第2章 印制电路板的可靠性设计

2.1 孔的可靠性设计

2.1.1 印制电路板上孔的分类

孔（Via）是多层PCB电路板的重要组成部分，钻孔的费用通常占PCB制作费用的30%～40%。因此过孔设计也成为PCB设计的重要部分之一。简单地说，PCB上的每一个孔都可以称为过孔。从作用上看，过孔可以分成两类：一是用做各层间的电气连接；二是用做器件的固定或定位。从工艺制程上来说，这些过孔一般又分为三类，即盲孔（BlindVia）、埋孔（BuriedVia）和通孔（ThroughVia）。

盲孔位于印制电路板的顶层和底层表面，具有一定深度，用于表层线路和下面的内层线路的连接，孔的深度通常不超过一定的比率（孔径）。盲孔结构如图2.1所示。

图2.1 盲孔结构图

埋孔是指位于印制电路板内层的连接孔，它不会延伸到线路板的表面。埋孔位于线路板的内层，层压前利用通孔成型工艺完成，在孔形成过程中可能还会重叠做好几个内层。埋孔结构如图2.2所示。

图2.2 埋孔结构图

第三种孔称为通孔，这种孔穿过整个线路板，可用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔。由于通孔在工艺上更易于实现，成本较低，所以绝大部分印制电路板均使用它，而不用另外两种过孔。以下所说的过孔，没有特殊说明的，均作为通孔考虑。从设计的角度来看，一个过孔主要由两部分组成，一是中间的钻孔（Drill Hole），二是钻孔周围的焊盘区。这两部分的尺寸大小决定了过孔的大小。通孔结构如图2.3所示。

图2.3 通孔结构图

显然，在设计高速高密度的PCB时，电路板设计者总是希望孔越小越好，这样PCB上可以留有更多的布线空间；另外，过孔越小，其自身的寄生电容也越小，更适合用于高速电路。但孔尺寸的减小同时带来了成本的增加，而且过孔的尺寸不可能无限制的减小，它受到钻孔（Drill）和电镀（Plating）等工艺技术的限制：孔越小，钻孔需花费的时间越长，也越容易偏离中心位置；就目前的PCB制作技术水平，当PCB基板厚度与孔径之比（即厚径比）超过10时，就无法保证孔壁的均匀镀铜，而镀层厚度的不均匀，特别是镀层中间位置的镀层疏松、过薄会严重影响孔的疲劳寿命。

2.1.2 影响通孔可靠性的关键设计参数

印制电路板通孔（PTH）的热循环疲劳失效是电子产品互连失效的主要形式之一。通孔可靠性评估主要分为两个步骤，即首先进行应力-应变评估，然后进行低周疲劳寿命评估。在IPC的研究报告中给出了上述两个模型，即应力-应变评估模型和疲劳寿命评估模型，以及进行通孔可靠性评估所需的相关参数信息。

在工程实际中仍主要应用这两个模型对PTH的可靠性进行评估。IPC的PTH疲劳寿命评估模型是根据对铜箔进行的大量实验的数据结果总结得到的。由于IPC方法的假设前提，其应力-应变评估模型不满足PTH镀层端面的边界自由条件，也不满足镀层与基板粘结处的位移连续条件。由此模型计算得到的应力在PTH镀层中是均匀分布的，但在工程实际中，PTH失效通常发生在镀层中心处和孔肩位置处，如图2.4所示。IPC研究报告中记录的39组样品的试验结果也表明，试验样品中有9组未发生失效，2组失效发生在焊盘转角处，其余28组失效均发生在镀层轴向靠近中心处。可见，镀层轴向中心处的断裂失效是PTH失效的最主要形式，这与工程实际中经常发生失效的位置是一致的。

参考文献针对上述问题，对IPC的应力-应变模型进行了改进。在改进模型的研究中发现，PCB基板厚度与孔径之比（即厚径比）、基板厚度与镀层厚度之比，以及基板作用半径与孔半径之比是影响PTH疲劳寿命的主要几何设计参数。在改进的解析模型基础上，给出并分析了PTH疲劳寿命对这三组几何设计参数的灵敏度。选取工程取值范围内的PCB几何设计参数，计算得到的灵敏度可以用于指导PCB的设计，提高PCB和PTH的可靠性。PTH孔中间位置的热应力疲劳失效如图2.5所示。

图2.4 PTH常见失效位置

图2.5 PTH孔中间位置的热应力疲劳失效