Stephen Chavez 是一家航空航天公司的资深工程师，同时担任印制电路工程协会（PCEA）主席。近期，他接受了Andy Shaughnessy和Happy Holden的采访，探讨了如何设计更可靠的导通孔。采访过程中，Happy Holden和Stephen Chavez还讨论了提高可靠性需要注意的几个方面，设计师应该采取哪些有助确保导通孔稳健性的各种步骤，介绍了PCB设计师和设计工程师应该了解的测试资源和学习资源。
Andy Shaughnessy：欢迎各位。几乎每家公司都会遇到导通孔问题。有些OEM将具有不同尺寸导通孔的同一块测试板设计发给不同制造商，但会收到以不同方式生产出的电路板。设计师要如何改善这种情况？你对导通孔可靠性设计有什么见解？
Stephen Chavez：我最先想到的就是要在设计初期尽早与PCB制造商沟通，这会对整个PCB设计的成功起到至关重要的作用。在确定PCB叠层时与PCB制造商共同商讨也是设计初期非常关键的步骤。这样可在放置部件和布线前深入了解限制因素，包括设计中采用的导通孔技术类型。通过与PCB制造商合作并采用PCB设计最佳方法，获得稳健、高可靠、可制造性的设计几率就会非常高。
印制电路工程师都在竭尽全力应对目前的各种挑战，如果想设计出可靠的PCB，有3个制胜点：布局可解性设计（DFS）；性能设计（DFP）涉及SI/EMC、电源分配和散热；可制造性设计（DFM）。最终目标就是一次成功。通过最大的元件放置密度和布线密度，最佳电气性能，及高效、没有缺陷的生产，才能一次成功，实现高良率及低成本。
在应对设计多层PCB面临的挑战时，要时刻谨记这3大制胜点，而导通孔策略和导通孔结构的质量在其中起到了重要作用。不论在设计中使用何种导通孔技术——不论是标准PTH、HDI、微通孔还是这3种技术的组合，都希望PCB制造商获得可制造性的设计，同时又能在满足设计需求及为下游优化的DFM规则要求。否则，就会出现很多问题。我还是很惊讶地发现，现在竟然还有这么多OEM将设计直接发给PCB制造商而不与其沟通。
还要了解所选择的材料。是否为产品和部件选择了适当的材料？设计的初衷是为了生产方便、成功率高，还是想设计得复杂一点？最好能了解并熟练应用行业术语与PCB制造商沟通确保意见一致，避免出现意外情况。
Happy Holden：如果OEM天真到要将同一块电路板发送给多家PCB制造商，那他们也不应该惊讶各个PCB制造商发回的产品会不尽相同，因为每家制造商都优化了钻孔、去污、金属化和电镀工艺，使之尽可能可靠，但他们的优化方式各不相同。也正是因为不同的PCB制造商会采用不同的设备和工艺，于是制造每个多层板的排列组合可能有10000多种。如果OEM真的这样去管理他们的供应链，那损失也只能是必然的。他们应该开发有统计意义的质量认证过程，可如果他们没有这样做，制造商也不会告诉他们这样的做法是不明智的。
很多OEM并未真正了解可靠性，所以他们会要求抽查15块电路板，检查剖切面。可这样根本不能保证产品的可靠性，因为这个数量并不具备统计学意义，除非全年只购买15块电路板。而且已经证实剖切面并不能可靠显示出互连的真实情况，因为你只能在剖切面上看到穿过孔的一面，而不是360°都能看到。
我提供了一个IPC PCQR2的测试方案可验证可靠性和质量，制造商为了通过质量认证必须钻取25万个孔，或者激光钻取50万个盲孔。这些电路板会经过测试，可靠性置信度达到了99.5%，也就是说整个生命周期内出现失效的几率要小于0.5%。每年都会要求重新进行质量认证。如果有附连板类的电路板，他们会采用PCQR2法测试同一块电路板，以便后续跟踪。
虽然这项投入非常有价值，但多数公司并不想进行质量认证。我经常和为英特尔芯片供货的亚洲PCB制造商合作，通过英特尔的质量认证需要从一整年的生产批次中随机测试2万块电路板和模块，这笔测试费由英特尔来出。他们需要了解PCB生产过程中任何时候的情况，不论这块PCB是一周中的哪一天也不论这块PCB是在夏天还是冬天生产的，因为不同季节、不同因素都可能会导致测量结果起伏不定。
但是有些企业会在可靠性方面投入大量资金，比如英特尔微处理器封装，他们会投入资金让制造商做测试，这样才能对产品质量保持高度自信。随机抽取3块或15块电路板做剖切测试来确定该生产商是否符合要求，这种方法不可行。
Chavez：我希望是这样的，但仍有很多人并不了解其中的详情，也不愿去关注。很多情况下，公司会认证一两家特定的PCB制造商。一旦样板投入生产阶段，他们就希望能最大程度地削减开支，于是就开始寻找能帮他们降低成本的工厂。而这种做法就会让之前所做的计划功亏一篑，因为这样做无法确保质量。
Holden：但如果你想深入了解导通孔，可以去看英特尔公司和其他一些航空航天领域的公司在2000年前后发表的文章，那时他们开始对微通孔生产商做质量认证并采用了IPC的PCQR2方法，他们还提供了批次报告。每页纸上都写满了数据，因为认证过程是要在至少间隔2周以上的周期内分3次选取面板。
中国企业认为生产出25块电路板后，只需从中挑选出质量最好的15块电路板，并在两周的时间内分3 次发出，每次发5块，就能顺利通过认证。但是测试系统是非常精密复杂的，会分析每个工作订单，当识别出3个进货高峰才会检测。1个批次只能对应1个峰值。这导致企业一整年都没有通过质量认证，于是向我来询问该系统的工作原理，以及测试3个不同的批次的原因——为了测量出批次间的差异。
也许你以为只制造出一个批次能欺骗客户，但却无法欺骗这些测试设备。PCQR2是卓越的基准分析工具和质量认证工具，而且因全自动测试所以成本不高。但除了航空航天和军事领域的从业者外，大多数人并没有听说过PCQR2。
Shaughnessy：你们公司遇到过导通孔相关问题吗？
Chavez：我们是一家大型公司，有专门的技术人员、专家，也有相应的部门去验证这些信息。但小型公司有这些资源吗？他们会从中吸取教训并应用到自己的设计中吗？在某些公司和某些情况下，即使他们已经做好基准分析工作并表示已经从中吸取了教训，可事实并非如此。有些公司的一站式部门中，由很少的工程师组成的团队在不断省略一些步骤。也正是因为他们没有从中吸取教训，或者说没有采用行业最佳方法，所以才会出现异常。
Holden：严格的质量认证过程不一定需要耗费很高的成本，但能为公司提供长期的帮助。认证过程中还需要微型化附连板，这样一来就可以为SMT组装过程中的每块电路板上放置一个附连板，也就是说在组装的每块拼板上都有样品通孔或网；然后就可以这样保留附连板3~4个月，如果出现问题就可以测试附连板或网。
每批货品可能都需要一份报告，测试附连板是否满足基本要求，这样才能有信心说：“虽然你们通过了我们的质量认证，但我们还是要确保工艺不仅现在可控，6个月后仍可控。”我在过去50年间的PCB制造从业经验中学习到，不论你有多优秀，如果你不重视PCB工艺，那就有可能在不知不觉中遇到问题。
PCB制造工艺复杂、步骤繁琐，必须能掌控所有情况。这也是我之所以始终强调工艺控制和自动化分析重要性的原因。
Chavez：我同意。这个反馈循环一定要持续进行，否则就可能会出现问题。
PCB制造过程中存在太多的变数，可能是世界上最难的制造工艺之一。你看我们的化学工艺，要精准控制材料，还要多次浸入、沥干。
Chavez：我认为每一位负责设计电路板的EE和设计师都应该亲自到PCB制造工厂参观，了解制造过程，以及成功生产PCB所需的所有复杂细节。
Shaughnessy：有很多设计师25年都没去过工厂一次，或者从来就没去过。
Chavez：更糟糕的是很多公司甚至都不允许工程团队与PCB制造商沟通，相反供应链端的工作人员找工程团队沟通。这一点我一直不能理解，很多公司的部门结构非常庞杂，他们的工程团队只知道将设计上传到PLM系统，然后供应链从PLM系统中接收设计。
Holden：带领一群EDA软件设计师和程序员参观PCB制造工厂给我带来了太多乐趣。这些设计师和程序员编写了设计工具的所有程序，但却从没了解过PCB的整个生产过程，也没亲眼见过PCB是怎样制成的。
Chavez：参观工厂极其重要，这是一个继续再教育的好方法。成功的企业会确保持续提升工程团队。在与目前的PCB制造商合作时，不论是在现场提供培训、再教育课程，还是参观工厂设施，继续职业培训是获得成功的关键。另一种继续学习专业知识的方式是参与行业协会的活动。我非常推荐每个人都加入PCEA协会并参与其举办的各种活动，这是很好的行业资源。PCEA的核心宗旨就是促进行业内的合作、激发从业者并向他们提供再教育服务。我鼓励所有从事与PCB相关工作的从业者都参与到PCEA当地分会的活动中。
Shaughnessy：去年我参加了IPC可靠性研讨会，内容几乎全与军用PCB微通孔失效有关。他们并没有意识到失效会出现在回流焊期间，而且在室温或组装过程中无法检测到失效。IPC团队成员一直在调查这个问题，目前给出的建议是不要使用堆叠导通孔，尤其是复杂的堆叠微通孔。你们公司遇到过类似的问题吗？
Chavez：堆叠和交错排布微通孔我们都会涉及到，但要取决于设计的产品以及产品在飞行器上的位置。对于堆叠微通孔，出于可靠性考虑，堆叠最好不要超过两层以上。也正因为我们和PCB制造商、可靠性团队、制造团队以及生产效率团队展开了密切合作，得以继续合作优化我们的工艺和设计。因此，我们能够吸取经验教训、采用业内最佳方法生产终端产品，以满足所有必要要求。
你刚才提到的潜在失效问题，是最初不能发现的问题，它会突然显现出来。最糟糕的情况就是产品在使用现场出现失效，因为这种潜在问题会带来一系列负面影响，包括损坏公司声誉、付出上亿美元的代价或者对用户造成永久伤害或导致其死亡。
由于篇幅原因，本文节选刊登，更多内容可点击阅读原文在线阅读，本文发表于《PCB007中国线上杂志》1月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。
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