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电子产品对印制板质量可靠性的要求1CPCA梁志立2009.11目次1.可靠性概述•定义•研究的意义•浴盆曲线•可靠性指标•可靠性设计技术内容2.终端客户对PCB质量可靠性要求的新趋势•ＣAF•无卤印制板•PCB无铅化•特种PCB特种要求•PCB清洁度测试•汽车印制板•印制板表面涂敷•高均匀性超薄铜箔•印制电子3.电子产品对印制板质量可靠性要求•外部可观察特性•内部可观察特性•可焊性•电气完整性•其它特性21.“可靠性”概述•1.1什么叫可靠性?（英文：Reliability）•定义,国家标准的规定:产品的可靠性是指:产品在规定的条件下,在规定的时间完成规定的功能和能力.•可靠性问题的研究是因处理不可靠的问题,于第二次世界大战期限间发展起来的.可靠性设计的研究始于20世纪六十年代,首先应用于军事和航天、电子等工业部门，随后逐渐扩展到民用工业。•“可靠性”指的是“可信赖的”，或“可信任的”。平常，我们说一个人是可靠的，就是说这个人说得到做得到；而一个不可靠的人是指一个不一定能说到做到的人。是否做得到，要取决于这个人的意志、才能和机会。同样，一台电子产品，仪器设备，当人们要求他工作时，它就能工作，则说它是可靠的；而当人们要求它工作时，它有时工作，有时不工作，则称它是不可靠的。3(1)防故障和事故障发生,避免引发灾难性的事故.•美国航天飞机“挑战者号”,一个密封圈失效,起飞76秒后爆炸,7名宇航员丧失,13亿美元损失(1986.1.28)。•90年代,美国UL发表文告,说中国的印制板在美国引起多次设备仪器起火,原因是中国的PCB厂使用的板材是非阻燃的,但是打上了UL标记.(2)提高产品的可靠性,能使产品费用降低,减少停机时间.GE公司分析,对发电、矿山、运输等连续作业的设备，即使可靠性提高1%，成本提高10%也是合算的。可靠性高，维修费、停机检查费用损失可大大减少。(3)改善企业信誉，培强企业竞争力，扩大市场客户，提高经济效益。产品的可靠性越高，产品无故障工作时间越长。41.2.可靠性研究的意义1.3.可靠性指标(1)可靠度:•在规定的条件下,规定时间内完成规定的功能和能力的概率,即平均无故障时间.(2)平均维修时间:•产品从发现故障到恢复功能所需要的时间.(3)失效率:•产品在规定使用条件下,使用到某一时间,产品失效的概率.51.4.可靠性特性曲线•浴盆曲线(1)早期失效期•在试验和设计初期,由于产品设计制造中的错误,软件不完善元器件筛选不够等原因,造成早期失效率高.(2)偶然失效期•通过修正设计,改工艺,优化元器件,作整机试验,产品进入稳定失效期.(3)耗损失效期•由于器件损耗,整机老化,维护等原因,产品进入耗损失效期.•这就是可靠性特性曲线逞“浴盆曲线”的原因.6耗损失效期早期失效期偶尔失效期时间失效率1.5.电子产品可靠性设计的基本准则•产品结构与电路尽量简便.•尽量造用成熟的结构和典型的电路.•结构简单化,积木化,插件化.•采用新电路,新器件,注意标准化.•采用新技术,充分关注继承性.•尽量采用数字电路,集成电路.•对性能指标,可靠性指标要综合考虑.•尽量采用传统工艺和习惯的操作方法.•不断采用新的可靠性设计技术.71.6.电子产品可靠性设计的技术内容(1)元器件限额设计•降低在元器件上的工作应力(电、热、机械应力等）、限额条件和降额量值。(2)热设计•10℃法则:环境温度提高10℃,元器件寿命降低1/2.(3)冗余化设计•一台或多台相同单元(系统)构成并联形式,当其中一台发生故障,其它单元(系统)仍在正常工作的设计技术.安全性,经济性高的场合,需特别考虑,例如程控电话总机交接系统,运行器的控制系统.8(4)电磁兼容设计•即耐环境的设计,分二类:•电子电路,设备,系统在工作时,由于相互干扰或受外界干扰,达不到预期的技术指标.•设备系统虽没有直接受到干扰的影响,但不能通过电磁兼容的标准.如计算机设备超过电磁发射标准规定的极限值,或在电磁敏感度,静电敏感度上达不到要求.•为达到电磁兼容状态,修改设计,屏蔽机箱,电源线滤波,信号线滤波,接地,电缆线改动等.(5)其它:•软件可靠性设计,故障弱化设计,漂移设计……等.•(PCB,在湿环境,盐雾环境下,绝缘电阻产生下降,对电子产品性能产生影响)91.7.PCB设计布线时,可靠性方面注意问题(1)各级电路连接尽量缩短,尽可能减少寄生耦合,高频电路为注意.(2)设计各级电路应尽量按原理图顺序排列布置,避免各级电路交叉排列.(3)每级电路的元器件尽量靠近各级电路的晶体管和电子管,不应分布得太远,应尽量使各级电路自成回路.(4)各级均应采用一点接地,或就近接地,以防止电流回路造成干扰.大电流接地和沁电流回路的地线分开设置,以防止大电流流进公共地线产生较强的耦合干扰.(5)对于会产生较强电磁场的元件和对电磁场感应较灵敏的元件,应垂直布置,远离或加以屏蔽,以防止和减少互感耦合.(6)高频线路尽量避免束行排行,以减少寄生耦合,更不能像低频电路那样连线扎成一束.10(7)处于强磁场中的地线不应构成闭合回路,以避免出现地环路电流而产生干扰.(8)电源供电线应靠近电源的地线,并平行排列,以增加电源滤波效果.(9)大部分电子产品都有接插件,为降低这些连接部分的故障率,注意作互连可靠性设计.•插件选型,PCB采用大板,多层板,减少接插点.•重要部件系用冗余设计.•采用机械固定方式.•最好设计成单面走线.•包光线和地线应隐藏安装.•三个插头同时相对的,采用一固定,一个浮动,保证对准和拔插.112.终端客户对PCB质量可靠性要求的新趋势•这种新要求是基于PCB向线细、小孔、板薄、积层的发展趋势，以及ROHS法令、电子产品向高频传输等社会环境下，而提出来的。2.1.ＣAF(1)何为ＣAF•英文:CoductiveAnodicFilament•中文：阳极性玻璃丝之漏电现象，玻纤纱式漏电．•解释板面上，二根导线或二个镀通孔相距太近，一旦板材吸收水气多时，相邻导线或孔壁其正负电极向顺着玻纤表面，而出现的电子迁移现象．如图12CAFCAFCAFPCB易产生CAF孔直径≤０.3mm线宽≤０.1mm•原因：玻纤布表面经过“硅(砂)烷处理（SilaneTreatment），表面生成一层有机薄膜。一旦水气多时，又恰好导线底孔壁边缘压触到玻纤布时，这层薄膜具有大的极性，而呈现轻微漏电现象，称为CAF。•常发生的CAF：孔壁之问，孔壁到线路，线路之间漏电。小孔壁之间发生CAF占比例最大13•能否消灭CAF？（取消玻纤布表面的有机树脂处理，铜箔表面的粗化处理，可减少CAF。但板材表面的剥离强度会受影响。）（３）产生CAF的因素•无卤基材；树脂中不添加阻燃剂溴(Br),而改用有机磷，A1(OH)320%以协助阻燃，但吸水率相对增多．•钻孔粗糙，孔壁藏水．进刀量不当．•除胶渣（去钻污），凹蚀过头．•黑化不当．粉红圈产生．•PTH（化学沉铜），孔壁渗铜．•孔密，线／间距太细，如50微米，30微米．•基材中有缝隙，容易吸入水氧．14粉红圈2.2.无卤印制板(1)欧盟ROHS法令，阻燃剂：•禁：PBB(多溴联苯),POBE(多溴二苯醚)，五溴、八溴、十溴二苯醚.•未禁：FR4主力阻燃剂（四溴双酚A）。（全球最广泛、最主要的阻燃剂，性格比最好的防火安全材料）。BSEF（溴化学国际工业组织）经多年评估，得出四溴双酚A对人体是安全、健康的，对环境不会带来风险.欧盟经8年风险评估，已批准常用四溴双酚A。70%电气设备中使用四溴双酚A，全球用量为18万吨/年.FR4板材中，Br占15-20%(重量比)。(2)为什么还要无卤基材?•心理作用:有卤素作阻燃剂的板材,可能就有毒,不环保。•世界环保组织,绿色和平组织(GreenPeace)施加压力：APPLE，LGE，PANASONIC，TOSHIBA，SONY，HP，NOKIA，DELL，LENOVO，MOTORLA……•世界著名的大的OEM,电子通信设备商,对供应商施加压力。15•于是,无卤,无铅板材成为未来的板材主流,盖过一切.(3)无卤印制板•附着力差.板材脆性大.•无铅热风整平,元器件装配,热应力试验,爆板分层,起泡.投诉多多,报废多多.•吸水率增多(为约0.8%,常规0.3%)易产生CAF(密孔区易损伤).•改变传统FR4的加工习惯.钻孔要用新的钻孔参数,进刀量降低,钻速加快.黑化,对铜面作超粗化,以增加附着力印阻焊前也要对铜面作超粗化.去钻污,参数重新修订,过度除胶渣会加速CAF.•价钱也贵些(15-20%)。•(原因:板材加入有机磷化合物作阻燃,P≤3%,若多加产生易吸水,脆性加大,成本贵.磷不能多加,只好增大A1(OH)3填料量,或混加Si02。这样阻燃性能达到了,但机加工和附着力性能下降了。）16爆板爆板•(4)未来•无卤板材仍会逐年增大,潮流不可阻挡.(客户指定)•PCB厂要适应无卤板材的一套工艺,加工工艺需作一系列改变.•板材厂不断改良配方.•近年,投诉会更多,报废多多,退货多多。(爆板,分层,起泡,CAF……)PCB厂,CCL厂在“骂”声中成长,前进.•讨论:“无卤板材”叫法是否合适?(无卤标准:(C1+Br)总量≤0.15%,或单独CI,Br分别≤0.09%.)卤素包括氟,氯,溴,碘,聚四氧乙烯板材含氟多多,算不算有卤?172.3PCB无铅化（1）PCB厂需向客户提供符合ROHS法规的证明,无铅PCB,包含四个内容：•板材符合ROHS。•阻焊油墨无Pb，符合ROHS。（Pb≤1000ppm）•表面涂敷，无铅。替代的是：沉Ni/Ag,沉Ag，沉Sn，OSP，无铅热风整平。•PCB裸板,检测符合ROHS。（2）近年来，无Pb印制板常出现问题：起泡，分层，爆板。引发批量退货，报废，索赔（元器件、运费、人工费，等，为PCB本身价的10~30倍）。发生这类问题频次高，带普遍性。（3）主要原因：•无铅热风整平，使用的焊料多为日本305配方，(SnAgCu合金,锡96.5%,银3.0%,铜0.5%),其熔点217℃比传统的铅锡合金(37%Pb63%Sn,183℃)提高了34℃,无铅喷锡(热风整平)温度为265-270℃。有时候，板子喷得不好，还得返工1-2次，引起板子分层起泡。有时候阻焊也会起泡。18•客户要求热应力试验，过去288℃，10秒一次，美国军标合格即可（孔壁不分离，不分离起泡），现在，要288℃，10秒，作三次。板子会分层，起泡，孔壁分离。•客户SMT元器件装配，也用无铅焊料，迴回流焊波峰焊的温度也提高了，如果270℃以上焊接，有时一批板有几块分层起泡，客户整批退货，索赔。•客户接收PCB，贮存半年，甚至一年以上，元器件装配前不烘板，270℃下无铅焊接，板子分层，起泡。（目前，波峰焊的无铅焊料，比较多的使用SN100cl配方，焊料成分是：Sn-0.7Cu-0.05Si(或Ge,锗，0.005%)。（Ni的存在，减缓了铜在界面金属化合物(IMC)的扩散速度。Ge的存在，目的是形成一层保护性的氧化膜。）•PCB厂的板子被客户索赔，批量退货，有时会拉着板材厂一起赔偿。爆板分层起泡引起的原因，总能同板材厂拉上关系。•处理措施：采购耐热性能高的FR4板材，烘板，现场服务，焊接温度调低5℃，265℃，等等。（我的一个朋友，开SMT装配厂，小批量的，他的体会是：非出口欧洲产品的装配，PCB，元器件为无铅要求，焊接元器件时为有铅，仍用铅锡合金。焊接温度比传统工艺高几十度，OK。不会爆板，分层）。192.4特种印刷板的特殊要求.(1)品种.•高频微波板.•金属基印制板(铅基、铁基、铜基）。•厚铜板（高频板材+特种介质层+厚铜板）。.(背[母]板)（2）三特。•特殊板材:DK(1.15~10.5),Df,金属基,高频厚铜板材。•特殊加工工艺：PTH，成型，测试……独特的加工方式，设备，工艺，装配工具。•特殊性能：高频通信，高速使输，高散热性，用在高档的电子通信产品上。（导线上通过的不是电流，而是信号）。20（3）市场.•火爆.特种板材厂,种种PCB厂,作得好的,增幅30-50%,没受金融风