浅谈确保PCB可靠性的热应力试验

随着电子材料技术的发展，对电子产品的性能和可靠性要求越来越来高。PCB作为元器件的载体，其可靠性对电子产品的整机性能有重要影响。焊料的无铅化将SMT的温度提高了40℃，电子产品组装的复杂化使得PCB在焊接过程中需要经过两次甚至多次热冲击，电子产品功能的集成化在使用过程中产生大量的热量都对PCB的性能提出了更高的要求。为确保PCB安装和使用过程中的可靠性，需要对PCB的耐热性能进行评估，通过热应力试验能够反映孔金属化以及基材的品质以及两者之间的相互协调性。

一、热应力试验相关概念

1、热应力：物体内部温度变化时，只要物体不能自由伸缩，或其内部彼此约束；则在物体内部产生应力，这种应力称之为热应力。组成PCB的基体材料与铜箔、化学铜层、电镀铜层之间相互连接在一起，在温度变化（焊接和使用）中必然产生内部热应力。

2、金属的热疲劳：当金属材料被反复加热和冷却时，其内部将产主交变热应力，在此交变热应力反复作用下材料遭到破坏的现象称为金属的热疲劳。

3、热冲击：金属材料受到急剧的加热和冷却时，其内部将产生很大的温差，从而引起很大的冲击热应力，这种现象称为全属的热冲击。

二、热应力试验失效模式与分类

热应力试验目的是模拟焊接过程、使用过程的温度变化，因此大体上可以分为以下两类：

1、温度循环测试

常使用的条件低温极限-55℃，高温极限125℃。测试周期较长,测试结果可以通过切片分析，也可以通过在线电阻测量进行评估。

2、高温冲击测试

使用的条件高温极限288℃，低温极限为常温，和焊接时温度较为相似，测试所需时间很短，测试结果通过切片分析。

热冲击试验失效模式过程中，PCB基材在受热X、Y、Z方向均会发生热膨胀，但是由于玻璃纤维的牵制作用X、Y方向的膨胀很小，主要是Ｚ方向的膨胀。孔铜由于受热也会发生膨胀，但是铜的膨胀系数远小于基材，因此铜层收到张应力，在孔角以及孔壁凹陷处发生应力集中(Stress Concentration)。在降温时发生收缩回原位。经过一定次数的循环，在应力集中部位易发生金属疲劳而导致的铜层断裂。

1、AATS(Air-Air Thermal Shock)以空气作为介质，传热慢，试验耗时长，但是样品容量大，对测试图形无要求，IPC-TM-650中Condition -55℃～125℃，测试结果通过切片观察。

2、LLTS(Liquid-Liquid Thermal Shock)以液相为介质，传热快，试验耗时明显缩短，但是液体消耗昂贵，测试温度范围和AATS类似，测试结果通过切片观察。

3、Hot Oil(热油测试)以硅油为介质，耗时很短，20℃（硅油，10～20S）～260℃(硅油10～20S)，测试结果通过切片观察。

4、IST（interconnection Stress Test）测试板，从P段输入稳定的直流电流至加热端，使各层平均受热，一般在3分钟内达到150℃，加热自动停止，待冷却至室温后，加入自动开始，如此循环直到微电阻的变化值大于10%停止。应用在不同行业的PCB要求的循环次数是不一样的

5、热应力试验（漂锡试验）288℃,10S，浮锡3-6次（不同客户要求次数不同），试验非常快速，通过切片观察有无裂纹。漂锡试验模拟了焊接过程中PCB受热由于铜层和基材不同的膨胀系数导致的应力和应力集中对PCB性能的考验。

三、测试过程对结果的影响

以热应力试验（漂锡）为例，在漂锡的过程中Cu/Solder之间迅速形成Cu6Sn5的IMC层，在高温的环境下铜和锡的通过IMC层相互扩散，IMC层随着时间逐渐增厚。在漂锡过程中外力的作用将加速扩散的速度使得铜层被严重蚀掉，当铜层厚度迅速降低后不能承受热冲击产生的巨大应力而出现断裂。做热冲击前不烤板或者烤板时间不足，PCB中残留湿气、并且压合过程中高温造成的残留应力不能有效的减少，在热冲击时会引起铜层与基材的分离甚至由于基材的开裂造成铜层拉断。