1、背景

5G將于2020年邁入商用，加上汽車(chē)走向智慧化、聯(lián)網(wǎng)化與電動(dòng)化的趨勢，將帶動(dòng)汽車(chē)電子化水平日益提高，汽車(chē)電子占整車(chē)成本的比重也會(huì )越來(lái)越大。PCB作為汽車(chē)電子中承載電子元器件的母體，汽車(chē)電子的快速增長(cháng)帶來(lái)相應車(chē)用PCB需求量的快速增長(cháng)。中國汽車(chē)電子市場(chǎng)很大程度上由世界知名汽車(chē)零部件廠(chǎng)商如德?tīng)柛?、日本電裝、博世、大陸等巨頭占領(lǐng)。一些國內PCB制造商正積極布局車(chē)用PCB領(lǐng)域，但其中通過(guò)上述汽車(chē)零部件廠(chǎng)家認證的不多。通常汽車(chē)領(lǐng)域的認證需要2~4年甚至更長(cháng)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(chē)電子[1]，其實(shí)是車(chē)體汽車(chē)電子控制裝置和車(chē)載汽車(chē)電子控制裝置的總稱(chēng)。車(chē)體汽車(chē)電子控制裝置，包括發(fā)動(dòng)機控制系統、底盤(pán)控制系統和車(chē)身電子控制系統（車(chē)身電子ECU）。汽車(chē)電子最重要的作用是提高汽車(chē)的安全性、舒適性、經(jīng)濟性和娛樂(lè )性。由傳感器、微處理器MPU、執行器、數十甚至上百個(gè)電子元器件及其零部件組成的電控系統。車(chē)用PCB的應用領(lǐng)域包括以下方面：

1.動(dòng)力控制系統，主要包括發(fā)動(dòng)機控制單元、啟動(dòng)器、發(fā)電機、傳輸控制裝置、燃油噴射、動(dòng)力轉向系統等；

2.車(chē)身電子系統，主要包括汽車(chē)照明、動(dòng)力門(mén)、座椅、無(wú)鑰匙、空調系統、胎壓監測等；

3.安全控制系統，主要包括ABS、安全氣囊等；

4.多媒體系統，主要包括儀表顯示和娛樂(lè )裝備等。

其中動(dòng)力控制系統和車(chē)身電子系統作為常規的汽車(chē)電子產(chǎn)品，在市場(chǎng)中依舊占有很大的比重。安全控制系統隨著(zhù)汽車(chē)安全法規越來(lái)越嚴格，促使安全系統裝載率提高，故而市場(chǎng)占有率增速較快，且占整個(gè)汽車(chē)電子比例較高。隨著(zhù)5G技術(shù)的不斷發(fā)展，消費者對舒適娛樂(lè )度的需求也就越來(lái)越高，尤其是近兩年，通信娛樂(lè )多媒體系統呈現出逐年上升的態(tài)勢。

隨著(zhù)汽車(chē)的智能化、自動(dòng)化以及汽車(chē)不斷普及，PCB作為汽車(chē)電子系統的核心部件也就顯得尤為重要。位于汽車(chē)不同部位的PCB所處環(huán)境不同，對PCB的要求也就不同，比如發(fā)動(dòng)機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傳輸的要求，PCB的導線(xiàn)寬度以及導線(xiàn)間距也越來(lái)越小，層數也越來(lái)越密集，逐漸向高密度化的方向發(fā)展。而從汽車(chē)的種類(lèi)來(lái)看，電動(dòng)汽車(chē)用的部分PCB則需要承載更高電壓和電流來(lái)實(shí)現驅動(dòng)以及靈敏度的要求。同時(shí)考慮到汽車(chē)的使用環(huán)境和使用者的安全保障，車(chē)用PCB的長(cháng)期可靠性要求更高。如果在產(chǎn)品壽命期內出現PCB可靠性失效會(huì )引起巨大損失，包括修理更換費用、汽車(chē)電路短路引起自燃、汽車(chē)行駛中電子元器件故障導致車(chē)輛失控造成人身傷害、批量召回、延長(cháng)保修期，以及企業(yè)品牌形象受損等。

3、測試方案

那么到底要如何提升車(chē)用PCB的性能？業(yè)內一般會(huì )做一些PCB檢測項目，然后再根據檢測結果進(jìn)一步改善PCB的生產(chǎn)工藝，并進(jìn)而提高汽車(chē)電子產(chǎn)品的性能，其中相關(guān)的檢測項目主要有以下類(lèi)型：

◆1.外觀(guān)檢查 ◆5.材料性能

◆2.尺寸測量 ◆6.電氣性能

◆3.內部結構 ◆7.化學(xué)特性

◆4.最終表面處理 ◆8.可靠性測試

使用相關(guān)的測試技術(shù)可有效降低PCB給汽車(chē)電子帶來(lái)的故障風(fēng)險，而在這些測試項目中，可靠性測試顯得尤為重要?？煽啃詼y試[2]就是為了評估產(chǎn)品在規定的壽命期間內，在預期的使用、運輸或儲存等所有環(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，以評價(jià)產(chǎn)品在實(shí)際使用、運輸和儲存的環(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理。通過(guò)使用各種環(huán)境試驗設備模擬氣候環(huán)境中的高溫、低溫、高溫高濕以及溫度變化等情況，加速反應產(chǎn)品在使用環(huán)境中的狀況，來(lái)驗證其是否達到在研發(fā)、設計、制造中預期的質(zhì)量目標，從而對產(chǎn)品整體進(jìn)行評估，以確定產(chǎn)品可靠性壽命。在可靠性測試中，其中最常見(jiàn)的就是高溫高濕測試，這種測試模擬了車(chē)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(chē)在工作中能更加穩定提供了有效的保障。

那么這個(gè)高溫高濕試驗具體到底是怎么測試的呢？首先IPC標準中有明確要求，具體的測試條款為IPC-TM-650 2.6.25 《Conductive Anodic Filament (CAF) Resistance》。另外各大知名汽車(chē)零部件廠(chǎng)商如德?tīng)柛?、博世、大陸等也有其?zhuān)門(mén)的企業(yè)測試標準，主要測試內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(xiàn)與線(xiàn)之間，或者是孔與內層之間、層與層之間施加一定的電壓，然后持續監控其絕緣阻值變化，通過(guò)絕緣阻值變化了解其內部可能存在的一系列問(wèn)題，而這種測試最常見(jiàn)的缺陷就是板材內部出現了CAF現象。

所謂CAF現象，其實(shí)就是PCB內部正電位的導體金屬失去電子，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(zhù)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)極方向形成細絲。CAF測試系統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測試系統生長(cháng)通道中應有陰離子存在，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測試系統通道兩端的電極間需要偏置電壓；

4. CAF生長(cháng)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(cháng)的時(shí)間。

如果沒(méi)有上述條件，那么是沒(méi)辦法形成CAF現象的，相鄰導體間的縫隙給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(cháng)，而這個(gè)生長(cháng)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(cháng)是如何產(chǎn)生的，并且通過(guò)一系列的觀(guān)察與分析便可以基本了解具體是在哪個(gè)工藝環(huán)節可能產(chǎn)生了問(wèn)題，從而進(jìn)一步工藝改善。具體包括指導PCB設計人員選用合適的孔間距和線(xiàn)間距；指導PCB制造商選用最佳的耐CAF材料組合；指導PCB制造商改進(jìn)生產(chǎn)工藝；指導CCL供應商改進(jìn)材料配方和加工工藝。

4、失效分析

當然，如果需要對車(chē)用PCB廠(chǎng)商進(jìn)行工藝以及材料選擇的指導，光憑可靠性測試是不夠的，此外還需要配合相關(guān)可靠性測試的失效分析。那么針對可靠性測試中的CAF失效應該如何分析呢？一般是按照圖2所示流程進(jìn)行：

首先根據考試板或者成品板的測試圖形進(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?，F象；

然后再對測試圖形進(jìn)行失效位置的查找，找到位置之后再對測試樣品進(jìn)行灌膠、研磨、拋光，通過(guò)金相顯微鏡觀(guān)察到PCB內部的CAF遷移現象；

最后再通過(guò)掃描電鏡和能譜分析，對出現CAF遷移的位置確定其元素組成。一般情況下，會(huì )在CAF測試系統失效的位置檢測到有“銅”元素的存在，最后再結合CAF失效出現的位置、金相切片所觀(guān)察到的內容以及用能譜分析所測到的元素，可以基本確定具體是哪個(gè)工藝或環(huán)節出現的問(wèn)題，并出具報告幫助客戶(hù)后續進(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

當然，在實(shí)際的生產(chǎn)以及檢測的過(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(chē)電子用印制線(xiàn)路板，故障表現是產(chǎn)品在車(chē)窗關(guān)閉時(shí)會(huì )出現不受控制的現象。我們先進(jìn)行了電路分析，發(fā)現樣品中有兩個(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)表面和內部分析來(lái)找到真正的原因。

首先，我們使用顯微鏡對這兩個(gè)孔之間的表面進(jìn)行觀(guān)察，沒(méi)有發(fā)現異常情況。接下來(lái)，對這兩個(gè)孔進(jìn)行了剖切，邊研磨邊用顯微鏡觀(guān)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（導電陽(yáng)極絲）連接了兩個(gè)孔，CAF測試系統的形成是導致這兩個(gè)孔絕緣電阻偏小的主要原因?？蛻?hù)通過(guò)我們的分析報告，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。該客戶(hù)后續針對該款產(chǎn)品所用的板材進(jìn)行了整改，并且重新調整制程工藝，調節了兩個(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(hù)來(lái)樣進(jìn)行CAF項目的可靠性測試，測試結束后發(fā)現樣品絕緣阻值失效現象很?chē)乐?，于是要求進(jìn)行后續的失效分析。通過(guò)對該考試板樣品的表面觀(guān)察，發(fā)現了很多的樹(shù)枝狀生長(cháng)，從類(lèi)型上看應該屬于表面遷移的現象，但是由于遷移出現的位置比較特殊，我們便進(jìn)行了放大觀(guān)察，感覺(jué)該遷移的生長(cháng)并非在樣品表面，而是在接近表面的阻焊油墨中間。為了驗證假設，我們對樣品表面進(jìn)行了微蝕處理，按照以往的經(jīng)驗，如果該遷移確實(shí)在表面，那應該是可以直接被微蝕掉的。

但是結果顯示，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(cháng)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(guān)察到的遷移現象確實(shí)存在，而且是在表層阻焊油墨的內部，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(guān)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(hù)了解情況后對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)現這樣的情況，為該公司杜絕了將來(lái)在生產(chǎn)中出現問(wèn)題的風(fēng)險。

5、如何整改

以上只是關(guān)于CAF測試系統以及后續失效分析的一些內容，但正如上述，CAF測試系統的產(chǎn)生除了需要生長(cháng)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(chē)用PCB在進(jìn)行高溫高濕的可靠性試驗之前都會(huì )先檢測樣品表面的陰陽(yáng)離子。如果表面的離子超標，那么后期產(chǎn)生CAF的幾率也就大大增加。那么要如何檢測陰陽(yáng)離子呢？車(chē)用PCB上殘留的污染物以陰陽(yáng)離子形式存在的稱(chēng)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，嚴重的會(huì )引起短路。因此幾大汽車(chē)零部件供應商對PCB的離子清潔度有嚴格規范的要求，關(guān)于離子清潔度的測試方法有三種。

目前最常使用是萃取溶液電阻率（ROSE）測試法。該方法參考IPC-TM-650 2.3.25標準[3]，以75%異丙醇加25%去離子水（體積比）為測試溶液，沖洗車(chē)用PCB表面并使殘留在板面上的污染物溶解到測試溶液中。由于這些污染物中的正負離子使測試溶液的電阻率降低，溶進(jìn)測試液中的離子越多其電阻率降低得也越多，二者具有反比函數關(guān)系。正是利用這種函數關(guān)系，通過(guò)測定測試液沖洗前后的電阻值及所使用測試液的體積，可以計算出PCB表面殘留離子的含量，并規定以每平方厘米NaCl當量來(lái)表示，即μgNaCl/cm2。一些主要的汽車(chē)零部件供應商的測試要求具體如表1所示。

從表1可以看出，相對于IPC-6012D剛性印制板的鑒定及性能規范中≤1.56μg/cm2的要求，車(chē)用PCB的要求更嚴格。但是根據麥可羅泰克檢測所多年的測試情況，大部分車(chē)用PCB生產(chǎn)企業(yè)能滿(mǎn)足要求。

第二種離子清潔度測試方法是離子色譜法，相對于萃取溶液電阻率法測試的是整個(gè)車(chē)用PCB上離子含量的總量，離子色譜法能精確測試到車(chē)用PCB上的陰陽(yáng)離子和弱有機酸的種類(lèi)和含量。該方法一般參考IPC-TM-650 2.3.28或2.3.28.2標準[4]，將車(chē)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。當然不同的汽車(chē)零部件供應商也有不同的測試要求，具體如表2所示。

相對于氯化鈉當量法，離子色譜法有一個(gè)80℃水浴1小時(shí)的萃取過(guò)程，車(chē)用PCB表面的離子萃取得更加徹底，對車(chē)用PCB制造商的要求更高。相對來(lái)說(shuō)，化金、化銀、OSP等表面處理工藝的板較容易符合規范要求，但無(wú)鉛噴錫表面處理工藝的板經(jīng)常有不符合規范的情況出現，一般是氯離子會(huì )超標，推測來(lái)自噴錫時(shí)使用的助焊劑。

第三種離子清潔度測試方法是C3局部測試法，該方法的原理是使用去離子水蒸汽從局部（0.1in2）測試點(diǎn)上將萃取樣品提取出，并在指定的離子污染限制的基礎上給出“clean”或“dirty”的判定，從而判定該區域是否干凈。具體要求如表3。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，在60s內收集的萃取液的漏電流值不超過(guò)500μA，判定為“clean”；在60s內超過(guò)500μA，則為“dirty”。典型的測試曲線(xiàn)如圖5所示。

整個(gè)測試過(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，針對的不是整板，而是一般會(huì )分析焊盤(pán)和通孔這種局部區域。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，能分析出局部區域上殘留離子的種類(lèi)和含量。

綜上所述，作為影響車(chē)用PCB可靠性的離子清潔度，無(wú)論是汽車(chē)零部件供應商還是整車(chē)廠(chǎng)都非常關(guān)注，規范的要求比普通線(xiàn)路板要高，甚至可以說(shuō)是嚴苛。這就要求車(chē)用PCB制造商對生產(chǎn)過(guò)程嚴格管控，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)結束后選用合格的封裝工藝和存儲條件，極大程度地降低車(chē)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(chē)用PCB的可靠性。