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陶瓷PCB厂家分享可靠性设计与测试方案

  • 2025-09-11 11:48:00
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陶瓷 PCB 虽具备优异的性能,但在实际应用中,受材料特性(脆性大)、制备工艺(高温键合)与使用环境(高温、振动)影响,仍可能出现开裂、线路脱落、绝缘失效等可靠性问题。通过科学的可靠性设计与严格的测试验证,可有效规避潜在风险,确保陶瓷 PCB 在全生命周期内稳定工作。

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一、核心可靠性设计要点

(一)抗开裂设计:解决陶瓷脆性难题

陶瓷材料的脆性大(断裂韧性约 3-5MPa・m^(1/2),仅为金属的 1/10),易在机械应力、热应力作用下开裂,需通过结构与工艺设计提升抗裂能力:

  1. 基板结构优化:

  • 边缘倒角:将陶瓷基板的棱角进行倒角处理(倒角角度 45°,半径 0.5-1mm),减少应力集中,某氮化铝陶瓷 PCB 通过倒角设计,抗冲击强度提升 30%;

  • 镂空与开槽:在基板应力集中区域(如元器件焊接处、固定孔周围)开设镂空或槽孔(宽度 0.5-1mm),分散应力,避免局部应力超过陶瓷的断裂强度(约 300MPa);

  • 厚度匹配:陶瓷基板厚度与金属线路厚度的比例控制在 5:1-10:1(如基板厚度 0.63mm,线路厚度 0.1mm),避免因热膨胀系数差异产生过大热应力;

  1. 材料匹配设计:

  • CTE 匹配:选择与陶瓷基板 CTE 接近的元器件与散热器,如氮化铝陶瓷(CTE 4.5ppm/℃)搭配硅芯片(CTE 3ppm/℃)、铜散热器(通过添加钨调整 CTE 至 6ppm/℃),热应力可降低 40%;

  • ** bonding 材料选择 **:元器件与陶瓷 PCB 的 bonding 采用柔性导热胶(如硅基导热胶,伸长率≥100%),替代刚性焊料,缓冲热应力与机械应力;

  1. 工艺控制:

  • 键合温度梯度:AMB、DBC 工艺中,采用阶梯式升温(5℃/min)与降温(3℃/min),避免温度骤变导致基板开裂;

  • 基板平整度控制:制备过程中通过加压烧结(压力 1-3MPa)确保基板平整度≤0.1mm/m,避免组装时产生机械应力。

(二)线路可靠性设计:防止线路脱落与腐蚀

陶瓷 PCB 的线路与基板结合不良、环境腐蚀易导致线路脱落或导通失效,需通过线路设计与表面处理提升可靠性:

  1. 线路结构设计:

  • 线路宽度与间距:高功率线路宽度≥0.5mm(承载电流≥5A),避免电流密度过高(≤10A/mm²)导致线路过热;线路间距≥0.3mm,防止高压下击穿(如 1kV 电压下间距≥0.2mm);

  • 边缘覆盖:线路边缘覆盖阻焊层(如聚酰亚胺阻焊剂,厚度 10-20μm),覆盖宽度≥0.1mm,避免线路边缘腐蚀与机械损伤;

  • 过孔设计:多层陶瓷 PCB 的过孔直径≥0.2mm,孔壁电镀铜厚度≥15μm,过孔周围设置散热盘(面积≥过孔面积的 5 倍),提升过孔导电性与散热性;

  1. 表面处理工艺:

  • 镀镍金:线路表面镀镍(厚度 5-10μm)+ 镀金(厚度 0.1-0.5μm),镍层阻挡铜扩散,金层提升耐腐蚀性与可焊性,盐雾测试寿命从 500 小时延长至 2000 小时;

  • 镀锡铅合金:针对高温环境(≤200℃),线路表面镀 Sn-Pb 合金(Sn63Pb37,厚度 5-10μm),耐温性优于镀金,且成本较低;

  • 钝化处理:对铜线路进行化学钝化(如铬酸盐钝化),形成钝化膜(厚度 10-20nm),抑制氧化,常温存储寿命从 6 个月延长至 1 年。

(三)绝缘可靠性设计:避免绝缘失效

陶瓷 PCB 的绝缘失效多因基板缺陷、线路间距不足或污染导致,需通过设计与工艺控制确保绝缘性能:

  1. 基板质量控制:

  • 缺陷检测:采用超声波扫描显微镜(SAM)检测陶瓷基板内部缺陷(如气泡、裂纹),缺陷面积占比≤0.1%,避免缺陷处电场集中导致击穿;

  • 表面清洁:制备过程中采用等离子体清洗(功率 50-100W,时间 5-10 分钟)去除基板表面油污与杂质,绝缘电阻提升 1 个数量级(从 10¹³Ω 增至 10¹⁴Ω);

  1. 绝缘间距设计:

  • 高压间距:根据工作电压确定线路间距,1kV 电压下间距≥0.2mm,10kV 电压下间距≥1mm,同时考虑爬电距离(沿基板表面的距离≥间距的 1.5 倍);

  • 隔离槽设计:在高压线路与低压线路之间开设隔离槽(宽度 0.5-1mm,深度 0.1-0.2mm),避免爬电导致绝缘失效;

  1. 环境防护设计:

  • 密封封装:户外或潮湿环境应用的陶瓷 PCB,采用金属外壳或环氧树脂灌封(灌封胶绝缘电阻≥10¹⁴Ω,耐温≥150℃),实现 IP67/IP68 防护等级;

  • 防潮涂层:在基板表面涂覆防潮涂层(如派瑞林涂层,厚度 5-10μm),吸水率≤0.1%,避免潮气侵入导致绝缘电阻下降。



二、关键可靠性测试标准与方法

(一)机械可靠性测试

  1. 抗冲击测试:

  • 标准:参照 IEC 60068-2-27,采用半正弦波冲击,加速度 50-100g,脉冲宽度 1-10ms,正负方向各 10 次;

  • 要求:测试后陶瓷基板无开裂,线路无脱落,导通电阻变化率≤10%;

  • 应用场景:汽车电子、航空航天设备(如发动机舱传感器)。

  1. 振动测试:

  • 标准:参照 IEC 60068-2-6,采用正弦振动(频率 10-2000Hz,加速度 5-20g,扫频速率 1oct/min)或随机振动(功率谱密度 0.01-0.1g²/Hz,频率 10-2000Hz),测试时间 10-20 小时;

  • 要求:测试后线路接触电阻变化率≤15%,无结构损坏;

  • 应用场景:汽车电子(如车载雷达)、工业设备(如振动筛控制器)。

  1. 弯曲测试:

  • 标准:参照 IEC 60068-2-45,对陶瓷 PCB 施加固定挠度(如基板长度的 1%),保持 1 小时;

  • 要求:测试后基板无开裂,绝缘电阻≥10¹²Ω;

  • 应用场景:柔性陶瓷 PCB(如可穿戴设备)、便携式医疗设备。

(二)热可靠性测试

  1. 温度循环测试:

  • 标准:参照 IEC 60068-2-14,温度范围 - 40℃至 125℃(工业级)或 - 60℃至 150℃(航空级),循环次数 500-2000 次,每次循环包括升温(5℃/min)、高温保持(30min)、降温(5℃/min)、低温保持(30min);

  • 要求:测试后线路导通率 100%,绝缘电阻变化率≤20%,无基板开裂;

  • 应用场景:所有陶瓷 PCB,尤其是高功率、极端温度环境设备。

  1. 高温老化测试:

  • 标准:参照 IEC 60068-2-2,温度 85℃-150℃,测试时间 1000-5000 小时;

  • 要求:测试后线路电阻变化率≤10%,绝缘电阻≥10¹²Ω;

  • 应用场景:汽车发动机舱、工业窑炉附近设备。

  1. 热冲击测试:

  • 标准:参照 IEC 60068-2-13,将陶瓷 PCB 在高温箱(150℃)与低温箱(-40℃)之间快速转移,转移时间≤10 秒,循环次数 100-500 次;

  • 要求:测试后基板无开裂,线路无脱落;

  • 应用场景:航空航天设备、户外环境设备(如极端温差地区的传感器)。

(三)电气与环境可靠性测试

  1. 绝缘电阻测试:

  • 标准:参照 IEC 60068-2-1,施加 500V-1000V 直流电压,测试时间 1-10 分钟;

  • 要求:初始绝缘电阻≥10¹³Ω,环境测试后≥10¹²Ω;

  • 应用场景:所有陶瓷 PCB,尤其是高压设备(如逆变器)。

  1. 耐电压测试:

  • 标准:参照 IEC 60068-2-10,施加 1.5 倍工作电压的交流电压(50Hz),测试时间 1-60 秒;

  • 要求:无击穿、无闪络现象;

  • 应用场景:高压陶瓷 PCB(如功率逆变器、高压电源)。

  1. 盐雾测试:

  • 标准:参照 IEC 60068-2-11,5% 氯化钠溶液,温度 35℃,喷雾压力 0.7-1.0kg/cm²,测试时间 500-2000 小时;

  • 要求:测试后线路腐蚀面积≤5%,导通电阻变化率≤20%;

  • 应用场景:海洋环境、户外潮湿环境设备(如船舶电子、户外 LED 屏)。


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