王曉娜 唐 鵬 李小明

（無(wú)錫市同步電子科技有限公司，江蘇 無(wú)錫 214028）

0 引言

印制電路板（PCB）作為電子元器件的支持體與連接通路，是非常重要的電子部件之一，隨著電子行業(yè)飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)不斷朝多功能、智能化方向發(fā)展，PCB上的器件越來(lái)越密集，線路也越來(lái)越細(xì)。高頻高速PCB、高散熱PCB、埋阻埋容PCB等高端緊密產(chǎn)品已經(jīng)逐步被業(yè)界所熟知。而隨之PCB的使用環(huán)境也越來(lái)越廣泛，導(dǎo)致對(duì)PCB的要求也越來(lái)越高，隨著使用環(huán)境（溫度、振動(dòng)、鹽霧、腐蝕等各種環(huán)境）的持續(xù)變化，印制電路板的阻值會(huì)產(chǎn)生一系列的變化，從而影響到產(chǎn)品的功能甚至縮短印制電路板的壽命。

1 試驗(yàn)原理說(shuō)明

PCB是電子產(chǎn)品功能性的載體，對(duì)惡劣環(huán)境條件的影響非常敏感。在惡劣的環(huán)境條件下，PCB性能指標(biāo)的劣化容易產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。某一電氣性能指標(biāo)劣化，極易引起其他性能指標(biāo)的一系列變化。濕熱會(huì)使PCB涂層附著力變差，外觀出現(xiàn)分層、白斑等，表面絕緣電阻、介質(zhì)耐電壓性能下降。鹽霧會(huì)引起PCB發(fā)生腐蝕開(kāi)路，使PCB損耗參數(shù)發(fā)生改變。霉菌生長(zhǎng)滋生的分泌物會(huì)使相互絕緣的電路之間產(chǎn)生漏電或短路[1]-[3]。不同的PCB對(duì)產(chǎn)品的內(nèi)部溫升有不同的要求，有些PCB的載流線需要耐大電流，溫升后內(nèi)阻也增加，發(fā)熱量隨之增加，可能會(huì)導(dǎo)致PCB燒毀擊穿；而溫度過(guò)低有時(shí)候會(huì)導(dǎo)致PCB內(nèi)阻變小，對(duì)于一些鎖相環(huán)，時(shí)鐘電路有可能會(huì)因內(nèi)阻變小無(wú)法啟動(dòng)的情況。振動(dòng)幅度過(guò)大會(huì)造成PCB焊點(diǎn)開(kāi)裂。本文主要研究溫度及振動(dòng)對(duì)PCB互聯(lián)電阻的影響，從而為控制好PCB的性能提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)實(shí)施

2.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備介紹

環(huán)境測(cè)試動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是我公司自主研發(fā)的一款可同時(shí)監(jiān)測(cè)128通道阻值變化的設(shè)備，該設(shè)備采用開(kāi)爾文測(cè)試法進(jìn)行連續(xù)的高精度電阻值測(cè)試，通過(guò)對(duì)電阻值的持續(xù)監(jiān)控，判斷被測(cè)產(chǎn)品的可靠性。

在測(cè)量過(guò)程中，每一個(gè)閉環(huán)測(cè)試通道持續(xù)不斷在設(shè)定的恒流源下工作，瞬間的電阻值變化會(huì)以斷裂次數(shù)的形式記錄下來(lái)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件提供閾值、量程等參數(shù)設(shè)置，并定時(shí)上傳所有瞬斷狀態(tài)，包含瞬斷次數(shù)及瞬斷發(fā)生的時(shí)間，便于客戶做精確的可靠性判斷。測(cè)試系統(tǒng)連接示意圖參考圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)連接示意圖

2.2 樣品信息

試驗(yàn)樣品特定使用場(chǎng)景某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器內(nèi)部，產(chǎn)品信息見(jiàn)表1所示。

表1 樣品基本信息一覽表

每塊待測(cè)試印制電路板上分別選取兩組網(wǎng)絡(luò)作為測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖2所示。網(wǎng)絡(luò)1導(dǎo)線長(zhǎng)度約100.35 mm，網(wǎng)絡(luò)2導(dǎo)線長(zhǎng)度約129.67mm；各有金屬化孔數(shù)2個(gè)，最小孔徑為0.254 mm。

圖2 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)

試驗(yàn)開(kāi)始前，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)樣品的檢測(cè)項(xiàng)目要求進(jìn)行外觀、電氣性能等原始數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，樣品檢驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合GJB362B規(guī)定[4]。

2.3 試驗(yàn)樣品安裝

將受試樣品通過(guò)專用夾具固定于試驗(yàn)箱中，最后使用手工焊接的方式將測(cè)試線纜一側(cè)焊接于PCB裸板的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)上，線纜另一側(cè)連接到動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備上。

2.4 試驗(yàn)實(shí)施

因互聯(lián)電阻為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，故試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)須停止試驗(yàn)對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行電性能及其他相關(guān)測(cè)試。但由于不可抗力造成試驗(yàn)條件無(wú)法滿足試驗(yàn)要求時(shí)，試驗(yàn)應(yīng)主動(dòng)中斷。待試驗(yàn)條件正常后，及時(shí)恢復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)中斷的原因及中斷時(shí)間應(yīng)在試驗(yàn)報(bào)告中注明。

該型試驗(yàn)樣品屬于板級(jí)產(chǎn)品，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求并結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品情況，試驗(yàn)時(shí)僅施加溫度和振動(dòng)兩種應(yīng)力，按照由低到高的層次關(guān)系進(jìn)行。主要試驗(yàn)項(xiàng)目分別為低溫步進(jìn)、高溫步進(jìn)、振動(dòng)步進(jìn)[5]等3個(gè)階段。低溫步進(jìn)試驗(yàn)應(yīng)力見(jiàn)圖3所示。

圖3 低溫步進(jìn)試驗(yàn)應(yīng)力圖

高溫步進(jìn)：高溫極限溫度為170 ℃，在溫度為150 ℃之前，以10 ℃為步長(zhǎng)；在溫度為150 ℃之后，以5 ℃為步長(zhǎng)；每個(gè)溫度臺(tái)階上停留時(shí)間為10 min。試驗(yàn)應(yīng)力見(jiàn)圖4所示。

圖4 高溫步進(jìn)試驗(yàn)應(yīng)力圖

振動(dòng)步進(jìn)：采用3軸向六自由度隨機(jī)激勵(lì)，最高振動(dòng)量值為70 grms，步進(jìn)為5 grms，每個(gè)振動(dòng)量級(jí)保持時(shí)間為10 min。試驗(yàn)應(yīng)力見(jiàn)圖5所示。

圖5 振動(dòng)步進(jìn)驗(yàn)應(yīng)力圖

綜合環(huán)境試驗(yàn)：根據(jù)前面試驗(yàn)中得到的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定綜合環(huán)境試驗(yàn)應(yīng)力。試驗(yàn)剖面見(jiàn)圖6所示。

圖6 綜合環(huán)境試驗(yàn)應(yīng)力圖

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

使用Minitab數(shù)據(jù)相關(guān)性對(duì)在不同環(huán)境條件下測(cè)試的PCB互聯(lián)電阻阻值進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所示。

從表2可以看出振動(dòng)環(huán)境、溫度變化對(duì)PCB互聯(lián)電阻均有一定的影響，從相關(guān)性數(shù)據(jù)上看溫度對(duì)PCB互聯(lián)電阻阻值的影響度為0.96，振動(dòng)對(duì)PCB互聯(lián)電阻阻值的影響度為0.86，溫度對(duì)其影響大于振動(dòng)。當(dāng)溫度與振動(dòng)同時(shí)作用于印制電路板時(shí)，溫度成為影響互聯(lián)電阻的主要因素，影響程度為0.99，振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)互聯(lián)電阻阻值的影響可忽略。另使用Minitab對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，可看出互聯(lián)電阻阻值與溫度存在明顯的線性關(guān)系，線性關(guān)系表達(dá)式見(jiàn)圖7所示。

圖7 溫度變化與印制電路板阻值的關(guān)系式

表2 印制電路板互聯(lián)電阻與環(huán)境因素的相關(guān)性數(shù)據(jù)

從表3中看P值小于0.05，可以得出響應(yīng)變量與項(xiàng)之間的關(guān)聯(lián)在統(tǒng)計(jì)意義上顯著的結(jié)論。另從其他數(shù)據(jù)上可以看出，溫度可以解釋PCB互聯(lián)電阻阻值中98.5%的變異，該模型可以很好地?cái)M合數(shù)據(jù)。

表3 回歸分析相關(guān)參數(shù)

另產(chǎn)品在綜合試驗(yàn)第八個(gè)循環(huán)過(guò)程中，高溫狀態(tài)下，其中一塊PCB上通孔出現(xiàn)孔壁裂紋，見(jiàn)圖8所示，分析該失效原因，主要為電鍍過(guò)程中控制不當(dāng)導(dǎo)致。

圖8 印制電路板失效圖示

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)溫度與振動(dòng)同時(shí)作用于PCB時(shí)，溫度成為影響互聯(lián)電阻的主要因素，影響程度為0.99，振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)互聯(lián)電阻阻值的影響可忽略。環(huán)境因素尤其是溫度變化與PCB互聯(lián)電阻之間存在一定的線性關(guān)系，溫度可以解釋PCB互聯(lián)電阻阻值中98.5%的變異。因此研究PCB互聯(lián)電阻在不同環(huán)境因素中的變化規(guī)律，并對(duì)失效產(chǎn)品進(jìn)行失效分析，可以為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)提供一定的依據(jù)。但實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)與自然環(huán)境不同，因此自然環(huán)境試驗(yàn)條件下所表現(xiàn)出來(lái)的參數(shù)變化與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)有一定的區(qū)別，在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程中，最好將實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與自然環(huán)境試驗(yàn)結(jié)合在一起進(jìn)行研究。