PCB高可靠性化要求與發(fā)展——PCB高可靠性的影響因素（上）

在電子工業(yè)的快速發(fā)展中，印刷電路板（PCB）的可靠性始終是設(shè)計和制造的核心考量。隨著集成電路（IC）的集成度不斷提升，PCB不僅需要實現(xiàn)更高的組裝密度，還要應(yīng)對高頻信號傳輸?shù)奶魬?zhàn)。這些趨勢對PCB的可靠性提出了更為嚴格的要求，特別是在焊接點的結(jié)合力、熱應(yīng)力管理以及焊接點數(shù)量的增加等方面。本文將探討影響PCB可靠性的關(guān)鍵因素，并分析當前和未來提高PCB可靠性的制造技術(shù)發(fā)展趨勢。

1 PCB焊接點界面間結(jié)合力減小對可靠性的影響

在很大的程度上，PCB的可靠性是由PCB與元器件焊接點界面之間的結(jié)合力大小來確定的，而焊接點界面的結(jié)合力大小是由焊接點面積與焊接的結(jié)合強度之積來表達的。所以，PCB與元器件焊接點的界面結(jié)合力必須保證足夠大，使其結(jié)合力能夠抵抗各種產(chǎn)生“拉扯”內(nèi)應(yīng)力的“破壞”，才能保證可靠性。

1.1 PCB高密度化帶來焊接點面積減小。

PCB和元器件之間焊接點面積是隨著PCB高密度化的提高而減小的。大家知道，PCB由插裝技術(shù)（THT）走向表面安裝技術(shù)（SMT）、再走向芯片級封裝（CSP）的過程中，PCB的高密度化一直在提高著。目前，隨著IC集成度提高、組裝技術(shù)的進步，要求PCB必須高密度化。目前，CSP組裝技術(shù)已經(jīng)走向或集中在0.5 mm的節(jié)距，其相應(yīng)的PCB線寬/間隔（L/S）要求為50 μm/50 μm，正在向0.3 mm節(jié)距發(fā)展，要求PCB線寬/間隔為30 μm/30 μm！安裝面積將縮小16倍之多！隨著焊接點面積的減少，會增加焊接難度而增加故障數(shù)量，從而加大故障率，即使故障率不變，也會增加故障數(shù)量，因為焊接點數(shù)增加了。PCB焊接點面積縮小的結(jié)果見表1所示。

表1 焊接盤直徑的減小而帶來焊接圓盤面積的下降(以0.80 mm盤徑為基準)

從表1中可看到，由于PCB高密度化而帶來焊接盤徑從0.80 mm減小到0.2 mm時，焊接點的面積便減小到原來的1/16（6.25%）。

1.2 焊接點面積減小帶來的焊接結(jié)合力的減小。

高密度化的發(fā)展與進步，不僅帶來線寬/間隔（L/S）、孔徑細小化，而且連接盤面積也隨著縮小，這意味著元組件與PCB之間的連接的結(jié)合力也減少了。因為，元組件與PCB之間焊接點的結(jié)合力（F 結(jié)合）的大小是由結(jié)合強度（f 強度）和連接點面積(S 面積)之積來決定的，一旦焊接材料和方法確定后，結(jié)合強度f 強度是不變的，主要是焊接面積來決定著結(jié)合力的大小。

F結(jié)合= f強度×S面積……………… （1）

從公式（1）中可看出：隨著PCB高密度化的發(fā)展，焊接點面積（S 面積）將減小，必然帶來焊接點結(jié)合力（F 結(jié)合）的減小。以方形焊接面積為例，其邊長從0.8 mm減小到0.2 mm時，則焊接面積將從0.64 mm2→0.04 mm2，假設(shè)結(jié)合強度f強度不變，則焊接點的結(jié)合力將下降到原來的6.25%。如表2所示。

從表2可看出，當焊接 方盤從0.8 mm下降到0.2 mm 時（結(jié)合強度保持不變），焊接盤的結(jié)合力僅為原來的1/16（6.25%），所以高密度化的發(fā)展結(jié)果必然帶來連接界面的結(jié)合力迅速的減少！

1.3 增加焊接點界面結(jié)合力的方法。

在PCB的密度不高時，焊接點的形狀大都采用圓形的，有利于設(shè)計和加工制造。但是，當PCB的密度越來越高時，由于圓形面積最小，焊接點的結(jié)合力也最小！為了提高結(jié)合力，增加焊接點直徑受到導(dǎo)體間隔的限制，當然可以直徑為邊長的方形或長方形而形成的焊接盤就可以提高焊接面積，從而提高焊接點的結(jié)合力，達到提高焊接點的可靠性（表3）。

從表3 中可看到，以圓形直徑為邊長的方形焊盤的結(jié)合力比圓形的結(jié)合力將提高26%，而采用長方形（1:2）的焊接盤可以一倍多（152%）地增加焊接點的結(jié)合力！這就是為什么在高密度化PCB中的焊接盤大多采用方形焊盤或長方形焊盤的根本原因！

2 PCB焊接點界面間熱應(yīng)力增加對可靠性的影響

2.1 熱應(yīng)力的實質(zhì)是熱膨脹系數(shù)差別帶來的結(jié)果

任何物質(zhì)都存在著熱脹冷縮和“濕脹干縮”的物理現(xiàn)象?！皾衩浉煽s”的變化是個緩慢的過程，因而引起尺寸變化要慢得多、也小得多！而熱（溫度）變化是往往是在瞬間（如幾秒時間）就發(fā)生了尺寸的大變化，所以溫度（熱）膨脹系數(shù)（CTE）才是我們主要關(guān)注的課題。元器件和PCB（主要基板）的溫度膨脹系數(shù)和濕度膨脹系數(shù)的數(shù)據(jù)列于表4中。

從表4中可看到，只有玻璃基板和陶瓷基板的CTE和元器件的CTE最接近，而PCB的CTE要比元器件的CTE要大得多，這就是元器件和PCB在焊接點界面處發(fā)生“拉扯”內(nèi)應(yīng)力的本質(zhì)所在！因為PCB在應(yīng)用過程必然有引起溫升，由于PCB和元器件的CTE大小不同，在焊接點處由溫升發(fā)生尺寸變化也就不一樣，即元器件的CTE小、其尺寸伸長小，而PCB的CTE大得多，其尺寸伸長就大得多，因此，在焊接點界面處必然存在著尺寸變化大的“拉扯”著尺寸伸長小的而形成“拉扯”（熱）應(yīng)力！如果溫升很高，這種“拉扯”內(nèi)應(yīng)力也就很大，一旦這種“拉扯”內(nèi)應(yīng)力接近或大于焊接點的結(jié)合力時，就會引起焊接點界面發(fā)生斷裂而失效率！

2.2 熱應(yīng)力的本質(zhì)是PCB內(nèi)部溫升的結(jié)果

PCB和元器件焊接點界面處的熱應(yīng)力產(chǎn)生的實質(zhì)是由于兩者的CTE不同引起尺寸伸長不一樣的結(jié)果，溫升才是形成熱應(yīng)力的必然結(jié)果！那么焊接點的溫升是怎樣發(fā)生呢？熱的來源主要有三個方面：

（1）PCB高密度化程度；（2）PCB內(nèi)信號傳輸高頻化程度；（3）PCB上負載（功率）大小（密度）。這三個方面將決定著內(nèi)部溫升的大小。

2.2.1 PCB高密度化引起的溫升

PCB高密度化的結(jié)果，不僅會帶來焊接點結(jié)合力的減小，而且PCB內(nèi)部負載的增加，而這種內(nèi)部負載增加是指在單位體積內(nèi)將有更多的“導(dǎo)電”通過（信號傳輸），這就必然帶來更多的導(dǎo)電損耗（αc）和介質(zhì)損耗（αd）.

α＝αc ＋αd …………………………式（2）

這就是PCB在使用過程中內(nèi)部產(chǎn)生（除了元器件發(fā)熱和傳導(dǎo)熱外）熱的根本原因，而PCB高密度化就意味著發(fā)生的熱更多了，也就意味著PCB內(nèi)部產(chǎn)生的溫升更多和加快。

2.2.2 PCB內(nèi)信號傳輸高頻化引起的溫升

PCB內(nèi)信號傳輸高頻化意味著在單位時間內(nèi)通過的信號傳輸次數(shù)增加了，在也意味著在單位時間內(nèi)發(fā)生導(dǎo)電損耗（αc）和介質(zhì)損耗（αd）.等次數(shù)也增加了，這些導(dǎo)電損耗（αc）和介質(zhì)損耗（αd）.等增加次數(shù)都會在PCB內(nèi)部增加溫升的速度和程度！

2.2.3 PCB上負載（功率）增加

PCB上的負載增加是只在PCB安裝的大功率元器件而通過的信號所帶來的更大的導(dǎo)電損耗（αc）和介質(zhì)損耗（αd）等，當然會產(chǎn)生更大的溫升速度和程度！以上三方面的增加溫升速度和程度是組成PCB高溫度化的根本原因！由于PCB高溫化和PCB與元器件之間的CTE存在著大的差別值，因而它們之間的焊接點界面處會因溫、濕度變化而發(fā)生“拉扯”內(nèi)應(yīng)力。一旦這個“拉扯”內(nèi)應(yīng)力≥PCB焊接點之間的結(jié)合力，必然會引起焊接點界面處發(fā)生斷裂問題，這往往是造成焊接點失效而帶來故障的可靠性問題。

（未完，接下篇）

審核編輯 黃宇