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
- 瀏覽量：87
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。
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。
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。
技術(shù)資料
微信公眾號(hào)
微信小程序
抖音視頻號(hào)
浙公網(wǎng)安備 33010502006866號(hào)