硅导热材料对PCBA线路板腐蚀的研究分析

 

        PCB（Printed Circuit Board），中文名称为印制电路板，又称印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气相互连接的载体。PCBA是英文Printed Circuit Board Assembly 的简称，也就是说PCB空板经过SMT贴片或经过DIP插件的整个制程，简称PCBA。

 

由于在PCB/及PCBA在生产过程由各种可控不可控原因造成漏电、开路（线路、孔）、焊接不良、爆板分层等失效现象时常出现，容易引起供应商与终端客户间的质量责任纠纷，而通过对PCB及PCBA的失效现象进行失效分析，通过一系列仪器进行分析验证，找出失效原因，挖掘失效机理，对提高产品质量，改进生产工艺，具有非常重要的作用。

 

一辆汽车有多少芯片？如今，汽车由机械产品逐渐转化为电子产品，从锁车门到计算燃油效率，再到紧急制动、牵引力控制和自动泊车，都需要数字化技术的支持，而这一切都离不开车规级芯片。汽车内芯片的数量在不断增加，传统汽车需要约500-600颗，智能汽车需要的芯片则达到了约1000-2000颗。

消费电子芯片和车规芯片的设计考虑重点有很大不同，导致工艺制程也有很大不同。

两者的侧重点有所不同
 

手机芯片：天下武功唯快不破

不管是手机，平板电脑，机顶盒还是智能穿戴设备消费电子芯片，在研发阶段都会考虑性能，功耗和成本等三个方面维度。

智能机时代芯片性能强与弱成为了评价一个型号优劣的重要标准，不管是开黑王者荣耀，还是吃鸡和平精英都可以用更强的CPU芯片来带来极致游戏感受。以高通骁龙865芯片为例，采用1*Cortex-A77（2.84GHz）+3*Cortex A77（2.42GHz ）+4*Cortex-A55（1.8GHz ）的架构，NPU可以实现15万亿次/秒的运算能：ISP速度达到了20亿像素/秒的处理速度，可以支持2亿像素摄像头。

一块芯片上数十亿个晶体管在高频工作时，会产生大量的动态功耗、短路功耗和漏电功耗，如果不加以控制，不仅会出现计算错误的结果，甚至可以把电路中某些环节会融合到一起而使得芯片无法修复。所以消费电子除了追求性能外，还要兼顾功耗问题，不然很容易出现机身烫手、待机时间减少、使用体验下降等问题。

不同芯片的性能排行榜

汽车芯片：稳定压倒一切

汽车芯片因其交通工具的特殊性而十分注重可靠性，安全性及长效性！

为何首推可靠性？由于车规芯片的特点：

一、是车辆运行环境恶劣

发动机舱内温度区间为-40°C~150°C，所以车辆芯片要满足这一较大温度运行区间，消费芯片仅要满足0°C~70°C的运行环境。加之车辆行进时会遇到较多振动与冲击，且车内环境湿度大，粉尘大，侵蚀大等问题远超消费芯片所需。

二、汽车产品的设计寿命更长

手机的生命周期在3年，最多不超过5年，而汽车设计寿命普遍都在 15 年或 20 万 公里左右，远大于消费电子产品寿命要求。因此，汽车芯片的产品生命周期要求在15年以上，而供货周期可能长达30年。

在这样的情况下，如何保持芯片的一致性、可靠性，是车规芯片首先要考虑的问题。

并且，安全在汽车芯片中还显得格外重要

汽车芯片的安全主要由功能安全与信息安全两个方面组成。

手机芯片死掉可以停机重新启动，但一旦汽车芯片宕机就有可能引发严重安全事故，这对于消费者而言根本无从谈起。因此，在汽车芯片设计时，首先要将功能安全放在架构设计之初就成为车规芯片中极为重要的组成部分，采用独立的安全岛的设计，在关键模块、计算模块、总线、内存等等都有ECC、CRC的数据校验，包括整个生产过程都采用车规芯片的工艺，以确保车规芯片的功能安全。

 

随着车联网技术的推广，信息安全变得越来越重要，汽车作为实时在线设备，其与网络的沟通包括与车内车载网络沟通，都要加密数据，不然就有可能被黑客入侵。因此有必要预先将高性能加密校验模块嵌入到芯片内部。针对功能安全，国际组织IEC发布了IEC 61508标准，并衍生出了一系列适用不同行业的功能安全标准，如下图：

 

最后，汽车芯片设计还要考虑长效性

手机芯片的发展基本遵循摩尔定律，每年都会发布新一代芯片，每年都有新旗舰机的上市，基本上一款芯片能满足两三年内的软件系统性能需求即可。但汽车开发周期较长，新车型从研发到上市验证需要至少两年的时间，意味着汽车芯片设计必须具有前瞻性，能够满足顾客今后3~5年内的一种前瞻性需求。此外，随着当前汽车中软件数量的不断增加，从芯片开发角度看，不仅需要支持多个操作系统，而且还需要支持软件中不断迭代的要求。

所以车规级芯片表现出产业化周期长、供应体系阈值高等特点。进入汽车电子主流供应链体系需满足多项基本要求：满足北美汽车产业所推出的AEC-Q100(IC)、101(离散元件)、200 (被动零件)可靠度标准；遵从汽车电子、软件功能安全国际标准ISO 26262；符合ISO 21448预期功能安全，覆盖基于非系统失效导致的安全隐患；符合ISO21434网络安全要求，合理保证车辆及系统网络安全；满足零失效供应链品质管理准则IATF 16949标准。基本上一个芯片车规级认证一般需要3-5年的时间，这对于芯片厂商来说是巨大的技术成本，生产成本和时间成本考验。Mobileye 用了整整8年才获得第一张车企订单，英伟达当前主力芯片Xavier的研发耗资达 20 亿美元。

 

两者使用的工艺制程不同
 

芯片制作时，减小芯片内部电路间距离能将较少晶体管塞到较少芯片上，使其运算性能较强，同时也能带来降低功耗。所以从早期微米到晚期纳米芯片对制程工艺大小十分重视。然而制程不可能无限地收缩，电晶体收缩至约20纳米时会遭遇量子物理上的困扰，晶体管漏电，抵消了收缩栅极长度所带来的好处。为了解决这个问题，加州大学伯克利分校的胡正明教授发明了鳍式场效应晶体管（FinFET）大幅改善电路控制并减少漏电流。

 

传统车用芯片的制备，因汽车自身空间大，集成度要求不如手机这种消费电子迫切。加之车用芯片以发电机，底盘，安全和车灯控制等为核心的低算力领域使得汽车芯片并没有象消费电子芯片那样狂热地追逐高级制程工艺，而是倾向于优先选择成熟的制程工艺。不过随着汽车智能化的发展，更高级别的自动驾驶对高算力的急迫需求，将推动着汽车算力平台制程向7纳米及以下延伸。

 

 

从整体上看，中国芯片产业起步晚、基础差，在车规级研发与量产应用过程中也面临着很多限制。国外芯片巨头依然占领中国本土车用半导体芯片市场国内公司技术积累，资金和人才都不能和国际巨头竞争大环境，中国汽车芯片产业要想取得突破并走向强盛，不是一蹴而就的，必须立足于现在，按照行业发展客观规律办事，谨防毕其功于一役投机思维，防止出现投资过热、盲目低水平重复建设等问题，抓住智能网联与新能源的发展契机，才有可能由单点突破向生态突围转变。

导热界面材料（TIM）广泛应用于工业、汽车和消费电子行业的电子元件散热。目前，绝大多数TIM材料都是有机硅树脂体系，因为有机硅聚合物具有优异的化学稳定性，物理特性随温度变化不明显，例如粘度，模量等。这使得它们特别适合应用在运行中由于高功率或功率波动导致显著温度变化的场景中。然而随着应用场景多元化，有机硅TIM材料的一个普遍风险也日渐突出，那就是有机硅油迁移问题，即挥发和渗油，会对电子元件造成一定危害，导致电子产品性能受到严重影响，产生“内伤“而不易被发现。

在导热材料中，导热垫片主要是以有机硅材料为基体的复合材料，这类材料应用非常广泛。但是随着应用的多元化，有机硅体系的导热垫片一个普遍的风险慢慢地被关注，那就是挥发和渗油的问题。

 

目前导热硅胶片等导热材料大都是以硅胶为基体填充导热粉体制成，其优点是成本较低，导热良好，具有较好的柔软性，耐200°高温，其缺点就是长期高温下应用有硅油析出，硅氧烷挥发。

有机硅低分子挥发和渗油的危害:

●安防监控和摄像设备- 挥发的有机硅成分会凝结在镜面上，污染镜头，影响图像清晰度；

● 光学器件- 挥发出的有机硅凝结后影响器件透光率；

● 微型马达-引起线圈铜线的腐蚀；

● 硬盘（HDD）- 渗出的硅油吸附粉尘，造成损伤读取磁头，损伤记录膜，不能正确读写数据；

● 未聚合的硅氧烷，渗出的硅氧烷随着时间迁移到电路板上，吸附灰尘，可能造成短路；

● 挥发的硅氧烷在极端条件下，将会形成二氧化硅的绝缘层，造成接触失效。