故障模式清单及其常见原因

2023年1月10日

关键的外卖

制造过程自然提供了材料热老化的来源。
与热有关的故障通常如何表示。
通过有意的制造和设计选择，减轻因热引起的故障。

PCB热成像

故障模式列表中充满了与热相关的问题

尽管工程师们尽最大努力为电子产品注入可靠性，“时间老人”仍然是不败的。随着时间的推移，所有的董事会都会屈服于与年龄相关的磨损，最终导致不可避免的失败。这些变化是由于系统的焓带来了不可逆的无序，导致了设备的潜在材料特性的变化。熵与板子不同区域之间的热传递成正比，因此，无论何时何地，只要有可能，减轻热传递都是帮助减少故障发生率及其平均发生时间的有力赌注。

尽管存在许多其他途径，但早期失效模式列表中充斥着导致材料退化和性能差的过热积聚的例子。设计人员不仅应该认识到这些故障是如何以及在哪里出现的，而且还应该认识到充当传播事件功能的底层制造过程。

制造可能导致失败的产品和过程

热几乎是pcb最终失效的普遍原因。无论这是由于过度应力条件下，材料和布局无法处理大的热流，还是热循环的更微妙的退化，高温是一个持续的威胁对单板功能和部件的短期和长期可靠性都有要求。虽然失败事件是不受欢迎的，但它们是一个学习根本原因分析的机会，以支持未来的流程、修订和产品。这些只是在电路板制造和操作过程中随时发生的危及可靠性的许多复杂相互作用中的一小部分:

连续分层-覆膜是分离的过程板子的层被连接起来由高温高压共同作用。对于需要额外分层步骤的复杂结构或板的其他特征，板会多次受到这些材料应力的影响。不像在单步层压板材料是均匀的(虽然不是各向同性)，一些电镀将发生在后来的层压步骤之前。热膨胀系数(CTE)受到各向异性和非均匀性的影响，这导致预浸料在z轴上的膨胀速度比镀铜通孔快许多倍，并可能在桶中产生裂缝。此外，高应力区域可能出现，分布在埋过孔的衬垫周围以及与之相连的任何微过孔，这可能导致打开和分层。
焊料剖面-RoHS材料标准在这一点上可能不是什么新鲜事，但材料性能改变的意义不可低估。共晶锡铅焊料的回流温度明显低于无铅焊料。后者的焊料混合物要么熔点更高，更接近普通温度的下限，要么存在潜在的氧化问题，降低了键合的长期稳定性。
热循环-根据行业的不同，电路板的额定预期热循环量不同。组件可能会经历不对称的周期，例如在触摸屏中，由于更集中的使用而经历不同的加载或一致的“热点”。焊接键在凝固后会经历应力，随着温度的升高，晶粒尺寸的增加会加速，从而缓解应力。晶粒的生长在晶界处产生空隙，空隙扩展、结合并形成裂纹。

热应力诱导的失效模式列表(及更多)

有了故障原因的想法，设计师可以与制造商合作，防止一些常见的问题。虽然在大多数情况下，当这些缺陷在生产周期的早期出现时，返工是可能的，但更糟糕的表现是它们在各自的加工阶段或进入电路板的现场寿命后形成:

镀通孔失效-随着前面提到的由z轴CTE不匹配造成的问题，在过孔桶中产生裂纹，裂纹可以形成在箔或在桶与顶部或底层相交的角落。由于镀铜质量或数量差，也可能出现角裂。内层与过孔桶的分离也可能是由于未清理的钻孔留下的碎片或污迹，但也可能来自与较大钻孔和较厚板相关的应力。板片进行热应力测试，其中可能包括根据板的潜在现场条件进行冷却循环，以检测和补救钻孔/电镀过程中的缺陷。
分层,从视觉上看，分层表现为由于热量和水分含量的结合而分离的材料的萌芽或起泡。防止分层需要从材料和外壳两方面考虑。最常用来评估层压材料耐久性的两个指标是热分解温度和分层时间。当层板由于物理损失而质量减少5%时，就会出现分解温度，但在达到这一温度之前，层板会经历广泛的损伤。与此同时，由于恒定的热负荷，分层时间评估失效。
导电阳极丝(CAF) -电流从阳极流向阴极，随着时间的推移，由于电迁移的影响，材料倾向于沿着玻璃纤维编织的流动方向延伸。这些灯丝生长导致电阻损失，最终产生短路。就像分层一样，温度和水分含量是驱动因素，但两极之间更大的潜力也是一个因素。从成本效益和易于实现的角度来看，防止CAF的最佳方法是尽量减少高偏置引脚(如电源和接地)之间的邻接，并最大限度地扩大它们之间的物理间隙。