國內(nèi)印制電路板產(chǎn)品失效現(xiàn)狀與改進(jìn)

何 驍 周 波 沈江華 賀光輝

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370）

0 引言

印制電路板（printed circuit board，PCB）在整個(gè)電子信息產(chǎn)業(yè)鏈中起著“承上啟下”的作用，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、通信設(shè)備、汽車電子、工控設(shè)備、醫(yī)療電子、航空航天和軍工等各個(gè)行業(yè)。凡是有電路或電氣控制的設(shè)備或產(chǎn)品都會(huì)用到PCB，各種電子元器件只有通過PCB 實(shí)現(xiàn)互連互通才能實(shí)現(xiàn)其功能。PCB 的質(zhì)量狀態(tài)直接影響到電子整機(jī)或系統(tǒng)產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，應(yīng)該引起電子行業(yè)的高度重視。

在過去約40年歷史中，PCB 產(chǎn)業(yè)跟隨全球電子制造中心從美國轉(zhuǎn)移到日本，現(xiàn)階段已轉(zhuǎn)移到中國。自2016年以來，中國PCB 產(chǎn)值規(guī)模在全球的比重始終保持在50%以上，2021年中國PCB 行業(yè)產(chǎn)值達(dá)到570 億美元（其中中國大陸本土制造商占約340 億美元），產(chǎn)值規(guī)模占比提升至接近60%［1-2］。隨著國內(nèi)5G 通信、新能源（汽車、光伏、風(fēng)電等）、大數(shù)據(jù)、集成電路、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等下游行業(yè)的快速成長，以及產(chǎn)業(yè)鏈配套、綜合成本等優(yōu)勢(shì)，國內(nèi)PCB 行業(yè)市場前景十分廣闊，預(yù)計(jì)市場規(guī)模在全球占比將進(jìn)一步提升，中國作為全球最重要PCB 生產(chǎn)基地，未來將繼續(xù)保持行業(yè)制造中心地位。但是國內(nèi)PCB 行業(yè)處于“大而不強(qiáng)”的狀態(tài)，整個(gè)行業(yè)低水平重復(fù)競爭較為激烈，一定程度上影響了行業(yè)的良性發(fā)展和國際競爭力。與國外相比，在高端PCB 制造技術(shù)方面還存在一定差距，特別在工藝路線穩(wěn)定性和產(chǎn)品可靠性、一致性等方面有較大提升空間［3-4］。

本文收集了本實(shí)驗(yàn)室近年來承接的國內(nèi)PCB制造商及相關(guān)用戶委托的781 個(gè)失效案例（未包含由元器件內(nèi)部功能異常引起的板卡失效案例），從板卡失效因素分布、PCB 失效模式總體分布、不同排名PCB企業(yè)失效情況、軍/民用PCB失效模式分布和失效原因分類等方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，展示了我國PCB 行業(yè)的失效問題現(xiàn)狀，并從如何促進(jìn)我國PCB 行業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量水平方面提出了改進(jìn)建議。

1 板卡失效因素分布

板卡是指已經(jīng)完成元器件組裝的PCB，簡稱印制電路組件（printed circuit board assembly，PCBA）。對(duì)引起板卡失效的因素按照PCB 焊點(diǎn)虛焊或開裂（由焊接工藝本身異常引起）、焊點(diǎn)開裂（由過應(yīng)力或疲勞等應(yīng)用環(huán)節(jié)引起）、焊點(diǎn)腐蝕或遷移或離子殘留和其他這5 個(gè)方面對(duì)失效案例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖1所示。由圖可知，由PCB 自身失效導(dǎo)致板卡失效的案例占比51%（399 個(gè)），達(dá)到一半以上，超過PCBA 本身制程缺陷引起的焊點(diǎn)虛焊或開裂和焊點(diǎn)腐蝕、遷移或離子殘留（分別占比18%、9%，合計(jì)占比27%）、應(yīng)用過程由過應(yīng)力或疲勞引起的焊點(diǎn)開裂失效（占比12%）和其他類失效10%的總和，PCB 自身質(zhì)量異常已成為引起PCBA失效的最主要原因。

圖1 PCBA失效因素分布

2 PCB失效模式總體分布

對(duì)PCB 自身失效案例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，列出12項(xiàng)失效模式類型，如圖2所示。由圖可知，前4大失效模式依次為導(dǎo)通失效（26.6%）、可焊性不良（22.3%）、分層爆板（17.5%）和絕緣失效（15.3%），合計(jì)占比為81.7%；第5 大失效模式燒板和第6 大失效模式焊接強(qiáng)度不足分別占比5.3%和4.2%；涂/鍍層異常、板面異色、PCB 翹曲、剝離強(qiáng)度不足、鍵合不良等其他類型的失效模式合計(jì)占比為8.8%。進(jìn)一步對(duì)2019—2021年度中每年的PCB 失效案例數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并按其失效模式類型進(jìn)行分析，如圖3所示。由圖可知，2019、2020 和2021年的失效案例數(shù)分別為96、123 和140個(gè)，呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)；導(dǎo)通失效、可焊性不良、爆板分層和絕緣失效4 種失效模式合計(jì)占比連續(xù)3年都在80%以上；導(dǎo)通失效連續(xù)3年都為年度占比最高的失效模式，年度占比最高達(dá)到31%；可焊性不良、爆板分層和絕緣失效3種失效模式年度占比排名略有差異，但連續(xù)3年都位于第2～4 名。說明導(dǎo)通失效、可焊性不良、分層爆板和絕緣失效是國內(nèi)PCB 行業(yè)最為常見的4 大失效模式，也是亟待改善的質(zhì)量和可靠性問題。

圖2 PCB各類失效模式總體分布

圖3 2019年—2021年P(guān)CB失效模式分布

針對(duì)失效模式占比最高的導(dǎo)通失效，進(jìn)一步根據(jù)導(dǎo)通互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)分，發(fā)現(xiàn)孔銅開路、內(nèi)層互連開路和導(dǎo)線開路占比分別為69%、21%和10%，孔銅開路的失效比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于另外2 種類型，這說明PCB 的通孔、盲孔或埋孔是導(dǎo)通互連質(zhì)量的薄弱環(huán)節(jié)，需重點(diǎn)關(guān)注，如圖4所示。針對(duì)第2 大失效模式可焊性不良，按表面處理工藝進(jìn)行細(xì)分，發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)焊料整平（hot air solder leveling，HASL）、 化 學(xué) 鍍 鎳/浸 金（nickel/immersion gold，ENIG）和有機(jī)可焊性保護(hù)膜（organic solderability preservative，OSP）引 起的可焊性不良分別占比38%、37%和7%，通孔可焊性不良占比11%，其他類型合計(jì)占比7%。說明HASL 和ENIG 處理2 類是最易出現(xiàn)PCB 可焊性不良的問題，這可能與HASL 處理鍍層厚度不均及合金化（圖5）、ENIG 中鎳層易氧化或腐蝕（圖6）有關(guān)，PCB 企業(yè)應(yīng)對(duì)相關(guān)制程進(jìn)行重點(diǎn)管控。

圖4 PCB孔銅開路典型案例

圖5 HASL工藝合金化引起可焊性不良的典型案例

圖6 ENIG工藝中鎳層腐蝕的典型案例

3 不同排名PCB企業(yè)失效情況

對(duì)PCB 自身失效案例中PCB 制造廠家信息進(jìn)行梳理，按照中國電子電路行業(yè)協(xié)會(huì)（china printed circuit association，CPCA）發(fā)布的《第二十屆（2020）中國電子電路行業(yè)之綜合PCB 前100家企業(yè)》中企業(yè)排名情況，對(duì)位于不同排名的內(nèi)資PCB企業(yè)送檢失效案例的數(shù)量分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖7所示。由圖可知，排名1～25、26～50、51～75、76～100 的PCB 企業(yè)失效案例數(shù)量占比分別為17%、10%、14%和7%，排前100 名的企業(yè)累計(jì)數(shù)量占比為48%，說明PCB 產(chǎn)品失效在大中型企業(yè)也是較突出的問題。由于前100 名企業(yè)包含了國內(nèi)的主要PCB 上市公司，在規(guī)模、管理和技術(shù)體系等方面相對(duì)更為完善，且代表國內(nèi)PCB制造技術(shù)水平，相關(guān)失效的發(fā)生會(huì)直接影響著客戶的滿意度和企業(yè)的口碑，需特別予以關(guān)注。

圖7 不同排名PCB企業(yè)失效案例數(shù)量占比分布

對(duì)排前100 名內(nèi)資PCB 企業(yè)發(fā)生的失效案例按照其失效模式類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，前4大失效模式依次為可焊性不良（27.6%）、導(dǎo)通不良（24.3%）、分層爆板（14.8%）和絕緣失效（8.9%），合計(jì)占比為75.6%。這與PCB 行業(yè)前4 大失效模式一致（圖2），說明大中型企業(yè)PCB 產(chǎn)品面臨的質(zhì)量問題與國內(nèi)整個(gè)行業(yè)情況類似。

圖8 排前100名PCB企業(yè)各類失效模式分布

4 軍/民用PCB失效模式分布

2019—2022年，軍用PCB 質(zhì)量問題引起整機(jī)裝備失效的案例呈逐年增長的趨勢(shì)。原因?yàn)檠b備的質(zhì)量與可靠性要求不斷提高，更容易激發(fā)出相關(guān)問題；另一方面與對(duì)PCB 質(zhì)量管理總體重視程度不夠有關(guān)。部分整機(jī)單位甚至把PCB 當(dāng)做“零部件”而非關(guān)鍵元器件管理，沒有建立類似于元器件從選型、篩選、破壞性物理分析（destructive physical analysis，DPA）到失效分析的全套閉環(huán)質(zhì)量管理流程。對(duì)軍用PCB 失效案例按照其失效模式類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖9所示。由圖可知，軍用PCB 導(dǎo)通失效模式占比49%，接近一半，遠(yuǎn)高于其他失效模式，緊隨其后的是分層爆板（12%）、燒板失效（11%）、可焊性不良（9%）和絕緣失效（9%），這5 大失效模式為軍用PCB的主要缺陷問題，約占90%；其次是翹曲失效（3%）、異色（3%）等失效模式。

圖9 軍用PCB失效模式分布

對(duì)民用PCB 失效案例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖10所示。由圖可知，民品PCB 的前4 大失效模式依次為可焊性不良（25%）、導(dǎo)通失效（22%）、分層爆板（19%）和絕緣失效（17%），占總失效案例數(shù)量的83%；其次是焊接強(qiáng)度不足（5%）、燒板（4%）、涂/鍍層異常（3%）、異色（2%）等失效模式。

圖10 民用PCB失效模式分布

對(duì)比軍用PCB 和民用PCB 的失效模式分布可以看到，導(dǎo)通失效和可焊性不良都是PCB 最為突出的問題。原因?yàn)檐娪肞CB 應(yīng)用環(huán)境更為嚴(yán)苛，在經(jīng)過例如溫度沖擊、濕熱循環(huán)、振動(dòng)沖擊、高低溫工作/貯存等一系列實(shí)驗(yàn)室模擬或?qū)嶋H應(yīng)用條件后，PCB 的線路、孔銅、內(nèi)層互連界面等容易產(chǎn)生更大的溫變、機(jī)械和疲勞等應(yīng)力，造成導(dǎo)通網(wǎng)絡(luò)發(fā)生開路失效。另一方面與軍/民PCB 質(zhì)量檢測手段差異也有關(guān)，民用PCB 貼件后普遍采用的自動(dòng)光學(xué)檢測（automated optical inspection，AOI）檢測手段，更易在服役應(yīng)用階段之前就發(fā)現(xiàn)外觀可焊性不良的問題（即便尚未造成功能異常）。軍用PCB 板大多數(shù)質(zhì)量問題都是板卡功能異常后的逆向分析發(fā)現(xiàn)，直接引起功能異常的失效模式（如導(dǎo)通失效、分層、燒板等）更容易被送檢分析。

5 失效原因分類

對(duì)引起PCB 失效的原因按照設(shè)計(jì)、物料、制程、應(yīng)用等幾大方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖11所示。由圖可知，企業(yè)的生產(chǎn)制程缺陷是造成PCB 失效的最主要原因，占比達(dá)69%；其次是上游供貨的覆銅板、銅箔等材料缺陷，占比17%；環(huán)境因素影響和過應(yīng)力導(dǎo)致的失效占比10%，設(shè)計(jì)缺陷和兼容性問題（如助焊劑不匹配）導(dǎo)致的失效占比4%。

圖11 PCB失效原因分布

6 改進(jìn)建議

當(dāng)前，我國制造業(yè)向高質(zhì)量、高端、智能、綠色等方向發(fā)展。國內(nèi)PCB 產(chǎn)業(yè)作為電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，在PCB 整體規(guī)模擴(kuò)大的同時(shí)也非常有必要提升相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量和口碑，促進(jìn)我國從PCB 制造大國向PCB 制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變?；诮陙淼腜CB 質(zhì)量分析數(shù)據(jù)，結(jié)合與國內(nèi)代表性的終端廠商及PCB 制造商交流情況，有以下幾點(diǎn)改進(jìn)建議。

（1）PCB 的生產(chǎn)流程長、工藝復(fù)雜，普通多層板的生產(chǎn)制程涉及幾十道工序，涵蓋了從上游半固化片和覆銅板材料的開料到后續(xù)表面組裝（surface mounted technology，SMT）等電子裝聯(lián)后的組件級(jí)檢驗(yàn)，再到下游各類電子產(chǎn)品的上裝應(yīng)用。對(duì)于PCB 產(chǎn)品而言，從上游的材料，中間的元件加工和組件電子裝聯(lián)制程，到下游的系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境等，均會(huì)對(duì)其性能和質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，建議基于產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同開展PCB 精準(zhǔn)開發(fā)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)產(chǎn)品研發(fā)與上游材料、設(shè)備能力及終端需求的協(xié)同和實(shí)驗(yàn)室研制與車間工程化的協(xié)同，確保所開發(fā)產(chǎn)品能更好地滿足市場實(shí)際應(yīng)用。

（2）檢測分析技術(shù)已經(jīng)是越來越重要的一種研發(fā)手段，迅速、及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測分析是科研和生產(chǎn)的眼睛，可協(xié)助企業(yè)準(zhǔn)確控制工藝過程、探索材料和產(chǎn)品性能的關(guān)系、研究產(chǎn)品性能與外界條件的關(guān)系、確定材料或產(chǎn)品長期使用的可靠性等，極大提升企業(yè)研發(fā)和品控水平。希望行業(yè)內(nèi)相關(guān)專業(yè)機(jī)構(gòu)能增強(qiáng)面向高端PCB的質(zhì)量檢測、可靠性試驗(yàn)及失效分析服務(wù)能力的供給，如面向新能源發(fā)展的PCB 可靠性評(píng)價(jià)分析技術(shù)、6G 低軌衛(wèi)星應(yīng)用環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)、虛擬仿真驗(yàn)證技術(shù)、高速高頻測試技術(shù)、微納尺寸界面表征技術(shù)、高精度無損失效分析定位技術(shù)等。

（3）未來高密度化和高性能化成為PCB 技術(shù)發(fā)展的重要方向，多層板、撓性板和剛撓結(jié)合板、高 密 度 互 連（high density interconnector，HDI）板、高速高頻板等高端產(chǎn)品的需求日益上升，將要求PCB 面積更小、孔徑更小、布線寬度更窄、層數(shù)更高，可承擔(dān)更復(fù)雜的功能。為了適應(yīng)和滿足這些發(fā)展的需要，除了PCB 制造企業(yè)需提升自己的技術(shù)水平之外，產(chǎn)業(yè)鏈配套的材料、軟件、設(shè)備等方面技術(shù)也需不斷提高。因此，有必要系統(tǒng)梳理目前產(chǎn)業(yè)鏈在制程、材料與設(shè)備等方面的主要技術(shù)缺口，加大產(chǎn)學(xué)研合作力度，解決行業(yè)內(nèi)重大關(guān)鍵性、基礎(chǔ)性和共性技術(shù)問題；同時(shí)，需要加快開展面向用戶應(yīng)用的質(zhì)量一致性、加工工藝、可靠性等方面驗(yàn)證數(shù)據(jù)積累，在用戶產(chǎn)品的實(shí)際使用環(huán)境或接近實(shí)際使用環(huán)境下開展一系列試驗(yàn)、分析、評(píng)估和綜合評(píng)價(jià)等工作，快速提升產(chǎn)品成熟度。

（4）為應(yīng)對(duì)不斷上漲的人力成本壓力，以及客戶在品質(zhì)、交期、服務(wù)等方面更高的要求，PCB 行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作迫在眉睫。建議國內(nèi)PCB 行業(yè)加強(qiáng)智能制造的系統(tǒng)性規(guī)劃，集中行業(yè)上、中、下游資源開展智能制造共性技術(shù)研究，加速推動(dòng)自動(dòng)化向數(shù)字化技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)融合發(fā)展。

7 結(jié)語

本文針對(duì)近年來送檢到本實(shí)驗(yàn)室開展委托分析的數(shù)百個(gè)失效案例進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究，發(fā)現(xiàn)PCB自身質(zhì)量異常已成為引起PCBA 失效的最主要問題，且我國PCB 行業(yè)的失效案例數(shù)呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)；統(tǒng)計(jì)不同排名PCB 企業(yè)失效情況，發(fā)現(xiàn)排前100 名企業(yè)失效案例數(shù)量合計(jì)占比為48%，說明國內(nèi)大中型企業(yè)中PCB 產(chǎn)品失效也是一個(gè)較突出的問題。在PCB各類失效模式中，導(dǎo)通失效、可焊性不良、分層爆板和絕緣失效是常見的4 大失效模式，其中軍用PCB導(dǎo)通失效占比高達(dá)49%，民用PCB 可焊性不良和導(dǎo)通失效分別占比達(dá)25%和22%；在引起PCB 失效的原因中，生產(chǎn)制程缺陷是造成PCB 失效的最主要原因，占比達(dá)69%，需要行業(yè)予以關(guān)注。

為促進(jìn)國內(nèi)PCB 行業(yè)提質(zhì)增效，提高PCB 產(chǎn)業(yè)鏈的競爭力，本文還從產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同設(shè)計(jì)、檢測分析技術(shù)、產(chǎn)業(yè)鏈配套和智能制造等方面提出了改進(jìn)建議，為業(yè)內(nèi)提供一定的參考和借鑒。