标签: PCB可靠性

PCB 和 PCBA 是什么？ 印制电路板(Printed circuit board，简称PCB) 是组装电子零件用的基板，是在通用基材上按预定设计形成点间连接及印制元件的印制板。PCB的主要功能是使各种电子器件形成预定电路的连接，起中继传输的作用，是电子产品的关键电子互连件。 印制电路板的制造品质，不但直接影响电子产品的可靠性，而且影响系统产品整体竞争力，因此PCB被誉为 “电子产品之母” 。 目前各式各样的电子产品如个人计算机、手机、数码相机、电子仪器、车辆卫星导航器、汽车驱动零件等电路，都使用着 PCB 产品，在我们日常生活中随处可见。 随着电子产品功能多样化、体积小型化及质量轻量化的设计趋势要求， PCB 上增加了更多的小型器件，使用了更多层板，器件的使用密度也随之增加，使得 PCB 的应用变得复杂。 PCB空板经过SMT（表面贴装技术）上件，或经过DIP（双列直插封装）插件的整个制程，简称 PCBA（Printed Circuit Board Assembly） 。 为什么要对PCBA进行应变测试？ 为适应国际对环保的日益重视，PCBA从有铅制程改为无铅制程，并应用了新的层压板材料，这些改变都会造成PCB电子产品焊点性能的改变。由于 元器件焊点对应变失效 非常敏感，因此通过应变测试了解PCB电子产品在 最恶劣条件下的应变特性 显得至关重要。 对于不同的焊料合金、封装类型、表面处理或层压板材料，过大的应变都会导致各种模式的失效。失效包括焊料球开裂、线路损伤、层压板相关的粘合失效（焊盘翘起）或内聚失效（承垫坑裂）和封装基板开裂（见图1-1）。经证实， 运用应变测量来控制印制板翘曲 对电子工业是有利的，而且其作为一种识别和改进生产操作的方法也被逐渐地认可。 图 1 ：焊点损坏实例（顶部图：承垫坑裂，左下图：焊点本体失效，右下图：焊接界面断裂） 出处：IPC_JEDEC-9704A 应变测试可以对 SMT 封装在 PCBA 组装、测试和操作中受到的应变和应变率水平进行客观分析，为印制板翘曲测量和风险等级评估提供了量化的方法。 应变测量的目标是描述所有涉及机械荷载的组装步骤的特性。 测试原理 利用金属导体的应变效应，通过贴附在PCBA上的 strain gage（应变花） 随着PCBA变形而机械变形时自身阻值的变化来量化PCBA的应变，从而通过这个量化的应变与极限应变比较来判断PCBA的变形对元器件或者元器件锡点破裂的风险，为 PCBA制程的改善措施 提供方向。 应变测试系统通过惠斯通电桥来检测出由于应变片阻值的变化而带来的电压的变化，然后通过应变测试软件中的程序，把电压的变化换算成应变。 应变花为含有 3个独立敏感栅 的应变片，它们相互堆叠于一个公共点，用来测量 一个公共点 处沿它们各自轴向的应变。 应变定义为（长度变化）/（原始长度），是一个无量纲的物理量，在PCBA应变测试中，由于应变数值极小，通常用微应变（με）描述，按照 10 6 *（长度变化）/（原始长度） 来定义微应变。 在PCBA应变测试中，PCBA所受的应变状态为 平面应变状态 ，应变测试分析系统可通过测量应变花的三个方向的实时应变值计算出PCBA制程过程中的主应变及应变率，来判断制程的产品应变是否超标。 超出应变极限的步骤被视为应变过大，并进行确认以便采取纠正措施。应变极限可以来自客户、元器件供应商或者企业/行业内部众所周知的惯例（来源于IPC_JEDEC-9704A）。 其中主应变为一个平面中最大和最小的正交应变，互相垂直且所在方向上的切应变为零。在 PCBA 应变测试中通常通过测量计算主应变作为临界度量判据；应变率则表示了单位时间内应变变化的快慢，用以衡量元器件的破坏风险。 图 2 Strain gage 应变花 出处： IPC_JEDEC-9704A 图 3 应变测试分析系统 测试过程 PCBA应变测量包括把应变片贴在印制板上指定的元器件附近，随后使装有应变片的印制板经受不同的测试、组装以及人工操作。 根据 行业标准IPC_JEDEC-9704A ，需要进行应变测量的典型制造步骤如下： 1 ） SMT 组装制程、 2 ）印制板测试过程、 3 ）机械组装、 4 ）运输及处理。 图4 印制板组装应变测量 出处：IPC_JEDEC-9704A 图5 系统组装应变测量 出处：IPC_JEDEC-9704A 经典案例分享 广电计量在 PCBA应变测试领域 具有丰富的经验，配有根据行业标准IPC_JEDEC-9704A制作的应变测试分析系统，可进行典型制造步骤的应变测量，以下为经典案例分享。 1) V-cut制程应变测试 在前期测试超标的情况下，与客户多次商讨以改善PCB拼板设计、V-cut设备改装及操作改善，最终测试合格。 改善前测试结果与改善后测试结果对比 ICT 制程应变测试 典型 ICT 制程的 PCBA 应变测试。 3) 组装制程应变测试

电子设计自动化技术的领导厂商 Mentor Graphics（明导国际）近日发布一份题为《PCB可靠性在汽车应用中至关重要》的研究报告。 1.报告作者介绍 本文作者Mentor市场开发部总监 John Isaac 市场开发部总监JohnIsaac先生在电子设计自动化行业拥有超过40年的从业经验，专攻 PCB 和 IC 技术。职业生涯之初，他就职于 IBM, 主要负责用于 IBM 高端IC和PCB内部设计的电子设计自动化系统的开发。之后 Isaac 先生加盟明导，在PCB和IC产品部门担任多个营销职位。目前他主要负责该公司系统设计部门的全球市场开发工作。 2.前言、背景 汽车电子其实并非与其它复杂电子产品完全不同：多个中央处理器、网络、实时数据收集，以及极为复杂的 PCB。汽车行业的设计压力与其它类型的电子产品相似：设计时间短，市场竞争激烈。那么汽车电子与例如一些高端娱乐产品电子之间有什么区别？天壤之别！如果PCB在娱乐产品中发生故障，人们的性命不受威胁；但要是在汽车中发生故障，人们的性命就岌岌可危了。因此，汽车电子部件的可靠性设计是设计过程中需要考虑的一个主要方面。 3.全文要点与大纲如下： a.时间和费用压力 与承受着设计时间和开发费用压力的所有产品一样，汽车部件也不例外。一项开发实践能给电子产品公司满足这些基本商业目标提供很大帮助，它是使用虚拟样机来对设计进行分析，并且无需费用和时间来建立多种物理样机，测试这些模型以及根据测试结果做出递增修改。另外，影响产品可靠性的许多因素需要经过数周、数月或者数年的物理破坏才能发现。因此这些情况下的物理样机不是可行的方式。即使在实验舱内，你也不可能精准无误地复制数年的物理振荡、热环境、震动和温度循环破坏。 b.仿真是关键 仿真，或者说虚拟样机，已经成为了设计过程中越来越重要的步骤。正如明导电子的 Expedition Enterprise 一样，一个复杂的 PCB 系统设计解决方案含有多种形式的虚拟样机功能。 图1 – 虚拟原型应当在整个设计过程中都加以使用，从而减少循环时间和费用，以及制造出一种可靠的产品。 c.热控制 影响可靠性的最关键的一点（这里是就性能而言）是热。集成电路 (IC) 过热会随时间出现问题，汽车环境也会变得非常无情。例如，过热发动机舱里的部件，或开车经过从密歇根州冬季直至亚利桑那州夏季这样的气候。从IC封装开始，贯穿PCB，直至运行环境下的完整产品，都应能控制热度。 图2 – 确定热捷径能引导设计人员做出改变，使散热发生很大变化。 在PCB设计和机械设计领域使用复杂热分析能带来更好的热管理和可靠性，且无需建立和测试多种物理样机。这节约了大量时间和费用。另外，有了与设计系统紧密整合的方便易用的软件，设计人员能快速利用多种“假设”场景进行实验，并获得性能更好的解决方案。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 d.高加速寿命测试 车辆出现可靠性问题的另一原因是PCB的持续振动及随后出现的组件引线和附件故障。一般可通过构建样机并将它们放置在加速室，使PCB发生振动和温度循环试验，以检测是否出现故障。随着设计的进展，这种方法需要构建多个样机，并且通常需要几周甚至几个月的时间才能完成在加速室对汽车零部件预期寿命的模拟。这是一项非常耗时且费用极高的过程，因此可靠性增强测试可能并不完整和全面。 目前有软件可以在虚拟样机模式下开展同样的测试。设计人员可利用这种软件对PCB进行界定并轻松开展损耗仿真实验。该软件可在几小时内完成复杂的分析，并指出可能出现的故障（图3）。 图3：明导的H.A.L.T. 软件可以在数小时内完成振荡、震动和温度循环故障分析，而在测试室内则需要几周甚至几个月的时间。 e.电源完整性分析保证高可靠性 在电子产品设计中，电源完整性是一项越来越复杂的问题。 图4：明导的HyperLynx 电源完整性分析可确定高电平电流密度空间和可能出现的长期印刷电路板故障 空间狭窄可导致严重的可靠性问题，而这一问题可能几年后才会显现。电流过高会使空间温度上升，从而导致PCB像保险丝一样烧坏或爆板。而目前可在软件中对这些配电网进行分析，并可确定虚拟样机和高电平电流密度空间。然后设计人员便能够对空间进行扩大或在相邻层创建平行电流路径，从而在维持IC充足电流供应的同时解决这一问题。 在测试室内通过使用物理样机对电流密度问题进行测试并不实际，因为它可能在几年后才能引发故障。而问题可能永远不会显现出来，导致随后出现这方面的故障。 4.研究报告总结 可靠性在汽车电子中非常重要，而如今鉴于来自产品上市时间和成本缩减的压力，采取在软件虚拟样机环境中相对于测试室内的物理样机进行分析的方法显得愈发必要。目前因软件的存在，从而使电子和机械设计人员可进行更多的模拟仿真方案。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载