★ FEATURED ARTICLE 做 PCB 这行十来年最怕听到的一句话不是这个板画不出来而是这批货在客户那边用了一段时间开始出问题了。板子出厂时全检良率 99.8%装机测试也过可客户用了三个月某几个批次的板子开始出现漏电、不开机、焊盘脱落。你去查实验室测不出毛病客户现场又复现不了——这种悬案十有八九是可靠性问题在作祟。PCB 可靠性测试本质上就是把这些用三个月后才暴露的隐患在出厂前用加速的方式逼出来。它测的不是你这块板现在能不能用而是它在高温、高湿、冷热交替、震动、偏压、污染这些恶劣条件下连续折腾几百上千小时后还能不能活。这篇文章我打算把 PCB 行业里常说的十六大可靠性测试一项一项拆开讲清楚每一项测什么、依据什么标准、参数怎么定、失效长什么样、送测前你自己该怎么自查。不管你是刚入行的 layout 工程师、负责选供应商的采购还是自己打样做小批量产品的硬件人看完至少能弄明白一件事——你的板到底经不经得起这些测试的折腾。1. 先把十六项测试这件事想明白1.1 可靠性测试不是质检是压力试验很多人第一次接触这些测试会把它和常规的电测、AOI、飞针测试混为一谈。其实两者完全是两个维度。常规测试回答的是这块板现在的导通、绝缘、外观合不合格是静态的、瞬时的可靠性测试回答的是这块板在恶劣环境里扛多久才会坏是动态的、有时间维度的。它的核心方法是加速把现实中可能几年才累积出来的老化效应压缩到几十、几百小时里用远高于使用环境的温度和湿度去逼。这就是为什么同样一块板常温放一年没事进了 85℃/85%RH 的试验箱三天就出问题——不是测试把板子测坏了而是它把原本需要三年才显现的失效三天给你呈现出来了。理解这一点非常关键否则你会觉得我的板明明能用怎么一测就挂从而怀疑测试本身有问题。1.2 十六项测试其实分成三大族标题里说的十六大业内不同资料的分法略有出入但归纳起来无非是三大族。第一族是环境类温度循环、热冲击、高温高湿偏压THB、高加速应力HAST、高温存储、低温存储、湿热循环、盐雾这一类测的是板子在温湿度、腐蚀性气氛下的耐受能力。第二族是电气类表面绝缘电阻SIR、离子污染度、耐电压介质耐压、CAF 耐离子迁移这一类专门盯着漏电、短路、击穿这些和电直接相关的老化失效。第三族是机械与工艺类可焊性、耐焊接热、拉脱强度、阻焊附着力、弯曲强度、跌落、振动测的是铜箔、阻焊、焊盘、基材的机械连接在装配和使用中会不会松、会不会断、会不会掉。我把它们列成一张表方便你一眼看清每一项的定位和典型条件测试项归属族典型条件常见做法主要盯的失效温度循环 TCT环境-40℃~125℃100~1000 次孔壁断裂、镀层裂纹热冲击 TST环境转换速率更快液体介质界面分层、焊点开裂THB环境85℃/85%RH 偏压约 1000h绝缘下降、电化学迁移HAST环境130℃/85%RH偏压约 96h同上加速版高温存储环境125℃ 或 150℃ 静置材料氧化、性能漂移低温存储环境-40℃~-55℃ 静置脆化、开裂湿热循环环境40℃/93%RH 循环吸湿膨胀、分层盐雾环境5% NaCl35℃48~96h金属腐蚀、氧化SIR电气85℃/85%RH 50~100V表面绝缘劣化离子污染度电气溶剂萃取 电导率法残留离子、漏电风险耐电压电气500~1000V 施加 1min介质击穿CAF电气湿气 偏压孔间迁移玻纤纱电化学迁移可焊性机械工艺245℃ 锡炉浸 2~3s润湿不良、虚焊耐焊接热机械工艺260℃ 短时起泡、分层、变色拉脱强度机械工艺焊盘/铜箔垂直拉力焊盘脱落跌落/振动/弯曲机械工艺按 JEDEC/IPC 规定断裂、裂纹注意上表给的是业内常见做法的量级实际取值必须看你客户、产品或所遵循的标准比如消费类、通信类、车规类的条件差别很大不能拿一张表通吃。2. 环境类测试温湿度把板子往死里折腾2.1 温度循环和热冲击最容易混淆的两个项这两个测试名字像做法完全不同很多人送测时填错单子。**温度循环TCT**的关键是循环二字它让板子在高温和低温之间来回切换一个循环包含升温、高温保温、降温、低温保温四个阶段常见条件是 -40℃ 到 125℃、升降温速率控制在每分钟 10℃ 以内、循环次数 100 到 1000 次不等。**热冲击TST**的升降温速率要快得多往往每分钟 30℃ 以上而且通常用液体介质来快速传热。差别在哪温度循环考验的是板子的疲劳寿命——铜箔、孔壁、基材在反复热胀冷缩中慢慢积累应力最后疲劳开裂热冲击考验的是瞬时应力界面和不同材料的热膨胀系数差异在突变温度下瞬间拉扯分层、开裂往往一次就发生。我遇到过最典型的失效场景一块 6 层板过孔孔壁在 300 次温度循环后开始出现环状微裂。剖切开用金相显微镜看裂纹正好在铜层和树脂的界面。问题根源是电镀铜的延展性不够——镀层太脆热胀冷缩时跟不上基材的变形量被拉出裂纹。这类问题在常温根本测不出来所以工业类、汽车类产品基本都把温度循环列为必测项。2.2 THB 和 HAST带电压的加速测试高温高湿存储俗称双 85本身已经够狠了但真正要命的是加偏压——也就是 THBTemperature Humidity Bias。做法是在 85℃、85% 相对湿度下一边让板子待在试验箱里一边给相邻的线路、孔之间加上直流电压持续几百到上千小时。为什么要加电因为湿气本身只是铺路真正让离子迁移、绝缘劣化的是电场驱动的电化学反应。没有偏压很多失效根本不会出现一加偏压金属离子在湿气和电场的作用下开始迁移线路之间慢慢长出一根金属胡须最后短路。HASTHighly Accelerated Stress Test是 THB 的加速版本把温度提到 130℃ 左右、湿度 85%因为温湿度更高同样效果的测试时间可以从 1000 小时压缩到 96 小时左右。这类测试特别适合低压差分信号、精细线路、高密度互联的板子线路间距越小越容易在湿气偏压下出问题。送回测的板子如果绝缘电阻随着时间一路往下掉就说明材料、工艺或设计本身就是有缺陷的。2.3 高温存储和低温存储最便宜也最容易被忽视这两个测试看起来只是放着技术含量很低实际却是很多问题的照妖镜。高温存储典型是 125℃ 或 150℃ 下静置几十到几百小时看的是材料在持续高温下的稳定性树脂会不会继续固化收缩、焊盘氧化会不会加剧、阻焊会不会变色发脆、表面处理如 OSP、沉金会不会失效。低温存储典型是 -40℃ 到 -55℃ 静置看的是材料脆化特别是焊点、镀层在低温下失去韧性一有机械应力就容易裂。它便宜是因为不涉及复杂设备它容易被忽视是因为大家觉得腾不出时间专门测这个。但恰恰是它能在不增加太多成本的前提下帮你验证材料和表面处理的批次稳定性。比如同一批板子沉金批次好的和批次差的在 150℃ 烘几小时后一个还是金灿灿一个已经发黑明显——用高温存储一对比就现原形了。所以我一直建议小批量打样阶段高温存储是最低成本、最快出结论的一项验证别跳过。3. 电气类测试绝缘、耐压与 CAF3.1 表面绝缘电阻和离子污染度是一对好搭档**表面绝缘电阻SIR**测的是板子表面在湿气偏压后相邻导体之间的绝缘电阻还能不能维持在合格线以上。标准做法是把板子放进高温高湿箱给测试图形通常是梳状电极加几十到一百伏的偏压隔一段时间测一次电阻。好的板子电阻能稳定在十的十次方欧姆以上一旦下降几个数量级基本就是出问题了。离子污染度则更偏向病因诊断。板子在制造过程中助焊剂残留、蚀刻液残留、手指汗液、手汗里的盐分都可能留下可导电的离子。测法是用萃取液把板子表面的残留物溶下来测溶液的电导率换算成等效的氯化钠含量。业内常见的合格线一般是每平方厘米等效氯化钠含量低于 1.56 微克但具体数值要按你遵循的标准来。这两项放在一起看很有意思离子污染度告诉你病因SIR 告诉你病情一个查残留一个看结果。如果 SIR 挂了先测离子污染度往往能找到根因。3.2 耐电压和介质击穿测的是材料的下限耐电压测试也叫介质耐压、耐压测试是给板子的绝缘部分施加一个远高于工作电压的电压比如 500V 或 1000V持续一到几分钟看它会不会被击穿或漏电流超标。这一项听起来吓人其实逻辑很简单如果板子连高压都扛不住那它在实际使用中的安全裕量就很可疑。做法上把高压加在应该绝缘的两个网络之间比如一次侧和二次侧、不同电源域之间观察有没有闪络、击穿。要特别注意的是这一项对设计非常敏感。高压区和低压区之间的爬电距离、电气间隙如果设计得不够测出来就是击穿。很多新手画板习惯性地把线布得又密又近等到做耐压测试才发现高压包围低压、间距不足根本过不了。所以耐压测试同时也是在反向检验你的安规距离设计合不合理。3.3 CAF藏在玻纤缝隙里的隐形杀手CAFConductive Anodic Filament导电阳极丝是我个人认为最值得单独拎出来讲的一项因为它太隐蔽了。它的机理是在湿气和偏压的联合作用下玻纤布内部的纱线界面、树脂和玻纤的结合界面形成微通道铜离子沿着这些通道从阳极向阴极迁移最后在本来应该绝缘的两个孔或两个网络之间长出一根细细的铜丝导致短路。CAF 最容易发生在三种情况孔壁间距太小、板料吸湿率高、孔壁镀层质量差。它的恐怖之处在于常温测完全正常只有经过湿气偏压加速后才暴露而且一旦发生往往就是整批板子的系统性风险。车规、通信设备、医疗设备这类高可靠性要求的板子CAF 几乎是必测项。防它的办法说起来也不复杂选用抗 CAF 性能好的板材、增大孔壁间距、保证孔壁镀层致密无空洞但每一条都要求你在设计和选材阶段就提前考虑事后再补是补不回来的。4. 机械与工艺类测试从焊得牢到摔不坏4.1 可焊性和耐焊接热是装配环节的生死关可焊性测试模拟的是板子进焊接工序那一瞬间——把待测焊盘浸入 245℃ 左右的熔融锡里 2 到 3 秒看焊料能不能均匀润湿焊盘。润湿好不好直接决定了这批板子在产线上会不会出现虚焊、立碑、拒焊。如果焊盘表面氧化、污染、镀层太薄润湿角就会很大焊料一缩就走了看起来像是焊盘不亲锡。很多批次性焊接不良的根因最后都能追到可焊性这一项上。耐焊接热测试则是反过来考板子能不能扛住焊接的热冲击。无铅制程下回流焊峰值温度能到 260℃ 左右如果板材、阻焊、层压质量不过关过炉之后就会出现起泡、分层、白斑、变色。这两项一个测焊得上一个测扛得住是工艺环节最基础也是最关键的一对。4.2 拉脱强度、阻焊附着力和弯曲测连接的结实程度拉脱强度测的是焊盘或铜箔从基材上被垂直拉走需要多大的力。它是评价镀层和基材结合力的核心指标常见做法是针对焊盘或铜箔施加垂直拉力看失效形式是铜箔被拉断还是焊盘整体脱落。前者说明结合力足够、铜箔本身不够强后者直接说明焊盘与基材结合力不足是严重问题。阻焊附着力则针对阻焊层用划格法、胶带撕拉等方法看阻焊在机械应力下会不会成片剥离。阻焊要是附着力差使用中整片脱落铜箔暴露出来短路和腐蚀风险立刻上升。弯曲强度测的是板子在装配、运输、使用中被弯折时会不会断裂。IPC 标准里分了静态弯曲和动态弯曲静态是缓慢加载动态是反复弯折。这一类对薄板、软硬结合板、需要卡扣安装的板子尤为重要。我见过结构设计没考虑板子刚度、安装位置反复受力最后铜箔疲劳断裂的案例追溯回去就是弯曲这项没测。4.3 跌落、振动和盐雾别只盯着消费电子跌落和振动测试很多人以为只有手机、穿戴设备才做。实际上任何会在运输、安装、使用中受到冲击或抖动的板子都需要考虑。跌落测试通常按 JEDEC 标准把装有器件的板子从规定高度落到规定表面重复多次看焊点、连接器、大质量器件有没有开裂脱落。振动测试则是用振动台在规定频率和加速度下持续振动考验焊点和机械连接的疲劳寿命。盐雾测试针对的是沿海、高湿高盐环境下的腐蚀问题典型条件是用 5% 氯化钠溶液喷雾、35℃ 环境、持续 48 到 96 小时看金属表面处理会不会腐蚀、氧化。户外、车载、船载产品的板子盐雾这一项几乎绕不过去。5. 送测前的自查和踩坑经验5.1 送测前先自己过一遍这份自查清单与其把板子送去测完发现挂了再返工不如送测前自己先过一遍。我总结的清单是这样的孔壁间距是否满足所选板材的 CAF 抗性要求、高低压区的爬电距离和电气间隙是否留够、镀层厚度是否达到了标准下限、阻焊覆盖是否均匀、表面处理是否适合你后续的焊接工艺、板料吸湿率是否和你使用环境匹配、大质量器件的焊盘有没有做加固设计、边角和卡扣位置有没有做加强或倒角。这几条基本上覆盖了上面十六项测试里最容易出问题的雷区提前检查一遍能省下大量返工时间。5.2 常见问题速查表我把这些年踩过、碰到过的典型问题整理成一张表方便你对照排查现象最可能的测试项排查思路过炉后孔壁或焊盘附近起泡分层耐焊接热、湿热循环查板材吸湿率、烘板是否到位温循几百次后孔壁微裂温度循环查镀层延展性、孔壁质量、背钻湿气偏压下绝缘电阻骤降THB、SIR、CAF查离子污染度、间距、板材抗 CAF 性批次性虚焊、立碑可焊性查表面处理批次、氧化、存储时间焊盘轻拉就掉拉脱强度查镀层与基材结合力、层压工艺高压区域闪络或击穿耐电压查爬电距离、电气间隙设计潮气盐水环境金属腐蚀盐雾查表面处理方案、防护涂层这张表是经验归纳不是标准答案但绝大多数现场问题用它对一轮基本能锁定方向。5.3 我踩过的几个坑说给你听第一个坑是测试项选错。早年有个项目我按消费类产品的条件做了温度循环结果客户是做工业控制的使用环境常年高温高湿送回来出了问题。教训是测试条件的选取必须贴着你产品的真实使用环境不能照搬别人的模板。第二个坑是只测裸板忘了带器件。可靠性测试有很多是带组装状态测的比如跌落、振动、耐焊接热。裸板测着没事一旦焊上重器件受力点变了失效模式完全不同。所以送测前一定要确认清楚这一项到底是测裸板还是测组装件。第三个坑是忽略存储和运输环节。有批板子在工厂放着都好好的运到客户那边一个月后开始氧化拒焊。追查发现是包装没有防潮、没有放干燥剂加上运输途中经历了高湿。后来我们增加了包装前的烘烤和防潮包装这类问题再没出现过。说到底PCB 可靠性测试就像一次体检它不制造问题只是把问题提前暴露。板子过不过其实从设计、选材、工艺那一刻就已经写好了答案。我个人的体会是与其等测试挂了再救火不如在画板、选料、定工艺的时候就多问一句这块板以后要用在什么环境里。把这个问题想清楚了十六项测试里的绝大多数你心里都有数了。
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