大研智造 电子行业PCB失效现状：改进措施与激光焊锡技术（上）

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印制电路板（printed circuit board，PCB）在电子信息产业链中扮演着至关重要的角色，其应用遍及消费电子、通信设备、汽车电子、工控设备、医疗电子、航空航天和军工等多个领域。所有带有电路或电气控制的设备或产品都依赖于PCB来实现元器件间的互连互通，从而发挥其功能。因此，PCB的质量直接关系到电子整机或系统产品的质量和可靠性，对电子行业至关重要。

过去约40年中，PCB产业经历了从美国到日本，再到中国的转移。自2016年以来，中国PCB产值规模在全球的占比始终保持在50%以上，2021年更是达到了570亿美元，其中中国大陆本土制造商约占340亿美元，产值规模占比提升至近60%。随着国内5G通信、新能源（汽车、光伏、风电等）、大数据、集成电路、人工智能、物联网等下游行业的快速发展，以及产业链配套和综合成本的优势，国内PCB行业市场前景广阔，预计全球市场份额将进一步提升。中国作为全球最重要的PCB生产基地，未来将继续保持行业制造中心地位。然而，国内PCB行业虽“大”，却“不强”，行业内低水平重复竞争激烈，影响了行业的良性发展和国际竞争力。与国外相比，在高端PCB制造技术方面还存在差距，特别是在工艺路线稳定性和产品可靠性、一致性等方面有较大的提升空间。

1 板卡失效因素分布

板卡，即完成元器件组装的PCB，简称印制电路组件（printed circuit board assembly，PCBA）。对引起板卡失效的因素进行统计分析，如图1所示，发现PCB自身失效导致板卡失效的案例占比51%，超过PCBA本身制程缺陷引起的焊点虚焊（由焊接工艺本身异常引起）或开裂（由过应力或疲劳等应用环节引起）和焊点腐蚀、迁移或离子残留（分别占比18%、9%，合计占比27%）、应用过程由过应力或疲劳引起的焊点开裂失效（占比12%）和其他类失效10%的总和。PCB自身质量异常已成为引起PCBA失效的最主要原因。

图1  PCBA失效因素分布

2  PCB失效模式总体分布

图2  PCB各类失效模式总体分布

对PCB自身失效案例进行统计分析，列出12项失效模式类型，如上图图2所示。前4大失效模式依次为导通失效（26.6%）、可焊性不良（22.3%）、分层爆板（17.5%）和绝缘失效（15.3%），合计占比为81.7%。第5大失效模式烧板和第6大失效模式焊接强度不足分别占比5.3%和4.2%；涂/镀层异常、板面异色、PCB翘曲、剥离强度不足、键合不良等其他类型的失效模式合计占比为8.8%。进一步对2019—2021年度中每年的PCB失效案例数量进行统计，如图3所示，并按其失效模式类型进行分析，发现失效案例数分别为96、123和140个，呈现逐年增加的趋势；导通失效、可焊性不良、爆板分层和绝缘失效4种失效模式合计占比连续3年都在80%以上；导通失效连续3年都为年度占比最高的失效模式，年度占比最高达到31%；可焊性不良、爆板分层和绝缘失效3种失效模式年度占比排名略有差异，但连续3年都位于第2~4名。导通失效、可焊性不良、分层爆板和绝缘失效成为国内PCB行业最为常见的4大失效模式，也是亟待改善的质量和可靠性问题。

图3  2019年—2021年PCB失效模式分布

针对失效模式占比最高的导通失效，进一步根据导通互连结构进行细分，发现孔铜开路、内层互连开路和导线开路占比分别为69%、21%和10%，孔铜开路的失效比例远远高于另外2种类型，这说明PCB的通孔、盲孔或埋孔是导通互连质量的薄弱环节，需重点关注，如下图图4所示。针对第2大失效模式可焊性不良，按表面处理工艺进行细分，发现热风焊料整平（hot air solder leveling，HASL）、化学镀镍/浸金（nickel/immersion gold，ENIG）和有机可焊性保护膜（organic solderability preservative，OSP）引起的可焊性不良分别占比38%、37%和7%，通孔可焊性不良占比11%，其他类型合计占比7%。说明HASL和ENIG处理2类是最易出现PCB可焊性不良的问题，这可能与HASL处理镀层厚度不均及合金化（图5）、ENIG中镍层易氧化或腐蚀（图6）有关，PCB企业应对相关制程进行重点管控。

图4   PCB 孔铜开路典型案例

图5  HASL 工艺合金化引起可焊性不良的典型案例

图6   ENIG 工艺中镍层腐蚀的典型案例

3  不同排名PCB企业失效情况

对PCB自身失效案例中PCB制造厂家信息进行梳理，按照中国电子电路行业协会（China Printed Circuit Association，CPCA）发布的《第二十届（2020）中国电子电路行业之综合PCB前100家企业》中企业排名情况，对位于不同排名的内资PCB企业送检失效案例的数量分布进行统计，结果如图7所示。排名1~25、26~50、51~75、76~100的PCB企业失效案例数量占比分别为17%、10%、14%和7%，排前100名的企业累计数量占比为48%，说明PCB产品失效在大中型企业也是较突出的问题。由于前100名企业包含了国内的主要PCB上市公司，在规模、管理和技术体系等方面相对更为完善，且代表国内PCB制造技术水平，相关失效的发生会直接影响着客户的满意度和企业的口碑，需特别予以关注。

图7 不同排名PCB企业失效案例数量占比分布

对排前100名内资PCB企业发生的失效案例按照其失效模式类型进行统计分析，结果如图8所示。前4大失效模式依次为可焊性不良（27.6%）、导通不良（24.3%）、分层爆板（14.8%）和绝缘失效（8.9%），合计占比为75.6%。这与PCB行业前4大失效模式一致（图2），说明大中型企业PCB产品面临的质量问题与国内整个行业情况类似。

图8  排前100名PCB企业各类失效模式分布

4  军/民用PCB失效模式分布

2019—2022年，军用PCB质量问题引起整机装备失效的案例呈逐年增长的趋势。原因为装备的质量与可靠性要求不断提高，更容易激发出相关问题；另一方面与对PCB质量管理总体重视程度不够有关。部分整机单位甚至把PCB当做“零部件”而非关键元器件管理，没有建立类似于元器件从选型、筛选、破坏性物理分析（Destructive Physical Analysis，DPA）到失效分析的全套闭环质量管理流程。对军用PCB失效案例按照其失效模式类型进行统计分析，结果如图9所示。军用PCB导通失效模式占比49%，接近一半，远高于其他失效模式，紧随其后的是分层爆板（12%）、烧板失效（11%）、可焊性不良（9%）和绝缘失效（9%），这5大失效模式为军用PCB的主要缺陷问题，约占90%；其次是翘曲失效（3%）、异色（3%）等失效模式。

图9  军用PCB失效模式分布

对民用PCB失效案例进行统计分析，结果如图10所示。民品PCB的前4大失效模式依次为可焊性不良（25%）、导通失效（22%）、分层爆板（19%）和绝缘失效（17%），占总失效案例数量的83%；其次是焊接强度不足（5%）、烧板（4%）、涂/镀层异常（3%）、异色（2%）等失效模式。

图10  民用PCB失效模式分布

对比军用PCB和民用PCB的失效模式分布可以看到，导通失效和可焊性不良都是PCB最为突出的问题。原因为军用PCB应用环境更为严苛，在经过例如温度冲击、湿热循环、振动冲击、高低温工作/贮存等一系列实验室模拟或实际应用条件后，PCB的线路、孔铜、内层互连界面等容易产生更大的温变、机械和疲劳等应力，造成导通网络发生开路失效。另一方面与军/民PCB质量检测手段差异也有关，民用PCB贴件后普遍采用的自动光学检测（Automated Optical Inspection，AOI）检测手段，更易在服役应用阶段之前就发现外观可焊性不良的问题（即便尚未造成功能异常）。军用PCB板大多数质量问题都是板卡功能异常后的逆向分析发现，直接引起功能异常的失效模式（如导通失效、分层、烧板等）更容易被送检分析。

（未完，接下篇）

审核编辑 黄宇