定的常用板材有Tuc、IsoIa、Hitachi、Neleo等。

1.1.2過程控制

PCB出廠前，應取樣進行出廠狀態和熱應力測試，目的是確保安裝不分層等。雖然不能保證出廠狀態有缺陷、熱應力測試完全合格的產品安裝無缺陷， 安裝交付狀態不良的產品時，必須存在安全隱患。 囙此，交付狀態和熱應力測試是安裝質量的早期預測因素。 這樣，交付狀態和熱應力鑒定對於PCB交付是必要的。 囙此，在PCB加工過程中應注意以下幾個方面，以確保交付狀態和熱應力測試合格，並提高安裝後的質量。

1.1.2.1定義PCB加工要求

PCB熱應力測試結果受層數、厚度、BGA間距（或孔間中心距離）、導體銅厚度等因素影響。超過12層且厚度超過3.0 mm的板由於Z軸膨脹和收縮值較大，在熱應力後容易出現微裂紋和孔壁缺陷。

BGA間距小於0.8 mm或孔壁中心距小於0.5 mm。 由於熱容量大，安裝過程中熱量集中，容易導致電介質層分層。 囙此，應選擇Tg高於170 C的資料來加工此類PCB。

導體厚度大於35mM，高熱容量，高樹脂流動阻力，層壓期間盡可能多地使用高流動性半固化板。 對於孔徑小於0.3 mm的PCB，鑽孔質量直接影響孔壁質量。 嚴格控制鑽孔參數，保證孔壁清潔、平整、撕裂小。

1.1.2.2精細過程控制

分層發生在交變狀態和熱應力實驗中。 主要原因是內導體氧化處理質量的缺陷導致銅與半固化板的附著力差或半固化板的染色或吸濕。 氧化過程因資料而异。 高Tg資料堅硬易碎，被天鵝絨般的棕色氧化。 傳統資料可能被結晶黑氧化[2]。 當然，導體表面的粗糙度直接影響銅與半固化薄板的結合力。 囙此，無論採用何種氧化處理，都必須明確定義氧化的表面粗糙度。 同時，在層壓過程中，應盡可能避免資料的污染和吸濕。 囙此，必須定量控制單張板材的烘烤條件，必須對半固化板材進行除濕，並且必須控制層壓板中的環境清潔度和操作規範。 在層壓過程的控制中，必須根據板材的類型和數量確定有效的層壓參數，以確保樹脂的充分潤濕和流速，避免出現空隙。

1.2 PCB調試質量表徵

PCB調試的質量主要取決於調試結果是否順利滿足設計要求。 安裝完成後，PCB的調試是否順利涉及到PCB的加工質量，這也是表徵PCB可靠性的重要資訊。 一般來說，調試順利的板卡具有較高的可靠性。 相反，如果主機板調試不順利，其可靠性必然存在隱患。 PCB的加工質量主要涉及PCB的線、盤和介質層。

1.2.1 PCB導體對PCB質量的影響

隨著電子產品的精細化發展，隨著PCB加工技術的不斷提高，PCB線不再是簡單的訊號傳輸，而是由許多功能要求補充，如阻抗線、輪廓線、電抗線等。 囙此，導線的缺陷，如間隙、毛刺、形角等，對PCB（3）的效能影響越來越明顯。 線寬偏差10%可能導致阻抗變化高達20%。 導線的間隙和毛刺可將訊號延遲至0.1 ns。 導線的形狀差异會引起反射、雜訊和其他干擾，從而影響訊號傳輸的完整性。 由此可見，在印製板的製作過程中，線條的質量是不容忽視的。 一方面需要嚴格的工藝控制，另一方面需要高精度的生產設備和適當的工藝科技（如半加和加），以確保生產線的精度滿足設計要求。

1.2.2 PCB連接盤對PCB質量的影響

連接盤通常有一個大孔徑。 設計中考慮了環寬要求。 質量可以保證，但孔的質量因製造商而异。 如果孔徑大於0.6 mm，且窗戶開口塗層為鉛/錫，則不太可能出現問題。 然而，對於小於0.3 mm的孔，由於小孔參數的不同和溶液交換不良，會導致不同的粗糙度、不同的撕裂深度、不同的孔壁厚度和均勻性。 未來將盡可能採用不同的通孔塗層工藝，如覆蓋阻焊油墨，甚至封孔，但封孔對孔的電阻影響不大。 囙此，孔隙阻力仍然存在差异。 錶1列出了不同製造商0.25 mm孔的電阻測試結果。

錶1孔阻力差

錶1孔阻力差

大孔電阻影響電信號傳輸的質量，同時也折射出孔壁中存在的非導電雜質或孔洞或裂縫。 這些孔受到高溫的影響，不可避免地會產生裂紋或裂紋，導致形成PCB的功能完全喪失。 囙此，在PCB的加工過程中，必須特別注意孔電阻值的大小。

1.2.3 PCB層對PCB質量的影響

PCB層是指加工資料的厚度和均勻性以及PCB的層間介電層，前面已經描述過，重點是介電層的厚度和均勻性。

介質層厚度影響PCB的層間絕緣，其特徵參數為擊穿電壓。 擊穿電壓越高，絕緣性越好。 不同領域使用的PCB的擊穿電壓可能不同，但介電層較薄，擊穿電壓必須較低，且相同厚度的介電層較厚，囙此介電層厚度的控制基於擊穿電壓，並考慮半固化片材的類型。 介質層厚度的均勻性影響訊號傳輸的穩定性。 厚度偏差為10%，特性阻抗偏差可達20%。 厚度均勻性一方面與凝膠時間、樹脂流動性等資料性能參數有關，另一方面與層壓工藝參數和設備精度密切相關。 囙此，需要通過高精度設備和優化層壓參數來控制介質層厚度的均勻性。

1.3 PCB使用質量的表徵

電子產品在使用中效能的穩定性關係到PCB的質量。 PCB在使用中經常遇到的缺陷是離子遷移（CAF）和焊料質量（接頭）。 銅離子遷移系統通過玻璃纖維束或紗線束與樹脂之間的縫隙，導致銅在兩個導體（如孔壁）之間遷移到孔壁。 其機理是，PCB通電後，高壓下的銅（陽極）首先在水中腐蝕，然後氧化為銅Cu2+。 銅離子沿著通道緩慢遷移到另一個低壓極。 低壓端也移動到陽極，以便在途中遇到通道時，銅可以從兩者中恢復，從而在兩個位置之間形成連接，即漏電短路。 一旦發生短路，CAF將被高電阻熱燒毀，然後啟動新的CAF。 這種情況每週都會發生，有時甚至沒有電子產品的功能。 以下是發生CAF的幾種情況。

可以看出，CAF必須在以下五種條件下生產：裸銅導體、水蒸氣、電解液、電位差和通道。 前四項是電子產品使用中不可避免的。 通道可以用來控制CAF的產生，通道的形成主要與PCB生產中的資料、鑽孔、污染等因素有關。 一般來說，玻璃纖維越細，樹脂含量越高，韌性越好，鑽孔撕裂的可能性越低。 囙此，在高密度PCC或潮濕環境中使用的PCB應盡可能使用細玻璃纖維資料。 不同的資料、不同的孔數、不同的鑽孔參數，鑽孔時，鑽頭對加固資料的影響不同，孔壁的質量不同，對孔壁的損傷也不同，岩芯的吸力程度也不同。 囙此，為了防止通道的發生，應嚴格控制鑽孔質量，確保孔壁光滑平整。 清除污染的主要目的是清除內導體鑽孔時吸附的樹脂。 當然，孔壁絕緣層中的樹脂也會被咬傷。 有時，為了形成負腐蝕，孔壁絕緣層中的樹脂甚至會咬得更多。 此時，應嚴格控制咬合量。 否則，很容易形成“通道”。

下圖顯示樹脂咬合過度。

PCB與元器件之間採用焊接焊點連接，在電子產品使用過程中，由於環境影響，有時會出現异常情况。 這主要與PCB的表面塗層工藝有關。 現時，PCB表面塗有熱風整平、鍍錫、化學鎳金、有機抗氧化保護、銀等。 熱風整平或鍍錫焊接過程中形成的Cu6Sn5IMC在長期使用中不會發生變化。 焊點牢固可靠。 由於化學鎳金的佈線不均勻，不可避免地會產生“氧化鎳”黑色焊盤。 同時，在焊接過程中形成Ni3Sn4 IMC，隨著金和磷的滲透，焊點在長期使用過程中變得脆弱，可靠性降低。 OSP鍵形成Cu6Sn5 IMC，不受其他金屬（如Au、Ag）的污染。 它們具有良好的强度和可靠性。 鍍銀焊點形成Cu6SnIMC，具有良好的强度，但不耐老化。 浸銀焊點可能會形成微孔。 Cu6Sn5形成於浸錫焊點邊緣，但浸錫層逐漸被底部銅吸收並成為IMC。 外觀從亮白色變為灰白色。 在電鍍Ni-Au時，雖然磷和黑色焊盤較少，焊點的强度較高，但焊點的質量逐漸受到金滲透的影響。 囙此，PCB表面塗層的選擇影響到焊點的質量，涉及到電子產品的使用效果。 囙此，在高可靠性產品設計中，PCB表面塗層優先用於熱風整平或OSP。

2結論

（1）PCB的可靠性可以從安裝後質量、調試質量和使用質量3個方面來表徵。 （2）安裝質量包括資料選擇和過程控制。 （3）調試質量與PCB基本元件的精度控制密切相關； （4）使用質量與環境和表面塗層的選擇有關。