PCB高可靠性化要求與發(fā)展——PCB高可靠性的影響因素（上）

在電子工業(yè)的快速發(fā)展中，印刷電路板（PCB）的可靠性始終是設(shè)計(jì)和制造的核心考量。隨著集成電路（IC）的集成度不斷提升，PCB不僅需要實(shí)現(xiàn)更高的組裝密度，還要應(yīng)對(duì)高頻信號(hào)傳輸?shù)奶魬?zhàn)。這些趨勢(shì)對(duì)PCB的可靠性提出了更為嚴(yán)格的要求，特別是在焊接點(diǎn)的結(jié)合力、熱應(yīng)力管理以及焊接點(diǎn)數(shù)量的增加等方面。本文將探討影響PCB可靠性的關(guān)鍵因素，并分析當(dāng)前和未來(lái)提高PCB可靠性的制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

1 PCB焊接點(diǎn)界面間結(jié)合力減小對(duì)可靠性的影響

在很大的程度上，PCB的可靠性是由PCB與元器件焊接點(diǎn)界面之間的結(jié)合力大小來(lái)確定的，而焊接點(diǎn)界面的結(jié)合力大小是由焊接點(diǎn)面積與焊接的結(jié)合強(qiáng)度之積來(lái)表達(dá)的。所以，PCB與元器件焊接點(diǎn)的界面結(jié)合力必須保證足夠大，使其結(jié)合力能夠抵抗各種產(chǎn)生“拉扯”內(nèi)應(yīng)力的“破壞”，才能保證可靠性。

1.1 PCB高密度化帶來(lái)焊接點(diǎn)面積減小。

PCB和元器件之間焊接點(diǎn)面積是隨著PCB高密度化的提高而減小的。大家知道，PCB由插裝技術(shù)（THT）走向表面安裝技術(shù)（SMT）、再走向芯片級(jí)封裝（CSP）的過(guò)程中，PCB的高密度化一直在提高著。目前，隨著IC集成度提高、組裝技術(shù)的進(jìn)步，要求PCB必須高密度化。目前，CSP組裝技術(shù)已經(jīng)走向或集中在0.5 mm的節(jié)距，其相應(yīng)的PCB線寬/間隔（L/S）要求為50 μm/50 μm，正在向0.3 mm節(jié)距發(fā)展，要求PCB線寬/間隔為30 μm/30 μm！安裝面積將縮小16倍之多！隨著焊接點(diǎn)面積的減少，會(huì)增加焊接難度而增加故障數(shù)量，從而加大故障率，即使故障率不變，也會(huì)增加故障數(shù)量，因?yàn)楹附狱c(diǎn)數(shù)增加了。PCB焊接點(diǎn)面積縮小的結(jié)果見(jiàn)表1所示。

表1 焊接盤直徑的減小而帶來(lái)焊接圓盤面積的下降(以0.80 mm盤徑為基準(zhǔn))

從表1中可看到，由于PCB高密度化而帶來(lái)焊接盤徑從0.80 mm減小到0.2 mm時(shí)，焊接點(diǎn)的面積便減小到原來(lái)的1/16（6.25%）。

1.2 焊接點(diǎn)面積減小帶來(lái)的焊接結(jié)合力的減小。

高密度化的發(fā)展與進(jìn)步，不僅帶來(lái)線寬/間隔（L/S）、孔徑細(xì)小化，而且連接盤面積也隨著縮小，這意味著元組件與PCB之間的連接的結(jié)合力也減少了。因?yàn)?，元組件與PCB之間焊接點(diǎn)的結(jié)合力（F 結(jié)合）的大小是由結(jié)合強(qiáng)度（f 強(qiáng)度）和連接點(diǎn)面積(S 面積)之積來(lái)決定的，一旦焊接材料和方法確定后，結(jié)合強(qiáng)度f(wàn) 強(qiáng)度是不變的，主要是焊接面積來(lái)決定著結(jié)合力的大小。

F結(jié)合= f強(qiáng)度×S面積……………… （1）

從公式（1）中可看出：隨著PCB高密度化的發(fā)展，焊接點(diǎn)面積（S 面積）將減小，必然帶來(lái)焊接點(diǎn)結(jié)合力（F 結(jié)合）的減小。以方形焊接面積為例，其邊長(zhǎng)從0.8 mm減小到0.2 mm時(shí)，則焊接面積將從0.64 mm2→0.04 mm2，假設(shè)結(jié)合強(qiáng)度f(wàn)強(qiáng)度不變，則焊接點(diǎn)的結(jié)合力將下降到原來(lái)的6.25%。如表2所示。

從表2可看出，當(dāng)焊接 方盤從0.8 mm下降到0.2 mm 時(shí)（結(jié)合強(qiáng)度保持不變），焊接盤的結(jié)合力僅為原來(lái)的1/16（6.25%），所以高密度化的發(fā)展結(jié)果必然帶來(lái)連接界面的結(jié)合力迅速的減少！

1.3 增加焊接點(diǎn)界面結(jié)合力的方法。

在PCB的密度不高時(shí)，焊接點(diǎn)的形狀大都采用圓形的，有利于設(shè)計(jì)和加工制造。但是，當(dāng)PCB的密度越來(lái)越高時(shí)，由于圓形面積最小，焊接點(diǎn)的結(jié)合力也最?。榱颂岣呓Y(jié)合力，增加焊接點(diǎn)直徑受到導(dǎo)體間隔的限制，當(dāng)然可以直徑為邊長(zhǎng)的方形或長(zhǎng)方形而形成的焊接盤就可以提高焊接面積，從而提高焊接點(diǎn)的結(jié)合力，達(dá)到提高焊接點(diǎn)的可靠性（表3）。

從表3 中可看到，以圓形直徑為邊長(zhǎng)的方形焊盤的結(jié)合力比圓形的結(jié)合力將提高26%，而采用長(zhǎng)方形（1:2）的焊接盤可以一倍多（152%）地增加焊接點(diǎn)的結(jié)合力！這就是為什么在高密度化PCB中的焊接盤大多采用方形焊盤或長(zhǎng)方形焊盤的根本原因！

2 PCB焊接點(diǎn)界面間熱應(yīng)力增加對(duì)可靠性的影響

2.1 熱應(yīng)力的實(shí)質(zhì)是熱膨脹系數(shù)差別帶來(lái)的結(jié)果

任何物質(zhì)都存在著熱脹冷縮和“濕脹干縮”的物理現(xiàn)象。“濕脹干縮”的變化是個(gè)緩慢的過(guò)程，因而引起尺寸變化要慢得多、也小得多！而熱（溫度）變化是往往是在瞬間（如幾秒時(shí)間）就發(fā)生了尺寸的大變化，所以溫度（熱）膨脹系數(shù)（CTE）才是我們主要關(guān)注的課題。元器件和PCB（主要基板）的溫度膨脹系數(shù)和濕度膨脹系數(shù)的數(shù)據(jù)列于表4中。

從表4中可看到，只有玻璃基板和陶瓷基板的CTE和元器件的CTE最接近，而PCB的CTE要比元器件的CTE要大得多，這就是元器件和PCB在焊接點(diǎn)界面處發(fā)生“拉扯”內(nèi)應(yīng)力的本質(zhì)所在！因?yàn)镻CB在應(yīng)用過(guò)程必然有引起溫升，由于PCB和元器件的CTE大小不同，在焊接點(diǎn)處由溫升發(fā)生尺寸變化也就不一樣，即元器件的CTE小、其尺寸伸長(zhǎng)小，而PCB的CTE大得多，其尺寸伸長(zhǎng)就大得多，因此，在焊接點(diǎn)界面處必然存在著尺寸變化大的“拉扯”著尺寸伸長(zhǎng)小的而形成“拉扯”（熱）應(yīng)力！如果溫升很高，這種“拉扯”內(nèi)應(yīng)力也就很大，一旦這種“拉扯”內(nèi)應(yīng)力接近或大于焊接點(diǎn)的結(jié)合力時(shí)，就會(huì)引起焊接點(diǎn)界面發(fā)生斷裂而失效率！

2.2 熱應(yīng)力的本質(zhì)是PCB內(nèi)部溫升的結(jié)果

PCB和元器件焊接點(diǎn)界面處的熱應(yīng)力產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)是由于兩者的CTE不同引起尺寸伸長(zhǎng)不一樣的結(jié)果，溫升才是形成熱應(yīng)力的必然結(jié)果！那么焊接點(diǎn)的溫升是怎樣發(fā)生呢？熱的來(lái)源主要有三個(gè)方面：

（1）PCB高密度化程度；（2）PCB內(nèi)信號(hào)傳輸高頻化程度；（3）PCB上負(fù)載（功率）大小（密度）。這三個(gè)方面將決定著內(nèi)部溫升的大小。

2.2.1 PCB高密度化引起的溫升

PCB高密度化的結(jié)果，不僅會(huì)帶來(lái)焊接點(diǎn)結(jié)合力的減小，而且PCB內(nèi)部負(fù)載的增加，而這種內(nèi)部負(fù)載增加是指在單位體積內(nèi)將有更多的“導(dǎo)電”通過(guò)（信號(hào)傳輸），這就必然帶來(lái)更多的導(dǎo)電損耗（αc）和介質(zhì)損耗（αd）.

α＝αc ＋αd …………………………式（2）

這就是PCB在使用過(guò)程中內(nèi)部產(chǎn)生（除了元器件發(fā)熱和傳導(dǎo)熱外）熱的根本原因，而PCB高密度化就意味著發(fā)生的熱更多了，也就意味著PCB內(nèi)部產(chǎn)生的溫升更多和加快。

2.2.2 PCB內(nèi)信號(hào)傳輸高頻化引起的溫升

PCB內(nèi)信號(hào)傳輸高頻化意味著在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的信號(hào)傳輸次數(shù)增加了，在也意味著在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生導(dǎo)電損耗（αc）和介質(zhì)損耗（αd）.等次數(shù)也增加了，這些導(dǎo)電損耗（αc）和介質(zhì)損耗（αd）.等增加次數(shù)都會(huì)在PCB內(nèi)部增加溫升的速度和程度！

2.2.3 PCB上負(fù)載（功率）增加

PCB上的負(fù)載增加是只在PCB安裝的大功率元器件而通過(guò)的信號(hào)所帶來(lái)的更大的導(dǎo)電損耗（αc）和介質(zhì)損耗（αd）等，當(dāng)然會(huì)產(chǎn)生更大的溫升速度和程度！以上三方面的增加溫升速度和程度是組成PCB高溫度化的根本原因！由于PCB高溫化和PCB與元器件之間的CTE存在著大的差別值，因而它們之間的焊接點(diǎn)界面處會(huì)因溫、濕度變化而發(fā)生“拉扯”內(nèi)應(yīng)力。一旦這個(gè)“拉扯”內(nèi)應(yīng)力≥PCB焊接點(diǎn)之間的結(jié)合力，必然會(huì)引起焊接點(diǎn)界面處發(fā)生斷裂問(wèn)題，這往往是造成焊接點(diǎn)失效而帶來(lái)故障的可靠性問(wèn)題。

（未完，接下篇）

審核編輯 黃宇