0 引言

印制電路板（printed circuit board，PCB）在電子信息產業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品都依賴于PCB來實現元器件間的互連互通，從而發揮其功能。因此，PCB的質量直接關系到電子整機或系統產品的質量和可靠性，對電子行業至關重要。

過去約40年中，PCB產業經歷了從美國到日本，再到中國的轉移。自2016年以來，中國PCB產值規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，產值規模占比提升至近60%。隨著國內5G通信、新能源（汽車、光伏、風電等）、大數據、集成電路、人工智能、物聯網等下游行業的快速發展，以及產業鏈配套和綜合成本的優勢，國內PCB行業市場前景廣闊，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生產基地，未來將繼續保持行業制造中心地位。然而，國內PCB行業雖“大”，卻“不強”，行業內低水平重復競爭激烈，影響了行業的良性發展和國際競爭力。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定性和產品可靠性、一致性等方面有較大的提升空間。

1板卡失效因素分布

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計分析，如圖1所示，發現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節引起）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

2PCB失效模式總體分布

圖2 PCB各類失效模式總體分布

對PCB自身失效案例進行統計分析，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失效案例數量進行統計，如圖3所示，并按其失效模式類型進行分析，發現失效案例數分別為96、123和140個，呈現逐年增加的趨勢；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3年都在80%以上；導通失效連續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PCB行業最為常見的4大失效模式，也是亟待改善的質量和可靠性問題。

圖3 2019年—2021年PCB失效模式分布

針對失效模式占比最高的導通失效，進一步根據導通互連結構進行細分，發現孔銅開路、內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量的薄弱環節，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，發現熱風焊料整平（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企業應對相關制程進行重點管控。

圖4 PCB 孔銅開路典型案例

圖5 HASL 工藝合金化引起可焊性不良的典型案例

圖6 ENIG 工藝中鎳層腐蝕的典型案例

3 不同排名PCB企業失效情況

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協會（China Printed Circuit Association，CPCA）發布的《第二十屆（2020）中國電子電路行業之綜合PCB前100家企業》中企業排名情況，對位于不同排名的內資PCB企業送檢失效案例的數量分布進行統計，結果如圖7所示。排名1~25、26~50、51~75、76~100的PCB企業失效案例數量占比分別為17%、10%、14%和7%，排前100名的企業累計數量占比為48%，說明PCB產品失效在大中型企業也是較突出的問題。由于前100名企業包含了國內的主要PCB上市公司，在規模、管理和技術體系等方面相對更為完善，且代表國內PCB制造技術水平，相關失效的發生會直接影響著客戶的滿意度和企業的口碑，需特別予以關注。

圖7 不同排名PCB企業失效案例數量占比分布

對排前100名內資PCB企業發生的失效案例按照其失效模式類型進行統計分析，結果如圖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行業前4大失效模式一致（圖2），說明大中型企業PCB產品面臨的質量問題與國內整個行業情況類似。

圖8 排前100名PCB企業各類失效模式分布

4 軍/民用PCB失效模式分布

2019—2022年，軍用PCB質量問題引起整機裝備失效的案例呈逐年增長的趨勢。原因為裝備的質量與可靠性要求不斷提高，更容易激發出相關問題；另一方面與對PCB質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質量管理流程。對軍用PCB失效案例按照其失效模式類型進行統計分析，結果如圖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

對民用PCB失效案例進行統計分析，結果如圖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

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應用環境更為嚴苛，在經過例如溫度沖擊、濕熱循環、振動沖擊、高低溫工作/貯存等一系列實驗室模擬或實際應用條件后，PCB的線路、孔銅、內層互連界面等容易產生更大的溫變、機械和疲勞等應力，造成導通網絡發生開路失效。另一方面與軍/民PCB質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現外觀可焊性不良的問題（即便尚未造成功能異常）。軍用PCB板大多數質量問題都是板卡功能異常后的逆向分析發現，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。

（未完，接下篇）

審核編輯 黃宇