电子制造业产品电气保护面临新挑战

电子制造业从诞生的第一天起就和产品电气失效这一梦魇形影不离。电气失效也许只是因为PCB上一个晶体管被击穿而造成，直接损失不过区区几毛钱，而一旦有问题的电子系统在飞行、医疗监护等环境中出错，损失却是灾难性的！对于普通民用电子产品制造商来说，他们也许不必为灾难性后果而担心，但在竞争激烈的市场上，质量和可靠性差的产品虽然可以一时蒙混消费者，但却难免被市场淘汰的结局。

经历几十年和电气失效的较量，电子制造业界目前已经大体了解了主要的电气失效机制以及这些问题是如何在产品的设计、制造和生产测试中被引进的，一些有效的经验规则也已被证明非常有效，但由于人类天性中的惰性和疏忽，一些基本常识和规则不得不需要重复提醒并纳入生产管理的体制中加以执行。此外，随着技术和新材料的进步，有关电气失效这一老问题还会面临新的挑战，如高密度PCB板采用低电压芯片使得产品在生产和测试中会面临更大的ESD(静电放电)和EOS(电气过应力)风险。

制造过程PCB电气失效主要原因

伟创力公司技术开发副总裁同时也是表面贴装技术协会(SMTA)国际委员会副主席的Sammy Yi总结了PCB组装过程中可能的电气失效来源，他说：“PCB组装和测试的电气失效来源可以归纳为三个：首先是元器件、PCB板等原材料本身有问题，其次是设计不当导致制造过程产生问题，最后在制造、生产测试过程中缺乏严格的控制和优化也会带来问题。”

针对原材料问题，Sammy Yi进一步解释道，典型的元器件问题是其电气许可范围(tolerance)比较差，或者本身的电气和封装可靠性差，这很容易导致在回流焊后的PCB电气失效。他指出，一些存放时间过久的芯片，特别是含有机封装材料的BGA产品还容易产生封装材料之间、封装衬底和芯片等的脱离(delamination)以及电镀层氧化等问题。北京柏瑞安科技有限责任公司技术总监陈希立也注意到这个问题，他举例说：“库存时间过长(超过2～3年)的芯片在组装时的一个主要问题是水气和潮湿。如果仓库的温度湿度长期控制不当，水分子会渗透芯片的塑封保护层，同时引脚也会产生氧化。这些问题在回流焊时会导致芯片塑封材料的细微裂缝或变形，同时也可能产生可焊性问题，导致虚焊或假焊，这些都将最终反映在PCB的电气性能测试上，使得合格率下降或测试不稳定。”

有关设计的影响，Sammy Yi认为设计不当造成问题的种类很多，他以焊盘设计为例解释道：“典型焊盘形状和尺寸设计都有可能影响PCB的电气性能，同时，阻焊膜(Solder Mask)的设计精度、厚度也会产生影响。对于手机底板这样小型高密度的产品要求焊盘越小越好，但从制造角度来看，大的焊盘比较可取，因此必须在此找到折衷或优化的设计方案。”

Sammy Yi强调，目前业界还没有一个统一的标准可以指导全球PCB设计工程师在可测性设计(DFT)和可制造性设计(DFM)中采用普遍的规则来避免制造和测试中PCB电气损坏。“不同厂商、甚至同一厂商不同工厂的工程师都在依据个人的经验和理解来从事DFT/DFM，很多情况下也没有数据来支持其设计观点。不过这种情况目前正在改善，伟创力在数年前开始致力于统一公司内部的DFT/DFM设计和评估规则，并形成了eFlex这样一个标准并已经注册，这使得我们在全球的设计工程师可以用同一个标准衡量各自的设计，同时可以在全球不同的制造工厂去实现同一个设计。”他介绍道。

对于PCB生产制造中引入的问题，Sammy Yi认为最容易引起后续电气故障的生产工序是焊膏印刷，同时回流焊也会引起一些问题。他解释说：“业界的经验表明，绝大多数短路、开路、虚焊等问题是在焊膏印刷时造成的，而短路、开路、虚焊等又是PCB电气故障的主要表现形式。因此，目前厂商也越来越倾向于在焊膏印刷后直接进行AOI检验，而不是拖到回流焊以后才进行。当然，AOI被普遍采用的另一个原因是因为高密度PCB已成为一种趋势，使用在线测试变得越来越困难。”

Sammy Yi：我们必须提醒每个人ESD这种潜在而真实的危险，使得这一无形杀手变得有形。

柏瑞安科技的陈希立根据其观察认为，PCB上的电路受静电(ESD)和回流焊热应力冲击导致电气损坏是两个主要问题，其它电气损坏则是由于操作员误操作造成的。“这些问题往往从表面上看无从察觉，必须通过电性能测试才能了解，当然，电性能测试本身也可能会引进某种电气损坏。如测试时一些板子的上电顺序控制不当、或测试时间过长等也会造成特定芯片的损坏。尽管理论上生产和测试设备良好的电器接地保护措施可以避免这些问题，但实际上，这类问题总是存在的。”他分析道。

遏制ESD的六条基本原则

因ESD造成PCB损坏其实在PCB制造和测试的所有阶段都有可能发生，伟创力的Sammy Yi将ESD称为无形杀手。由于包括我们人体在内的几乎一切物质都是由带正电的原子核和带负电的电子组成的，ESD的问题也就无处不在。当人们走过未经处理的聚乙烯基地毯时，人体可以带上250至1,2000伏静电，而在操作台上移动普通的塑料袋也会带上1,200到20,000伏高压静电。在3,000V以上你可能有被电击的感觉，而大多数情况下你却毫无察觉。

对于PCB上的元器件，MOSFET受静电影响的范围在100～200伏、场效应管为140～10,000伏、CMOS：250～2,000伏、肖特基二极管和TTL电路：300～2,500伏、双极型晶体管：380～10,000伏。由此可见，人们的一些日常举动引发的静电对大多数半导体芯片都可能产生危害，而且这种危害经常在不知不觉中发生。柏瑞安科技技术总监陈希立举例说：“作为一个合同加工厂商，我们会处理类型广泛的PCB，我们发现不同种类的PCB以及PCB上的芯片和元器件对ESD的敏感程度很不一样。曾经有一批PCB，由于采用不具备静电保护电路设计的芯片，结果有接近10％的产品不合格，在采取相应的保护措施后，不合格率降低到了0.9%。”陈希立发现，对缺乏静电保护电路设计的芯片，问题最可能在一些手工操作时(例如PCB目检或特殊器件的手工贴装等)被引入，因此操作工作台和操作员的防静电措施是很必要的。