印刷电路板 （PCB） 是现代电子产品的支柱，为从智能手机到航空航天系统的所有产品提供动力。然而，它们在极端条件下（例如高温、快速热循环或恶劣环境）下的可靠性可以决定产品的成功或失败。热应力测试是确保 PCB 能够承受这些挑战、防止代价高昂的故障并确保长期性能的关键过程。在本博客中，我们探讨了热应力测试的重要性、其关键方法以及它如何验证要求苛刻的应用的 PCB 可靠性。

无论您是为消费电子产品还是关键任务系统进行设计，了解热应力测试都可以帮助您构建坚固、可靠的 PCB。让我们深入了解此过程的要点，并为工程师揭示实用的见解。

为什么热应力测试对 PCB 可靠性很重要

PCB 在不同的环境中运行，从汽车发动机舱的高温到航空航天应用的冰冻高度。如果没有严格的测试，热应力可能会导致焊点断裂、过孔裂纹或材料分层等故障。根据 IPC-6012 等行业标准，高性能 HDI PCB 的热可靠性是不容谈判的，特别是在医疗和军事系统的 3 类应用中，故障会危及人类安全。

热应力测试模拟真实条件，以便在批量生产之前识别弱点。通过将 PCB 暴露在极端温度和快速转换下，工程师可以查明故障模式、优化设计并确保符合 JEDEC 和 MIL-STD 等标准。例如，一项研究发现，如果管理不当，-40°C 和 +125°C 之间的热循环会使焊点寿命缩短多达 50%。这些数据强调了为什么主动测试对于可靠性至关重要。

关键热应力测试方法

热应力测试包含多种方法，每种方法都旨在评估 PCB 可靠性的特定方面。下面，我们概述了最常见的技术及其应用。

热循环测试

热循环涉及使 PCB 在数百或数千次循环中经历重复的温度波动，通常在 -65°C 至 +125°C 之间。该方法模拟 PCB 在其使用寿命期间所经历的热应力，例如消费类设备中的电源打开和关闭。目标是评估由热膨胀系数 （CTE） 差异引起的焊点、过孔和基板材料的疲劳。

例如，具有 FR-4 基板 （CTE ~14 ppm/°C） 和铜走线 （CTE ~17 ppm/°C） 的 PCB 在温度波动期间可能会在焊点处承受应力。根据 JEDEC JESD22-A104，测试可能涉及 1,000 次循环，转变速率为每分钟 10°C。焊点中的微裂纹或分层等故障通过电气测试和循环后的微观截面分析来检测。

热冲击测试

与热循环的逐渐转变不同，热冲击测试使 PCB 暴露在快速温度变化中，通常每分钟超过 15°C。这种方法模拟了极端场景，例如卫星中的 PCB 从阳光过渡到阴影。根据 IPC-TM-650 方法 2.6.7 等标准，测试在温度范围为 -55°C 至 +150°C 的双室系统或液体浴中进行。

热冲击对电镀通孔 （PTH） 尤其苛刻。2017 年 IEEE 的一项研究发现，由于 CTE 不匹配，从 -40°C 到 +160°C 的快速转变使 PTH 失败率增加了 30%。测试后的显微切片揭示了桶开裂或分离等问题，确保在组装前确保 PTH 的完整性。

老化测试

老化测试使 PCB 长时间承受高温（例如 125°C）和电应力，通常为 24-168 小时。此方法可识别可能导致早期故障的潜在缺陷，例如弱组件或制造缺陷。老化对于航空航天等高可靠性应用来说很常见，在这些应用中，单个故障就可能是灾难性的。

例如，老化测试可能会在 PCB 的导体上施加 500VDC，同时保持 105°C 以模拟最坏情况下的工作条件。持续监测可检测绝缘击穿或组件退化等异常情况，确保只有坚固的 PCB 才能到达现场。

热膨胀系数 （CTE） 测试

CTE 测试使用热机械分析 （TMA） 等工具测量 PCB 材料如何随温度变化而膨胀或收缩。这对于多层 PCB 至关重要，因为层压板、铜和焊料之间不匹配的 CTE 会导致应力。典型的测试是以 10°C/min 的速度将 6.35 mm x 6.35 mm 样品从 105°C 加热到 250°C，记录膨胀以确保其保持在可接受的范围内（例如，<50 ppm/°C 玻璃后转变）。

高 CTE 错配会导致 THROUGH 断裂或分层。例如，陶瓷基板 （CTE ~7 ppm/°C） 是高温应用的首选，以最大限度地减少应力，这与 FR-4 不同，FR-4 在 150°C 以上可能会变形。

热应力测试发现的常见失效模式

热应力测试揭示了几种影响 PCB 可靠性的故障模式。了解这些有助于工程师设计更稳健的电路板。

- 焊点疲劳：反复的热循环会导致焊球界面的应力集中，从而导致微裂纹或开路。2022 年的一项研究指出，由于疲劳，无铅 SAC305 焊点在 -40°C 和 +125°C 之间循环 1,500 次后失效。

- 通孔和 PTH 开裂：镀铜和基板材料之间的 CTE 不匹配会导致通孔或 PTH 断裂，尤其是在热冲击下。高深宽比过孔特别容易受到攻击，在温度快速变化中，故障率会增加 20%。

- 分层：极热会导致层压板层之间分离，从而削弱 PCB 的结构完整性。这在暴露于 150°C 以上温度下的低 Tg 基材中很常见。

- 组件故障：热感应应力（如 IC 中的电迁移）会导致即时或长期的组件故障，从而缩短 PCB 的使用寿命。

通过及早发现这些问题，工程师可以调整材料、布局或制造流程以提高可靠性。

热应力测试的行业标准

遵守行业标准可确保一致、可靠的测试结果。主要标准包括：

- IPC-TM-650 方法 2.6.8：指定使用 288°C 的浮焊法对 PTH 进行热应力测试 10 秒，然后进行显微切片分析以检查是否有裂纹或分离。

- JEDEC JESD22-A104：管理热循环测试，定义半导体封装和 PCB 的温度范围（-65°C 至 +150°C）、循环计数和转变速率。

- MIL-STD-202：概述了军用级 PCB 的环境应力测试，包括热冲击和湿度，以确保在极端条件下的耐用性。

- IEC 60068：涵盖环境测试，包括热循环和冲击，以及针对耐热、抗振动和耐湿性的特定协议。

符合这些标准可确保 PCB 在其预期应用（从消费电子产品到关键基础设施）中满足性能预期。

设计热可靠 PCB 的实用技巧

为了最大限度地提高热应力下的 PCB 可靠性，请考虑以下设计策略：

1. 匹配 CTE 值：为基板、导体和焊料选择具有相似 CTE 的材料。例如，与标准 FR-4 （Tg ~130°C） 相比，使用高 Tg FR-4 （Tg >170°C） 可降低应力。

2. 优化过孔设计：使用低纵横比过孔，并确保适当的镀铜厚度（例如 25 μm），以最大限度地减少热冲击过程中的开裂。

3. 加强热管理：结合热通孔、散热器或金属芯基板，使热量均匀散发，防止加剧应力的热点。

4. 仿真热性能：在原型设计之前，使用 Cadence OrCAD 等概率建模工具预测热热点和应力点。

5. 尽早并经常测试：对原型试样进行热应力测试，以便在全面生产之前发现问题，从而减少代价高昂的召回。

这些实践以数据和标准为基础，帮助工程师构建能够承受极端条件的 PCB。

热应力测试不仅仅是一个质量保证步骤，它还是苛刻环境中 PCB 可靠性的基石。通过您的设计充满信心地实现生活。