印制电路板互联电阻与环境因素的相关性分析

王晓娜 唐 鹏 李小明

（无锡市同步电子科技有限公司，江苏 无锡 214028）

0 引言

印制电路板（PCB）作为电子元器件的支持体与连接通路，是非常重要的电子部件之一，随着电子行业飞速发展，电子产品设计不断朝多功能、智能化方向发展，PCB上的器件越来越密集，线路也越来越细。高频高速PCB、高散热PCB、埋阻埋容PCB等高端紧密产品已经逐步被业界所熟知。而随之PCB的使用环境也越来越广泛，导致对PCB的要求也越来越高，随着使用环境（温度、振动、盐雾、腐蚀等各种环境）的持续变化，印制电路板的阻值会产生一系列的变化，从而影响到产品的功能甚至缩短印制电路板的寿命。

1 试验原理说明

PCB是电子产品功能性的载体，对恶劣环境条件的影响非常敏感。在恶劣的环境条件下，PCB性能指标的劣化容易产生连锁反应。某一电气性能指标劣化，极易引起其他性能指标的一系列变化。湿热会使PCB涂层附着力变差，外观出现分层、白斑等，表面绝缘电阻、介质耐电压性能下降。盐雾会引起PCB发生腐蚀开路，使PCB损耗参数发生改变。霉菌生长滋生的分泌物会使相互绝缘的电路之间产生漏电或短路[1]-[3]。不同的PCB对产品的内部温升有不同的要求，有些PCB的载流线需要耐大电流，温升后内阻也增加，发热量随之增加，可能会导致PCB烧毁击穿；而温度过低有时候会导致PCB内阻变小，对于一些锁相环，时钟电路有可能会因内阻变小无法启动的情况。振动幅度过大会造成PCB焊点开裂。本文主要研究温度及振动对PCB互联电阻的影响，从而为控制好PCB的性能提供依据。

2 试验实施

2.1 监测设备介绍

环境测试动态数据采集系统是我公司自主研发的一款可同时监测128通道阻值变化的设备，该设备采用开尔文测试法进行连续的高精度电阻值测试，通过对电阻值的持续监控，判断被测产品的可靠性。

在测量过程中，每一个闭环测试通道持续不断在设定的恒流源下工作，瞬间的电阻值变化会以断裂次数的形式记录下来。数据采集系统软件提供阈值、量程等参数设置，并定时上传所有瞬断状态，包含瞬断次数及瞬断发生的时间，便于客户做精确的可靠性判断。测试系统连接示意图参考图1所示。

图1 测试系统连接示意图

2.2 样品信息

试验样品特定使用场景某型航空发动机电子控制器内部，产品信息见表1所示。

表1 样品基本信息一览表

每块待测试印制电路板上分别选取两组网络作为测试点，测试网络见图2所示。网络1导线长度约100.35 mm，网络2导线长度约129.67mm；各有金属化孔数2个，最小孔径为0.254 mm。

图2 测试网络

试验开始前，应根据试验样品的检测项目要求进行外观、电气性能等原始数据监测，样品检验结果应符合GJB362B规定[4]。

2.3 试验样品安装

将受试样品通过专用夹具固定于试验箱中，最后使用手工焊接的方式将测试线缆一侧焊接于PCB裸板的监测网络上，线缆另一侧连接到动态数据采集设备上。

2.4 试验实施

因互联电阻为实时监测，故试验过程中无须停止试验对测试样品进行电性能及其他相关测试。但由于不可抗力造成试验条件无法满足试验要求时，试验应主动中断。待试验条件正常后，及时恢复试验，试验中断的原因及中断时间应在试验报告中注明。

该型试验样品属于板级产品，根据相关标准要求并结合实际产品情况，试验时仅施加温度和振动两种应力，按照由低到高的层次关系进行。主要试验项目分别为低温步进、高温步进、振动步进[5]等3个阶段。低温步进试验应力见图3所示。

图3 低温步进试验应力图

高温步进：高温极限温度为170 ℃，在温度为150 ℃之前，以10 ℃为步长；在温度为150 ℃之后，以5 ℃为步长；每个温度台阶上停留时间为10 min。试验应力见图4所示。

图4 高温步进试验应力图

振动步进：采用3轴向六自由度随机激励，最高振动量值为70 grms，步进为5 grms，每个振动量级保持时间为10 min。试验应力见图5所示。

图5 振动步进验应力图

综合环境试验：根据前面试验中得到的相关试验数据，确定综合环境试验应力。试验剖面见图6所示。

图6 综合环境试验应力图

3 试验数据分析

使用Minitab数据相关性对在不同环境条件下测试的PCB互联电阻阻值进行分析，数据见表2所示。

从表2可以看出振动环境、温度变化对PCB互联电阻均有一定的影响，从相关性数据上看温度对PCB互联电阻阻值的影响度为0.96，振动对PCB互联电阻阻值的影响度为0.86，温度对其影响大于振动。当温度与振动同时作用于印制电路板时，温度成为影响互联电阻的主要因素，影响程度为0.99，振动强度对互联电阻阻值的影响可忽略。另使用Minitab对测试数据分析，可看出互联电阻阻值与温度存在明显的线性关系，线性关系表达式见图7所示。

图7 温度变化与印制电路板阻值的关系式

表2 印制电路板互联电阻与环境因素的相关性数据

从表3中看P值小于0.05，可以得出响应变量与项之间的关联在统计意义上显著的结论。另从其他数据上可以看出，温度可以解释PCB互联电阻阻值中98.5%的变异，该模型可以很好地拟合数据。

表3 回归分析相关参数

另产品在综合试验第八个循环过程中，高温状态下，其中一块PCB上通孔出现孔壁裂纹，见图8所示，分析该失效原因，主要为电镀过程中控制不当导致。

图8 印制电路板失效图示

4 结语

当温度与振动同时作用于PCB时，温度成为影响互联电阻的主要因素，影响程度为0.99，振动强度对互联电阻阻值的影响可忽略。环境因素尤其是温度变化与PCB互联电阻之间存在一定的线性关系，温度可以解释PCB互联电阻阻值中98.5%的变异。因此研究PCB互联电阻在不同环境因素中的变化规律，并对失效产品进行失效分析，可以为产品的设计、生产提供一定的依据。但实验室环境试验与自然环境不同，因此自然环境试验条件下所表现出来的参数变化与实验室环境试验有一定的区别，在进行PCB设计、生产过程中，最好将实验室环境与自然环境试验结合在一起进行研究。