在電子工業的快速發展中，印刷電路板（PCB）的可靠性始終是設計和制造的核心考量。隨著集成電路（IC）的集成度不斷提升，PCB不僅需要實現更高的組裝密度，還要應對高頻信號傳輸的挑戰。這些趨勢對PCB的可靠性提出了更為嚴格的要求，特別是在焊接點的結合力、熱應力管理以及焊接點數量的增加等方面。本文將探討影響PCB可靠性的關鍵因素，并分析當前和未來提高PCB可靠性的制造技術發展趨勢。

1 PCB焊接點界面間結合力減小對可靠性的影響

在很大的程度上，PCB的可靠性是由PCB與元器件焊接點界面之間的結合力大小來確定的，而焊接點界面的結合力大小是由焊接點面積與焊接的結合強度之積來表達的。所以，PCB與元器件焊接點的界面結合力必須保證足夠大，使其結合力能夠抵抗各種產生“拉扯”內應力的“破壞”，才能保證可靠性。

1.1 PCB高密度化帶來焊接點面積減小。

PCB和元器件之間焊接點面積是隨著PCB高密度化的提高而減小的。大家知道，PCB由插裝技術（THT）走向表面安裝技術（SMT）、再走向芯片級封裝（CSP）的過程中，PCB的高密度化一直在提高著。目前，隨著IC集成度提高、組裝技術的進步，要求PCB必須高密度化。目前，CSP組裝技術已經走向或集中在0.5 mm的節距，其相應的PCB線寬/間隔（L/S）要求為50 μm/50 μm，正在向0.3 mm節距發展，要求PCB線寬/間隔為30 μm/30 μm！安裝面積將縮小16倍之多！隨著焊接點面積的減少，會增加焊接難度而增加故障數量，從而加大故障率，即使故障率不變，也會增加故障數量，因為焊接點數增加了。PCB焊接點面積縮小的結果見表1所示。

表1 焊接盤直徑的減小而帶來焊接圓盤面積的下降(以0.80 mm盤徑為基準)

從表1中可看到，由于PCB高密度化而帶來焊接盤徑從0.80 mm減小到0.2 mm時，焊接點的面積便減小到原來的1/16（6.25%）。

1.2 焊接點面積減小帶來的焊接結合力的減小。

高密度化的發展與進步，不僅帶來線寬/間隔（L/S）、孔徑細小化，而且連接盤面積也隨著縮小，這意味著元組件與PCB之間的連接的結合力也減少了。因為，元組件與PCB之間焊接點的結合力（F 結合）的大小是由結合強度（f 強度）和連接點面積(S 面積)之積來決定的，一旦焊接材料和方法確定后，結合強度f 強度是不變的，主要是焊接面積來決定著結合力的大小。

F結合= f強度×S面積……………… （1）

從公式（1）中可看出：隨著PCB高密度化的發展，焊接點面積（S 面積）將減小，必然帶來焊接點結合力（F 結合）的減小。以方形焊接面積為例，其邊長從0.8 mm減小到0.2 mm時，則焊接面積將從0.64 mm2→0.04 mm2，假設結合強度f強度不變，則焊接點的結合力將下降到原來的6.25%。如表2所示。

從表2可看出，當焊接 方盤從0.8 mm下降到0.2 mm 時（結合強度保持不變），焊接盤的結合力僅為原來的1/16（6.25%），所以高密度化的發展結果必然帶來連接界面的結合力迅速的減少！

1.3 增加焊接點界面結合力的方法。

在PCB的密度不高時，焊接點的形狀大都采用圓形的，有利于設計和加工制造。但是，當PCB的密度越來越高時，由于圓形面積最小，焊接點的結合力也最小！為了提高結合力，增加焊接點直徑受到導體間隔的限制，當然可以直徑為邊長的方形或長方形而形成的焊接盤就可以提高焊接面積，從而提高焊接點的結合力，達到提高焊接點的可靠性（表3）。

從表3 中可看到，以圓形直徑為邊長的方形焊盤的結合力比圓形的結合力將提高26%，而采用長方形（1:2）的焊接盤可以一倍多（152%）地增加焊接點的結合力！這就是為什么在高密度化PCB中的焊接盤大多采用方形焊盤或長方形焊盤的根本原因！

2 PCB焊接點界面間熱應力增加對可靠性的影響

2.1 熱應力的實質是熱膨脹系數差別帶來的結果

任何物質都存在著熱脹冷縮和“濕脹干縮”的物理現象。“濕脹干縮”的變化是個緩慢的過程，因而引起尺寸變化要慢得多、也小得多！而熱（溫度）變化是往往是在瞬間（如幾秒時間）就發生了尺寸的大變化，所以溫度（熱）膨脹系數（CTE）才是我們主要關注的課題。元器件和PCB（主要基板）的溫度膨脹系數和濕度膨脹系數的數據列于表4中。

從表4中可看到，只有玻璃基板和陶瓷基板的CTE和元器件的CTE最接近，而PCB的CTE要比元器件的CTE要大得多，這就是元器件和PCB在焊接點界面處發生“拉扯”內應力的本質所在！因為PCB在應用過程必然有引起溫升，由于PCB和元器件的CTE大小不同，在焊接點處由溫升發生尺寸變化也就不一樣，即元器件的CTE小、其尺寸伸長小，而PCB的CTE大得多，其尺寸伸長就大得多，因此，在焊接點界面處必然存在著尺寸變化大的“拉扯”著尺寸伸長小的而形成“拉扯”（熱）應力！如果溫升很高，這種“拉扯”內應力也就很大，一旦這種“拉扯”內應力接近或大于焊接點的結合力時，就會引起焊接點界面發生斷裂而失效率！

2.2 熱應力的本質是PCB內部溫升的結果

PCB和元器件焊接點界面處的熱應力產生的實質是由于兩者的CTE不同引起尺寸伸長不一樣的結果，溫升才是形成熱應力的必然結果！那么焊接點的溫升是怎樣發生呢？熱的來源主要有三個方面：

（1）PCB高密度化程度；（2）PCB內信號傳輸高頻化程度；（3）PCB上負載（功率）大小（密度）。這三個方面將決定著內部溫升的大小。

2.2.1 PCB高密度化引起的溫升

PCB高密度化的結果，不僅會帶來焊接點結合力的減小，而且PCB內部負載的增加，而這種內部負載增加是指在單位體積內將有更多的“導電”通過（信號傳輸），這就必然帶來更多的導電損耗（αc）和介質損耗（αd）.

α＝αc ＋αd …………………………式（2）

這就是PCB在使用過程中內部產生（除了元器件發熱和傳導熱外）熱的根本原因，而PCB高密度化就意味著發生的熱更多了，也就意味著PCB內部產生的溫升更多和加快。

2.2.2 PCB內信號傳輸高頻化引起的溫升

PCB內信號傳輸高頻化意味著在單位時間內通過的信號傳輸次數增加了，在也意味著在單位時間內發生導電損耗（αc）和介質損耗（αd）.等次數也增加了，這些導電損耗（αc）和介質損耗（αd）.等增加次數都會在PCB內部增加溫升的速度和程度！

2.2.3 PCB上負載（功率）增加

PCB上的負載增加是只在PCB安裝的大功率元器件而通過的信號所帶來的更大的導電損耗（αc）和介質損耗（αd）等，當然會產生更大的溫升速度和程度！以上三方面的增加溫升速度和程度是組成PCB高溫度化的根本原因！由于PCB高溫化和PCB與元器件之間的CTE存在著大的差別值，因而它們之間的焊接點界面處會因溫、濕度變化而發生“拉扯”內應力。一旦這個“拉扯”內應力≥PCB焊接點之間的結合力，必然會引起焊接點界面處發生斷裂問題，這往往是造成焊接點失效而帶來故障的可靠性問題。

（未完，接下篇）

審核編輯 黃宇