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從技術(shù)角度提高PCB可靠性的制造設(shè)計(jì)

  • 2025-06-25 10:30:00
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一、可靠性問題為什么必須提前考慮

現(xiàn)代電子設(shè)備越來越小,功能越來越多,使用環(huán)境也越來越復(fù)雜。在這些要求下,電路板必須長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。如果PCB設(shè)計(jì)不合理,制造中出現(xiàn)偏差或材料選型不當(dāng),就容易導(dǎo)致各種可靠性問題。比如電路中斷、元件脫落、銅皮起翹、短路、開路、熱失效等。

這些問題一旦在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn),可能造成系統(tǒng)崩潰、設(shè)備停工甚至安全事故。不但維修成本高,而且會(huì)影響品牌信譽(yù)。所以,為了降低后期風(fēng)險(xiǎn),必須在設(shè)計(jì)初期就考慮制造中的可靠性要求。



二、從技術(shù)角度看可靠性問題的根源

PCB的可靠性問題往往來源于幾個(gè)關(guān)鍵因素。以下是幾個(gè)典型的技術(shù)根源。

1. 熱應(yīng)力引起的失效

在焊接或運(yùn)行過程中,電路板會(huì)經(jīng)歷反復(fù)的加熱和冷卻。材料熱脹冷縮不一致,會(huì)引起應(yīng)力積累,進(jìn)而導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂、銅箔脫落或孔壁開裂。

2. 電遷移和CAF問題

在潮濕、高壓或高密度的條件下,電壓差會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電路徑沿著玻纖或樹脂間隙形成。這種過程稱為CAF(Conductive Anodic Filament),會(huì)導(dǎo)致短路或電氣性能下降。

3. 殘留離子和化學(xué)污染

如果清潔不徹底,焊接或蝕刻殘留的離子雜質(zhì)會(huì)在潮濕環(huán)境下吸濕,形成微電流路徑,導(dǎo)致腐蝕或電化學(xué)遷移。

4. 孔質(zhì)量不穩(wěn)定

如果鉆孔過程中孔壁不光滑,電鍍不均勻,就可能在熱循環(huán)中形成裂紋,導(dǎo)致導(dǎo)通中斷。盲孔和埋孔尤其容易出現(xiàn)這種問題。

5. 材料不匹配

板材的耐熱性能、熱膨脹系數(shù)、玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)等如果選得不合理,可能導(dǎo)致分層、翹曲或過早老化。

所以,可靠性的關(guān)鍵不在于后期修補(bǔ),而在于前期從設(shè)計(jì)到制造全流程的控制。下面我們逐項(xiàng)分析,設(shè)計(jì)階段能采取哪些措施來提高可靠性。

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三、設(shè)計(jì)中用于提高可靠性的主要措施

1. 合理選擇材料

材料決定了PCB在高溫、高濕、高壓環(huán)境下的表現(xiàn)。為了保證穩(wěn)定性,建議遵循以下原則:

  • Tg值建議選擇170°C以上,避免分層和熱變形。

  • CTI等級(jí)需滿足應(yīng)用電壓要求,避免電擊穿。

  • 低吸水率樹脂系統(tǒng)更適用于高濕環(huán)境。

  • 盡量選用與銅熱膨脹系數(shù)接近的絕緣材料,減少熱應(yīng)力。

材料選擇不應(yīng)只關(guān)注成本,而要結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景做出平衡。

2. 優(yōu)化層壓結(jié)構(gòu)

多層板的堆疊結(jié)構(gòu)影響應(yīng)力分布、信號(hào)完整性和熱管理。常見的優(yōu)化方式有:

  • 保持對(duì)稱結(jié)構(gòu),防止熱變形。

  • 電源層和地層靠近信號(hào)層,提升EMC性能。

  • 內(nèi)層銅厚應(yīng)一致,減少熱不均引起的翹曲。

  • 對(duì)于高密度區(qū)域可增加樹脂含量,緩沖應(yīng)力。

層壓結(jié)構(gòu)不合理很容易引起后續(xù)制造中的翹板或分層。

3. 控制熱分布和過孔密度

局部過熱容易引起焊點(diǎn)失效、PCB變形。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意:

  • 熱源器件下方加銅皮,連接到散熱通孔或銅柱。

  • 高功率路徑加寬走線并增加多點(diǎn)過孔,減少電阻。

  • 不要讓高熱區(qū)域集中,應(yīng)均勻分布熱量。

  • 若使用盲孔或埋孔,需控制其尺寸和數(shù)量,避免層間應(yīng)力集中。

過孔過多或集中在一個(gè)區(qū)域,可能會(huì)形成機(jī)械弱點(diǎn)。

4. 走線要避開應(yīng)力路徑

可靠性不是看功能走通就可以。線型設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)形成應(yīng)力集中點(diǎn),特別是在回流焊或熱循環(huán)過程中。以下建議可以降低風(fēng)險(xiǎn):

  • 走線轉(zhuǎn)角使用45度或弧形,不要直角。

  • 大面積焊盤不要浮空,中間加定位孔或銅線連接。

  • 走線不要壓在過孔上,也不要過度拉長(zhǎng)。

  • 對(duì)于高電流線要加寬,并避免細(xì)長(zhǎng)蛇形路徑。

這樣做可以避免應(yīng)力集中和熱斷裂。

5. 加強(qiáng)孔設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制

孔的可靠性與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。建議如下:

  • 常規(guī)通孔最小孔徑不小于0.3mm,鍍銅厚度≥25μm。

  • 高密度布線中建議使用激光鉆孔,并做孔壁強(qiáng)化處理。

  • 插件孔要控制鉆頭磨損,防止毛刺或偏位。

  • 要求廠家提供孔板截面照片,用于評(píng)估鍍層均勻性。

可靠性低的孔往往是電氣故障的首因。

6. 減少污染物和殘留物

清潔程度影響長(zhǎng)期使用效果。為此建議:

  • 使用無鹵焊料或低殘留助焊劑。

  • 表面處理選擇耐腐蝕性高的方法,如化金或OSP。

  • 設(shè)計(jì)中避免使用盲區(qū)和死角,方便清洗。

  • 要求廠商提供離子清潔度測(cè)試報(bào)告。

干凈的板子才能保證長(zhǎng)壽命。


四、從制造工藝中加強(qiáng)可靠性保障

除了設(shè)計(jì)階段,制造過程中的工藝控制同樣關(guān)鍵。以下是制造過程中常見的控制方法。

1. 使用高可靠性的電鍍工藝

電鍍孔是PCB中最脆弱的結(jié)構(gòu)之一,必須確保孔壁連續(xù)性。好的電鍍工藝包括:

  • 高速攪拌電鍍液,保證銅沉積均勻。

  • 定期更換藥水,避免雜質(zhì)積累。

  • 控制溫度、電流密度在穩(wěn)定范圍內(nèi)。

2. 嚴(yán)格的層壓與壓合工藝

多層板的壓合要做到以下幾點(diǎn):

  • 控制壓合溫度曲線,防止樹脂過早流動(dòng)或碳化。

  • 使用真空層壓機(jī),避免氣泡。

  • 對(duì)于不同厚度區(qū)域進(jìn)行差厚補(bǔ)償處理。

好的層壓是可靠性的基礎(chǔ)。

3. 完善的測(cè)試驗(yàn)證手段

制造完成后要通過一系列測(cè)試確保產(chǎn)品可靠:

  • 進(jìn)行100%飛針測(cè)試,確認(rèn)無開短路。

  • 高溫老化實(shí)驗(yàn)(如125°C×72小時(shí))檢查熱可靠性。

  • 離子殘留測(cè)試(如ROSE測(cè)試)評(píng)估清潔程度。

  • 熱循環(huán)測(cè)試,模擬環(huán)境變化下的焊點(diǎn)強(qiáng)度。

每一種測(cè)試都能幫助提前發(fā)現(xiàn)潛在故障。

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可靠性設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程

PCB可靠性不是靠某一個(gè)步驟決定的,而是設(shè)計(jì)、材料、制造和測(cè)試全過程的結(jié)果。從原理上講,可靠性問題大多來源于熱、電、化學(xué)、機(jī)械應(yīng)力等交互作用。在這種復(fù)雜條件下,如果忽略了某一環(huán)節(jié),就可能為后期埋下隱患。

所以,設(shè)計(jì)工程師要做到以下幾點(diǎn):

  • 熟悉材料性能,選擇適合的板材和銅厚。

  • 優(yōu)化走線結(jié)構(gòu)和層壓方式,避免應(yīng)力集中。

  • 控制孔徑、孔距、熱管理方式,保證均衡分布。

  • 提前考慮可制造性,讓設(shè)計(jì)與工藝協(xié)同。

  • 主動(dòng)與PCB制造廠溝通,了解其工藝能力和限制。

只有在設(shè)計(jì)初期就注重這些問題,才能確保產(chǎn)品在批量生產(chǎn)后仍然保持穩(wěn)定。可靠性不是做出來的,是設(shè)計(jì)出來的。