 为提升印制电路板 （PCB） 产品可靠性，解决由 PCB 缺陷引发的板卡级失效问题，本文结合行业失效统计数据及近年来失效分析经验，梳理并明确 PCB 导通失效、可焊性不良、分层爆板、绝缘失效等 4 类主要失效模式；选取短路、开路、导电阳极丝 （CAF） 3 类典型失效案例开展剖析，利用显微剖切、X 光、扫描电镜及能谱分析、阻抗分析等手段，溯源其失效机理。结果表明，PCB 的多数失效问题源于生产制造管控疏漏及质检体系不完善。对此，提出协同开展设计、管控技术状态、严控制造过程、加强质量检测等 4 项质量管控优化措施建议，以期为 PCB 全流程质量管控提供工程参考，进而提升电子产品及整机系统的长期运行可靠性。0 引言 印制电路板 （printed circuit board，PCB） 是电子产品中元器件集成与信号传输的基础载体，其广泛用于消费电子、汽车、医疗、航天等领域。据某行业实验室统计，由 PCB 缺陷导致的板卡级失效案例占比超过 50% ［1］。在电子制造行业，通过构建系统化质量管控体系，建立全流程质量控制，能有效降低 PCB失效率，是保障电子产品稳定性、整机系统质量、提高经济效益的关键。 1 PCB 主要失效模式 目前，PCB 产品典型的失效模式有导通失效、可焊性不良、分层爆板、绝缘失效、烧板、键合不良 等 ［2］。 据某 行 业 实 验 室 对 板 卡 失 效 数 据 统计，因PCB 自身失效的前 4 种失效模式占比依次为导通失效 （26.6%）、可焊性不良 （22.3%）、分层爆板 （17.5%） 和绝缘失效 （15.3%），合计占比达 81.7% ［1］。可见，导通失效、可焊性不良、分层爆板、绝缘失效这 4 类是 PCB 产品的主要失效模式。 1.1 导通失效 导通失效主要表现为线路开路、孔开路及内层互连失效。 1.1.1 线路开路 线路缺损及线路裂缝都可导致线路开路。线路缺损主要来自线路形成过程中的工艺问题，如曝光不良 （异物或污点）、电镀过程中铜面附着抗电镀残留物 （如干膜碎片、余胶等）、蚀刻过程中的过度蚀刻导致局部位置线路缺失、加工过程中线路划伤导致的开路等。线路裂缝通常发生在使用过程中，如挠性印制板存在折伤或划痕时，在长期弯折或震动后线路发生疲劳断裂、材料热膨胀系数不匹配等现象，导致 PCB 在热应力后出现分层爆板，进而引起导体断裂等。 1.1.2 孔开路 通孔、盲孔和埋孔都可发生孔开路。孔铜结晶形态异常是引起孔壁断裂开路的常见现象，正常情况下，铜层的晶体应呈现多面体的致密块状形貌，晶格排列无明显方向性，铜镀层延展性和抗拉强度较好；而结晶形态异常的孔铜沿着孔径方向呈柱状结晶，导致铜层延展性差、晶体间连接较为薄弱，极易沿着晶界被撕裂。另外，铜包覆厚度不足、孔铜厚度偏薄、孔壁粗糙、板材热膨胀系数过大等因素也易引起孔壁断裂开路。 1.1.3 内层互连失效 内层互连失效是指镀覆孔孔壁与内层导体之间结合失效，主要表现为孔壁与内层导体分离。钻孔质量差、除胶渣不净、化学沉铜异常、板材膨胀过大等问题是引起内层互连失效的主要原因。 1.2 可焊性不良 连接盘可焊性不良主要与 3 类因素相关：表面氧化、表面污染与镀层质量异常。镀层质量异常包括镀层厚度不足、电镀镍金的金层纯度不足、化学镍金的镍腐蚀、热风整平板表面合金化等；表面污染来源包括氯离子或酸性杂质残留、助焊剂残留及其他腐蚀性物质等。 1.3 分层爆板 PCB 分层爆板会降低电绝缘性能，引发漏电击穿 或 导 致 导 线 通 孔 断 裂 ， 最终 引 发 功 能 失效 ［3］。分层爆板可能发生在 PCB 各层之间，包括外层铜箔与黏结片树脂分层、芯板铜箔与黏结片树脂分层、相邻层的黏结片树脂间分层、黏结片树脂 与 棕 化 面 分 层 、 玻纤 与 树 脂 间 分 层 。 结合PCB 自身因素，分层爆板的原因主要包括热膨胀系数过大、吸水性过大、耐热性不足等材料性能问题，以及棕化面异常、层压异物、固化不足等制造工艺问题。 1.4 绝缘失效 绝缘失效指的是不同网络间的实际绝缘电阻低于其设计值 ［2］。绝缘失效的模式主要包括：由铜蚀刻不净、渗镀、偏位、层压异物、图形制作异常等制造缺陷引起的完全短路，由导电阳极丝（conductive anodic filament， CAF）、 离子 迁 移 和电化学腐蚀等引起的微短路，以及绝缘介质的高压击穿短路。 在开展失效分析时，需使用正确方法和思路，全面分析失效现象，准确定位失效点位，细致确认失效模式，才能找到真正的失效原因。 2 PCB 失效案例 本研 究 在 做 PCB 失效 分 析 时 发 现 ， 很多 因PCB 本身缺陷引起的板卡级失效并非由技术差所致，而是制造质量管控或质量检验不到位，最终造成不必要的经济损失，或引发产品长期可靠性问题。下面介绍 3 个典型失效案例。 2.1 短路案例 某印 制 电 路 板 组 装 件 （printed circuit board assembly，PCBA） 在调试阶段发现两信号网络之间存在短路现象。使用万用表测量、X-ray 扫描、短路追踪、红外热视仪观测等方法，确认短路点位于一网络镀覆孔与另一网络导线之间，短路点水平显微剖切如图 1 所示。该 PCBA 短路失效模式为镀覆孔与相邻导线桥连，原因为钻孔偏位，该缺陷属于 PCB 制造缺陷。一般 PCB 出货前应开展100% 的连通性/非连通性检验，这类缺陷不应出现在出货产品。出现上述问题的原因应为质量管理未要求 100% 的连通性/非连通性检验，或连通性/非连通性检验漏检，其属于质量管理问题而非技术问题。  2.2 开路案例 某 PCB 电子组装后，调试过程中发现一器件安装孔与另一器件焊盘互连网络不通。通过分析PCB 的计 算 机 辅 助 制 造 （computer-aided manufacturing，CAM） 数据、分段测量问题网络的电阻及 X-ray 扫描等，确认开路点位于器件安装孔与一镀覆孔之间的内层导线，开路导线的水平显微剖切如图 2 所示。该 PCB 开路失效模式为内层导体断裂，切片中观测发现，该互连网络导线存在两处断裂现象，且其他相邻网络导线也存在相同断裂现象。从导线断裂形貌分析，导线断裂原因为外力划伤所致。该缺陷完全是人为所致，如缺陷在内层导体制造过程中产生，应在后续自动光 学 检 测 （automated optical inspection，AOI）中得以剔除；如在层压叠板时引起，也应在产品的连通性/非连通性检验中得以剔除，从而杜绝产品流到出货产品中，故其属于质量管理问题而非技术问题。  2.3 CAF 案例 某产品在使用多年后发生失效，表现为某信号网络对地网络呈低阻状态，疑似微短路失效。通过对失效信号网络中各表面焊盘和镀覆孔与对地网络间电阻的测量确认、短路追踪、时域反射计 （time-domain reflectometer， TDR） 阻抗 分 析等，确认微短路点位于内层导线之间。微短路区域水平显微剖切基材裂缝处扫描电镜结果如图 3所示，裂缝处能谱如图 4 所示，智能定量分析结果见表 1。    该 PCB 微短路失效模式为典型的内层信号导体与相邻接地网络之间发生 CAF 现象，通过观测CAF 通路 的 导 体 及 基 材 裂 缝 形 貌 ， 确认 其 发 生CAF 的根本原因是 PCB 制造时内层导体表面有划痕。如在内层导体制造过程检验中发现此缺陷并有效剔除，或加强操作规范管控避免此缺陷，就不会为产品的可靠性埋下隐患，因此该失效源于制造质量管控不到位而非技术不可达。 3 PCB 质量保证建议 分析上述 PCB 主要失效模式、失效原因及可避免节点可知，强化设计、工艺、制造、检验等PCB 制造全流程质量管控，可有效减少 PCB 失效率。结合 PCB 制造特点及产品质量管控需求，对PCB 质量保证提出以下几点建议。 3.1 协同开展设计 设计是 PCB 质量和可靠性的基础工作。对于PCB 产品，上游材料的选择、中间的元件加工和组件电子装联和下游的系统应用环境，均会对其性能和质量产生影响 ［1］。因此 PCB 设计应包括材料选择、结构设计、制造工艺设计、电子组装工艺、板级组件装联及质量检验等。PCB 设计者要根据终端产品的功能性能、应用环境及制造商的技术能力，合理选择材料和设计结构；根据产品质量需求合理确定检验规则和要求，并与终端产品设计和应用方、PCB 和电子组装制造商等协同开展设计，在保证产品满足功能性能的同时，进一步满足制造的可行性、经济性。 3.2 管控技术状态 PCB 自身失效的原因主要是生产制程缺陷，加强制造质量管控是减少制造缺陷、提升产品质量的 最 有 效 措 施 。 PCB 产品 应 作 为 关 键 件 来 管理，并按技术状态项进行管控。在产品试制或批量生产前、重要原材料发生变化时、生产工艺改变或制造商更改参数时，应开展首件 （首批） 产品鉴定。鉴定内容包括：① 按照相关标准和设计要求对制造工艺开展全面鉴定检验；② 开展元器件的组装调试，全面验证印制板组装件的功能；③ 对制造工艺文件、工艺流程、关键原材料、质量检验要求、检验方法等基线内容进行确认，固化工 艺 和 技 术 文 件 版 本 并 保 证 正 确 、 完整 、有效。 3.3 严控制造过程 随着电子电路集成密度的不断提高，PCB 制造流程和工艺日益复杂，制造过程的人、机、料、法、环、测都对产品质量有着重要影响。因此，只有建立并不断完善制造过程质量管理体系，严格落实、规范操作，管控好包括物料质量、人员素质、工艺文件、设备状态、环境条件、检验标准等制造过程的所有要素，强化人员技能培训与考核、工艺要求的传递与实施、流程与质量记录、过程和环境的监控、设备维护与使用、质量问题的归零等措施，才能有效控制产品制作过程，保障产品制造质量。 3.4 加强质量检验 有效、充分的质量检验是控制制造过程质量、降低产品失效率的重要保证。PCB 的生产流程长、工艺复杂、质量影响因素多，因此做好质量检验更为重要。 一是制造商要严把制造过程的质量检验，严格按照标准、工艺文件、客户技术要求等做好工序和成品检验，以确保不因质量检验疏忽导致有质量缺陷的产品出厂或为产品可靠性埋下隐患。二是应用方应做好来料验收，复查出货检验报告；对 PCB 成品与附连测试板开展必要的抽样复测，以验证检验的完整性、准确性与有效性。三是做好批次性质量监督检验，多批次或批量较大时，应开展周期性或质量一致性检验，以监控制造工艺的稳定性，保证产品质量一致性。 4 结语 PCB 作为电子设备的核心载体，其质量水平直接决定电子产品、整机系统的性能表现与可靠性。通过构建设计‒工艺‒制造‒检验一体化的质量保障 体 系 ， 实施 全 过 程 质 量 控 制 ， 可有 效 降 低PCB 产品 失 效 率 。 尤其 在 高 可 靠 性 要 求 的 领 域（如医疗、航空、汽车、军工等），有效的质量管控能产生相应效益已得到充分验证。本文重点介绍 PCB 的主要失效模式、几个典型失效案例，并提出加强 PCB 质量保证的举措，以期强化 PCB 设计、制造及应用者对质量管控的重视，进而有效降低 PCB 产品失效率，提升 PCB 产品质量，最终提升电子产品的整体质量与市场竞争力。 |
