大研智造 電子行業(yè)PCB失效現(xiàn)狀：改進(jìn)措施與激光焊錫技術(shù)（上）

0 引言

印制電路板（printed circuit board，PCB）在電子信息產(chǎn)業(yè)鏈中扮演著至關(guān)重要的角色，其應(yīng)用遍及消費(fèi)電子、通信設(shè)備、汽車電子、工控設(shè)備、醫(yī)療電子、航空航天和軍工等多個(gè)領(lǐng)域。所有帶有電路或電氣控制的設(shè)備或產(chǎn)品都依賴于PCB來(lái)實(shí)現(xiàn)元器件間的互連互通，從而發(fā)揮其功能。因此，PCB的質(zhì)量直接關(guān)系到電子整機(jī)或系統(tǒng)產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，對(duì)電子行業(yè)至關(guān)重要。

過(guò)去約40年中，PCB產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了從美國(guó)到日本，再到中國(guó)的轉(zhuǎn)移。自2016年以來(lái)，中國(guó)PCB產(chǎn)值規(guī)模在全球的占比始終保持在50%以上，2021年更是達(dá)到了570億美元，其中中國(guó)大陸本土制造商約占340億美元，產(chǎn)值規(guī)模占比提升至近60%。隨著國(guó)內(nèi)5G通信、新能源（汽車、光伏、風(fēng)電等）、大數(shù)據(jù)、集成電路、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等下游行業(yè)的快速發(fā)展，以及產(chǎn)業(yè)鏈配套和綜合成本的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)PCB行業(yè)市場(chǎng)前景廣闊，預(yù)計(jì)全球市場(chǎng)份額將進(jìn)一步提升。中國(guó)作為全球最重要的PCB生產(chǎn)基地，未來(lái)將繼續(xù)保持行業(yè)制造中心地位。然而，國(guó)內(nèi)PCB行業(yè)雖“大”，卻“不強(qiáng)”，行業(yè)內(nèi)低水平重復(fù)競(jìng)爭(zhēng)激烈，影響了行業(yè)的良性發(fā)展和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。與國(guó)外相比，在高端PCB制造技術(shù)方面還存在差距，特別是在工藝路線穩(wěn)定性和產(chǎn)品可靠性、一致性等方面有較大的提升空間。

1板卡失效因素分布

板卡，即完成元器件組裝的PCB，簡(jiǎn)稱印制電路組件（printed circuit board assembly，PCBA）。對(duì)引起板卡失效的因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)PCB自身失效導(dǎo)致板卡失效的案例占比51%，超過(guò)PCBA本身制程缺陷引起的焊點(diǎn)虛焊（由焊接工藝本身異常引起）或開(kāi)裂（由過(guò)應(yīng)力或疲勞等應(yīng)用環(huán)節(jié)引起）和焊點(diǎn)腐蝕、遷移或離子殘留（分別占比18%、9%，合計(jì)占比27%）、應(yīng)用過(guò)程由過(guò)應(yīng)力或疲勞引起的焊點(diǎn)開(kāi)裂失效（占比12%）和其他類失效10%的總和。PCB自身質(zhì)量異常已成為引起PCBA失效的最主要原因。

圖1 PCBA失效因素分布

2PCB失效模式總體分布

圖2 PCB各類失效模式總體分布

對(duì)PCB自身失效案例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，列出12項(xiàng)失效模式類型，如上圖圖2所示。前4大失效模式依次為導(dǎo)通失效（26.6%）、可焊性不良（22.3%）、分層爆板（17.5%）和絕緣失效（15.3%），合計(jì)占比為81.7%。第5大失效模式燒板和第6大失效模式焊接強(qiáng)度不足分別占比5.3%和4.2%；涂/鍍層異常、板面異色、PCB翹曲、剝離強(qiáng)度不足、鍵合不良等其他類型的失效模式合計(jì)占比為8.8%。進(jìn)一步對(duì)2019—2021年度中每年的PCB失效案例數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖3所示，并按其失效模式類型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)失效案例數(shù)分別為96、123和140個(gè)，呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)；導(dǎo)通失效、可焊性不良、爆板分層和絕緣失效4種失效模式合計(jì)占比連續(xù)3年都在80%以上；導(dǎo)通失效連續(xù)3年都為年度占比最高的失效模式，年度占比最高達(dá)到31%；可焊性不良、爆板分層和絕緣失效3種失效模式年度占比排名略有差異，但連續(xù)3年都位于第2~4名。導(dǎo)通失效、可焊性不良、分層爆板和絕緣失效成為國(guó)內(nèi)PCB行業(yè)最為常見(jiàn)的4大失效模式，也是亟待改善的質(zhì)量和可靠性問(wèn)題。

圖3 2019年—2021年P(guān)CB失效模式分布

針對(duì)失效模式占比最高的導(dǎo)通失效，進(jìn)一步根據(jù)導(dǎo)通互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)分，發(fā)現(xiàn)孔銅開(kāi)路、內(nèi)層互連開(kāi)路和導(dǎo)線開(kāi)路占比分別為69%、21%和10%，孔銅開(kāi)路的失效比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于另外2種類型，這說(shuō)明PCB的通孔、盲孔或埋孔是導(dǎo)通互連質(zhì)量的薄弱環(huán)節(jié)，需重點(diǎn)關(guān)注，如下圖圖4所示。針對(duì)第2大失效模式可焊性不良，按表面處理工藝進(jìn)行細(xì)分，發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)焊料整平（hot air solder leveling，HASL）、化學(xué)鍍鎳/浸金（nickel/immersion gold，ENIG）和有機(jī)可焊性保護(hù)膜（organic solderability preservative，OSP）引起的可焊性不良分別占比38%、37%和7%，通孔可焊性不良占比11%，其他類型合計(jì)占比7%。說(shuō)明HASL和ENIG處理2類是最易出現(xiàn)PCB可焊性不良的問(wèn)題，這可能與HASL處理鍍層厚度不均及合金化（圖5）、ENIG中鎳層易氧化或腐蝕（圖6）有關(guān)，PCB企業(yè)應(yīng)對(duì)相關(guān)制程進(jìn)行重點(diǎn)管控。

圖4 PCB 孔銅開(kāi)路典型案例

圖5 HASL 工藝合金化引起可焊性不良的典型案例

圖6 ENIG 工藝中鎳層腐蝕的典型案例

3 不同排名PCB企業(yè)失效情況

對(duì)PCB自身失效案例中PCB制造廠家信息進(jìn)行梳理，按照中國(guó)電子電路行業(yè)協(xié)會(huì)（China Printed Circuit Association，CPCA）發(fā)布的《第二十屆（2020）中國(guó)電子電路行業(yè)之綜合PCB前100家企業(yè)》中企業(yè)排名情況，對(duì)位于不同排名的內(nèi)資PCB企業(yè)送檢失效案例的數(shù)量分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖7所示。排名1~25、26~50、51~75、76~100的PCB企業(yè)失效案例數(shù)量占比分別為17%、10%、14%和7%，排前100名的企業(yè)累計(jì)數(shù)量占比為48%，說(shuō)明PCB產(chǎn)品失效在大中型企業(yè)也是較突出的問(wèn)題。由于前100名企業(yè)包含了國(guó)內(nèi)的主要PCB上市公司，在規(guī)模、管理和技術(shù)體系等方面相對(duì)更為完善，且代表國(guó)內(nèi)PCB制造技術(shù)水平，相關(guān)失效的發(fā)生會(huì)直接影響著客戶的滿意度和企業(yè)的口碑，需特別予以關(guān)注。

圖7 不同排名PCB企業(yè)失效案例數(shù)量占比分布

對(duì)排前100名內(nèi)資PCB企業(yè)發(fā)生的失效案例按照其失效模式類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖8所示。前4大失效模式依次為可焊性不良（27.6%）、導(dǎo)通不良（24.3%）、分層爆板（14.8%）和絕緣失效（8.9%），合計(jì)占比為75.6%。這與PCB行業(yè)前4大失效模式一致（圖2），說(shuō)明大中型企業(yè)PCB產(chǎn)品面臨的質(zhì)量問(wèn)題與國(guó)內(nèi)整個(gè)行業(yè)情況類似。

圖8 排前100名PCB企業(yè)各類失效模式分布

4 軍/民用PCB失效模式分布

2019—2022年，軍用PCB質(zhì)量問(wèn)題引起整機(jī)裝備失效的案例呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)。原因?yàn)檠b備的質(zhì)量與可靠性要求不斷提高，更容易激發(fā)出相關(guān)問(wèn)題；另一方面與對(duì)PCB質(zhì)量管理總體重視程度不夠有關(guān)。部分整機(jī)單位甚至把PCB當(dāng)做“零部件”而非關(guān)鍵元器件管理，沒(méi)有建立類似于元器件從選型、篩選、破壞性物理分析（Destructive Physical Analysis，DPA）到失效分析的全套閉環(huán)質(zhì)量管理流程。對(duì)軍用PCB失效案例按照其失效模式類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖9所示。軍用PCB導(dǎo)通失效模式占比49%，接近一半，遠(yuǎn)高于其他失效模式，緊隨其后的是分層爆板（12%）、燒板失效（11%）、可焊性不良（9%）和絕緣失效（9%），這5大失效模式為軍用PCB的主要缺陷問(wèn)題，約占90%；其次是翹曲失效（3%）、異色（3%）等失效模式。

圖9軍用PCB失效模式分布

對(duì)民用PCB失效案例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖10所示。民品PCB的前4大失效模式依次為可焊性不良（25%）、導(dǎo)通失效（22%）、分層爆板（19%）和絕緣失效（17%），占總失效案例數(shù)量的83%；其次是焊接強(qiáng)度不足（5%）、燒板（4%）、涂/鍍層異常（3%）、異色（2%）等失效模式。

圖10 民用PCB失效模式分布

對(duì)比軍用PCB和民用PCB的失效模式分布可以看到，導(dǎo)通失效和可焊性不良都是PCB最為突出的問(wèn)題。原因?yàn)檐娪肞CB應(yīng)用環(huán)境更為嚴(yán)苛，在經(jīng)過(guò)例如溫度沖擊、濕熱循環(huán)、振動(dòng)沖擊、高低溫工作/貯存等一系列實(shí)驗(yàn)室模擬或?qū)嶋H應(yīng)用條件后，PCB的線路、孔銅、內(nèi)層互連界面等容易產(chǎn)生更大的溫變、機(jī)械和疲勞等應(yīng)力，造成導(dǎo)通網(wǎng)絡(luò)發(fā)生開(kāi)路失效。另一方面與軍/民PCB質(zhì)量檢測(cè)手段差異也有關(guān)，民用PCB貼件后普遍采用的自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（Automated Optical Inspection，AOI）檢測(cè)手段，更易在服役應(yīng)用階段之前就發(fā)現(xiàn)外觀可焊性不良的問(wèn)題（即便尚未造成功能異常）。軍用PCB板大多數(shù)質(zhì)量問(wèn)題都是板卡功能異常后的逆向分析發(fā)現(xiàn)，直接引起功能異常的失效模式（如導(dǎo)通失效、分層、燒板等）更容易被送檢分析。

（未完，接下篇）

審核編輯 黃宇