PCB中如何防止热循环失效故障

每个电子设备都有额定寿命，但是由于机械冲击，热冲击和振动，仍可能会发生过早故障。热循环只是振动的热模拟-反复的机械应力作用于PCB中的结构，导致疲劳和故障。反复进行热循环后，温度升高和体积膨胀的后期会导致机械故障。

热循环电阻不是可以测量的特定物理性质。取而代之的是，它只是指电子设备承受热循环的能力。组件必须遵守其绝对的最高温度额定值，但是反复的热循环会导致两种PCB结构（焊料和过孔）出现故障。让我们看一下这些结构中的每一个如何产生热故障，以及如何防止热故障。

通孔是一种结构，在反复的热循环下容易出现疲劳破坏和断裂。尽管这些结构在极端温度下容易断裂，但如何防止热循环失效是通孔的机械设计。正确的基材材料的选择还有助于提高热可靠性。这些点适用于HDI板中的高长宽比过孔和盲孔/埋孔。

就像焊球可靠性一样，由于铜和基板的CTE值不匹配，也会导致热循环失效。FR4是各向异性材料，垂直于板表面的CTE值为〜70 ppm /°C；请注意，这与沿表面的CTE值（〜13 ppm /°C）不同。为了进行比较，铜的CTE值为〜16 ppm /°C。这意味着，当板加热到高温时，应力主要沿着通孔的轴线承受，如下图所示。

由于基板的热膨胀而在通孔上施加力

上图显示了在镀通孔上的作用力，但对于盲孔或埋入式微孔也可以绘制类似的示意图。该应力的影响取决于通孔的几何形状，尤其取决于通孔的纵横比和结构。应力集中的位置还取决于通孔沉积和电镀方法，这涉及从溶液中沉积。

盲孔和埋孔微孔

盲孔在通孔的颈部附近的镀层稍薄。这是表层上盲孔的主要断裂点，扩展的基板在该处向上顶住通孔的颈部。堆叠的盲孔和掩埋微孔在堆叠的界面处容易断裂。换句话说，掩埋通孔的颈部区域可以与其上方的通孔底部分开，从而产生高电阻连接或开路。

IPC最近发布了将被纳入IPC 6012E标准的可靠性警告，并且在制造过程中必须评估盲孔和埋孔的可靠性问题。为确保制造过程中的可靠性，IPC-TM-650（方法2.6.27）中的标准测试方法要求测试试样应经受正常的锡膏回流焊，以使其达到230°C或260°C的峰值温度。 C连接至4线电阻探头时，可获得六个完整的回流曲线。只要在此重复的回流曲线期间电阻增加不超过5％，就可以认为该板具有足够的热循环电阻才能投入使用。

高长宽比通孔

当在制造过程中沉积典型的通孔或掩埋的电镀通孔时，电镀液会发生毛细作用。当将板浸入电镀液中并且铜开始沿过孔壁沉积时，表面张力会影响如何将电镀液吸入通孔中。如果在沉积过程中未充分搅拌和搅动电镀液，则由于形成弯液面，铜前驱体在通孔桶中心附近消耗得更快。

这导致通孔桶的中心区域的电镀层比通孔颈部的电镀层薄。如果通孔的纵横比较大，则通孔内部的铜涂层将更薄。一旦基板在高温下膨胀，通孔的中心将承受更大的应力集中，并且更容易破裂。

这里有三种可能的解决方案，涉及设计和制造：

使用宽高比较小的通孔。对于更长的通孔，这仅意味着增大通孔直径。

使用CTE值接近铜的PCB基板。对于某些设计，例如需要低损耗层压板的高速设计，您可能需要折衷其他基板材料的性能以降低CTE值。

确保您的制造商在搅拌下使用粘度较低的镀液，以在通孔桶和颈部中更均匀地沉积铜镀层。

焊接可靠性

就像振动疲劳会在焊球中产生机械故障一样，热循环也会如此。当焊点的温度升高到很高的水平时，焊锡的膨胀速率比基材低，但所涉及的力很难预测。焊球中的应力集中更容易预测，并且有限元方法（FEM）模型显示应力集中在焊球的顶部和底部附近，从而导致断裂。

只要焊点足够牢固且具有延展性，该焊点就能够承受反复的热循环。这意味着制造商需要解决任何可能影响焊点强度和延展性的因素。这些包括腐蚀，润湿不足，焊锡不足以及只能由制造商解决的其他因素。在准备进行制造设计时，请确保制造商了解电路板上的热环境，以防止在反复热循环下焊点失效。
编辑：hfy