CAF測(cè)試系統(tǒng)在汽車電子可靠性測(cè)試中的應(yīng)用-百川宜器
1、背景
5G將于2020年邁入商用，加上汽車走向智慧化、聯(lián)網(wǎng)化與電動(dòng)化的趨勢(shì)，將帶動(dòng)汽車電子化水平日益提高，汽車電子占整車成本的比重也會(huì)越來(lái)越大。PCB作為汽車電子中承載電子元器件的母體，汽車電子的快速增長(zhǎng)帶來(lái)相應(yīng)車用PCB需求量的快速增長(zhǎng)。中國(guó)汽車電子市場(chǎng)很大程度上由世界知名汽車零部件廠商如德?tīng)柛！⑷毡倦娧b、博世、大陸等巨頭占領(lǐng)。一些國(guó)內(nèi)PCB制造商正積極布局車用PCB領(lǐng)域，但其中通過(guò)上述汽車零部件廠家認(rèn)證的不多。通常汽車領(lǐng)域的認(rèn)證需要2~4年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，除此之外，工藝技術(shù)能力和制程控制能力不足是導(dǎo)致發(fā)展進(jìn)入瓶頸期的主要因素。
2、市場(chǎng)分析
所謂汽車電子[1]，其實(shí)是車體汽車電子控制裝置和車載汽車電子控制裝置的總稱。車體汽車電子控制裝置，包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、底盤(pán)控制系統(tǒng)和車身電子控制系統(tǒng)（車身電子ECU）。汽車電子最重要的作用是提高汽車的安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性和娛樂(lè)性。由傳感器、微處理器MPU、執(zhí)行器、數(shù)十甚至上百個(gè)電子元器件及其零部件組成的電控系統(tǒng)。車用PCB的應(yīng)用領(lǐng)域包括以下方面：
1.動(dòng)力控制系統(tǒng)，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、啟動(dòng)器、發(fā)電機(jī)、傳輸控制裝置、燃油噴射、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等；
2.車身電子系統(tǒng)，主要包括汽車照明、動(dòng)力門、座椅、無(wú)鑰匙、空調(diào)系統(tǒng)、胎壓監(jiān)測(cè)等；
3.安全控制系統(tǒng)，主要包括ABS、安全氣囊等；
4.多媒體系統(tǒng)，主要包括儀表顯示和娛樂(lè)裝備等。
其中動(dòng)力控制系統(tǒng)和車身電子系統(tǒng)作為常規(guī)的汽車電子產(chǎn)品，在市場(chǎng)中依舊占有很大的比重。安全控制系統(tǒng)隨著汽車安全法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，促使安全系統(tǒng)裝載率提高，故而市場(chǎng)占有率增速較快，且占整個(gè)汽車電子比例較高。隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)舒適娛樂(lè)度的需求也就越來(lái)越高，尤其是近兩年，通信娛樂(lè)多媒體系統(tǒng)呈現(xiàn)出逐年上升的態(tài)勢(shì)。
隨著汽車的智能化、自動(dòng)化以及汽車不斷普及，PCB作為汽車電子系統(tǒng)的核心部件也就顯得尤為重要。位于汽車不同部位的PCB所處環(huán)境不同，對(duì)PCB的要求也就不同，比如發(fā)動(dòng)機(jī)等高熱部位需要使用特殊材料（如陶瓷基、金屬基、高Tg），而由于空間范圍以及信號(hào)傳輸?shù)囊螅琍CB的導(dǎo)線寬度以及導(dǎo)線間距也越來(lái)越小，層數(shù)也越來(lái)越密集，逐漸向高密度化的方向發(fā)展。而從汽車的種類來(lái)看，電動(dòng)汽車用的部分PCB則需要承載更高電壓和電流來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)以及靈敏度的要求。同時(shí)考慮到汽車的使用環(huán)境和使用者的安全保障，車用PCB的長(zhǎng)期可靠性要求更高。如果在產(chǎn)品壽命期內(nèi)出現(xiàn)PCB可靠性失效會(huì)引起巨大損失，包括修理更換費(fèi)用、汽車電路短路引起自燃、汽車行駛中電子元器件故障導(dǎo)致車輛失控造成人身傷害、批量召回、延長(zhǎng)保修期，以及企業(yè)品牌形象受損等。
3、測(cè)試方案
那么到底要如何提升車用PCB的性能？業(yè)內(nèi)一般會(huì)做一些PCB檢測(cè)項(xiàng)目，然后再根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)一步改善PCB的生產(chǎn)工藝，并進(jìn)而提高汽車電子產(chǎn)品的性能，其中相關(guān)的檢測(cè)項(xiàng)目主要有以下類型：
◆1.外觀檢查 ◆5.材料性能
◆2.尺寸測(cè)量 ◆6.電氣性能
◆3.內(nèi)部結(jié)構(gòu) ◆7.化學(xué)特性
◆4.最終表面處理 ◆8.可靠性測(cè)試
使用相關(guān)的測(cè)試技術(shù)可有效降低PCB給汽車電子帶來(lái)的故障風(fēng)險(xiǎn)，而在這些測(cè)試項(xiàng)目中，可靠性測(cè)試顯得尤為重要?？煽啃詼y(cè)試[2]就是為了評(píng)估產(chǎn)品在規(guī)定的壽命期間內(nèi)，在預(yù)期的使用、運(yùn)輸或儲(chǔ)存等所有環(huán)境下，保持功能可靠性而進(jìn)行的活動(dòng)。是將產(chǎn)品暴露在自然的或人工的環(huán)境條件下經(jīng)受其作用，以評(píng)價(jià)產(chǎn)品在實(shí)際使用、運(yùn)輸和儲(chǔ)存的環(huán)境條件下的性能，并分析研究環(huán)境因素的影響程度及其作用機(jī)理。通過(guò)使用各種環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備模擬氣候環(huán)境中的高溫、低溫、高溫高濕以及溫度變化等情況，加速反應(yīng)產(chǎn)品在使用環(huán)境中的狀況，來(lái)驗(yàn)證其是否達(dá)到在研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造中預(yù)期的質(zhì)量目標(biāo)，從而對(duì)產(chǎn)品整體進(jìn)行評(píng)估，以確定產(chǎn)品可靠性壽命。在可靠性測(cè)試中，其中最常見(jiàn)的就是高溫高濕測(cè)試，這種測(cè)試模擬了車用PCB在日常生活中所會(huì)涉及到的各種日曬雨淋等自然氣候變換，為將來(lái)汽車在工作中能更加穩(wěn)定提供了有效的保障。
那么這個(gè)高溫高濕試驗(yàn)具體到底是怎么測(cè)試的呢？首先IPC標(biāo)準(zhǔn)中有明確要求，具體的測(cè)試條款為IPC-TM-650 2.6.25 《Conductive Anodic Filament (CAF) Resistance》。另外各大知名汽車零部件廠商如德?tīng)柛！⒉┦?、大陸等也有其專門的企業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，主要測(cè)試內(nèi)容就是將考試板放置在85℃，85%RH的環(huán)境中處理1000小時(shí)，并在考試板的孔與孔之間、線與線之間，或者是孔與內(nèi)層之間、層與層之間施加一定的電壓，然后持續(xù)監(jiān)控其絕緣阻值變化，通過(guò)絕緣阻值變化了解其內(nèi)部可能存在的一系列問(wèn)題，而這種測(cè)試最常見(jiàn)的缺陷就是板材內(nèi)部出現(xiàn)了CAF現(xiàn)象。
所謂CAF現(xiàn)象，其實(shí)就是PCB內(nèi)部正電位的導(dǎo)體金屬失去電子，發(fā)生電化學(xué)溶解，銅離子在電場(chǎng)作用下，從陽(yáng)極（高電壓）沿著玻纖絲和樹(shù)脂間的縫隙或其它通道向陰極（低電壓）遷移, 從陰極向陽(yáng)極方向形成細(xì)絲。CAF測(cè)試系統(tǒng)的形成有以下必不可少的條件：
1. 一定的溫度濕度（高溫高濕）；
2. CAF測(cè)試系統(tǒng)生長(zhǎng)通道中應(yīng)有陰離子存在，最普遍的陰離子是氯離子，也可能是溴離子或其他陰離子；
3. CAF測(cè)試系統(tǒng)通道兩端的電極間需要偏置電壓；
4. CAF生長(zhǎng)的通道（纖維與樹(shù)脂界面縫隙、樹(shù)脂空洞、纖維空洞、壓合界面縫隙、異物等）；
5. 經(jīng)過(guò)一定長(zhǎng)的時(shí)間。
如果沒(méi)有上述條件，那么是沒(méi)辦法形成CAF現(xiàn)象的，相鄰導(dǎo)體間的縫隙給CAF的形成提供了通道，電壓與陰離子的存在導(dǎo)致銅離子在電場(chǎng)作用下從陽(yáng)極向陰極遷移，并在陰極進(jìn)行沉積生長(zhǎng)，而這個(gè)生長(zhǎng)不是一蹴而就的，需要一定的時(shí)間，具體形成過(guò)程見(jiàn)圖1所示：
通過(guò)圖1可以看出CAF的生長(zhǎng)是如何產(chǎn)生的，并且通過(guò)一系列的觀察與分析便可以基本了解具體是在哪個(gè)工藝環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生了問(wèn)題，從而進(jìn)一步工藝改善。具體包括指導(dǎo)PCB設(shè)計(jì)人員選用合適的孔間距和線間距；指導(dǎo)PCB制造商選用最佳的耐CAF材料組合；指導(dǎo)PCB制造商改進(jìn)生產(chǎn)工藝；指導(dǎo)CCL供應(yīng)商改進(jìn)材料配方和加工工藝。
4、失效分析
當(dāng)然，如果需要對(duì)車用PCB廠商進(jìn)行工藝以及材料選擇的指導(dǎo)，光憑可靠性測(cè)試是不夠的，此外還需要配合相關(guān)可靠性測(cè)試的失效分析。那么針對(duì)可靠性測(cè)試中的CAF失效應(yīng)該如何分析呢？一般是按照?qǐng)D2所示流程進(jìn)行：
首先根據(jù)考試板或者成品板的測(cè)試圖形進(jìn)行表面檢查，查看是否有分層、起泡、異物或者遷移等一系列異常現(xiàn)象；
然后再對(duì)測(cè)試圖形進(jìn)行失效位置的查找，找到位置之后再對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行灌膠、研磨、拋光，通過(guò)金相顯微鏡觀察到PCB內(nèi)部的CAF遷移現(xiàn)象；
最后再通過(guò)掃描電鏡和能譜分析，對(duì)出現(xiàn)CAF遷移的位置確定其元素組成。一般情況下，會(huì)在CAF測(cè)試系統(tǒng)失效的位置檢測(cè)到有“銅”元素的存在，最后再結(jié)合CAF失效出現(xiàn)的位置、金相切片所觀察到的內(nèi)容以及用能譜分析所測(cè)到的元素，可以基本確定具體是哪個(gè)工藝或環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問(wèn)題，并出具報(bào)告幫助客戶后續(xù)進(jìn)行整改。具體的金相切片以及能譜分析案例見(jiàn)圖3所示。
4、典型案例
當(dāng)然，在實(shí)際的生產(chǎn)以及檢測(cè)的過(guò)程中這樣的案例還有很多，2013年8月，上海某公司送來(lái)一塊帶器件汽車電子用印制線路板，故障表現(xiàn)是產(chǎn)品在車窗關(guān)閉時(shí)會(huì)出現(xiàn)不受控制的現(xiàn)象。我們先進(jìn)行了電路分析，發(fā)現(xiàn)樣品中有兩個(gè)孔之間的絕緣電阻小于107。這兩個(gè)孔的絕緣電阻偏小是導(dǎo)致產(chǎn)品在使用時(shí)會(huì)發(fā)生微短路的主要原因。為了搞清楚是什么原因造成這兩個(gè)孔間絕緣電阻偏小，還需要通過(guò)表面和內(nèi)部分析來(lái)找到真正的原因。
首先，我們使用顯微鏡對(duì)這兩個(gè)孔之間的表面進(jìn)行觀察，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常情況。接下來(lái)，對(duì)這兩個(gè)孔進(jìn)行了剖切，邊研磨邊用顯微鏡觀察兩個(gè)孔之間的材料中是否存在異常。在孔的中心位置附近，通過(guò)顯微鏡看到了明顯的CAF（導(dǎo)電陽(yáng)極絲）連接了兩個(gè)孔，CAF測(cè)試系統(tǒng)的形成是導(dǎo)致這兩個(gè)孔絕緣電阻偏小的主要原因?？蛻敉ㄟ^(guò)我們的分析報(bào)告，找到了產(chǎn)品失效的真正原因，為后期質(zhì)量的改進(jìn)提供了可靠的依據(jù)。該客戶后續(xù)針對(duì)該款產(chǎn)品所用的板材進(jìn)行了整改，并且重新調(diào)整制程工藝，調(diào)節(jié)了兩個(gè)孔之間的距離，自此以后，該款產(chǎn)品的不良率降低了很多，為公司節(jié)約了大量的成本，也提高了公司聲譽(yù)。
同樣的案例還有廣東某客戶來(lái)樣進(jìn)行CAF項(xiàng)目的可靠性測(cè)試，測(cè)試結(jié)束后發(fā)現(xiàn)樣品絕緣阻值失效現(xiàn)象很嚴(yán)重，于是要求進(jìn)行后續(xù)的失效分析。通過(guò)對(duì)該考試板樣品的表面觀察，發(fā)現(xiàn)了很多的樹(shù)枝狀生長(zhǎng)，從類型上看應(yīng)該屬于表面遷移的現(xiàn)象，但是由于遷移出現(xiàn)的位置比較特殊，我們便進(jìn)行了放大觀察，感覺(jué)該遷移的生長(zhǎng)并非在樣品表面，而是在接近表面的阻焊油墨中間。為了驗(yàn)證假設(shè)，我們對(duì)樣品表面進(jìn)行了微蝕處理，按照以往的經(jīng)驗(yàn)，如果該遷移確實(shí)在表面，那應(yīng)該是可以直接被微蝕掉的。
但是結(jié)果顯示，微蝕之后，樣品表面的銅確實(shí)沒(méi)有了，但是樹(shù)枝狀生長(zhǎng)依然還在，只是從之前的紅色變成了白色，就好像一個(gè)空洞一般。由此我們可以看出，之前所觀察到的遷移現(xiàn)象確實(shí)存在，而且是在表層阻焊油墨的內(nèi)部，直接在阻焊油墨里面打了一個(gè)又一個(gè)的洞，通過(guò)微蝕之后，里面的銅沒(méi)有了，最終就只留下了一個(gè)又一個(gè)的空洞。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明該產(chǎn)品所使用的阻焊油墨存在縫隙，有可能是固化不到位導(dǎo)致的，也有可能是阻焊油墨本身存在問(wèn)題，同時(shí)，通過(guò)觀察，該樣品阻焊油墨與基材之間也同樣存在遷移，具體情況如圖4所示。
通過(guò)我們的分析，客戶了解情況后對(duì)該阻焊油墨以及其加工工藝進(jìn)行了整改，整改后再次送檢樣品，再也未發(fā)現(xiàn)這樣的情況，為該公司杜絕了將來(lái)在生產(chǎn)中出現(xiàn)問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。
5、如何整改
以上只是關(guān)于CAF測(cè)試系統(tǒng)以及后續(xù)失效分析的一些內(nèi)容，但正如上述，CAF測(cè)試系統(tǒng)的產(chǎn)生除了需要生長(zhǎng)的通道之外，還有一個(gè)重要的因素就是需要有陰離子的存在，所以車用PCB在進(jìn)行高溫高濕的可靠性試驗(yàn)之前都會(huì)先檢測(cè)樣品表面的陰陽(yáng)離子。如果表面的離子超標(biāo)，那么后期產(chǎn)生CAF的幾率也就大大增加。那么要如何檢測(cè)陰陽(yáng)離子呢？車用PCB上殘留的污染物以陰陽(yáng)離子形式存在的稱為離子污染，離子污染最明顯的影響是會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)遷移，嚴(yán)重的會(huì)引起短路。因此幾大汽車零部件供應(yīng)商對(duì)PCB的離子清潔度有嚴(yán)格規(guī)范的要求，關(guān)于離子清潔度的測(cè)試方法有三種。
目前最常使用是萃取溶液電阻率（ROSE）測(cè)試法。該方法參考IPC-TM-650 2.3.25標(biāo)準(zhǔn)[3]，以75%異丙醇加25%去離子水（體積比）為測(cè)試溶液，沖洗車用PCB表面并使殘留在板面上的污染物溶解到測(cè)試溶液中。由于這些污染物中的正負(fù)離子使測(cè)試溶液的電阻率降低，溶進(jìn)測(cè)試液中的離子越多其電阻率降低得也越多，二者具有反比函數(shù)關(guān)系。正是利用這種函數(shù)關(guān)系，通過(guò)測(cè)定測(cè)試液沖洗前后的電阻值及所使用測(cè)試液的體積，可以計(jì)算出PCB表面殘留離子的含量，并規(guī)定以每平方厘米NaCl當(dāng)量來(lái)表示，即μgNaCl/cm2。一些主要的汽車零部件供應(yīng)商的測(cè)試要求具體如表1所示。
從表1可以看出，相對(duì)于IPC-6012D剛性印制板的鑒定及性能規(guī)范中≤1.56μg/cm2的要求，車用PCB的要求更嚴(yán)格。但是根據(jù)麥可羅泰克檢測(cè)所多年的測(cè)試情況，大部分車用PCB生產(chǎn)企業(yè)能滿足要求。
第二種離子清潔度測(cè)試方法是離子色譜法，相對(duì)于萃取溶液電阻率法測(cè)試的是整個(gè)車用PCB上離子含量的總量，離子色譜法能精確測(cè)試到車用PCB上的陰陽(yáng)離子和弱有機(jī)酸的種類和含量。該方法一般參考IPC-TM-650 2.3.28或2.3.28.2標(biāo)準(zhǔn)[4]，將車用PCB放入塑料袋中，加入一定體積的萃取液，萃取液一般為75%異丙醇、25%去離子水（體積比）或10%異丙醇、90%去離子水（體積比），80℃水浴1小時(shí)，將一定體積的萃取液注入到離子色譜儀中進(jìn)行分析。當(dāng)然不同的汽車零部件供應(yīng)商也有不同的測(cè)試要求，具體如表2所示。
相對(duì)于氯化鈉當(dāng)量法，離子色譜法有一個(gè)80℃水浴1小時(shí)的萃取過(guò)程，車用PCB表面的離子萃取得更加徹底，對(duì)車用PCB制造商的要求更高。相對(duì)來(lái)說(shuō)，化金、化銀、OSP等表面處理工藝的板較容易符合規(guī)范要求，但無(wú)鉛噴錫表面處理工藝的板經(jīng)常有不符合規(guī)范的情況出現(xiàn)，一般是氯離子會(huì)超標(biāo)，推測(cè)來(lái)自噴錫時(shí)使用的助焊劑。
第三種離子清潔度測(cè)試方法是C3局部測(cè)試法，該方法的原理是使用去離子水蒸汽從局部（0.1in2）測(cè)試點(diǎn)上將萃取樣品提取出，并在指定的離子污染限制的基礎(chǔ)上給出“clean”或“dirty”的判定，從而判定該區(qū)域是否干凈。具體要求如表3。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，在60s內(nèi)收集的萃取液的漏電流值不超過(guò)500μA，判定為“clean”；在60s內(nèi)超過(guò)500μA，則為“dirty”。典型的測(cè)試曲線如圖5所示。
整個(gè)測(cè)試過(guò)程不超過(guò)15分鐘?？梢钥闯鯟3是一種快速定性的分析方法，針對(duì)的不是整板，而是一般會(huì)分析焊盤(pán)和通孔這種局部區(qū)域。要進(jìn)一步定量分析，可以把收集的萃取液注入到離子色譜儀中，能分析出局部區(qū)域上殘留離子的種類和含量。
綜上所述，作為影響車用PCB可靠性的離子清潔度，無(wú)論是汽車零部件供應(yīng)商還是整車廠都非常關(guān)注，規(guī)范的要求比普通線路板要高，甚至可以說(shuō)是嚴(yán)苛。這就要求車用PCB制造商對(duì)生產(chǎn)過(guò)程嚴(yán)格管控，選擇合適的生產(chǎn)原材料，選用與產(chǎn)品性能相配套的生產(chǎn)工藝和清洗工藝，甚至于在生產(chǎn)結(jié)束后選用合格的封裝工藝和存儲(chǔ)條件，極大程度地降低車用PCB表面的離子污染，從源頭上避免產(chǎn)生遷移的可能性，把失效扼殺在萌芽之中，進(jìn)而最終提高車用PCB的可靠性。