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  • CAF測試系統在汽車電子可靠性測試中的應用-百川宜器

    發表日期:2021/05/18 瀏覽次數:

    1、背景

    5G將于2020年邁入商用,加上汽車走向智慧化、聯網化與電動化的趨勢,將帶動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越來越大。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帶來相應車用PCB需求量的快速增長。中國汽車電子市場很大程度上由世界知名汽車零部件廠商如德爾福、日本電裝、博世、大陸等巨頭占領。一些國內PCB制造商正積極布局車用PCB領域,但其中通過上述汽車零部件廠家認證的不多。通常汽車領域的認證需要2~4年甚至更長時間,除此之外,工藝技術能力和制程控制能力不足是導致發展進入瓶頸期的主要因素。

    2、市場分析

    所謂汽車電子[1],其實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,包括發動機控制系統、底盤控制系統和車身電子控制系統(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、經濟性和娛樂性。由傳感器、微處理器MPU、執行器、數十甚至上百個電子元器件及其零部件組成的電控系統。車用PCB的應用領域包括以下方面:

    1.動力控制系統,主要包括發動機控制單元、啟動器、發電機、傳輸控制裝置、燃油噴射、動力轉向系統等;

    2.車身電子系統,主要包括汽車照明、動力門、座椅、無鑰匙、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裝備等。

    其中動力控制系統和車身電子系統作為常規的汽車電子產品,在市場中依舊占有很大的比重。安全控制系統隨著汽車安全法規越來越嚴格,促使安全系統裝載率提高,故而市場占有率增速較快,且占整個汽車電子比例較高。隨著5G技術的不斷發展,消費者對舒適娛樂度的需求也就越來越高,尤其是近兩年,通信娛樂多媒體系統呈現出逐年上升的態勢。

    隨著汽車的智能化、自動化以及汽車不斷普及,PCB作為汽車電子系統的核心部件也就顯得尤為重要。位于汽車不同部位的PCB所處環境不同,對PCB的要求也就不同,比如發動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的導線寬度以及導線間距也越來越小,層數也越來越密集,逐漸向高密度化的方向發展。而從汽車的種類來看,電動汽車用的部分PCB則需要承載更高電壓和電流來實現驅動以及靈敏度的要求。同時考慮到汽車的使用環境和使用者的安全保障,車用PCB的長期可靠性要求更高。如果在產品壽命期內出現PCB可靠性失效會引起巨大損失,包括修理更換費用、汽車電路短路引起自燃、汽車行駛中電子元器件故障導致車輛失控造成人身傷害、批量召回、延長保修期,以及企業品牌形象受損等。

    3、測試方案

    那么到底要如何提升車用PCB的性能?業內一般會做一些PCB檢測項目,然后再根據檢測結果進一步改善PCB的生產工藝,并進而提高汽車電子產品的性能,其中相關的檢測項目主要有以下類型:

    ◆1.外觀檢查 ◆5.材料性能

    ◆2.尺寸測量 ◆6.電氣性能

    ◆3.內部結構 ◆7.化學特性

    ◆4.最終表面處理 ◆8.可靠性測試

    使用相關的測試技術可有效降低PCB給汽車電子帶來的故障風險,而在這些測試項目中,可靠性測試顯得尤為重要。可靠性測試[2]就是為了評估產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境下,保持功能可靠性而進行的活動。是將產品暴露在自然的或人工的環境條件下經受其作用,以評價產品在實際使用、運輸和儲存的環境條件下的性能,并分析研究環境因素的影響程度及其作用機理。通過使用各種環境試驗設備模擬氣候環境中的高溫、低溫、高溫高濕以及溫度變化等情況,加速反應產品在使用環境中的狀況,來驗證其是否達到在研發、設計、制造中預期的質量目標,從而對產品整體進行評估,以確定產品可靠性壽命。在可靠性測試中,其中最常見的就是高溫高濕測試,這種測試模擬了車用PCB在日常生活中所會涉及到的各種日曬雨淋等自然氣候變換,為將來汽車在工作中能更加穩定提供了有效的保障。

    那么這個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》。另外各大知名汽車零部件廠商如德爾福、博世、大陸等也有其專門的企業測試標準,主要測試內容就是將考試板放置在85℃,85%RH的環境中處理1000小時,并在考試板的孔與孔之間、線與線之間,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,通過絕緣阻值變化了解其內部可能存在的一系列問題,而這種測試最常見的缺陷就是板材內部出現了CAF現象。

    所謂CAF現象,其實就是PCB內部正電位的導體金屬失去電子,發生電化學溶解,銅離子在電場作用下,從陽極(高電壓)沿著玻纖絲和樹脂間的縫隙或其它通道向陰極(低電壓)遷移, 從陰極向陽極方向形成細絲。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生長的通道(纖維與樹脂界面縫隙、樹脂空洞、纖維空洞、壓合界面縫隙、異物等);

    5. 經過一定長的時間。

    如果沒有上述條件,那么是沒辦法形成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作用下從陽極向陰極遷移,并在陰極進行沉積生長,而這個生長不是一蹴而就的,需要一定的時間,具體形成過程見圖1所示:

    通過圖1可以看出CAF的生長是如何產生的,并且通過一系列的觀察與分析便可以基本了解具體是在哪個工藝環節可能產生了問題,從而進一步工藝改善。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制造商改進生產工藝;指導CCL供應商改進材料配方和加工工藝。

    4、失效分析

    當然,如果需要對車用PCB廠商進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所示流程進行:

    首先根據考試板或者成品板的測試圖形進行表面檢查,查看是否有分層、起泡、異物或者遷移等一系列異常現象;

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

    最后再通過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工藝或環節出現的問題,并出具報告幫助客戶后續進行整改。具體的金相切片以及能譜分析案例見圖3所示。

    4、典型案例

    當然,在實際的生產以及檢測的過程中這樣的案例還有很多,2013年8月,上海某公司送來一塊帶器件汽車電子用印制線路板,故障表現是產品在車窗關閉時會出現不受控制的現象。我們先進行了電路分析,發現樣品中有兩個孔之間的絕緣電阻小于107。這兩個孔的絕緣電阻偏小是導致產品在使用時會發生微短路的主要原因。為了搞清楚是什么原因造成這兩個孔間絕緣電阻偏小,還需要通過表面和內部分析來找到真正的原因。

    首先,我們使用顯微鏡對這兩個孔之間的表面進行觀察,沒有發現異常情況。接下來,對這兩個孔進行了剖切,邊研磨邊用顯微鏡觀察兩個孔之間的材料中是否存在異常。在孔的中心位置附近,通過顯微鏡看到了明顯的CAF(導電陽極絲)連接了兩個孔,CAF測試系統的形成是導致這兩個孔絕緣電阻偏小的主要原因。客戶通過我們的分析報告,找到了產品失效的真正原因,為后期質量的改進提供了可靠的依據。該客戶后續針對該款產品所用的板材進行了整改,并且重新調整制程工藝,調節了兩個孔之間的距離,自此以后,該款產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。

    同樣的案例還有廣東某客戶來樣進行CAF項目的可靠性測試,測試結束后發現樣品絕緣阻值失效現象很嚴重,于是要求進行后續的失效分析。通過對該考試板樣品的表面觀察,發現了很多的樹枝狀生長,從類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,我們便進行了放大觀察,感覺該遷移的生長并非在樣品表面,而是在接近表面的阻焊油墨中間。為了驗證假設,我們對樣品表面進行了微蝕處理,按照以往的經驗,如果該遷移確實在表面,那應該是可以直接被微蝕掉的。

    但是結果顯示,微蝕之后,樣品表面的銅確實沒有了,但是樹枝狀生長依然還在,只是從之前的紅色變成了白色,就好像一個空洞一般。由此我們可以看出,之前所觀察到的遷移現象確實存在,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又一個的洞,通過微蝕之后,里面的銅沒有了,最終就只留下了一個又一個的空洞。這個結果說明該產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題,同時,通過觀察,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。

    通過我們的分析,客戶了解情況后對該阻焊油墨以及其加工工藝進行了整改,整改后再次送檢樣品,再也未發現這樣的情況,為該公司杜絕了將來在生產中出現問題的風險。

    5、如何整改

    以上只是關于CAF測試系統以及后續失效分析的一些內容,但正如上述,CAF測試系統的產生除了需要生長的通道之外,還有一個重要的因素就是需要有陰離子的存在,所以車用PCB在進行高溫高濕的可靠性試驗之前都會先檢測樣品表面的陰陽離子。如果表面的離子超標,那么后期產生CAF的幾率也就大大增加。那么要如何檢測陰陽離子呢?車用PCB上殘留的污染物以陰陽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產生電化學遷移,嚴重的會引起短路。因此幾大汽車零部件供應商對PCB的離子清潔度有嚴格規范的要求,關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系。正是利用這種函數關系,通過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當量來表示,即μgNaCl/cm2。一些主要的汽車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,大部分車用PCB生產企業能滿足要求。

    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車用PCB上離子含量的總量,離子色譜法能精確測試到車用PCB上的陰陽離子和弱有機酸的種類和含量。該方法一般參考IPC-TM-650 2.3.28或2.3.28.2標準[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,將一定體積的萃取液注入到離子色譜儀中進行分析。當然不同的汽車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80℃水浴1小時的萃取過程,車用PCB表面的離子萃取得更加徹底,對車用PCB制造商的要求更高。相對來說,化金、化銀、OSP等表面處理工藝的板較容易符合規范要求,但無鉛噴錫表面處理工藝的板經常有不符合規范的情況出現,一般是氯離子會超標,推測來自噴錫時使用的助焊劑。

    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。

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

    整個測試過程不超過15分鐘。可以看出C3是一種快速定性的分析方法,針對的不是整板,而是一般會分析焊盤和通孔這種局部區域。要進一步定量分析,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和含量。

    綜上所述,作為影響車用PCB可靠性的離子清潔度,無論是汽車零部件供應商還是整車廠都非常關注,規范的要求比普通線路板要高,甚至可以說是嚴苛。這就要求車用PCB制造商對生產過程嚴格管控,選擇合適的生產原材料,選用與產品性能相配套的生產工藝和清洗工藝,甚至于在生產結束后選用合格的封裝工藝和存儲條件,極大程度地降低車用PCB表面的離子污染,從源頭上避免產生遷移的可能性,把失效扼殺在萌芽之中,進而最終提高車用PCB的可靠性。


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