可靠性测试的方法
几乎所有可靠性测试项目都必须解决一个问题，要确定受测产品在比预期使用周期短得多的时间内是否可靠。显然，人们不可能花3到5年的时间测试即将上市的个人计算机，也不能花20年的时间测试军用系统。根据失效机理的不同，可以结合两种方法测试产品的可靠性：一是增加引起失效的因素发生频率，测试产品能否在预期频率下经受住这些失效因素；二是增加失效因素的严重性，以便减少发生频率。比如模拟运输过程中遭受冲击的跌落测试就属于第一种方法。鉴于两次跌落间隔的时间不会影响损坏的程度，所以人们可以快速连续地把一个产品整个使用寿命内承受的跌落次数一次性完成测试。但是在产品的使用寿命内，温度和湿度对腐蚀程度的影响只能通过提高温度、湿度、污染物浓度或这些因素的某种组合来测试。难点在于要确保测试过程能够重现和、或符合实际使用中的失效机理。
为了使用这些数据做出更贴合实际的可靠性预测（即在给定的时间和条件下可能出现失效情况的概率），测试要持续进行，直到有足够多的部件失效，才可以预估产品的寿命分布。但是，这个过程可能非常耗时，因此通常会用鉴定测试代替。鉴定测试协议规定了指定大小的样品在指定时间内出现的最多失效数量。如果几乎没有或根本没有发生失效，鉴定测试也就基本上无法提供失效分布的信息；例如，下一个时间间隔期间出现失效的概率是未知的。当适当制造的样品寿命分布已知或可根据类似设计的经验进行估计时，可将鉴定测试的限制降至最低。
许多可靠性测试或鉴定测试方法并不遵循上述任何方案。相反，他们测试的是短时间内或轻微暴露的情况下，产品在极其恶劣的条件下能否经受住一系列测试。同样，如果长期使用某个产品类型，并且对其使用环境非常熟悉，鉴定测试可能就足以判断出产品的可靠性；但这种方法是有风险的，因为它无法基于确保产品在使用寿命内不会出现某些可能的失效模式。当产品中使用了新技术或新的几何结构时，旧的测试可能就无法充分发挥作用。同样，恶劣的测试条件引入的不相关失效模式，可能根本不会出现在实际使用中。
加速可靠性测试的设计
加速可靠性测试设计可以总结为7个关键步骤。
1．确定使用环境和规定使用寿命内可接受的失效率。
2．鉴别PCBA的实际使用环境（修改后的使用环境）。使用环境可以是PCBA在实际使用中所处的自然环境。例如，PCBA在实际使用中经历的温度既会受到功率散热过程的影响，也会受到冷却过程的影响。机械环境会受到减震材料和共振等因素的影响。
3．鉴别可能的失效模式（例如焊点疲劳、导电阳极丝生长等）。加速可靠性测试的前提是，可增加产品暴露在恶劣环境下的频率和、或恶劣条件的严重性，加速失效以已知方式在产品使用中的发生，即数据可用于预测PCA在实际使用过程中的寿命分布。只有产品在测试和实际使用中出现相同的失效模式时，这种假设才有意义。必须围绕会真实发生的失效模式设计加速可靠性测试，这一点再怎么强调都不为过。人们可以根据过去的产品使用经验、相关文献或初步测试或分析鉴别可能出现的失效模式。
4．针对每种失效模式，构建加速模型。可实现根据预期的使用环境解读测试数据的加速模型，对于寿命分布的预估至关重要。这一点对于设计有效的测试也非常有帮助。所以在理想情况下，应在进行加速可靠性测试之前开发加速模型。例如，对焊点的可靠性建模时，可以使用将焊点中的应变失效周期与刚性元器件联系起来的Coffin-Manson关系。这种关系可以预测按照特定方式增加应变会减少失效循环的次数。在一定的温度范围内，增加温度循环范围是增加应变的一种方式。
一般来说，加速模型应基于失效过程中的速率控制步骤。在某些情况下，该速率可以通过Arrhenius方程确定。例如，如果速率控制过程是扩散，那么：
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注意，即使温度是重要因素，Arrhenius关系也可能不存在；在前面的热循环示例中，失效速率大致与 (ΔT)2 成正比。下文将展开介绍一些加速模型。
加速模型的适用性限制与模型本身一样重要。过度的温度升高或降低都可能会引发在实际使用中不会出现的新失效模式，或使定量加速关系无效。例如，如果温度升高到PCB的玻璃化转变温度 (Tg) 以上， z 轴上的CTE会急剧增加，导致系数下降。这实际上可能会减轻施加在焊点上的应变，还可能会促使镀贯穿孔失效。
有限元建模、分析（FEM、FEA）对于在加热测试和机械测试中开发和、或应用加速模型非常有价值。为了获得有意义的测试结果，通常需要用到二维非线性建模能力。人们可以通过构建模型来预估材料（例如，PTH孔壁中的铜，表面贴装或通孔焊点中的焊料）在运行条件和测试条件下的应力和应变。这些预估比本文中提到的简单模型要精确得多，因为它们可以解释复杂结构中材料之间的相互作用，以及材料发生的弹性形变和塑性形变。
5．根据加速模型和可接受的采样程序设计测试。使用加速模型，根据实际使用环境和寿命选择测试条件和测试时间，在更短的时间内模拟产品在整个使用寿命内的情况。样本量必须足够大，才能确定是否达到了可靠性目标（使用寿命内可接受的失效次数）。理想情况下，应该能够确定加速测试中的寿命分布，即使必须延长测试周期。
6. 分析失效情况，确认失效模式预测的准确性。加速测试的假设前提是加速测试中的特定失效模式与实际使用中发生的失效模式相同，所以一定要通过失效分析来确认假设是否成立。如果加速测试中的失效模式与预期不同，则应考虑以下可能：
1) 加速测试引入了一种实际使用中不会出现的新失效模式。通常意味着某一参数（例如频率、温度、湿度）的加速过大。
2）最初对主要失效模式的判断不正确。在这种情况下，为了了解测试结果的意义，必须针对这种失效模式开发新的加速模型。与最初假设的模型相比，测试条件可能或多或少有效地促成了新的失效模式。
3）可能存在多种失效模式。在这种情况下，应分别考虑两种失效分布，保证使用寿命预测有意义。确定上述哪种情况成立的难点在于，对于真正的新技术或使用环境，实际使用中的失效模式可能是未知的。在这些情况下，最好以较小的冲击加速度进行并行测试以对比。
7. 根据加速测试后的寿命分布确定实际使用时的寿命分布。应通过将数据与适当的统计分布（例如威布尔分布或对数正态分布）进行拟合，来确定加速测试得出的寿命分布。通过使用加速模型对寿命分布的时间轴进行转换，可以确定产品在实际使用中的寿命分布。可以使用预测到的产品使用寿命分布预估规定使用寿命内的失效次数。
下文讨论了针对某些特定失效的测试，提供了此方法的使用案例。
印制电路板可靠性测试
温度测试：PTH失效是PCB在实际使用中的主要失效源，高温下测试PCB的主要目的也是测试PTH。PTH可靠性测试应该模拟PTH在整个使用寿命内的热偏移。通常，最严苛的热循环发生在组装和返工期间。MIL-P-55110是更传统的可接受热应力测试之一（也可在IPC-TM-650中找到）。在120~150℃温度下烘烤后，将样品浸入RMA助焊剂中，并在288℃的共晶（或近共晶）锡铅焊料槽中浮焊10秒。对于无铅焊料，焊料槽的温度在260℃以上。完成测试后，剖切样品，检测PTH是否出现裂纹。这是一项严苛的测试，能够确保样品可以经受住单次波峰焊接或焊料槽返工周期。
大多数PCB热循环测试都会在较宽泛的温度范围内反复循环测试PCB；许多测试实际上是使用液-液循环的热冲击测试。IPC对不同温度峰值、升温速率和停留时间的5次加速测试结果进行了对比，还提供了简化的分析模型预估PTH的寿命。所有测试的结果都表明，最大化 PTH可靠性的方法都相同，但它们在数量上并不具有很好的相关性。
图1展示了一些适用于评估PCB PTH、PCB微通孔的测试样品。其中包括：
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图1：典型的PTH可靠性测试附连板。(a)包含3组1000个串联互连PTH的附连板，(b)互连应力测试(IST)附连板，(c)高加速热冲击(HATS)附连板和(d)工艺能力、质量和相对可靠性(PCQR2)附连板
1）包含3000个PTH和不同大小孔环的测试附连板
2）带有数百个PTH和微通孔的IST（interconnect stress testing，即互连应力测试）附连板，并经受直流感应热循环
3）带有4个菊花链网的HATS（highly accelerated thermal shock，即高强度加速热冲击）附连板，每个试验箱内和风对风循环中最多使用36个样品
4) PCQR²（即工艺能力、质量和相对可靠性）测试拼板，用于印制电路板制造工艺的标准对比
机械测试：PCB很少能经受住可能会导致电气失效的机械测试；但铜和阻焊层与层压板的附着力起到了关键作用，且经常要接受测试。当阻焊层失去附着力后，就可能聚集腐蚀性物质和湿气，电路板暴露在高温和潮湿的环境中时，可能会导致电气失效。
人们通常会按照IPC-TM-650中测试方法2.4.28，剥离测试法，测试产品的附着力。最简单的版本是在附着物上划线，将其分成小方块。如果铜或阻焊层被一块具有强力粘合剂的胶带撕下，就说明附着力不足。更多测量实际剥离强度的定量测试主要由层压板和阻焊层供应商完成。
温度、湿度和偏压测试：这些测试旨在促进PCB表面腐蚀和导电阳极灯丝的生长，这两者都可能导致绝缘电阻失效。表面绝缘测试利用两个交错的铜梳，在铜梳上施加直流偏压。这些铜梳可以安置在现有的电路板中，也可以使用IPC-B-25等附连板（图2）。通过将测量到的电阻乘以图形的平方数，可以将从铜梳图形上测量到的电阻（欧姆）转换为表面电阻率（欧姆、平方）。测量阳极和阴极之间平行走线的总长度，然后除以间隔距离，可以确定几何结构内的平方数。此处需要采取特殊的预防措施才能精测量绝缘电阻。测量1012Ω以上的电阻非常难，需要仔细做好屏蔽。采取预防措施以后，大多数实验室环境内都可以测量1012 Ω以下的电阻。
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图2：用于检查湿气、绝缘和金属迁移阻抗的测试附连板：(a)用于鉴定工艺的IPC-B-25测试板，(b)为统计过程控制设计纳入生产板的Y附连板。(资料来源：IPC-SM-840。)
通常在高温高湿环境下施加直流偏压进行实际测试。IPC-SM-840A中包含了如何对裸板进行防湿和绝缘电阻测试。测试的程度取决于目标使用环境；对于一般商用产品（2 级），在50°C、90% RH 和100Vdc偏压下进行7天测试即可。最小绝缘电阻要求为108Ω。PCB军用规范MIL-P-55110规定了军用防潮测试和绝缘电阻测试的程序。应根据军用规范MIL-STd-202的方法106 （ 需施加100Vdc极化电压）和方法 402的测试条件A进行防潮测试。
IPC-SM-840A中也包括了抗电迁移测试。连续7天在85°C、90% RH和10Vdc偏压下，并施加1 mA的限制电流，进行测试。电流的显著变化导致产品失效。样品还经过显微镜检测，确定是否有电解金属迁移的迹象。为了测试助焊剂残留物引起的枝晶生长现象，通常要在85°C、85% RH、-20 Vdc偏压下进行1000 小时的测试。这些测试都是基于经验的；也有一些研究人员试图为类似的测试开发加速系数。
近期，加速测试可靠性已经成为不可回避的需求，特别是对于具有微通孔的高密度互连 （high density interconnect ，简称HDI）PCB。IPC作为领先的PCB权威机构，已将工作重点转向基于性能的验收测试，建议业界使用测试附连板检测潜在的微通孔失效，这种方法不同于之前仅基于传统显微切片评估的可靠性验收方法。在许多高端硬件中，人们仅使用传统显微切片和光学显微镜检测裸板PCB样品在制造、检测和验收过程中被施加热应力后的情况。IPC发出警告，称这种方法不足以检测出所有的失效。
数据显示，传统的检测技术已无法有效检测出从微通孔到目标镀层的所有失效，所以也就无法再作为有效的质量保证工具。因此，十分有必要审核上述的加速测试方法，并根据产品特定的环境要求（例如汽车和航空航天行业）进行调整，以便根据引起失效的物理原理和潜在机理进行有效的筛选和寿命预测。如需详细了解可靠性指南，可参考IPC的9700系列标准，该标准专门针对热循环、机械负载（例如弯曲强度）和评估PCB焊盘抗坑性调整测试要求，是非常宝贵的资源。
编者注：本文节选自《印制电路手册（第7版）》第60章，该手册由Clyde F. Coombs和Happy T. Holden编辑。
更多内容可点击这里查看，文章发表于《PCB007中国线上杂志》23年11月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。
