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可靠性要从底层做起
  2021-04-06      115

专栏作者:Eric CamdenFORESITE公司

伙计们,请看看这个专栏标题,这是可靠性专题,我最开始希望的专栏标题是“寻找既能吃掉你想要的所有披萨又不会增加体重的办法”,这就是可靠性在电子制造中的作用。

对于阅读我的专栏的新读者来说,可能对我不太熟悉,我先简单做个自我介绍,我在一家独立的电子实验室工作,负责电子组装件的故障根源分析和产品鉴定。分析对象包括进入电子制造工艺的所有零部件和材料。也就是说,我们是从常规的基础上对产品进行自始至终的监控,观察在在线测试中发现的有故障的电子产品,而这类产品在这个制造领域中已存在很多年了。

简单地说,在产品投入实际使用之前,对产品进行专门的可靠性测试的成本会便宜很多。如果是在产品发布后才发现有问题,你必须通过回溯来发现问题,确定在现场应用中发生的每一件事是否存在可能导致产品出故障并被召回的风险,然后,你还必须回过头去做一开始就应该做的测试。如果你考虑维修或更换产品,即使不考虑与召回有关的其他成本,比如与该客户继续未来业务合作的可能,召回的成本可能远高于项目本身的最初价值。对你的产品来说,最重要的因素可能和某些会决定人的生命的事情有关。

从各方面来看影响都非常糟糕、最典型的产品召回例子就是日本高田公司汽车安全气囊事件。尽管该事件和我们电子硬件领域的情况没有直接关系,但这个例子说明在发布产品前必须进行广泛的可靠性测试。与召回有关的最大损失当属人员伤亡,但从商业的角度看,高田公司在这一次召回中损失了超过240亿美元,并最终导致公司破产。如果用来控制披萨烤箱的PCBA坏了,风险要低得多(这个问题有待商榷),但是,最可能出现的问题可以在前面通过适当的可靠性测试来杜绝。

在本期专栏中,我计划与大家分享基于故障分析的一些测试建议,以及多年来通过案例分析和失效单元数据,从我们一些客户那里获得的经验教训。毫无疑问,我会非常关注清洁度以及它和可靠性之间的关系。

可靠性到底意味着什么?按照万能的互联网的解释,可靠性指的是“质量值得信赖或其表现自始至终都是良好的”。 在我看来,一个产品是否可靠,就像从5万英尺的高度向下看在地面上正在制造的产品,这就是对可靠性的总结。当我们越接近地面时,我们需要更具体地分析,把它归到要生产的产品类别。在大的Venn质量图中, 1类电子产品可靠性问题并不大;当它们离开工厂后很有可能正常工作。在很多情况下都是这样。

在考察2类和3类硬件时,需要关注的最重要问题肯定是可靠性。根据IPC-A-610,“2类专用服务电子产品包括需要持续工作且长寿命的产品,以及要求能够不间断地服务但不是关键服务的产品。在通常情况下,最终使用环境不会导致产品故障”,而“3类高性能电子产品包括能够持续高性能地工作或按需要性能工作,这是至关重要的,不允许设备停机,最终使用环境可能极其严酷,只要有需要,设备就必须运行,例如生命维持系统或其他的关键系统”。

这告诉我不是所有电子产品的可靠性都是一样的。归根结底,这两类电子产品的可靠性要求有一些细微的差别。除了一些高端的独特组件外,大部分零部件和组装工艺都能满足这两类产品的要求。这两类产品最大的差别在于,如果产品出现故障时会怎样。在某些情况下,这实际上是一个事关生死的问题。记住这一点非常重要。好消息是,大多数生产这类电子产品的公司对产品的可靠性测试都非常有把握,许多2类电子组件不需要做这些测试。

关于电子产品似是而非的讨论够多了;我们还是从可靠性问题开始吧。因为你需要知道空白电路板和元件都很稳定,不会过一段时间就给你带来一些意外情况,所以为你的工艺使用的零部件批准新的供应商是实现产品可靠性的关键。让我们先从空白电路板开始。当你开始讨论指南时,用户和供应商之间达成的任何协议都将主导其他来源的需求。

大多数公司都用《IPC-6012:刚性印刷电路板的合格性和性能规范》来替代内部指南。我们在考察专门针对PCB制造可适用的文件时,在TM-650中有23种测试方法、35个相关的文件,此外,还有18个电子行业协会和其他的行业协会联合发布的文件。对于那些需要这些文件的人来说,信息已经非常丰富,而且已经涵盖几乎所有可能的材料组合。

我绝不是建议你查阅每一份文件,但是它们都与PCB测试有关。如果你是从IPC-6012开始,你几乎可以做PCB测试领域的所有测试,但对于你新批准的供应商,并不是所有的测试都是需要的,甚至有些是不必要的。需要测试的一些参数包括电镀通孔(PTH)孔壁和焊盘的镀层厚度、阻焊膜固化、导电阳极玻纤丝(CAF)的电阻,以及清洁度等。现在,我们来看看要从这些测试中能得到什么,还有可靠性问题与这些测试的结果可能有什么关系。

我从PCB制造工艺的第一层开始。生产高质量的印刷电路板首先要从这里开始,而这之后的每一个步骤都会增加导致电路板失效的机会。在空白电路板制作工艺中使用CAF测试来确定制作过程中使用的导电化学物质是否会留在PCB的内部,这些残留物会产生电化学迁移。这与装满元件的PCBA上发现的树突生长是一样的。无论电化学迁移在哪里发生,只要有导电残留物、水分和电位差,电路板在运行时发生漏电和树突生长的风险就会增加。

CAF工况在很大程度上是由不良的树脂流动造成的,形成干织物,吸收电镀化学物质,造成阳极和阴极桥接。在TM-650 2.6.25中可以找到针对CAF的IPC测试。这是一种环境测试,通常是在你的PCB供应商制造的测试样品上进行,测试样品使用的材料与你计划在正常生产中使用的材料相同。测试电路板在有电偏压的情况下承受加热升温和提高湿度至少596小时。在图1和图2中,你可以看到干燥的织物促进CAF,这会使后续的所有加工步骤都失去意义。

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扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线光谱仪(EDS)是用来检查CAF的最佳分析工具。通过使用SEM及EDS,你可以确定材料的构成,把它和用于滚镀的基本金属进行比较。图3和图4是SEM和EDS的例子。如果它与之匹配,你就有CAF问题并且需要和你的PCB制造供应商一起优化工艺。

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在你努力优化空白电路板制造工艺时,你必须清楚哪些污染物会产生CAF。为此,你需要使用离子色谱法。它会精确地告诉你有哪些离子和浓度。这些结果可以与在电镀工艺中使用的化学方法相匹配,然后集中工艺优化,在大多数情况下可以进行得更快。表1中的IC数据说明有清洁度问题的电路板内层的典型离子含量,高水平的醋酸盐、硫酸盐和钠残留物。这些离子通常出现在电镀化学物质中,这说明最终的清洗不充分,无法把所有的电镀残留物完全清洗掉。

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在正常生产的PCB上也要使用离子色谱法来确定外表面的清洁度水平。如果用IC测试来进行工艺监测,为了得到基准数据,需要对电路板进行全局萃取。需要考虑在电镀通孔密集分布的地方、表面电镀焊盘和覆盖裸露阻焊膜的区域进行局部萃取,全面掌握每一步工艺的清洁程度。

需要检查的另一个关键参数是阻焊膜固化。如果正确固化阻焊膜,会呈现连续的光滑纹理,就像大理石板的表面那样。如果阻焊膜固化不足,表面是粗糙的,有凹槽和缝隙,就像英式松饼。松饼可以涂抹美味的黄油和果酱,而阻焊膜会留住助焊剂、用于清洗的化学物质以及其他加工残留物。

与阻焊膜固化有关的IPC测试方法是TM-650 2.3.23B和2.3.23.1A。这些测试是化学测试,它们把甲基氯或甲基氯仿滴在阻焊膜上,然后用木铲看是否会划伤阻焊膜。如果可以很容易把它划伤,就用紫外线或热暴露来做“凸点固化”,然后再重复测试。如果这么做阻焊膜还是没有受到影响,那么你可以回去找供应商,让他们调整他们的固化曲线。阻焊膜覆盖不均匀可能会把基本金属暴露在没有那么理想的环境下,而这本身就足以引起像腐蚀这样的问题(如图5)。有许多不同的专门用于空白电路板的测试,因此,把最终的应用环境、保修期和其他产品特定的细节纳入考量,确定哪种测试才是最适合你的产品,这是个好办法。

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许多用来电镀空白电路板的工艺也可以用于元件的引脚。这两种工艺使用的化学材料如果没有被完全清洗掉,可能会增加腐蚀的风险或引发与电化学迁移有关的问题。当这些化学材料找到进入芯片区域的途径时,这就会在元件上导致腐蚀和树突生长。当在注塑封或引脚框界面上存在小缝隙时,就很容易出现这种情况(图6和图7)。即使残留物没有进入芯片所在位置,它们也可能出现在引脚之间的封装主体的边缘上,进行电化学迁移(图8)。

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如果你使用的是免清洗组装工艺,你不可能依靠最终的组件清洗工艺把电路板上所有这些残留物清洗掉。这时你可以使用IC分析来确定元件清洗工艺的有效性。标准的袋式萃取会检测出在外表面上所有离子的上升水平。对于封装的内表面,Parr Bomb分析是一种加压萃取法,收集元件上可能存留的电镀残留物,这些残留物已经被吸收到元件塑封的材料中,直达引脚框。这种做法不会对元件造成任何物理损害。就像空白电路板,在焊接第一个零部件之前元件就把其自带固有的可靠性风险给带过来了。

现在你已经清楚这些未经过加工的零部件是如何影响你的可靠性的,让我们把所有这些零部件都放在一起。根据IPC J-STD-001第8章,你需要按照TM-650 2.6.3.7的方法在测试电路板上使用表SIR来验证组装工艺,来说明合同制造商加工推荐的材料组合到底有多好,以及温度和湿度上升对电阻有什么影响。这项测试是在验证组装工艺时需要做的最基本的测试。合同制造商需要通过这种测试产生可以作为工艺监控分析的客观证据。正如多数人目前所知道的,过去每平方厘米1.56克NaCl当量的可接受标准已经不再适用,这是有充分理由的。如果你想了解这个旧标准有什么问题和为什么要取消它,我建议你阅读《IPC-WP-019:全球离子清洁度要求变化概述》。(曾经使用这个旧标准的人的告诫:这是本就不应该有的标准。)

这是一家合同制造商如何生成客观证据并用它进行工艺监测的例子。如果一家企业需要验证新客户的一个产品,而且该计划需要监控已经批准的组装工艺,那么他们选择的测试样品是基于SMT元件和PTH元件混合组装的最能代表其最终产品的样品。然后,他们把最终产品要用到的材料和设备组合起来进行电路板组装。除了两块空白电路板的参考样品,几块组装好的测试电路板按照IPC的TM-650 2.6.3.7的要求进行测试。如果它们通过测试,就用离子色谱法对它们进行测试,确定样品上特定的阴离子、阳离子和WOA的平均水平,建立清洁度水平的基准数据。

接下来,他们制作一组20块实际产品的电路板样本。第一组10块电路板的测试使用离子色谱仪进行全局萃取。接着,在ROSE测试仪中测试第二组10块电路板。ROSE测试结果的平均值是用于相对偏移的可接受标准。请记住,从你的ROSE测试仪得到的结果数值可能与使用同制造商生产的同型号的其他机器得到的数值不一样。不管你得到的数值是每平方厘米1μg还是101μg 的NaCl当量都没有关系。该数值已经过其他测试的验证。一般情况下,每季度会做一次IC测试,作为进一步改进工艺控制的依据。把每季度的测试结果与基准值进行比较。

有些客户会在正常工作电压下进行提高温度和湿度的暴露测试进一步验证可接受标准。这种测试被称为温度-湿度偏压(THB)测试,与SIR测试类似。THB测试是在使用正常工作电压与占空比的实际产品上做的测试。因为尽管我们把测试样本作为性能的预测器,但在实际运作过程中很多情况都会变化,所以这是你需要做的最重要的测试之一。

在我们看到的可靠性故障中,与清洁度有关的故障占很大比例。在此专栏中,我讨论了空白电路板、未加工的元件和测试电路板组件的清洁度,但是在更多的污染选项中,这只是其中的三个污染源。任何与PCBA直接或间接接触的东西都可能成为污染源。你必须考虑对围绕PCBA周围的一切东西做测试,例如PCBA的外壳、大型连接器主体和其他各种材料。

我们看到许多故障都有很好的客观证据来证明其组装工艺,但由于他们只测试了PCBA,无法从中看清全貌。比如在金属和塑料外壳上的脱模剂可能非常离子化。如果空气足够潮湿,它会在低点收集水分并滴到电路板上。潮气可能含有来自外壳内表面的离子,而且离子含量水平会很高。

我们看到,对材料没有经过任何清洁度测试的PCBA的表面上,振动会使潮湿表面上的水分形成离子含量极高的泡沫,直接附着在PCBA表面上(图9)。

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这个PCBA放在发动机盖下面,没有做密封处理。这是有些人为了赚钱故意这么做的。即使是我们之中最优秀的人也会遇到这种情况。幸运的话,有些正在阅读这篇文章的人会开始思考PCBA制造以外可能会影响他们的产品的可靠性的每一个零部件的可靠性。

鉴于很多可靠性测试都是针对产品定制的,我只是涉及了可靠性测试的一些皮毛。有些产品需要大量的振动测试或极端温度暴露测试,而我在本文中讲到的测试是适用所有产品的基本测试。本月的专栏标题是“可靠性从底层开始”,我的意思是从每一种电子产品的基础做起。至少,你必须有元件、空白电路板和组装材料才能生产出组装件。你必须能够确认你是在可靠的基础上构建你的组装件。

我经常查阅IPC测试和指导文档的原因是他们是由行业专家们汇编的,如果遵循这些测试和指导文档,你生产出成品率高的可靠产品可能性就更大。我还经常说,IPC并不清楚你在具体生产什么产品,所以你必须完全掌控自己的产品。我的意思是,要同时能够满足最初的可接受性和持续的工艺监控,你需要做哪些测试?作为满足你特定需求的产品,你的测试需求可能会超出IPC(或所有其他行业协会)建议的测试,但这正是为确保产品的可靠性所能做的最好的事情。事情不就是这样吗?当然,要吃好吃的披萨又不增加体重的道理也一样。

作者简介:Eric Camden是Foresite公司的首席研究员。如需要阅读过前专栏内容或联系Camden,请点击这里。

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