汽车用PCB品质可靠性分析

汽车用PCB品质可靠性分析一、前言：目前国内整车中汽车电子应用比例较低，每辆新车汽车电子支出平均占整车价值4．8％，同期全球平均水平是26．2％，一些豪华高档轿车中电子装置甚至占整车成本50％以上[1]，差距及发展需相当明显。国内汽车电子设备比例低，主要受研发和可靠性保证能力限制。二、现状：中国汽车电子市场在很大程度上由世界知名汽车零部件厂商德尔福、日本电装、博世三巨头占领；目前国内PCB生产厂家通过这几家公司认证不多，(尤其是通过其高端产品认证，)且通过认证常需2-4年甚至更长时间，品质控制能力尤其是性能品质保证能力不足为主要影响因素。人们对汽车综合性能不断有新要求，汽车行业也迫切需要应用信息技术改善汽车性能与消费环境。基于一种供求互动，在全球汽车行业处于平稳增长态势情况下，全球汽车电子行业却仍以每年高于8％速度增长[2]。我国涉足汽车电子企业多是生产附加值较低产品，如音箱、DVD、倒车雷达、防盗器等，而在高端产品方面国内几乎是空白。技术含量较高的中高端产品基本都是国外品牌。汽车用PCB供给方面，国内不少企业早已看到其中蕴藏无限商机，先后有皆利士、至卓飞高、汕头超声、珠多、生益电子、耀文电子(中国)……等通过QS9000认证，为进军汽车电子行业取得一张入门券，但目前多数企业生产加工基本以中低端产品为主，和少量特种PCB供给，在汽车发动机控制系统如(ECU、EPS、ABS等)基板供给方面相对较少，各厂在该类PCB可靠性保证方面也基本处于一种摸索阶段。三、性能要求●概述：汽车用PCB可靠性作为整车可靠性保证一部分，要求很严格，不仅要求供应厂家通过汽车质量管理体系QS9000认证，还要对其质量控制能力进行极其苛刻评估。汽车用PCB产品多采用特殊性能材料(如高Tg材料、耐CAF材料、厚铜材料以及陶瓷材料等)进行制作，性能测试一般也有专门要求。汽车电子产品首先必须满足汽车作为一个交通工具所必须具备特性，对温度、气候、电压波动、电磁干扰、震动等适应能力要求更高。不同汽车厂商对定制电子产品要求也不一样，需要汽车电子制造商付出相当大投入；如何提升汽车用PCB品质，使同步符合我国汽车发展标准要求，首先必须了解不同汽车产品用途及其功能需求。●性能方面：动力控制系统和制动控制系统用汽车PCB，设计和制程要求更高可靠性，如汽车控制系统，部分关键器件要求进行高达500~2000次高低温循环(车载装置要求200循环)和42V高电压测试(常规12V)，对于高压和高温产品，基本都要求使用高铜箔材料和制作工艺，基本铜厚要求在2安士~4安士，(最高要求铜箔厚度达到16安士，且必须采用专用特种散热器)[4]；车载用PCB(用于汽车通讯与娱乐方面产品)，因其所处环境和使用条件，要求有更高可靠性保证，其验收水平要求高于普通消费性电子一个等级以上。●材料方面：厚铜材料、陶瓷材料、高TG材料、耐CAF材料作为应用于汽车电子产品主要特种材料成为近两年特种PCB利润亮点，在日本，每年都有不少此类新材料开发见报于其PCB专利摘要，在国内开发相对比较缓慢，也基本无形成规模。且因技术不成熟，达到要求能力不高。在汽车PCB制作方面，材料合适性决定满足要求的程度。●过程控制方面：汽车用PCB加工制作要求过程控制能力达到1．67以上，按照传统PCB加工方法(流程复杂且基本是半自动加工生产)，达到该能力水平难度不小。尤其SMT、BGA精度及喷锡质量要求方面。四、可靠性保证对于高可靠性汽车用PCB，如何确保产品满足要求是众多PCB厂家所追求的目标。我司较早通过QS9000认证，近几年来涉足该领域，生产控制中对一些可靠性问题解决积累一·点经验，现拟从主要可靠性测试方面及容易出现性能不足问题进行分析，抛砖引玉。A)高低温循环测试：动力控制系统和制动控制系统用汽车PCB，设计和制程要求更高可靠性，如汽车控制系统，通常要求500次高低温循环，个别关键器件甚至要求高达2000次高低温循环。B)高低温循环测试条件及要求：低温：-40℃；高温：125℃，转换时间：10秒，到达最高(低)温度后持续时间：15分钟互连电阻变化率≤10％(部分客户要求为≤5％)●改善方向：高低温后切片出现的裂纹，与板材Tg值、钻孔质量、PTH前凹蚀有比较大关系，减少板厚方向z轴膨胀程度须选材方面作好。其他两点从如下方面入手进行分析解决。1)钻孔方面：通过使用3种不同类型垫板(酚醛垫板、木质垫板及密胺垫板)进行钻孔实验，钻孔后用SEM观察孔壁污泥情况，结果表明使用酚醛垫板孔壁两边污泥相对较多；而使用木质垫板时孔壁一边污泥较多，另一边污泥就很少；使用密胺垫板时钻孔污泥则均匀分布于孔壁上，污泥量相对较少。2)凹蚀：用不同凹蚀方式，孔壁凹蚀量会有些差异，如何有效去除环氧钻污、确保孔壁粗糙度符合要求并减少芯吸效应，是很多PCB加工厂家比较头疼问题。因孔壁粗糙度偏大，会导致焊接时出现吹气孔及高低温循环时镀层断裂；较大芯吸效应将可能造成孔与孔之间出现电迁移而形成短路；若凹蚀量控制比较小，可能出现高低温循环后连接处裂纹。3)电迁移问题：在高温高湿环境通电条件下，因原电池现象存在，PCB可能会出现电迁移现象(也称为电腐蚀)，这将致使绝缘体间绝缘电阻随时间延长而不断下降，甚至发生短路及零部件发热、着火等二次危害，因此汽车厂家对此方面重视程度越来越多。●测试条件：日本客户，其测试标准为：温度85℃，相对湿度85％RH，外加50VDC电压，测试时间为10天；欧洲客户，其测试标准为：温度40℃，相对湿度93％RH，外加100VDC电压测试时间为21天。出现不良可能现象：绿油变色●改善方向：1)表面清洁：在内层棕化后(或黑化后)、绿油前处理、绿油显影后、喷锡后、包装前用DI水洗，有时还需要特殊溶剂清洗，更有效去除板面残留离子。清洁后，测试其表面离子含量，一般板面总离子含量最好是控制在≤2.0ugNaCl／sq.in。2)绿油方面：采用氯离子含量比较低的光亮油墨效果更好。3)松香方面：为提高板件热风整平后平整性，一般采用活性松香，但此类松香会在表面上残留较多离子，能否保证热风整平后板件清洁效果，各厂家有不同处理方式，最常见是采用高效清洁剂，但此方式需控制好其酸度，以防对感光阻焊剂有攻击作用，避免结果适得其反。4)板材方面：通常汽车用PCB需采用耐CAF、高介电强度及耐湿性、耐漏电起痕性等特性材料。此种特殊材料加工，凹蚀方式有异于常规板料，PCB厂家制程控制需做相应调整，避免出现高低温循环测试时裂纹等问题。C)耐热性问题：对于汽车用PCB，其引擎部分及周边位置，耐热性要求比较高，在此位置所用PCB板料选用多用：陶瓷板或高Tg板料。●测试条件：a)板件在温度40℃，相对湿度93％RH恒温恒湿箱中存放7天后，做热应力测试，观察其是否存在爆板或绿油剥离等问题。b)板件放在125℃烘箱中，存放时间为1000小时，观察其绿油情况、板料、孔壁铜层质量、线路抗剥离强度等。●问题及改善方向：耐热性测试后可能存在爆板和绿油剥离问题，材料和表面处理方式是最主要改善方向。1)材料方面：a)采用耐湿性，高Tg板料，但制作过程需考虑凹蚀及层压的压合问题存在影响。b)为了减少爆板问题，内层板表面处理方式须慎重选择或采用特殊加工方式。c)陶瓷板料，虽有比较好的耐湿性及小膨胀性，能有效防止爆板问题，但存在抗剥离强度较低不足，制作时需注意。2)绿油方面：采用柔韧性较好的热固化油墨，防止受热后，出现油墨断裂及绿油剥离等问题，如下图所示：为防止出现类似绿油问题，生产时需注意以下问题：a)确保后固化温度及时间充分；b)有效控制绿油厚度；C)防止出现表面污染及氧化；D)耐高压、高电流性。对于高压和高温产品，基本都要求使用高铜箔材料及制作工艺，铜厚要求常在2安士~4安士，才能承受高电流、高电压或高发热影响。基材厚铜箔，制作过程容易存在一些控制问题：●基材铜厚不足，承受不了高电流或高电压，出现了击穿短路问题●基材铜厚太厚，出现蚀不净问题及绿油气泡：●线路太厚，绿油偏薄，电迁移测试失败，改善方向：1)客户设计时已考虑到其线路所能容载的电流或电压量，若线路铜箔厚度／宽度不足，PCB在通电时会出现击穿、熔线等问题。加工过程须确保线路总铜厚满足客户设计要求，这从在工程指示设计开始就需充分考虑基铜+电镀铜的总厚度；制程加工在蚀刻时控制不同铜厚存在不同侧蚀量，做好线宽的补偿;2)控制好蚀刻参数，确保满足线宽要求同时保证线间距符合要求，否则将外层线底间因有残铜的存在，将造成短路或通电后，发生电迁移的问题而失效;3)线路比较厚，易出现阻焊膜与基材、导线表面及边缘有目视可见的空洞，空洞将给电迁移提供了有利的空间，对此需要做足丝印力度、角度及停放时间控制。五、结束语：汽车用PCB作为整车可靠性保证一部分，质量要求很严格，尤其性能保证方面，如何更好满足及提高，实力相对较为雄厚的PCB厂家虽有涉足，但基本仍处于一种摸索阶段，希望此文章能对正在进行或即将进行汽车PCB板加工的厂家提供有益参考，抛砖引玉，以共同提高汽车PCB板的加工控制技术。