故障模式列表及其常见原因

2023年1月10日

关键的外卖

制造过程自然是材料热老化的一个来源。
与热有关的故障通常如何表示。
通过有意的制造和设计选择，减少因热引起的故障。

PCB的热成像

故障模式列表中包含与热相关的问题

尽管工程师们尽了最大的努力为电子产品注入可靠性，但“时间老人”仍然是不败的。随着时间的推移，所有的电路板都会受到与年龄相关的磨损的影响，最终导致不可避免的失败。这些变化是由于系统的焓引起不可逆的紊乱，导致设备的基本材料特性发生变化。熵与板的不同区域之间的传热成正比，因此有理由认为，无论何时何地，只要可能，减轻传热是一个强有力的赌注，以帮助减少故障的发生率，以及它的平均时间的发生。

虽然存在许多其他途径，但早期的失效模式列表中充斥着导致材料退化和性能差的过热积聚的例子。设计师不仅应该认识到这些故障是如何以及在哪里出现的，还应该认识到作为传播事件的潜在制造过程。

制造可能导致失败的产品和过程

热几乎是pcb最终失效的普遍原因。无论这是由于压力过大，材料和布局无法处理大的热流，还是由于热循环的更微妙的退化，高温是一个持续的威胁对电路板和元件的短期和长期可靠性的要求。尽管失败事件是不受欢迎的，但它们是一个学习的机会，可以对根本原因进行分析，以支持未来的过程、修订和产品。这些只是在电路板制造和操作过程中随时发生的危及可靠性的许多复杂相互作用中的一小部分:

顺序层压-层压是分离的过程板的各层连接在一起通过高温高压结合在一起。对于复杂的通孔结构或需要额外层压步骤的板的其他特征，板受到这些材料应力多次。与单步层压不同，板材料是均匀的(尽管不是各向同性的)，一些电镀将在后面的层压步骤之前进行。热膨胀系数(CTE)受各向异性和非均匀性的影响，这导致预浸料在z轴上的膨胀速度比镀铜孔快许多倍，并可能在桶中产生裂纹。此外，埋置孔垫和与之相连的微孔周围可能会出现高应力区域，这可能导致打开和分层。
焊料轮廓-在这一点上，RoHS材料标准可能并不新鲜，但材料性能变化的意义不容低估。锡铅共晶焊料的回流温度明显低于无铅焊料。后一种焊料混合物要么熔点更高，更接近普通温度的下限，要么存在潜在的氧化问题，从而降低了键的长期稳定性。
〇热循环根据行业的不同，电路板的额定热循环时间也不同。组件可能经历不对称的循环，例如在触摸屏中，由于更集中的使用，会经历不同的加载或一致的“热点”。焊锡键在凝固后会产生应力，随着温度的升高，晶粒尺寸的增大可以减轻应力。晶粒的生长在晶界处产生空洞，这些空洞扩展、连接并形成裂纹。

热应力诱发的失效模式列表(及更多)

有了故障原因的概念，设计师可以与制造商合作，以防止一些常见的问题发生。虽然在大多数情况下，当这些缺陷在生产周期的早期出现时，返工是可能的，但更恶劣的表现是它们在各自的加工阶段之后形成，或者进入电路板的现场使用寿命。

镀通孔失效除了上述由z轴CTE不匹配引起的问题外，还会在过孔桶中产生裂纹，裂纹可能会在箔片或与顶层或底层桶相交的角落形成。由于镀铜的质量或数量不佳，也可能出现角裂。内层与通孔桶的分离也可能是由于没有清理的钻孔留下的碎片或污迹，但也可能是由于与较大的钻孔和较厚的板有关的应力造成的。焊板要进行热应力测试，其中可能包括根据焊板的势场条件进行冷却循环，以检测和补救钻孔/电镀过程中的缺陷。
分层,视觉上，分层表现为由于热量和水分含量的结合而分离的材料的迅速膨胀或起泡。防止分层需要从材料和外壳两方面考虑。评估层压板耐久性最常用的两个指标是热分解温度和分层时间。当层压板由于物理损失而质量下降5%时，就会发生分解温度，尽管层压板在达到这一点之前会经历广泛的破坏。与此同时，脱层时间评估了由于恒定热负荷而导致的失效。
导电阳极灯丝(CAF)电流从阳极流向阴极，随着时间的推移，由于电迁移的影响，材料倾向于沿着玻璃纤维编织的流动方向延伸。这些细丝的生长导致电阻的损失，最终产生短路。就像分层一样，温度和水分含量是驱动因素，但两极之间更大的潜力也是一个因素。在成本效益和易于实现方面，防止CAF的最佳方法是尽量减少高偏置引脚(如电源和地)之间的邻接，并最大化它们之间的物理间隙。