从技术角度提高PCB可靠性的制造设计

一、可靠性问题为什么必须提前考虑

现代电子设备越来越小，功能越来越多，使用环境也越来越复杂。在这些要求下，电路板必须长期稳定工作。如果PCB设计不合理，制造中出现偏差或材料选型不当，就容易导致各种可靠性问题。比如电路中断、元件脱落、铜皮起翘、短路、开路、热失效等。

这些问题一旦在现场出现，可能造成系统崩溃、设备停工甚至安全事故。不但维修成本高，而且会影响品牌信誉。所以，为了降低后期风险，必须在设计初期就考虑制造中的可靠性要求。

二、从技术角度看可靠性问题的根源

PCB的可靠性问题往往来源于几个关键因素。以下是几个典型的技术根源。

1. 热应力引起的失效

在焊接或运行过程中，电路板会经历反复的加热和冷却。材料热胀冷缩不一致，会引起应力积累，进而导致焊点断裂、铜箔脱落或孔壁开裂。

2. 电迁移和CAF问题

在潮湿、高压或高密度的条件下，电压差会导致导电路径沿着玻纤或树脂间隙形成。这种过程称为CAF（Conductive Anodic Filament），会导致短路或电气性能下降。

3. 残留离子和化学污染

如果清洁不彻底，焊接或蚀刻残留的离子杂质会在潮湿环境下吸湿，形成微电流路径，导致腐蚀或电化学迁移。

4. 孔质量不稳定

如果钻孔过程中孔壁不光滑，电镀不均匀，就可能在热循环中形成裂纹，导致导通中断。盲孔和埋孔尤其容易出现这种问题。

5. 材料不匹配

板材的耐热性能、热膨胀系数、玻璃转化温度（Tg）等如果选得不合理，可能导致分层、翘曲或过早老化。

所以，可靠性的关键不在于后期修补，而在于前期从设计到制造全流程的控制。下面我们逐项分析，设计阶段能采取哪些措施来提高可靠性。

三、设计中用于提高可靠性的主要措施

1. 合理选择材料

材料决定了PCB在高温、高湿、高压环境下的表现。为了保证稳定性，建议遵循以下原则：

• Tg值建议选择170°C以上，避免分层和热变形。

• CTI等级需满足应用电压要求，避免电击穿。

• 低吸水率树脂系统更适用于高湿环境。

• 尽量选用与铜热膨胀系数接近的绝缘材料，减少热应力。

材料选择不应只关注成本，而要结合应用场景做出平衡。

2. 优化层压结构

多层板的堆叠结构影响应力分布、信号完整性和热管理。常见的优化方式有：

• 保持对称结构，防止热变形。

• 电源层和地层靠近信号层，提升EMC性能。

• 内层铜厚应一致，减少热不均引起的翘曲。

• 对于高密度区域可增加树脂含量，缓冲应力。

层压结构不合理很容易引起后续制造中的翘板或分层。

3. 控制热分布和过孔密度

局部过热容易引起焊点失效、PCB变形。设计时应注意：

• 热源器件下方加铜皮，连接到散热通孔或铜柱。

• 高功率路径加宽走线并增加多点过孔，减少电阻。

• 不要让高热区域集中，应均匀分布热量。

• 若使用盲孔或埋孔，需控制其尺寸和数量，避免层间应力集中。

过孔过多或集中在一个区域，可能会形成机械弱点。

4. 走线要避开应力路径

可靠性不是看功能走通就可以。线型设计不当会形成应力集中点，特别是在回流焊或热循环过程中。以下建议可以降低风险：

• 走线转角使用45度或弧形，不要直角。

• 大面积焊盘不要浮空，中间加定位孔或铜线连接。

• 走线不要压在过孔上，也不要过度拉长。

• 对于高电流线要加宽，并避免细长蛇形路径。

这样做可以避免应力集中和热断裂。

5. 加强孔设计和质量控制

孔的可靠性与其结构密切相关。建议如下：

• 常规通孔最小孔径不小于0.3mm，镀铜厚度≥25μm。

• 高密度布线中建议使用激光钻孔，并做孔壁强化处理。

• 插件孔要控制钻头磨损，防止毛刺或偏位。

• 要求厂家提供孔板截面照片，用于评估镀层均匀性。

可靠性低的孔往往是电气故障的首因。

6. 减少污染物和残留物

清洁程度影响长期使用效果。为此建议：

• 使用无卤焊料或低残留助焊剂。

• 表面处理选择耐腐蚀性高的方法，如化金或OSP。

• 设计中避免使用盲区和死角，方便清洗。

• 要求厂商提供离子清洁度测试报告。

干净的板子才能保证长寿命。

四、从制造工艺中加强可靠性保障

除了设计阶段，制造过程中的工艺控制同样关键。以下是制造过程中常见的控制方法。

1. 使用高可靠性的电镀工艺

电镀孔是PCB中最脆弱的结构之一，必须确保孔壁连续性。好的电镀工艺包括：

• 高速搅拌电镀液，保证铜沉积均匀。

• 定期更换药水，避免杂质积累。

• 控制温度、电流密度在稳定范围内。

2. 严格的层压与压合工艺

多层板的压合要做到以下几点：

• 控制压合温度曲线，防止树脂过早流动或碳化。

• 使用真空层压机，避免气泡。

• 对于不同厚度区域进行差厚补偿处理。

好的层压是可靠性的基础。

3. 完善的测试验证手段

制造完成后要通过一系列测试确保产品可靠：

• 进行100%飞针测试，确认无开短路。

• 高温老化实验（如125°C×72小时）检查热可靠性。

• 离子残留测试（如ROSE测试）评估清洁程度。

• 热循环测试，模拟环境变化下的焊点强度。

每一种测试都能帮助提前发现潜在故障。

可靠性设计是一项系统工程

PCB可靠性不是靠某一个步骤决定的，而是设计、材料、制造和测试全过程的结果。从原理上讲，可靠性问题大多来源于热、电、化学、机械应力等交互作用。在这种复杂条件下，如果忽略了某一环节，就可能为后期埋下隐患。

所以，设计工程师要做到以下几点：

• 熟悉材料性能，选择适合的板材和铜厚。

• 优化走线结构和层压方式，避免应力集中。

• 控制孔径、孔距、热管理方式，保证均衡分布。

• 提前考虑可制造性，让设计与工艺协同。

• 主动与PCB制造厂沟通，了解其工艺能力和限制。

只有在设计初期就注重这些问题，才能确保产品在批量生产后仍然保持稳定。可靠性不是做出来的，是设计出来的。