检测技术在各行各业中具有所应用，比如CCD检测、电容器检测、红外检测等。为增进大家对检测技术的认识，本文将对静电检测的常见问题予以介绍。为什么介绍静电的检测呢?因为静电在生活中是十分常见的，且对电子设备...
概述 FPC，也被称为柔性印刷电路，因其重量轻，厚度薄，自由弯曲和折叠等优异特性而受到青睐。随着电子工业的飞速发展，电路板设计越来越向高精度、高密度方向发展。传统的人工检测方法已不能满足生产需要，FPC缺陷自动检测已成为工业发展的必然趋势。 FPC合成材料 在一些柔性电路中，使用由铝或不锈钢制成的刚性元件，可以提供尺寸稳定性，为元件和导线的放置提供物理支撑，并消除应力。粘合剂将刚性元件和柔性电路粘合在一起。此外，柔性电路中有时还会用到另一种材料，那就是粘接层，它是在绝缘膜的两面涂上粘合剂形成的。粘接层提供环保和电绝缘功能，并可消除一层薄膜，具有用少量层粘合多层的能力。 绝缘薄膜材料的种类很多，但最常用的是聚酰亚胺和聚酯材料。美国所有柔性电路制造商中近80%使用聚酰亚胺薄膜材料，约20%使用聚酯薄膜材料。聚酰亚胺材料不易燃，几何稳定，撕裂强度高，耐焊接温度。聚酯，又称聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，其物理性能与聚酰亚胺相似，介电常数较低，吸湿少，但不耐高温。聚酯的熔点为250°C，玻璃化转变温度(Tg)为80°C，这限制了它们在需要大量端焊的应用中的使用。在低温应用中，它们表现出刚性。然而，它们适用于手机和其他不需要暴露在恶劣环境中的产品。聚酰亚胺绝缘膜通常与聚酰亚胺或丙烯酸胶粘剂组合，聚酯绝缘材料一般与聚酯胶粘剂组合。 导体, 铜箔适合用在柔性电路中。它可以电沉积(ED)或电镀。电沉积铜箔的一面表面有光泽，而另一面的加工表面是暗淡的。它是一种柔韧的材料，可以制成许多厚度和宽度。ED铜箔的哑光面往往经过特殊处理，以提高其粘接能力。锻造铜箔除了具有柔韧性外，还具有刚性和光滑度的特点。适用于需要动态偏转的应用场合。 3 胶粘剂, 胶粘剂除了将绝缘膜粘接到导电材料上外，还可以作为覆盖层，作为保护涂层，作为覆盖涂层。两者的主要区别在于使用的应用方法。所述覆盖层与所述覆盖绝缘膜粘结形成具有层压结构的电路。网印技术用于胶粘剂的覆盖和涂布。并非所有的层压板结构都含有粘合剂，没有粘合剂的层压板形成更薄的电路和更大的灵活性。与基于胶粘剂的层压结构相比，具有更好的导热性。由于无粘合剂柔性电路的薄结构和消除了粘合剂的热阻，从而提高了导热性。它可以用于基于粘接层压结构的柔性电路不能使用的工作环境。 2 FPC的优缺点 柔性印刷电路板是采用柔性绝缘基板制成的印刷电路，具有刚性印刷电路板所不具备的许多优点: FPC焊接操作步骤 1. 焊接前应先在焊盘上涂上助焊剂，并用烙铁进行处理，以免焊盘镀锡不良或氧化而导致焊接不良。芯片一般不需要加工。 2. 使用镊子小心地将PQFP芯片放置在PCB板上，以免损坏引脚。将其与pad对齐，并确保芯片放置在正确的方向。将烙铁的温度调到300摄氏度以上，在烙铁的尖端沾上少量焊锡，用工具将对齐好的芯片压下，在两个对角引脚上加入少量焊锡。按住芯片，焊接两个对角线位置上的引脚，使芯片固定不动。焊接对角后，重新检查芯片位置的对齐。如有必要，调整或移除并重新调整PCB板上的位置。 3.当开始焊接所有引脚时，在烙铁的尖端添加焊料，并在所有引脚上涂上助焊剂，以保持引脚湿润。用烙铁的尖端触摸芯片的每个引脚的末端，直到你看到焊料流入引脚。焊接时，应使烙铁的尖端与焊接引脚平行，防止因焊接过多而重叠。 4. 焊接所有引脚后，用助焊剂湿润所有引脚以清洁焊料。吸掉多余的焊料，以消除任何短路和重叠。最后用镊子检查是否有误焊现象。检查完成后，将焊料从电路板上取下，用酒精浸泡硬毛刷，沿引脚方向仔细擦拭，直至焊料消失。 FPC仿真 FPC上传输的信号速率越来越高，尤其是在一些光模块或者高速消费类产品上，比如手机、笔记本电脑等。对于特别高速的产品，在使用FPC的时候，为了减少一些网格铜对信号的影响，通常在信号线下采用实铜作为参考。不管使用什么样的设计，FPC的仿真就显得非常重要。下面是在ADS中进行模块的FPC仿真：
电磁干扰的三要素是干扰源、干扰传输途径、干扰接收器。 1、电源与地线的阻抗随频率增加而增加，公共阻抗耦合的发生比较频繁； 3、信号回路尺寸与时钟频率及其谐波的波长相比拟，辐射更加显著。 的辐射 上有许多信号环路，由中有差模电流环也有共模电流环，计算其辐射强 度时，可等效为环天线。 虽然很多场景下，我们电路板都是用金属外壳屏蔽起来，但是接口处有泄漏，有些场景没有金属外壳，甚至有些场景是没有外壳的。 我们仍然需要考虑PCB板本身产生的对外辐射通过空间耦合影响到其他电路（EMI）。或者自身来自其他的设备的干扰造成工作异常，例如机电设备中，机器人主板受到电机、继电器、舵机等设备的干扰。情况。线缆的辐射 高频信号（如HDMI的视频信号、USB的数据信号等）具有较高的频率成分，容易通过线缆产生辐射。高频信号的上升沿和下降沿非常陡峭，会产生丰富的谐波成分，这些谐波成分容易耦合到线缆中并辐射出去。 线缆本身可以作为天线，将高频信号的能量辐射到外部环境中。尤其是长线缆或未屏蔽的线缆，辐射问题更为严重。 如果信号的回路面积较大（例如，信号线与地线之间的环路较大），则线缆更容易成为辐射源。根据法拉第电磁感应定律，环路面积越大，辐射强度越高。 如果PCB或线缆的接地不良，高频信号的回流路径阻抗增加，导致更多的能量通过线缆辐射出去。 如果线缆没有屏蔽层或屏蔽层设计不合理，高频信号会更容易通过线缆辐射到外部。 1. HDMI辐射问题 ：HDMI线缆传输的是高速视频信号（如4K、8K视频信号），频率可以达到数百MHz甚至GHz。这些高频信号容易通过HDMI线缆辐射，导致EMC问题。 ：HDMI线缆可能会影响附近的无线设备（如Wi-Fi、蓝牙设备），甚至导致产品无法通过EMC测试。 ： 在PCB上增加滤波电容或滤波器，抑制高频信号的辐射。 使用仿真工具（如ANSYS或CST）模拟HDMI线缆的辐射情况，提前发现问题。 原因 表现 解决措施 使用带屏蔽层的USB线缆。 优化USB信号的回路设计，减少信号回路面积。 解决措施 信号回路面积 地平面设计 去耦电容 2. 使用屏蔽线缆 ：选择带有屏蔽层的线缆（如屏蔽双绞线或同轴电缆），减少信号的辐射。 ：确保屏蔽层在两端正确接地，避免形成悬浮的屏蔽层。 低通滤波器 铁氧体磁环 4. 合理设计线缆布局 ：尽量缩短线缆长度，减少信号在传输过程中的辐射。 ：将不同类型的线缆分开排列，避免高频线缆与敏感线缆平行靠近。 总体概念及考虑 2、不同电源平面不能重叠。 模型： 由于地平面电流可能由多个源产生，感应噪声可能高过模电的灵敏度或数电的抗扰度。 ①模拟与数字电路应有各自的回路，最后单点接地； ③缩短印制线长度； 4、减小环路面积及两环路的交链面积。 布局 1、 晶振尽可能靠近处理器 3、 高频放在 PCB 板的边缘，并逐层排列 布线 2、为模拟电路提供一条零伏回线，信号线与回程线小于5：1。 4、手工时钟布线，远离 I/O 电路，可考虑加专用信号回程线。 6、为使串扰减至最小，采用双面＃字型布线。 8、强弱信号线分开。 1 常用的屏蔽材料均为高导电性能材料，如铜板、铜箔、铝板、铝箔。钢板或金属镀 层、导电涂层等。 2 静电屏蔽主要用于防止静电场和恒定磁场的影响。应注意两个基本要点，即完善的 屏蔽体和良好的接地性。 3 电磁屏蔽主要用于防止交变磁场或交变电磁场的影响，要求屏蔽体具有良好的导电 连续性，屏蔽体必须与电路接在共同的地参考平面上，要求 PCB 中屏蔽地与被屏蔽电路地要 尽量的接近。 4 对某些敏感电路，有强烈辐射源的电路可以设计一个在 PCB 上焊接的屏蔽腔，PCB 在 设计时要加上“过孔屏蔽墙”，就是在 PCB 上与屏蔽腔壁紧贴的部位加上接地的过孔。要求 如下： b) 两排过孔相互错开； d) 接地的 PCB 铜箔与屏蔽腔壁压接的部位禁止有阻焊。 5 屏蔽模型： 6、工作频率低于 1MHz 时，噪声一般由电场或磁场引起，(磁场引起时干扰，一般在几百赫兹以内)，1MHz 以上，考虑电磁干扰。单板上的屏蔽实体包括变压器、传感器、放大器、DC/DC 模块等。更大的涉及单板间、子 7、静电屏蔽不要求屏蔽体是封闭的，只要求高电导率材料和接地两点。电 要求高磁导率的材料做封闭的屏蔽体，为了让涡流产生的磁通和干扰产 者可以统一，即用高电导率材料(如铜)封闭并接地。 磁导率的材料(如镀锌铁)。 10、防止电磁泄露的经验公式：缝隙尺寸 < λmin/20。好的电缆屏蔽层覆视率应为 70％以上。 PCB边缘屏蔽及高速差分线EMI分析及设计规则 接地 10MHz。另一种分法是：< 0.05λ单点接地；< 0.05λ多点接地。 4、对电缆屏蔽层，L < 0.15λ时，一般均在输出端单点接地。L<0.15λ时， 一端屏蔽层接地，一端通过电容接地。 最好的接地线是扁平铜编织带。当地线长度是λ/4 波长的奇数倍时， 6、单板内数字地、模拟地有多个，只允许提供一个共地点。 1、选择 EMI 信号滤波器滤除导线上工作不需要的高频干扰成份，解决高频电磁辐射与接收干扰。它要保证良好接地。分线路板安装滤波器、贯通 π型。π型滤波器通带到阻带的过渡性能最好，最能保证工作信号质量。 2、选择交直流电源滤波器抑制内外电源线上的传导和辐射干扰，既防止 EMI 摸)干扰在频率 < 1MHz 时占主导地位。CM 在 > 1MHz 时，占主导地位。 寄生振荡的抑制。 电容的选取是非常讲究的问题，也是单板 EMC 控制的手段。 单板的干扰抑制涉及的面很广，从传输线的阻抗匹配到元器件的 EMC 控制，从生产工艺到扎线方法，从编码技术到软件抗干扰等。一个机器的孕育及诞生实际上是 EMC 工程。最主要需要工程师们设计中注入 EMC 意识。
设备与外界存在EMC，这是我们平时在认证阶段重点考虑的EMC的问题，即：设备之间要和平相处。 本文重点讲解板内的EMC问题。 一、器件的布局 在器件布置方面,原则上应将相互有关的器件尽量靠近,将数字电路、模拟电路及电源电路分别放置,将高频电路与低频电路分开。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路。对时钟电路和高频电路等主要干扰和辐射源应单独安排,远离敏感电路。输入输出芯片要位于接近混合电路封装的I/O出口处。 高频元器件尽可能缩短连线,以减少分布参数和相互间的电磁干扰,易受干扰元器件不能相互离得太近,输入输出尽量远离。震荡器尽可能靠近使用时钟芯片的位置,并远离信号接口和低电平信号芯片。元器件要与基片的一边平行或垂直,尽可能使元器件平行排列,这样不仅会减小元器件之间的分布参数,也符合混合电路的制造工艺,易于生产。 在选用多层混合电路时,电路板的层间安排随着具体电路改变,但一般具有以下特征。 (1)电源和地层分配在内层,可视为屏蔽层,可以很好地抑制电路板上固有的共模RF干扰,减小高频电源的分布阻抗。 (2)板内电源平面和地平面尽量相互邻近,一般地平面在电源平面之上,这样可以利用层间电容作为电源的平滑电容,同时接地平面对电源平面分布的辐射电流起到屏蔽作用。 (3)布线层应尽量安排与电源或地平面相邻以产生通量对消作用。 在电路设计中,往往只注重提高布线密度,或追求布局均匀,忽视了线路布局对预防干扰的影响,使大量的信号辐射到空间形成干扰,可能会导致更多的电磁兼容问题。因此,良好的布线是决定设计成功的关键。 1、地线的布局 地线不仅是电路工作的电位参考点,还可以作为信号的低阻抗回路。地线上较常见的干扰就是地环路电流导致的地环路干扰。解决好这一类干扰问题,就等于解决了大部分的电磁兼容问题。地线上的噪音主要对数字电路的地电平造成影响,而数字电路输出低电平时,对地线的噪声更为敏感。地线上的干扰不仅可能引起电路的误动作,还会造成传导和辐射发射。因此,减小这些干扰的重点就在于尽可能地减小地线的阻抗(对于数字电路,减小地线电感尤为重要)。 地线的布局要注意以下几点: (1)根据不同的电源电压,数字电路和模拟电路分别设置地线。 (2)公共地线尽可能加粗。在采用多层厚膜工艺时,可专门设置地线面,这样有助于减小环路面积,同时也降低了接收天线的效率。并且可作为信号线的屏蔽体。 (3)应避免梳状地线,这种结构使信号回流环路很大,会增加辐射和敏感度,并且芯片之间的公共阻抗也可能造成电路的误操作。 (4)板上装有多个芯片时,地线上会出现较大的电位差,应把地线设计成封闭环路,提高电路的噪声容限。 (5)同时具有模拟和数字功能的电路板,模拟地和数字地通常是分离的,只在电源处连接。 2、电源线的布局 电源是个矛盾体，自身有强辐射源，也有敏感信号。处理不好，能自己干扰自己。就像一个人，可以自己打呼噜把自己吵醒。 (1)电源线尽可能靠近地线以减小供电环路面积,差模辐射小,有助于减小电路交扰。不同电源的供电环路不要相互重叠。 (3)电源平面与地平面可采用完全介质隔离,频率和速度很高时,应选用低介电常数的介质浆料。电源平面应靠近接地平面,并安排在接地平面之下,对电源平面分布的辐射电流起到屏蔽作用。 (5)选用贴片式芯片时,尽量选用电源引脚与地引脚靠得较近的芯片,可以进一步减小去耦电容的供电回路面积,有利于实现电磁兼容。 3、信号线的布局 如果要把EMI减到最小,就让信号线尽量靠近与它构成的回流信号线,使回路面积尽可能小,以免发生辐射干扰。低电平信号通道不能靠近高电平信号通道和无滤波的电源线,对噪声敏感的布线不要与大电流、高速开关线平行。如果可能,把所有关键走线都布置成带状线。不相容的信号线(数字与模拟、高速与低速、大电流与小电流、高电压与低电压等)应相互远离,不要平行走线。信号间的串扰对相邻平行走线的长度和走线间距极其敏感,所以尽量使高速信号线与其它平行信号线间距拉大且平行长度缩小。 在多层厚膜工艺中,除了遵守单层布线的规则外还应注意: (1)不要采用菊花链结构传送时钟信号,而应采用星型结构,即所有的时钟负载直接与时钟功率驱动器相互连接。 (3)晶振电容地线应使用尽宽而短的导带连接至器件上;离晶振最近的数字地引脚,应尽量减少过孔。
网上流传的某为规范： 定义： 这种孔内壁上没有沉铜，在使用中没有任何电气连接。主要用于电子元件组装时的定位，也可用于拼版时接缝的连接。 用于拼版接缝处的非金属化孔 金属化孔又分为焊盘（PAD），过孔用于两层线路之间的电气连接，焊盘则用于安装插装电子元件。过孔和焊盘虽然用途不同，其孔的成型却是相同的。过孔可以在表面覆盖阻焊达到绝缘的作用，也可以不使用阻焊后期在波峰焊时浸入焊锡增加过流能力，而焊盘则只能阻焊开窗。 金属化孔与非金属化孔的最大的区别在于过孔的内壁是否有铜。 这种PCB安装孔设计通常被称为 或 。 抑制电磁干扰（EMI） 静电防护（ESD） 稳定接地参考 该设计在金属外壳设备、高频电路、抗干扰要求高的场景中尤为关键。 金属化孔 vs 非金属化孔的优缺点 1. 金属化孔（Plated Through Hole, PTH） 优点： 机械强度高 ：孔壁镀铜后与 PCB 结合更紧密，螺丝固定时不易损坏 PCB 边缘。 电气连接能力 ：通过金属化孔与接地层（GND）连接，可实现屏蔽、散热或与机箱接地互联。 散热性能 ：铜层导热性更好，适合需要散热的安装场景。 缺点： 成本较高 ：金属化孔需要额外的电镀工艺，增加制造成本（这个成本可以忽略不计） 潜在短路风险 ：如果安装孔附近有其他信号层或电源层，金属化可能引入意外短路（需通过设计规则检查避免）。 高频干扰风险 ：未良好接地的金属化孔可能成为天线，辐射或接收电磁噪声。 2. 非金属化孔（Non-Plated Through Hole, NPTH） 优点： 成本低 ：无需电镀工艺，适合低成本设计。（）这个成本可以忽略不计。 无电气风险 ：无金属化层，避免意外短路或接地环路问题。 加工简单 ：钻孔后无需额外处理，尤其适合快速打样。 缺点： 机械强度低 ：螺丝拧紧时易导致孔边缘分层或破损。 无法接地或散热 ：非金属化孔无法与 PCB 接地层连接，失去 EMI 屏蔽和导热功能。 重点讨论在金属化的孔的场景下：1、电路板的GND不连接安装孔，则安装孔仅仅与外壳连接，GND不在安装孔位置与金属外壳连接。2、电路板的GND连接安装孔，则安装孔仅仅与外壳连接，GND会通过安装孔与金属外壳连接。 在这种情况下，还需要分析两种情况，一是金属外壳是否良好接地： 情况一、金属外壳良好接地。 情况二、金属外壳是悬空的（例如金属壳移动机器人）使用机箱接地时，你可以通过在连接到机箱的接地部分放置一个空隙来避免接地回路，如下所示。电容的使用提供了一个交流接地点。对于需要使用墙壁电源并需要直接返回地面的电气设备来说，这是一种理想的情况。 消除接地回路天线 始终提供一个共同的接地点（要并联单点接地，不要串联地线） 无论是单层 PCB 还是多层 PCB ，都需要一个点来将所有接地点连接在一起。这可能是机箱上的金属框架或 PCB 上的专用接地层，你通常会听到将这个公共接地点称为星形接地。 始终提供一个共同的接地点 基于以上要求，其实我们的PCB应该避免出现串联单点接地。 如果我们本板通过电源和地线接到供电侧，则GND应该通过电源输入的地点单点接地。如果我们供电地线短接GND的同时，还通过安装孔和外壳接地，其实本质就是多点接地。并且我们一般场景下都是多个安装孔。 单点接地策略是将所有接地点汇聚于一个共同的参考点。这种方法在低频电路中尤为有效，因为低频下导线的长度和寄生效应的影响较小。对于频率低于1MHz的电路，单点接地是理想的选择，因为它简化了布线并减少了接地回路的复杂性。多点接地：多点接地会有什么问题？
本文介绍了在芯片封装领域检测芯片可靠性的常见六项测试。 可靠性，作为衡量芯片封装组件在特定使用环境下及一定时间内损坏概率的指标，直接反映了组件的质量状况。 1、可靠性测试概述 可靠性测试的意义 可靠性测试旨在评估产品在特定状态下的寿命影响，确认产品质量是否稳定，并据此进行必要的修正。与功能测试不同，可靠性测试更注重预测产品在长期使用中的表现，从而帮助客户以最快、最经济的方式评估芯片的状况。 可靠性测试的条件与项目 可靠性测试的条件通常与电压、湿度和温度等环境参数有关。不同的可靠性测试项目针对的是不同功能的元器件需求。 常用的可靠性测试项目归类及阐述如下： 温度循环测试：评估芯片封装组件在温度变化下的适应性和稳定性。 湿度测试：检测组件在潮湿环境下的耐腐蚀性和绝缘性能。 电压应力测试：验证组件在电压波动或过载情况下的稳定性和可靠性。 机械强度测试：评估组件在受力情况下的耐久性和抗损坏能力。 其他专项测试：如热冲击测试、盐雾测试等，针对特定应用场景下的可靠性需求。 进行可靠性测试时，封装厂通常会参照以下国际组织的标准和规范：国际电工委员会（IEC）、美国军规（Mil-std）、国际电子工业联接协会（IPC）、半导体工业标准组织（JEDEC）、日本工业标准协会（JIS） 2、芯片封装成品六项可靠性测试 在芯片封装领域，封装厂为确保产品质量，通常会执行一系列可靠性测试。以下是六项常见的可靠性测试项目，每项测试都有其特定的内容与目的： 1. 温度循环测试（Temperature Cycling Test, TCT） 测试内容与目的：通过将封装体暴露在高低温气体转换的环境中，评估封装体抵抗温度差异化的能力。该测试旨在检验芯片产品中不同热膨胀系数的金属间接口的接触良率。 测试条件：常见的测试条件为-65℃至150℃之间往复循环1000次，但具体条件可能因封装厂而异。 失效机制：电路的短路和断路、材料的破坏及结构机械变形。 2. 热冲击测试（Thermal Shock Test, TST） 测试内容与目的：与温度循环测试类似，但通过将封装体暴露于高低温液体的转换环境中来测试其抗热冲击的能力。该测试同样旨在评估金属间接口的接触良率。 测试条件：常见的测试条件与温度循环测试相似，但使用的是液体介质。 失效机制：与温度循环测试相似，包括电路的短路和断路、材料的破坏及结构机械变形。 区别：TCT偏重于芯片封装的测试，而TST偏重于晶圆的测试。 3. 高温储藏试验（High Temperature Storage Test, HTST） 测试内容与目的：通过将封装体长时间暴露于高温环境中，测试其在长期高温状况下的性能稳定性。该测试旨在评估封装体中物质活性增强、物质迁移扩散对电路性能的影响。 测试条件：通常将封装体置于150℃的高温氮气炉中，持续500小时或1000小时。 失效机制：电路的短路和断路、材料的破坏及结构机械变形。 4. 蒸汽锅试（Pressure Cooker Test, PCT） 测试内容与目的：主要测试封装产品抵抗环境湿度的能力，并通过增加压强来缩短测试时间。该测试旨在评估芯片产品在高温、高湿、高压条件下的湿度抵抗能力。 测试条件：通常将封装体置于130℃、85%相对湿度的环境中，并施加2个标准大气压的压力。 失效机制：化学金属腐蚀、封装塑封异常。 5. 加速应力测试（High Accelerated Temperature and Humidity Stress Test, HAST） 测试内容与目的：在高温高湿以及偏压的环境下测试封装体的抗湿度能力。该测试旨在加速芯片产品的失能过程，以评估其在极端条件下的性能稳定性。 测试条件：通常将封装体置于130℃、85%相对湿度的环境中，并施加1.1伏特的偏压和2.3个标准大气压的压力。 失效机制：线路腐蚀、封装塑封异常。 6. Precon测试（Precondition Test） 测试内容与目的：模拟芯片封装完成后运输到下游组装厂装配成最终产品的过程中可能经历的环境变化。该测试旨在了解电子元器件的吸湿状况，并评估其在后续加工过程中的性能稳定性。 测试条件：测试前确认封装电器成品性能无问题，然后进行温度循环测试（如TCT）、吸湿测试和后段焊锡加工过程的模拟。 失效机制：爆米花效应、分层失效等问题，这些问题通常是由于封装体在吸湿后遭遇高温导致内部水分急速膨胀所致。 为突破传统载板生产工艺的瓶颈，引入了类载板制造方法，为硬质载板的生产带来了升级机会，并拓宽了封装厂新材料供应商的选择范围。通过以上措施，可以确保电子产品在长期使用中的稳定性和性能，提高客户满意度，并推动芯片封装行业的持续发展。 AEC-Q006 标准解读及可靠性要求研究 吴钰凤 沈殷 吴仕煌 郑宇 王斌 王之哲 （工业和信息化部电子第五研究所） 摘要： 探讨了铜线键合器件在汽车电子认证中的可靠性要求。铜线键合器件在电子封装域已得到一定的推广及应用，然而，相比金线键合，由于铜线特殊的材料属性和键合工艺，其可靠应用面临一定的挑战。为了确保汽车电子系统的高可靠性和稳定性，汽车电子委员会制定了一系列标准和认证要求，其中针对铜线键合器件于2016年发布了AEC-Q006标准。对AEC-Q006标准进行了解读，重点探讨了铜线器件在汽车电子认证中的可靠性要求，并对可靠性试验中的主要失效机制进行分析，以帮助厂商和工程师在设计、制造和检测认证铜线键合器件的过程中能够确保器件满足标准的要求。 0引言 随着汽车电子技术的快速发展和智能化水平的提高，车载电子系统在现代汽车中起着愈发重要的作用。这些电子系统涵盖了从发动机控制、驾驶辅助到娱乐和安全等多个方面。在这些系统中，集成电路器件起着关键的作用，而键合技术作为集成电路封装过程中的重要环节，直接影响着器件的可靠性和性能。在不同的应用领域中，金线和铜线键合器件都扮演着重要角色。 1铜线键合的优势及面临的挑战和问题 铜线键合器件作为一种新兴的键合方式，具备许多优势。首先，铜线具有优异的导电性能，其低电阻率能够提供更好的电流传输能力，这在高功率电子器件和汽车电子中尤为重要。其次，铜线的热导率较高，有助于散热，降低器件的工作温度，提高整体可靠性。再者，相对于金线，铜线具有成本更低的优势，有助于降低生产成本并推动市场普及。 尽管铜线键合器件具备许多优势，但仍然面临一些挑战和问题。首先，市场普及是一个关键问题，相较于传统的金线键合器件，铜线键合器件在市场上的应用相对较新，因此受到一些行业习惯和标准的限制。为了广泛推广和应用铜线键合器件，需要推动行业的变革和认可，并逐步建立相应的标准和规范。其次，汽车电子应用是铜线键合器件面临的另一个重要挑战。汽车电子领域对电子器件的可靠性和稳定性要求极高，需在恶劣的环境条件下工作，如高温、高湿、振动和冲击等。以塑封铜线键合器件为例，需要满足汽车行业的特殊要求，如耐高温和耐湿热，以确保其在汽车电子系统中的可靠性和使用寿命。最后，对铜线键合器件进行可靠性评估也是当前面临的挑战之一。为了验证和保证铜线键合器件在各种应力环境下的可靠性，需要开展一系列的可靠性评估和测试，包括温度循环、湿热应力等测试，并结合物理（破坏性/非破坏性）分析进行评估。此外，还需要建立相应的可靠性模型和方法，以提前预测和评估器件在实际应用中的寿命和失效机制。 针对车规元器件采用铜线键合工艺，汽车电子委员会（AEC：AutomotiveElectronicsCouncil）于2016年发布了AEC-Q006-Rev-A标准，制定车规元器件使用铜线互连部件的合格要求，以验证铜线键合的质量水平和可靠性。本文将重点解读AEC-Q006标准与AEC-Q100、AEC-Q101标准相比，针对铜线键合器件规定的可靠性评价要求。 2AEC-Q006标准解读 AEC-Q006是由AEC制定的一项针对汽车电子器件可靠性的标准，旨在明确规定铜线键合器件的可靠性最低资格要求。该标准涵盖了铜线器件在温度循环、湿热应力和高温存储等条件下的可靠性测试要求。与应用于金线键合器件的AEC-Q100和AEC-Q101标准相比，AEC-Q006对铜线器件的可靠性试验要求更为严苛，具体如表1所示。 标准中明确规定了可靠性测试的条件、持续时间和相关的物理分析。通过指定的压力测试，该标准旨在确保铜线键合器件能够在应用中提供一定水平的质量和可靠性。为了满足标准的要求，铜线键合器件的设计和制造过程需要遵循严格的可靠性设计原则。以集成电路器件认证为例，AEC-Q006中对TC、HAST/THB、PTC和HTSL试验提出了额外要求，TC、HAST/THB、PTC、HTSL试验需做两倍应力（2X），即应力累积时间为金线键合器件的两倍；同时，也提出需增加进行CSAM、键合剪切/拉力和剖面检查等物理分析试验，以完善整体的可靠性评估流程方案。 2.1温度循环试验和加电温度循环试验 TC旨在评估器件在温度变化环境下的耐久性和稳定性；PTC旨在评估器件在通电/断电和温度变化环境下的耐久性和稳定性。在AEC-Q006标准中，规定了这两项试验均需进行2次应力叠加，以考核铜线互连的可靠性。在AEC-Q100和AEC-Q101标准中，这两项试验均只要求进行1次应力试验，与之相比，AEC-Q006标准对于铜线键合产品在TC和PTC上要求更为严苛。 从失效机理角度分析，在TC和PTC中，铜线（1.7×10-5℃）与硅芯片（3.0×10-6℃）之间的热膨胀系数（CTE：CoefficientofThermalExpansion）不匹配，导致它们在温度变化过程中出现不同的热膨胀和收缩率。在热循环（150℃）期间，发生不同的热膨胀率，在冷循环（-55℃）期间则产生不同的收缩率。这种CTE不匹配引起了界面处的差异膨胀和应力集中现象。微裂纹可能在键合球与铝焊盘之间的IMC处形成。 图2a为由于铜球键合与铝焊盘的CTE不匹配而导致的键合微裂纹[1]。这些微裂纹在温度循环过程中逐渐扩展，最终导致键合点的失效。 另外，环氧模塑料（模塑料）与铜线之间的CTE不匹配也可能导致在温度循环期间出现铜键合线颈部和楔形键合处的裂纹。由于电子封装中广泛使用了许多具有不同CTE和玻璃化温度（Tg）的模塑料，这些材料与铜线之间存在不同的相互作用，导致线颈部出现不同程度的裂纹。图2b为模塑料与铜线之间的CTE不匹配而导致的颈部微裂纹[2]。 故在TC和PTC这两项试验中，对铜线键合期间提出更加严苛的可靠性评价要求是有必要的。 2.2强加速稳态湿热试验 HAST旨在模拟器件在高温高湿的环境中工作，以评估其在湿热条件下的耐久性和抗氧化腐蚀性。在AEC-Q006标准中，规定了HAST需进行2次应力叠加，以考核铜线互连的可靠性。在AEC-Q100和AEC-Q101标准中，该项试验只要求进行1次应力试验，与之相比，AEC-Q006标准对于铜线键合产品在HAST上要求更为严苛。 HAST对铜线器件可能特别重要，因为铜线在湿热环境下更容易受到封装材料中卤族元素扩散引起的氧化腐蚀，导致失效。从材料角度来看，首先对于环氧模塑料（EMC：EpoxyMoldingCom-pound）而言：大多数模塑料的玻璃化转变温度（Tg）介于120~140℃之间，且玻璃化转变通常在一定的温度范围内发生，有时起始温度甚至低至100℃。吸湿会进一步使Tg降低10~15℃。并且，在HAST期间，大多数模塑料会进入甚至超过其玻璃化转变区域。在严酷的HAST条件下，即高温和潮湿共同作用下，封装材料可能会发生不可逆的降解。虽然在85℃时材料的行为相对稳定，但在较高温度下（例如：110℃和130℃），材料会因水解而开始降解，导致有机阴离子（如乙酸根和甲酸根）的含量逐渐升高，同时也导致材料内部pH值的降低。此外，添加剂如缓蚀剂（CI）和阻燃剂（FR）会导致模塑料内部卤素离子浓度的增加。模塑料的体积电阻率（VR）可用作衡量离子迁移率的指标。在HAST条件下，实际吸湿量比THB的85℃/85%RH条件下高约75%。当材料处于玻璃化转变区域时，其VR值会显著下降，因此HAST条件下的较高湿度和温度会降低VR值，树脂基质内的自由体积增加，从而使离子在系统中更容易移动，这为Cu-Al界面发生腐蚀创造了条件[3]。 2.2.1有偏强加速稳态湿热试验氧化腐蚀过程 在HAST的恶劣条件下，会出现由氯引起的微电偶腐蚀，并且会发生选择性的Cu-Al金属间化合物（IMC：IntermetallicCompound）腐蚀，即Cu3Al2和Cu9Al4相持续发生腐蚀，而富铝的CuAl2相保持免疫。 首先，由于Cu-Al界面存在较高的表面张力（表面能），Al在Cu9Al4中的化学势达到较大的负值，有利于在氧化铝的钝化过程中形成阳离子空位。这说明Al在Al2O3中的迁移速度最快，从而导致Cu9Al4相中腐蚀最为迅速，使金属间化合物中的Cu9Al4相首先发生氧化。这些富含Cu的层面的侵蚀会导致键合边界的断裂。在湿气和正偏置销的加速作用下，键合材料中的Cu9Al4腐蚀速度比其他周围材料更快。其次，当湿气与来自模塑料的氯离子共同迁移时，在高温下，Cu9Al4的微观结构发生变化，缝隙腐蚀促进微裂纹的扩展。Cu9Al4的IMC与氯离子的反应性比CuAl2更高，并且当氯离子与Cu9Al4反应时，IMC位于晶格缺陷处。因此，在Cu/Cu9Al4界面容易观察到缝隙腐蚀。富含铝的IMC内部或之上的氧化铝钝化层会阻碍卤素离子的进入，从而为进一步的侵蚀行为创造了离子扩散路径。这导致了腐蚀区域的形成，该区域由两相微观结构、Al2O3晶体，以及嵌入的结晶Au和Cu金属颗粒构成。由此产生的氧化界面非常脆弱，容易断裂。最终，受损的Cu-AlIMC会完全破裂，这是Cu-Al系统在湿度应力测试过程中不可避免的结果。这种Cu-Al界面的缝隙腐蚀/点蚀机制如图3所示[4-5]。 与金线键合相比，铜线键合存在以下特点：根据界面金属颗粒的空间分布，铜颗粒分布更均匀，导致Cu-AlIMC比Au-AlIMC更容易受到湿气的侵袭。卤化物的存在也可能加速这种效应[6]。Au-Al的IMC厚度比Cu-Al高3~5倍，Au球下方有良好的Au覆盖层和金属间化合物的形成，这增强了Au和Al之间的结合。IMC覆盖层比Cu-Al更坚固，这增强了界面的稳定性。由于氯离子不易渗透并建立电化学反应导致IMC腐蚀，因此Au-Al的腐蚀速率远低于Cu-Al[7]。 2.2.2施加偏置的影响 偏置电压会加速故障率，发生离子迁移，导致处于正偏置的引脚在HAST期间会吸引卤素离子。偏置和接地键合点之间的电场会驱动氯离子优先从一个方向向IMC区域迁移。在未施加偏置下，IMC降解更加轴对称，因为氯离子的移动来自各个侧面，如图4所示。 深入了解HAST中的失效机制对于改善铜线键合器件的可靠性非常重要。通过采取合适的设计和制造措施，通过优化模塑料材料配比、减少键合制程中卤素离子的引入，可以降低微电偶腐蚀、缝隙腐蚀和断裂的风险，提高铜线键合器件在湿热环境下的性能和可靠性。这对于在汽车电子应用中确保器件的长期稳定运行至关重要。 2.3高温贮存寿命试验 HTSL用于评估器件在高温条件下的长期储存稳定性。与TC不同，HTSL试验处于高温等温状态。在AEC-Q006标准中，规定了该项试验需进行2次应力叠加，以考核铜线互连的可靠性。在AEC-Q100和AEC-Q101标准中，该项只要求进行1次应力试验，与之相比，AEC-Q006标准对于铜线键合产品在HTSL试验上要求更为严苛。 在该试验中，由于Cu-AlIMC的密度不同，存在应力集中点。在高温条件下，由于CTE的差异，键合球边缘的应力集中，这导致裂纹从键合球边缘开始形成。随着高温时间的推移，这些裂纹会扩展并与IMC的生长和演化过程相互关联。其次，在键合形成过程中，球键会发生严重变形，键合界面在其周边出现最大变形量，这是微裂纹从球周边开始的主要原因之一。变形微观结构特征，例如细胞、位错和滑移带在接合界面附近形成，特别是在键合球外围。此外，键合后这些严重变形区域储存了大量能量。不均匀的球变形以及键合球和键合垫材料的不同导致存在不均匀的残余应力分布，伴随着IMC的生长和演化，会发生应力的积累和释放，裂纹在整个键合区域的连续IMC间隙中逐渐演变，并最终贯穿整个键合区域，导致开路失效。如图5所示。 而铜线与金线键合器件在IMC生长速率和界面的最终失效模式存在一些差异：Au-AlIMC的生长速率比Cu-AlIMC高10倍以上，导致铜线键合在高温下的键合失效原因为裂纹扩展，而金线为柯肯德尔空洞的聚集。 这种失效机制表明，在高温储存条件下，铜线键合器件中的IMC生长和演化过程是导致键合失效的主要因素。相较于AEC-Q100、AEC-Q101标准中金丝键合器件在高温存储试验中要求的一次应力考核要求，AEC-Q006标准要求两倍应力叠加的考核要求，对铜线键合器件可靠性进行进一步验证考核。 2.4物理分析试验 除了可靠性测试要求外，AEC-Q006标准还强调了进行物理分析的重要性。铜线键合器件的可靠性测试中还包含试验前后的物理分析试验，这些物理试验为功能失效前兆的物理退化分析，包括非破坏性试验CSAM、破坏性试验（例如：键合球剪切、键合球和第二键合点拉力试验，以及切片观察分析），图6中给出了部分破坏性和非破坏性方法的示例。利用这些分析结果可以评估器件在测试过程中出现的失效模式和机制，有助于了解器件的可靠性特性，指导设计和制造过程中的改进，并提高铜线器件在汽车电子应用中的可靠性水平。 3结束语 综上所述，AEC-Q006标准为铜线键合器件在汽车电子认证中的可靠性要求提供了指导。本文解读了标准中关于铜线键合器件的要求，并对铜线与金线键合器件进行优劣对比，分析了铜线器件在TC、HAST和HTSL中的失效机制，以期为相关领域的研究和应用提供指导和参考。随着技术的不断进步和标准的不断完善，铜线键合器件有望在更多应用领域得到广泛应用，并提升其可靠性和性能。铜线键合器件在电子领域具备许多优势和潜力，但也面临市场普及、汽车电子应用和可靠性评估等挑战。通过深入研究和解决这些问题，铜线键合器件有望在不久的将来得到更广泛的应用和推广，从而提高汽车电子行业的可靠性水平。
一、不要急于使用自动布线 自动布线是 PCB设计软件的一项功能，可以让布线过程更容易，会遵循所有必要的规则在PCB布局中路由电路连接。 但会遇到以下问题： 低效路由 信号完整性问题 元件布局不合理 灵活性有限 不适合复杂的设计 不适合高密度 PCB 对路由的有限控制 兼容性问题 还是建议手动布线，你可以在放置完所有组件后，用自动布线来检查完成度。在布线过程中，如果某些关键连接点没有连接到，你可以使用自动路由轻松识别。 不要急于使用自动布线 二、元件放置 必须合理地放置元器件，例如例如连接、印刷电路板安装器件、电源电路、精密电路和重要电路按该顺序放置。元器件放置好了，有以下好处： 减少散热 增强信号完整性 提高可靠性 优化路由 元件放置 三、微调组件布局 在放置完元器件后，需要微调，有几个规则： 1、方向 确保相同的部件都面向相同的方向，有助于焊接。 左边在同一个方向，右边随意放置 2、排列 避免将较小的元件放在较大的元件后面，因为焊接大型元件可能会损坏小元件并导致安装问题 左边比较好，小元件夹在中间 3、SMT 和 THT元件 将所有表面贴装（SMT）元件放置在电路板的同一侧，所有通孔（THT）元件放置在电路板的顶部。 四、走线宽度和走线之间的间距 在布线过程必须要考虑走线宽度和走线之间的间距。这两个都会影响到许多，例如 受控阻抗 载流量 信号完整性 最小化串扰 热管理 五、布线 布线是PCB布局设计过程中元器件放置后重要的部分，必须要小心考虑PCB设计规则和指南，以及PCB走线设计。 1、确定使用标准轨道宽度 在设计中平衡使用的标准轨道尺寸，轨道太窄和太近，容易发生短路。 2、考虑承载电流的走线尺寸 细走线只能承载有限的电流。 PCB 走线的建议最大电流 电流 （安培） 1 盎司板的宽度 （千） 2 盎司板的宽度 （千） 1 10 5 2 20 15 3 50 25 3、固定印刷电路板焊盘与孔的比例和尺寸 通常使用大约 1.8:1（焊盘：孔）的比率，但有时使用比孔大 0..5 毫米的焊盘作为测量值。随着焊盘和孔尺寸的减小，比率也会变化。 布线 六、放置电源、地线和信号线 1、找到电源和地平面层 电源层和接地层应始终放置在电路板内部，同时保持对称和居中，可以防止电路板弯曲。 为了确保牢固稳定的走线宽度并消除组件之间的菊花链电源连接，建议在为 IC 供电时为每个电源使用公共通道。 2、信号走线连接 据原理图的设计连接信号线。通常建议在组件之间采用最短、最直接的路径。 元件必须在水平路径上无偏差地固定和定位，建议在电路板元件出口处主要水平走线，然后在出口后进行垂直走线。 由于焊接过程中焊料的迁移，元件将在水平方向上被固定。如下图的上半部分所示。 推荐接线方法（箭头表示焊料流动方向） 由于焊接过程中焊料流动，下图下半部分的信号走线机制可能会导致元件偏斜。 不推荐接线方法（箭头表示焊料流动方向） 3、定义网络宽度 PCB需要承载许多不同电流的网格，将决定所需的网络宽度，建议低电流模拟和数字信号的宽度为 10mil，当电流超过 0.3 A时，就加宽线路。 具体可以在网上找一个线宽计算器。 七、有效隔离 电源电路中的大电压和电流尖峰可能会干扰低电压电流控制电路。需要遵循以下以下技巧： 1、隔离 确保电源与电源和控制地隔离，如果必须要连接，要确保靠近电源路径的末端。 2、放置 如果中间有接地层，则提供微小的阻抗通道，屏蔽控制信号免受电源电路干扰。 模电隔离 八、散热问题 1、识别散热多的组件 先是考虑PCB上哪些组件散热最多，然后根据规则传递产生的热量，可以使用散热器和冷却风扇来保持组件温度较低，重要组件远离过热源。 2、添加热风焊盘 在通孔元件上使用热风焊盘，通过降低元件引脚处的散热率来使焊接更容易。 焊盘 九、DFM 检查 在 PCB布线布局完成后，必须要进行检查。 先从电气规则检查 (ERC) 和设计规则检查 (DRC) 开始，确保设计符合所有规则和限制。
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