PCB可靠性测试评估方法简述

刘立国 高 蕊 张永华

（无锡江南计算技术研究所，江苏 无锡 214083）

0 引言

所有的电子元器件必须互连和组装在一起，才能形成功能完整且可运行的系统。印制电路板（printed circuit board，PCB）为元器件提供了固定支撑、电气连接和电绝缘，是电子系统中最基础、最重要的部件之一，且在可预见的未来仍将保持强大的发展趋势，是电子信息产业中必不可缺的部件［1］。随着半导体技术的发展，芯片级封装（chip scale package，CSP）、板上芯片（chip on board，COB）等封装技术的应用演进，以及埋入有源器件技术、系统级封装（system in package，SIP）技术的应用，PCB 技术将继续向高精度、高密度、高频高速化及高集成化方向发展。新材料、新工艺的应用，高密度、高集成化的发展，给PCB 的可靠性带来了严峻的挑战。本文结合现有的标准及行业内的实践方法，简单介绍PCB 可靠性的主要测试评估方法。

1 PCB失效机理

1.1 热致失效

PCB 在生产制造、后续组装及产品应用等过程中面临着各种各样的热应力，可能是长期的高温暴露，或单独、重复的热循环。在各种热应力的作用下，引起PCB 失效的模式主要有镀覆孔断裂、层压板分层、导体与镀覆孔孔壁分离等。失效机理主要有构成PCB 各材料热膨胀系数（coefficient of thermal expansion，CTE）的不一致、金属材料的疲劳、非金属材料的老化、生产制造的缺陷等。

1.2 机械致失效

一般印制电路板组装（printed circuit board assembly，PCBA）后装入卡槽或固定到支架位置，在使用中遇到机械冲击或振动，元器件的互连部分将成为PCBA 薄弱环节。机械应力致PCB失效的概率很小，但在PCB 制造、组装或应用过程中，由于操作不规范、设计不合理等原因，可能会导致PCB 受到磕碰、弯曲等过机械应力，进而导致PCB 被破坏或断裂而失效，不可见的内部损伤也会影响PCB的可靠性。

1.3 化学致失效

化学致PCB失效的主要模式是绝缘电阻降低。PCB 应用的环境无法避免水汽，制造、组装或应用都可能受到离子污染，当PCB 以及PCBA 的表面或内部离子污染物吸收水分后，引起导体或金属镀层枝晶生长和金属迁移、电化学腐蚀、导电阳极丝（conductive anodic filament，CAF）生长等电化学现象，进而导致PCB 绝缘失效。高温、高湿和外加偏压通常会加速其电化学失效。

2 PCB可靠性测试评估方法

按照PCB 的3 类失效机理，对应的可靠性测试也分为3 类：①热测试。一般主要是热应力（热油、漂锡、再流焊等）测试、温度冲击测试等。② 机械测试。一般PCB 较少进行机械测试，通常是进行镀层或涂覆层与层压板的附着性能测试。③温度、湿度、偏压测试。测试是为了促进PCB 表面的腐蚀或导电阳极丝的生长，进而引起绝缘电阻降低［2］。

针对PCB 长期或应用可靠性，结合其主要失效机理，应重点考察的是其互连可靠性、绝缘可靠性及存储可靠性。结合电子设备、印制板、半导体相关标准，以及行业主要应用的方法，本文认为目前PCB 可靠性测试评估方法主要有失效率预计法、加速试验预计法和试验鉴定法3种方法。

2.1 失效率预计法

失效率预计法是根据产品基本失效率、产品环境系数、产品质量系数、产品复杂系数等经验值计算产品失效率，进而反映产品的可靠性，一般分为非工作状态和工作状态。非工作状态失效率预计模型、方法和参数可以参考GJB 108A—2006《电子设备非工作状态可靠性预计手册》［3］。工作状态失效率预计模型、方法和参数可以参考GJB 299C—2006《电子设备可靠性预计手册》［4］。

PCB 制造工艺复杂，特别是高密度多层板制造工艺，细化可以分为几百道工序，因此制造商的技术能力、制造工艺及制造过程质量管理控制是决定相同材料、相同设计的产品质量和可靠性的关键因素。失效率预计法利用产品基本失效率、环境系数、复杂系数等经验数据计算得到产品失效率，对材料差异、制造工艺差异、质量管控等未作考虑，此方法一般适用于工艺成熟且复杂系数不高的产品，或产品研制的初步设计阶段，不能真实反映产品的可靠性，因此该方法并未得到广泛应用。

2.2 加速试验预计法

加速试验预计法［5］是利用产品可靠性加速环境试验数据和可靠性数学模型来预计产品使用环境的可靠性，具体可分为存储可靠性、互连可靠性和绝缘可靠性。

（1）存储可靠性。存储可靠性测试评估是评价在不通电高温存储试验下的连通性失效。若将金属的扩散速率与试验的绝对温度T作图，一般可得到直线关系（阿伦尼乌斯图），假设其故障模式为阿伦尼乌斯公式：

式中：K为反应速度常数；C为常数；R为玻尔兹曼常数；E为活化能；T为热力学温度。

由式（1）可以推导出试验加速系数FA，其是故障时间的比率，表达式如下：

式中：Lfield为实用条件寿命；Llab为应力试验条件寿命；Tfield为实用温度；Tlab为应力试验温度。

试验时开展3 种不同温度应力条件下的高温存储试验，根据平均失效时间结果计算得出式（2）中活化能E的平均值；再利用加速系数公式、试验温度条件、实用温度条件和试验失效时间，计算评估实际存储可靠性。

（2）互连可靠性。互连可靠性测试评估是评价在温度冲击试验下的连通性失效。假定树脂、金属的疲劳寿命服从如下Coffin-Manson定律：

式中：Ni为疲劳寿命；εi为应变量；n为未知数。

若产品在实用条件下的循环数为Nfield，与该循环数相当的应力试验循环数为Nlab，可以推导得出试验加速系数AF是应力试验中的应力与实用条件下的应力之比：

式中：ΔTfield为实用温度范围；ΔTlab为应力试验温度范围。

试验时开展3 种不同温度应力条件下的温度冲击试验，根据平均失效循环数计算式（4）中未知数n的平均值，再利用加速系数公式、试验温度条件、实用温度条件和试验失效循环数计算实际应用的循环数，进而评估得到互连可靠性。

（3）绝缘可靠性。绝缘可靠性测试评估是评价高温高湿偏压试验下的绝缘性能失效。假定导体金属迁移造成绝缘电阻的恶化遵守艾林（Eyring）公式如下：

式中：f为湿度参数；HR为相对湿度；V为偏压。

由式（5）可以推导得出试验加速系数AF是故障时间的比率，计算式如下：

式中：HR_field为实用相对湿度；HR_lab为应力试验相对湿度；Vfield为实用外加电压；Vlab为应力试验外加电压。

开展3 种不同温度应力条件下的高温高湿偏置试验，根据平均失效时间结果计算式（6）中活化能E的平均值；开展3种不同湿度应力条件的高温高湿偏置试验，根据平均失效时间结果计算式（6）中湿度参数f；再利用加速系数公式、试验条件、实际工作条件和试验失效时间计算评估实际绝缘可靠性。

加速试验预计法依靠实际产品的使用材料、制造工艺和质量管理过程，制造与产品复杂度一致的样品进行可靠性试验，得到真实的可靠性数据，再通过数学模型计算得到应用环境的可靠性，其预计结果具有更高的可信度和准确率。该方法具体的加速试验条件和试验程序可以参考IPC/JPCA—6801《积层/高密度互连（HDI）印制板的术语及定义、试验方法与设计示例》。但是由于此方法试验周期较长、试验数据量大、成本高等原因，并没有得到制造商或使用方的广泛应用，在国内相关数据的积累也较少。

2.3 试验鉴定法

试验鉴定法即按照标准试验方法、试验条件开展可靠性试验，通过试验前中后测试相关性能的符合性，判定样品是否满足其可靠性要求。具体试验也可以根据产品特点、应用环境或设计要求等对标准规范进行裁剪。PCB 常用的可靠性试验方法有：温度冲击试验、高加速热冲击试验（highly accelerated thermal shock，HATS）、互连应力测试（interconnection test system，IST）、高温高湿偏置试验、高压加速寿命试验（highly accelerated temperature and humidity stress test，HAST）、高压蒸煮试验（pressure cooker test，PCT）、高温存储试验、低温存储试验等。常用的可靠性试验参考标准有IPC-9151《印制板工艺、生产能力、质量及相关可靠性（PCQR 2）基准测试标准和数据库》、GJB 360B—2009《电子及电气元件试验方法》及JESD22-A系列标准等。

由于方法简单、试验周期短、成本低和结果覆盖率广等优点，试验鉴定法得到广泛应用。一般产品制造商根据技术能力对最高技术能力和最大复杂度的产品进行可靠性试验鉴定，鉴定结果可以覆盖相同材料和相同工艺下的所有产品。产品使用方一般也使用工艺鉴定或试验鉴定对产品进行可靠性的符合性验证。

3 结语

国内针对PCB 开展的可靠性测试评估方法研究及数据积累较少，本文总结目前PCB 可靠性测试评估方法，主要有失效率预计法、加速试验预计法和试验鉴定法3 类。由于失效率预计法应用的局限性和结果的不确定性，加速试验预计法应用的高成本、长周期等原因，目前试验鉴定法是行业应用最为广泛的方法。建议有条件的单位或机构，可以针对不同类型、不同材料、不同工艺的产品开展加速试验预计法的应用研究，进行试验数据的积累，形成经验的数学模型参数，促进加速试验预计法的推广应用，为PCB 可靠性的准确评估提供支撑。