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0 引言
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印制電路板（printed circuit board，PCB）在電子信息產(chǎn)業(yè)鏈中扮演著至關重要的角色，其應用遍及消費電子、通信設備、汽車電子、工控設備、醫(yī)療電子、航空航天和軍工等多個領域。所有帶有電路或電氣控制的設備或產(chǎn)品都依賴于PCB來實現(xiàn)元器件間的互連互通，從而發(fā)揮其功能。因此，PCB的質(zhì)量直接關系到電子整機或系統(tǒng)產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，對電子行業(yè)至關重要。
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過去約40年中，PCB產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了從美國到日本，再到中國的轉(zhuǎn)移。自2016年以來，中國PCB產(chǎn)值規(guī)模在全球的占比始終保持在50%以上，2021年更是達到了570億美元，其中中國大陸本土制造商約占340億美元，產(chǎn)值規(guī)模占比提升至近60%。隨著國內(nèi)5G通信、新能源（汽車、光伏、風電等）、大數(shù)據(jù)、集成電路、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等下游行業(yè)的快速發(fā)展，以及產(chǎn)業(yè)鏈配套和綜合成本的優(yōu)勢，國內(nèi)PCB行業(yè)市場前景廣闊，預計全球市場份額將進一步提升。中國作為全球最重要的PCB生產(chǎn)基地，未來將繼續(xù)保持行業(yè)制造中心地位。然而，國內(nèi)PCB行業(yè)雖“大”，卻“不強”，行業(yè)內(nèi)低水平重復競爭激烈，影響了行業(yè)的良性發(fā)展和國際競爭力。與國外相比，在高端PCB制造技術方面還存在差距，特別是在工藝路線穩(wěn)定性和產(chǎn)品可靠性、一致性等方面有較大的提升空間。
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1?板卡失效因素分布
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板卡，即完成元器件組裝的PCB，簡稱印制電路組件（printed circuit board assembly，PCBA）。對引起板卡失效的因素進行統(tǒng)計分析，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)PCB自身失效導致板卡失效的案例占比51%，超過PCBA本身制程缺陷引起的焊點虛焊（由焊接工藝本身異常引起）或開裂（由過應力或疲勞等應用環(huán)節(jié)引起）和焊點腐蝕、遷移或離子殘留（分別占比18%、9%，合計占比27%）、應用過程由過應力或疲勞引起的焊點開裂失效（占比12%）和其他類失效10%的總和。PCB自身質(zhì)量異常已成為引起PCBA失效的最主要原因。
圖1? PCBA失效因素分布
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2??PCB失效模式總體分布
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圖2? PCB各類失效模式總體分布
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對PCB自身失效案例進行統(tǒng)計分析，列出12項失效模式類型，如上圖圖2所示。前4大失效模式依次為導通失效（26.6%）、可焊性不良（22.3%）、分層爆板（17.5%）和絕緣失效（15.3%），合計占比為81.7%。第5大失效模式燒板和第6大失效模式焊接強度不足分別占比5.3%和4.2%；涂/鍍層異常、板面異色、PCB翹曲、剝離強度不足、鍵合不良等其他類型的失效模式合計占比為8.8%。進一步對2019—2021年度中每年的PCB失效案例數(shù)量進行統(tǒng)計，如圖3所示，并按其失效模式類型進行分析，發(fā)現(xiàn)失效案例數(shù)分別為96、123和140個，呈現(xiàn)逐年增加的趨勢；導通失效、可焊性不良、爆板分層和絕緣失效4種失效模式合計占比連續(xù)3年都在80%以上；導通失效連續(xù)3年都為年度占比最高的失效模式，年度占比最高達到31%；可焊性不良、爆板分層和絕緣失效3種失效模式年度占比排名略有差異，但連續(xù)3年都位于第2~4名。導通失效、可焊性不良、分層爆板和絕緣失效成為國內(nèi)PCB行業(yè)最為常見的4大失效模式，也是亟待改善的質(zhì)量和可靠性問題。
圖3? 2019年—2021年PCB失效模式分布
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針對失效模式占比最高的導通失效，進一步根據(jù)導通互連結(jié)構(gòu)進行細分，發(fā)現(xiàn)孔銅開路、內(nèi)層互連開路和導線開路占比分別為69%、21%和10%，孔銅開路的失效比例遠遠高于另外2種類型，這說明PCB的通孔、盲孔或埋孔是導通互連質(zhì)量的薄弱環(huán)節(jié)，需重點關注，如下圖圖4所示。針對第2大失效模式可焊性不良，按表面處理工藝進行細分，發(fā)現(xiàn)熱風焊料整平（hot air solder leveling，HASL）、化學鍍鎳/浸金（nickel/immersion gold，ENIG）和有機可焊性保護膜（organic solderability preservative，OSP）引起的可焊性不良分別占比38%、37%和7%，通孔可焊性不良占比11%，其他類型合計占比7%。說明HASL和ENIG處理2類是最易出現(xiàn)PCB可焊性不良的問題，這可能與HASL處理鍍層厚度不均及合金化（圖5）、ENIG中鎳層易氧化或腐蝕（圖6）有關，PCB企業(yè)應對相關制程進行重點管控。
圖4???PCB 孔銅開路典型案例
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圖5? HASL 工藝合金化引起可焊性不良的典型案例
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圖6???ENIG 工藝中鎳層腐蝕的典型案例
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3? 不同排名PCB企業(yè)失效情況
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對PCB自身失效案例中PCB制造廠家信息進行梳理，按照中國電子電路行業(yè)協(xié)會（China Printed Circuit Association，CPCA）發(fā)布的《第二十屆（2020）中國電子電路行業(yè)之綜合PCB前100家企業(yè)》中企業(yè)排名情況，對位于不同排名的內(nèi)資PCB企業(yè)送檢失效案例的數(shù)量分布進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖7所示。排名1~25、26~50、51~75、76~100的PCB企業(yè)失效案例數(shù)量占比分別為17%、10%、14%和7%，排前100名的企業(yè)累計數(shù)量占比為48%，說明PCB產(chǎn)品失效在大中型企業(yè)也是較突出的問題。由于前100名企業(yè)包含了國內(nèi)的主要PCB上市公司，在規(guī)模、管理和技術體系等方面相對更為完善，且代表國內(nèi)PCB制造技術水平，相關失效的發(fā)生會直接影響著客戶的滿意度和企業(yè)的口碑，需特別予以關注。
圖7 不同排名PCB企業(yè)失效案例數(shù)量占比分布
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對排前100名內(nèi)資PCB企業(yè)發(fā)生的失效案例按照其失效模式類型進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖8所示。前4大失效模式依次為可焊性不良（27.6%）、導通不良（24.3%）、分層爆板（14.8%）和絕緣失效（8.9%），合計占比為75.6%。這與PCB行業(yè)前4大失效模式一致（圖2），說明大中型企業(yè)PCB產(chǎn)品面臨的質(zhì)量問題與國內(nèi)整個行業(yè)情況類似。
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圖8? 排前100名PCB企業(yè)各類失效模式分布
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4? 軍/民用PCB失效模式分布
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2019—2022年，軍用PCB質(zhì)量問題引起整機裝備失效的案例呈逐年增長的趨勢。原因為裝備的質(zhì)量與可靠性要求不斷提高，更容易激發(fā)出相關問題；另一方面與對PCB質(zhì)量管理總體重視程度不夠有關。部分整機單位甚至把PCB當做“零部件”而非關鍵元器件管理，沒有建立類似于元器件從選型、篩選、破壞性物理分析（Destructive Physical Analysis，DPA）到失效分析的全套閉環(huán)質(zhì)量管理流程。對軍用PCB失效案例按照其失效模式類型進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖9所示。軍用PCB導通失效模式占比49%，接近一半，遠高于其他失效模式，緊隨其后的是分層爆板（12%）、燒板失效（11%）、可焊性不良（9%）和絕緣失效（9%），這5大失效模式為軍用PCB的主要缺陷問題，約占90%；其次是翹曲失效（3%）、異色（3%）等失效模式。
圖9??軍用PCB失效模式分布
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對民用PCB失效案例進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖10所示。民品PCB的前4大失效模式依次為可焊性不良（25%）、導通失效（22%）、分層爆板（19%）和絕緣失效（17%），占總失效案例數(shù)量的83%；其次是焊接強度不足（5%）、燒板（4%）、涂/鍍層異常（3%）、異色（2%）等失效模式。
圖10? 民用PCB失效模式分布
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對比軍用PCB和民用PCB的失效模式分布可以看到，導通失效和可焊性不良都是PCB最為突出的問題。原因為軍用PCB應用環(huán)境更為嚴苛，在經(jīng)過例如溫度沖擊、濕熱循環(huán)、振動沖擊、高低溫工作/貯存等一系列實驗室模擬或?qū)嶋H應用條件后，PCB的線路、孔銅、內(nèi)層互連界面等容易產(chǎn)生更大的溫變、機械和疲勞等應力，造成導通網(wǎng)絡發(fā)生開路失效。另一方面與軍/民PCB質(zhì)量檢測手段差異也有關，民用PCB貼件后普遍采用的自動光學檢測（Automated Optical Inspection，AOI）檢測手段，更易在服役應用階段之前就發(fā)現(xiàn)外觀可焊性不良的問題（即便尚未造成功能異常）。軍用PCB板大多數(shù)質(zhì)量問題都是板卡功能異常后的逆向分析發(fā)現(xiàn)，直接引起功能異常的失效模式（如導通失效、分層、燒板等）更容易被送檢分析。
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（未完，接下篇）
