编者按：为了PCB行业的需求，全面了解PCB的可靠性试验与评价，本期起逢单月刊登此系列文章(约为11篇)，供业内人士探讨交流。
印制电路板的可靠性试验与评价
李小明 翟玉环 卜宏坤
（江南计算技术研究所，江苏 无锡 214083）
摘 要 文章把印制电路板的可靠性概括为三个方面，并分别就其可靠性的试验和评价方法进行了简要综述，提出了后续要介绍的印制电路板领域多种可靠性试验和评价方法。
关键词 可靠性试验；可焊性；连接可靠性；绝缘可靠性
中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096（2010）7-0035-03
Reliability Test and Evaluation for Printed Circuit Board
LI Xiao-ming ZHAI Yu-huan PU Hong-kun
Abstract In this paper the reliability of PCB has been summed up three aspects and summarized the reliability evaluation methods for PCB respectively. Kinds of reliability evaluation methods for PCB will be introduced in subsequently.
Key words reliability test; soldering; reliability of junction; reliability of insulation
在近年的高科技印制电路板产品发展潮流中，高密度互连（HDI ）印制板和高频化的高速数字电路印制板的需求正急速膨胀，成为企业新的经济增长点。但高密度互连组装的大幅度提高，使得PCB 板的孔径、焊盘、布线宽度和线距都愈来愈微细化，介质基材日益薄型化，这既给PCB 的内部导线与孔互连可靠性、内部导线与孔绝缘可靠性提出了挑战，也给外部PCB 与器件的焊接可靠性带来了新的问题。高频化的高速数字电路印制板由于存在信号的趋肤效应，需要尽量保证铜箔平整、光滑，但这又导致PCB 的表面导线、焊盘与介质层的粘合力下降，直接影响产品的使用寿命；无铅工艺焊接窗口温度的提高，使得这些高科技印制板产品存在的可靠性问题更加突出。为此，我们将结合近几年来的一些测试与评估案例，和大家一起分期探讨如何应用相关的测试标准或方法，来开展样品的质量检测和可靠性评价。
本文作为印制板可靠性专题的前文，将简要归纳总结印制板可靠性存在的几个方面，并相应介绍列出一些试验的方法，最后给出将陆续发表的印制
板典型的质量检测和可靠性评价方法。
1 可靠性试验的意义与目的
印制电路板的可靠性，主要包括两层意义：（1）长期使用的稳定性，这是从产品使用寿命上讲的可靠性；
（2）保证批次内每个产品的优良品质的可靠性。对于PCB 可靠性，进行高频率的检验是困难的。但又需要有连续性，以积累各方面的检测数据，从而改善PCB 产品的潜在缺陷。
针对PCB 的可靠性，通常开展的是可靠性的增长试验和统计试验，可靠性增长试验是一个有计划地试验、分析及确定问题的过程。在这个过程中，产品处在实际环境、模拟环境或加速变化的环境下经受试验，以暴露设计和工艺中的缺陷。统计试验包括可靠性鉴定试验和可靠性验收试验：可靠性鉴定试验的目的是向订购方提供合格证明，即产品在批准投产之前已经符合最低可接收的可靠性要求。可靠性验收试验的目的在于对交付的某些产品或
-35-
生产批次进行评价。这种试验必须反应实际使用情况，并提供验证可靠性的估计。
PCB 可靠性试验流程如图1所示。
从图1可以看出，样品的性能检测（主要以电性能为主）分试验前、试验中、试验后三个阶段。在传统的PCB 可靠性试验中，中间检测必须中断试验进行，具有较大的局限性，无法真实地反应样品的整个失效变化趋势，对材料、工艺的失效模式不能获取有价值的细节因素。因此，我们将在后续的可靠性评价方法中为大家更多的介绍自动测试系统的应用。
小，PCB 板面的每个焊盘或孔的可焊性要求更高。
（2）大尺寸多引脚的阵列BGA 芯片焊接需要PCB 具有更好的共面性，而无铅焊接工艺的温度提升给PCB 的板面翘曲带来了隐患。
（3）PCB 生产及存放过程中带来的表面污染和氧化，造成焊盘或孔的可焊性不良。
对于PCB 焊盘或孔的可焊性测试，目前除图3所示传统的浮焊、浸焊定性试验判定方法外，定量的润湿天平测试方法也已应用于PCB 的来料检验、产品开发、工艺设计、生产管理等方面。
图1 可靠性试验与测试流程
图3 印制板孔、焊盘的可焊性样品图
2 印制电路板可靠性的“三个要点”
从图2多层PCB 的结构示意图中可以看出，信号电互连介质一般都是由蚀刻而成的铜线和金属化的孔组成，电气绝缘则是由玻纤布、树脂组成的介质层特性决定。因此，我们可以这样认为，保证印制电路板的可靠性只需做到三点：
（1）在存放、组装环境条件下能保持“焊盘、孔焊接可靠性”；
（2）在组装、使用环境条件下能保持“导线和孔连接可靠性”；
（3）在组装、使用环境条件下能保持“线间、层间绝缘可靠性”。
针对本节列出的问题，我们后面将陆续推出以下相关文章予以深入探讨和分析：
（1）印制电路板焊盘与孔的可焊性测试方法。 （2）贴装高密度阵列BGA 芯片的印制板翘曲试验与评价。
（3）印制电路板表面镀层的老化与可焊性评价。
2.2 “导线和孔连接可靠性”的试验与评价
印制电路板的连接可靠性主要包括：金属化孔的连接可靠性、基底铜和镀层的连接可靠性、导线的连接可靠性。在当前，高密度互连使得印制板的孔和导线在尺寸上大大减小，相应它们的机械强度降低，但无铅焊接温度的提高却加剧了热膨胀系数差带来的连接可靠性风险。因此，正确合理地选用好试验和评价方法，对于产品开发、工艺设计、质量管理控制等具有重要意义。
从影响导线和孔连接可靠性的主要原因入手，考核PCB 连接可靠性的试验方法主要有：热应力、耐热油、温度冲击、温度循环、回流焊、机械应力等试验；样品的测试评价主要通过金相（显微剖切）、互连电阻测试、孔电阻测试等来分析判定。
与温度相关的应力试验方法中，PCB 样品在低温与高温之间移动的周期性气相冲击试验，是最为典型的方法。在此项热冲击试验中，各厂家对温度、时间等条件要求都会有所不同（原因）；液相试验法可使此类试验的评价时间缩短，高温硅油的
图2 多层印制板样品的截面图
2.1 “焊盘、孔焊接可靠性”的试验与评价
高密度互连及无铅化生产工艺等给“焊盘、孔焊接可靠性”带来的问题：
（1）PCB 板面的孔、焊盘越来越小型化，与器件引脚或焊球焊接时有效接触面积和以往相比大大的缩
-36-
温度条件接近组装的实际工艺温度，低温则采用室温温度条件。由于液相试验对PCB 样品的热冲击影响甚大，因而在短期内就可获得试验结果。
对于高频化的高速数字电路印制板的应用，由于保证信号传输质量的需要，使得PCB 的表面导线、焊盘与介质层的粘合力下降，因此这是需要关注的一个问题。为此，在生产检验中需要利用如图4和表1列举的拉脱强度、模拟返工、剥离强度等方法来对导线和焊盘进行可靠性的试验与评价。
层间的绝缘可靠性。与高密度互连使得印制板的孔和导线互连风险加大一样，高密度互连的孔、导线间距缩小，介质层薄化同样使得其线间、层间绝缘可靠性问题更加突出，同时由于无铅化使得导体间更容易造成离子迁移，形成锡须而导致绝缘劣化。
在绝缘可靠性的测试方法中，都必须有水份的存在，这样才能创造出一个加湿的试验条件，从而对湿态处理下样品的绝缘性能进行评价和检测。目前常用的绝缘可靠性试验方法，主要有温湿度周期性试验法、常规加湿试验法，HAST 试验法、PCT 试验法。其中温湿度周期性试验法在试验条件上讲，属于" 温和型" 的。在得到此项试验结果的时间上，是需要较长的一段时间的。常规加湿试验法多选用85℃/85%RH试验处理条件，处理的时间，可与用户协商而定（一般采用1000 h居多）。HAST （Highly Accelerated Temperatare & Humidity Stress Test高加速
图4 多层印制板用综合测试图形
温湿度应力试验）试验法是以加速加湿过程为特点的加湿绝缘性能试验方法。原本的该试验条件是用于汽车导体封装内的封装材料物理性变化的检测，将此试验法搬入对多层PCB 的考察加湿处理后绝缘性能的变化，是否适用目前还仍在研究探讨之中。另外，PCT （Preessure Cooker Test）试验法（又称作压力锅蒸煮试验），是在饱和水蒸气条件下所进行的相当严酷的高湿试验。对有机材料为样品的标准要求目前还未建立，标准中也未有对试验装置的详细规定。但是，许多用户要求PCB 生产厂进行此项可靠性试验的要求是很强烈的，因而此项试验在日本众多PCB 生产厂中得到采用。
我们依据多个标准或测试方法来看，考核绝缘劣化主要选择表2列举的几种试验方法：吸水性、湿气敏感度试验、水煮试验、常规湿热试验、HAST 试验、CAF 测试等；样品的测试评价主要通过如图5所示测试图形或成品取样件的金相（显微剖切）、绝缘电阻测试、介质耐电压等方法来分析判定。
针对“导线和孔连接可靠性”的问题，我们后面将陆续推出以下相关文章予以深入探讨和分析：
（1）印制电路板温度循环（冲击）试验方法与互连电阻测试评价；
（2）印制电路板的液相温度冲击试验方法与测试评价；
（3）印制电路板的焊接试验方法与测试评价；（4）印制电路板的机械应力试验与评价。
2.3 “线间、层间绝缘可靠性”的试验与评价
从“线间、层间绝缘可靠性”的角度来考察，绝缘可靠性主要包括：导体图形间的绝缘可靠性、介质
表1 综合测试图形的用途
图5 常用绝缘性能测试图形
（下转第59页）
-37-
拉动反而会使元件立起产生“立碑”现象。这是因为：（1）与元件接触较多的焊锡端得到更多热容量，从而先熔化；（2）元件两端与焊膏的粘力不同。所以应调整好元件的贴片精度，避免产生较大的贴片偏差。
焊接缺陷还有很多，本文列举的只是三种最为常见的缺陷。解决这些焊接缺陷的措施也很多，但往往相互制约。如提高预热温度可有效消除立碑，但却有可能因为加热速度变快而产生大量的焊锡球。因此在解决这些问题时应从多个方面进行考虑，选择一个折衷方案，这一点在实际工作中我们应切记。
1.3.5 元件重量
较轻的元件“立碑”现象的发生率较高，这是因为不均衡的张力可以很容易地拉动元件。所以在选取元件时如有可能，应优先选择尺寸重量较大的元件。
作者简介
鲜飞，工程硕士，工程师，从事电子组装工艺
技术工作，在各种学术会议及电子科技期刊上发表学术论文200多篇，出版有《电子组装技术》专著，2008年深圳华南Nepcon 最佳SMT 工程师获得者。
2 结语
（上接第37页）
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
针对“线间、层间绝缘可靠性”的问题，我们后
板及无铅化工艺带来的可靠性问题进行了简要的介绍和分析，概括了保证印制电路板可靠性的三个主要方面，列举了一些主要试验和测试评价方法，使大家对印制板的可靠性试验与评价方法有一个初步的认识。其中所列的后续文章则将进一步深入的介绍相关的测试标准和方法，并结合实际的样品测试或失效分析案例系统地剖析样品的制作与处理、试验设计与测试评价方法，最终使大家能较好地了解掌握相关故障失效模式，正确地进行故障的定位，在PCB 设计、材料选型和制程生产中采取有效的纠正措施，达到提高产品良率及可靠性的目的。
面将陆续推出以下相关文章予以深入探讨和分析：
（1）印制电路板湿热试验方法与绝缘电阻测试评价；（2）印制电路板加速湿热试验方法与绝缘电阻测试评价；
（3）印制电路板的介质耐电压（抗电强度）测试方法；
（4）IC 有机载板湿气敏感度试验方法与绝缘电阻测试评价。
3 结论
文章对当前高密度互连、高速数字电路的印制
表2 印制板常用绝缘性能考核评估试验方法
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编者按：为了PCB行业的需求，全面了解PCB的可靠性试验与评价，本期起逢单月刊登此系列文章(约为11篇)，供业内人士探讨交流。
印制电路板的可靠性试验与评价
李小明 翟玉环 卜宏坤
（江南计算技术研究所，江苏 无锡 214083）
摘 要 文章把印制电路板的可靠性概括为三个方面，并分别就其可靠性的试验和评价方法进行了简要综述，提出了后续要介绍的印制电路板领域多种可靠性试验和评价方法。
关键词 可靠性试验；可焊性；连接可靠性；绝缘可靠性
中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096（2010）7-0035-03
Reliability Test and Evaluation for Printed Circuit Board
LI Xiao-ming ZHAI Yu-huan PU Hong-kun
Abstract In this paper the reliability of PCB has been summed up three aspects and summarized the reliability evaluation methods for PCB respectively. Kinds of reliability evaluation methods for PCB will be introduced in subsequently.
Key words reliability test; soldering; reliability of junction; reliability of insulation
在近年的高科技印制电路板产品发展潮流中，高密度互连（HDI ）印制板和高频化的高速数字电路印制板的需求正急速膨胀，成为企业新的经济增长点。但高密度互连组装的大幅度提高，使得PCB 板的孔径、焊盘、布线宽度和线距都愈来愈微细化，介质基材日益薄型化，这既给PCB 的内部导线与孔互连可靠性、内部导线与孔绝缘可靠性提出了挑战，也给外部PCB 与器件的焊接可靠性带来了新的问题。高频化的高速数字电路印制板由于存在信号的趋肤效应，需要尽量保证铜箔平整、光滑，但这又导致PCB 的表面导线、焊盘与介质层的粘合力下降，直接影响产品的使用寿命；无铅工艺焊接窗口温度的提高，使得这些高科技印制板产品存在的可靠性问题更加突出。为此，我们将结合近几年来的一些测试与评估案例，和大家一起分期探讨如何应用相关的测试标准或方法，来开展样品的质量检测和可靠性评价。
本文作为印制板可靠性专题的前文，将简要归纳总结印制板可靠性存在的几个方面，并相应介绍列出一些试验的方法，最后给出将陆续发表的印制
板典型的质量检测和可靠性评价方法。
1 可靠性试验的意义与目的
印制电路板的可靠性，主要包括两层意义：（1）长期使用的稳定性，这是从产品使用寿命上讲的可靠性；
（2）保证批次内每个产品的优良品质的可靠性。对于PCB 可靠性，进行高频率的检验是困难的。但又需要有连续性，以积累各方面的检测数据，从而改善PCB 产品的潜在缺陷。
针对PCB 的可靠性，通常开展的是可靠性的增长试验和统计试验，可靠性增长试验是一个有计划地试验、分析及确定问题的过程。在这个过程中，产品处在实际环境、模拟环境或加速变化的环境下经受试验，以暴露设计和工艺中的缺陷。统计试验包括可靠性鉴定试验和可靠性验收试验：可靠性鉴定试验的目的是向订购方提供合格证明，即产品在批准投产之前已经符合最低可接收的可靠性要求。可靠性验收试验的目的在于对交付的某些产品或
-35-
生产批次进行评价。这种试验必须反应实际使用情况，并提供验证可靠性的估计。
PCB 可靠性试验流程如图1所示。
从图1可以看出，样品的性能检测（主要以电性能为主）分试验前、试验中、试验后三个阶段。在传统的PCB 可靠性试验中，中间检测必须中断试验进行，具有较大的局限性，无法真实地反应样品的整个失效变化趋势，对材料、工艺的失效模式不能获取有价值的细节因素。因此，我们将在后续的可靠性评价方法中为大家更多的介绍自动测试系统的应用。
小，PCB 板面的每个焊盘或孔的可焊性要求更高。
（2）大尺寸多引脚的阵列BGA 芯片焊接需要PCB 具有更好的共面性，而无铅焊接工艺的温度提升给PCB 的板面翘曲带来了隐患。
（3）PCB 生产及存放过程中带来的表面污染和氧化，造成焊盘或孔的可焊性不良。
对于PCB 焊盘或孔的可焊性测试，目前除图3所示传统的浮焊、浸焊定性试验判定方法外，定量的润湿天平测试方法也已应用于PCB 的来料检验、产品开发、工艺设计、生产管理等方面。
图1 可靠性试验与测试流程
图3 印制板孔、焊盘的可焊性样品图
2 印制电路板可靠性的“三个要点”
从图2多层PCB 的结构示意图中可以看出，信号电互连介质一般都是由蚀刻而成的铜线和金属化的孔组成，电气绝缘则是由玻纤布、树脂组成的介质层特性决定。因此，我们可以这样认为，保证印制电路板的可靠性只需做到三点：
（1）在存放、组装环境条件下能保持“焊盘、孔焊接可靠性”；
（2）在组装、使用环境条件下能保持“导线和孔连接可靠性”；
（3）在组装、使用环境条件下能保持“线间、层间绝缘可靠性”。
针对本节列出的问题，我们后面将陆续推出以下相关文章予以深入探讨和分析：
（1）印制电路板焊盘与孔的可焊性测试方法。 （2）贴装高密度阵列BGA 芯片的印制板翘曲试验与评价。
（3）印制电路板表面镀层的老化与可焊性评价。
2.2 “导线和孔连接可靠性”的试验与评价
印制电路板的连接可靠性主要包括：金属化孔的连接可靠性、基底铜和镀层的连接可靠性、导线的连接可靠性。在当前，高密度互连使得印制板的孔和导线在尺寸上大大减小，相应它们的机械强度降低，但无铅焊接温度的提高却加剧了热膨胀系数差带来的连接可靠性风险。因此，正确合理地选用好试验和评价方法，对于产品开发、工艺设计、质量管理控制等具有重要意义。
从影响导线和孔连接可靠性的主要原因入手，考核PCB 连接可靠性的试验方法主要有：热应力、耐热油、温度冲击、温度循环、回流焊、机械应力等试验；样品的测试评价主要通过金相（显微剖切）、互连电阻测试、孔电阻测试等来分析判定。
与温度相关的应力试验方法中，PCB 样品在低温与高温之间移动的周期性气相冲击试验，是最为典型的方法。在此项热冲击试验中，各厂家对温度、时间等条件要求都会有所不同（原因）；液相试验法可使此类试验的评价时间缩短，高温硅油的
图2 多层印制板样品的截面图
2.1 “焊盘、孔焊接可靠性”的试验与评价
高密度互连及无铅化生产工艺等给“焊盘、孔焊接可靠性”带来的问题：
（1）PCB 板面的孔、焊盘越来越小型化，与器件引脚或焊球焊接时有效接触面积和以往相比大大的缩
-36-
温度条件接近组装的实际工艺温度，低温则采用室温温度条件。由于液相试验对PCB 样品的热冲击影响甚大，因而在短期内就可获得试验结果。
对于高频化的高速数字电路印制板的应用，由于保证信号传输质量的需要，使得PCB 的表面导线、焊盘与介质层的粘合力下降，因此这是需要关注的一个问题。为此，在生产检验中需要利用如图4和表1列举的拉脱强度、模拟返工、剥离强度等方法来对导线和焊盘进行可靠性的试验与评价。
层间的绝缘可靠性。与高密度互连使得印制板的孔和导线互连风险加大一样，高密度互连的孔、导线间距缩小，介质层薄化同样使得其线间、层间绝缘可靠性问题更加突出，同时由于无铅化使得导体间更容易造成离子迁移，形成锡须而导致绝缘劣化。
在绝缘可靠性的测试方法中，都必须有水份的存在，这样才能创造出一个加湿的试验条件，从而对湿态处理下样品的绝缘性能进行评价和检测。目前常用的绝缘可靠性试验方法，主要有温湿度周期性试验法、常规加湿试验法，HAST 试验法、PCT 试验法。其中温湿度周期性试验法在试验条件上讲，属于" 温和型" 的。在得到此项试验结果的时间上，是需要较长的一段时间的。常规加湿试验法多选用85℃/85%RH试验处理条件，处理的时间，可与用户协商而定（一般采用1000 h居多）。HAST （Highly Accelerated Temperatare & Humidity Stress Test高加速
图4 多层印制板用综合测试图形
温湿度应力试验）试验法是以加速加湿过程为特点的加湿绝缘性能试验方法。原本的该试验条件是用于汽车导体封装内的封装材料物理性变化的检测，将此试验法搬入对多层PCB 的考察加湿处理后绝缘性能的变化，是否适用目前还仍在研究探讨之中。另外，PCT （Preessure Cooker Test）试验法（又称作压力锅蒸煮试验），是在饱和水蒸气条件下所进行的相当严酷的高湿试验。对有机材料为样品的标准要求目前还未建立，标准中也未有对试验装置的详细规定。但是，许多用户要求PCB 生产厂进行此项可靠性试验的要求是很强烈的，因而此项试验在日本众多PCB 生产厂中得到采用。
我们依据多个标准或测试方法来看，考核绝缘劣化主要选择表2列举的几种试验方法：吸水性、湿气敏感度试验、水煮试验、常规湿热试验、HAST 试验、CAF 测试等；样品的测试评价主要通过如图5所示测试图形或成品取样件的金相（显微剖切）、绝缘电阻测试、介质耐电压等方法来分析判定。
针对“导线和孔连接可靠性”的问题，我们后面将陆续推出以下相关文章予以深入探讨和分析：
（1）印制电路板温度循环（冲击）试验方法与互连电阻测试评价；
（2）印制电路板的液相温度冲击试验方法与测试评价；
（3）印制电路板的焊接试验方法与测试评价；（4）印制电路板的机械应力试验与评价。
2.3 “线间、层间绝缘可靠性”的试验与评价
从“线间、层间绝缘可靠性”的角度来考察，绝缘可靠性主要包括：导体图形间的绝缘可靠性、介质
表1 综合测试图形的用途
图5 常用绝缘性能测试图形
（下转第59页）
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拉动反而会使元件立起产生“立碑”现象。这是因为：（1）与元件接触较多的焊锡端得到更多热容量，从而先熔化；（2）元件两端与焊膏的粘力不同。所以应调整好元件的贴片精度，避免产生较大的贴片偏差。
焊接缺陷还有很多，本文列举的只是三种最为常见的缺陷。解决这些焊接缺陷的措施也很多，但往往相互制约。如提高预热温度可有效消除立碑，但却有可能因为加热速度变快而产生大量的焊锡球。因此在解决这些问题时应从多个方面进行考虑，选择一个折衷方案，这一点在实际工作中我们应切记。
1.3.5 元件重量
较轻的元件“立碑”现象的发生率较高，这是因为不均衡的张力可以很容易地拉动元件。所以在选取元件时如有可能，应优先选择尺寸重量较大的元件。
作者简介
鲜飞，工程硕士，工程师，从事电子组装工艺
技术工作，在各种学术会议及电子科技期刊上发表学术论文200多篇，出版有《电子组装技术》专著，2008年深圳华南Nepcon 最佳SMT 工程师获得者。
2 结语
（上接第37页）
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
针对“线间、层间绝缘可靠性”的问题，我们后
板及无铅化工艺带来的可靠性问题进行了简要的介绍和分析，概括了保证印制电路板可靠性的三个主要方面，列举了一些主要试验和测试评价方法，使大家对印制板的可靠性试验与评价方法有一个初步的认识。其中所列的后续文章则将进一步深入的介绍相关的测试标准和方法，并结合实际的样品测试或失效分析案例系统地剖析样品的制作与处理、试验设计与测试评价方法，最终使大家能较好地了解掌握相关故障失效模式，正确地进行故障的定位，在PCB 设计、材料选型和制程生产中采取有效的纠正措施，达到提高产品良率及可靠性的目的。
面将陆续推出以下相关文章予以深入探讨和分析：
（1）印制电路板湿热试验方法与绝缘电阻测试评价；（2）印制电路板加速湿热试验方法与绝缘电阻测试评价；
（3）印制电路板的介质耐电压（抗电强度）测试方法；
（4）IC 有机载板湿气敏感度试验方法与绝缘电阻测试评价。
3 结论
文章对当前高密度互连、高速数字电路的印制
表2 印制板常用绝缘性能考核评估试验方法
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