CAF測試系統(tǒng)在汽車電子可靠性測試中的應用-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(lǐng)。一些國內(nèi)PCB制造商正積極布局車用PCB領(lǐng)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(lǐng)域的認證需要2~4年甚至更長時間，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(fā)動機控制系統(tǒng)、底盤控制系統(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)濟性和娛樂性。由傳感器、微處理器MPU、執(zhí)行器、數(shù)十甚至上百個電子元器件及其零部件組成的電控系統(tǒng)。車用PCB的應用領(lǐng)域包括以下方面：
1.動力控制系統(tǒng)，主要包括發(fā)動機控制單元、啟動器、發(fā)電機、傳輸控制裝置、燃油噴射、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等；
2.車身電子系統(tǒng)，主要包括汽車照明、動力門、座椅、無鑰匙、空調(diào)系統(tǒng)、胎壓監(jiān)測等；
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裝備等。
其中動力控制系統(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)越來越嚴格，促使安全系統(tǒng)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(shù)的不斷發(fā)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(tǒng)呈現(xiàn)出逐年上升的態(tài)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(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PCB的要求也就不同，比如發(fā)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?shù)囊?，PCB的導線寬度以及導線間距也越來越小，層數(shù)也越來越密集，逐漸向高密度化的方向發(fā)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(xiàn)驅(qū)動以及靈敏度的要求。同時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(yè)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(yè)內(nèi)一般會做一些PCB檢測項目，然后再根據(jù)檢測結(jié)果進一步改善PCB的生產(chǎn)工藝，并進而提高汽車電子產(chǎn)品的性能，其中相關(guān)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(nèi)部結(jié)構(gòu) ◆7.化學特性
◆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?？煽啃詼y試[2]就是為了評估產(chǎn)品在規(guī)定的壽命期間內(nèi)，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行的活動。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，以評價產(chǎn)品在實際使用、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(wěn)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(yè)測試標準，主要測試內(nèi)容就是將考試板放置在85℃，85%RH的環(huán)境中處理1000小時，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，通過絕緣阻值變化了解其內(nèi)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(nèi)部出現(xiàn)了CAF現(xiàn)象。
所謂CAF現(xiàn)象，其實就是PCB內(nèi)部正電位的導體金屬失去電子，發(fā)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(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測試系統(tǒng)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(tǒng)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(jīng)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(xiàn)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(chǎn)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(huán)節(jié)可能產(chǎn)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(chǎn)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(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所示流程進行：
首先根據(jù)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(xiàn)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(nèi)部的CAF遷移現(xiàn)象；
最后再通過掃描電鏡和能譜分析，對出現(xiàn)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(tǒng)失效的位置檢測到有“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到的元素，可以基本確定具體是哪個工藝或環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題，并出具報告幫助客戶后續(xù)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(chǎn)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(xiàn)是產(chǎn)品在車窗關(guān)閉時會出現(xiàn)不受控制的現(xiàn)象。我們先進行了電路分析，發(fā)現(xiàn)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(chǎn)品在使用時會發(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孔間絕緣電阻偏小，還需要通過表面和內(nèi)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(fā)現(xiàn)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(tǒng)的形成是導致這兩個孔絕緣電阻偏小的主要原因?？蛻敉ㄟ^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)量的改進提供了可靠的依據(jù)。該客戶后續(xù)針對該款產(chǎn)品所用的板材進行了整改，并且重新調(diào)整制程工藝，調(diào)節(jié)了兩個孔之間的距離，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。
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(jié)束后發(fā)現(xiàn)樣品絕緣阻值失效現(xiàn)象很嚴重，于是要求進行后續(xù)的失效分析。通過對該考試板樣品的表面觀察，發(fā)現(xiàn)了很多的樹枝狀生長，從類型上看應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(jīng)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(jié)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(xiàn)象確實存在，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(jié)果說明該產(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(fā)現(xiàn)這樣的情況，為該公司杜絕了將來在生產(chǎn)中出現(xiàn)問題的風險。
5、如何整改
以上只是關(guān)于CAF測試系統(tǒng)以及后續(xù)失效分析的一些內(nèi)容，但正如上述，CAF測試系統(tǒng)的產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(guī)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(shù)關(guān)系。正是利用這種函數(shù)關(guān)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(guī)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(guī)范中≤1.56μg/cm2的要求，車用PCB的要求更嚴格。但是根據(jù)麥可羅泰克檢測所多年的測試情況，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(guī)范要求，但無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(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。
簡單地說，在60s內(nèi)收集的萃取液的漏電流值不超過500μA，判定為“clean”；在60s內(nèi)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?？梢钥闯鯟3是一種快速定性的分析方法，針對的不是整板，而是一般會分析焊盤和通孔這種局部區(qū)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(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，無論是汽車零部件供應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，甚至可以說是嚴苛。這就要求車用PCB制造商對生產(chǎn)過程嚴格管控，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(jié)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(chǎn)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。