印制电路板--美国国家航空航天局的观点

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前言
本网页旨在作为NASA项目使用的印刷电路板（PCB）产品保证信息的介绍。NASA印制电路板工作组是几个机构网站和机构合同组织之间的合作努力。该网页中的信息旨在让普通访问者了解NASA认识到的PCB保证方面的挑战，以及正在探索或实施的应对这些挑战的方法，而不是提供指导方针或技术要求标准，将其解释为正式政策。本网页由NASA PCB工作组编写。

美国国家航空航天局PCB工作组介绍
美国宇航局印刷电路板工作组（PCB WG）是美国宇航局在印刷电路板技术评估知识和印刷电路板质量保证政策建议方面的一个资源。该小组通过NASA工艺标准计划向NASA安全和任务保证办公室推荐印刷电路板的安全和任务保证要求。工作组还在其成员之间交流经验教训和技术建议，并在可能的情况下，通过本网站与公众分享对新的和改变的印刷电路板产品的观察。评估是通过权衡对NASA任务的影响来进行的，在某些情况下，分享测试数据。

PCB简介
PCB按其形式可分为几类：刚性、柔性（挠性）、刚柔结合和高频。 NASA使用的绝大多数PCB都是刚性类型的。 柔性类型通常在电路板必须占据非平面位置时使用，通常作为电缆的替代品。 刚柔结合型在柔性板的一端或两端提供刚性板，用于安装连接器和电气部件。 高频板通常被用作多芯片模块的基材。

PCB一般根据以下标准进行分类。
- 使用的电介质材料 - 环氧树脂、双马来酰亚胺三嗪、氰酸酯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯（PTFE）、酚醛树脂、聚酯。
- 补强材料 - 玻璃纤维织物、凯夫拉纤维织物、聚四氟乙烯纤维织物、纸、聚对苯二甲酸乙二醇酯（聚酯）、碳化硅
- 电路类型 - 数字、模拟、混合、射频、微波
- 电子元件焊接接口 - 通孔、表面贴装、混合技术、热空气表面平整（HASL）、金（ENIG、ENIPIG）、浸锡和浸银。
- 板子结构 - 单面，双面，多层，柔性，刚柔结合
- 设计复杂性—互连电路密度、互连结构（如电镀通孔、埋设通孔），以及低、中或高的可制造性
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NASA应用中使用的大部分层压材料都是以聚酰亚胺为基础的玻璃纤维增强材料。聚酰亚胺的玻璃转化温度超过200℃，平面外的热膨胀系数接近55ppm/℃，平面内的CTE接近15ppm/℃。这些热性能与那些通常焊接在电路板上的陶瓷体微电路有很好的匹配。 这种热性能的匹配减少了转移到封装焊点上的应力，这些应力随着每个热循环而累积，特别是与地面环境测试有关的宽三角T（例如，-45℃至+85℃）。 当应用的热条件允许时，环氧基层压材料被NASA项目使用，例如在国际空间站的载人空间内进行的实验。 环氧基复合材料的典型热性能值是Tg为150-170℃，平面外CTE为50-70ppm/℃，平面内CTE为10-15ppm/℃。

材料、加工步骤或两者都有差异，这取决于为特定应用选择的PCB。

表1 PCB层压板材料的典型成分。

NASA的独特PCB需求是什么？
空间应用的印刷电路板材料的选择是为了优化最终印刷电路板组件的性能，在许多情况下，在相对较大的温度波动中，以尽量减少热真空排气，并减少在许多热循环和与地面测试和任务寿命相关的温度浸泡中的应力积累。电路板材料组，包括选择焊接掩模、通孔填充物和油墨是为了最大限度地减少放气，需要适当地指定、测试和鉴定，以确保它们符合NASA的放气要求。然而，由于任务推力领域的不同，美国宇航局不同中心的需求是不同的。

用于NASA PCB的保证方法

• 设计方面。 材料特性和标准材料的选择与设计标准相结合，以确保可制造性。 NASA对PCB的设计保证没有最低的技术要求。 每个NASA中心负责确保每个PCB设计的制造准备就绪，设计将满足性能要求，并且在特定任务中是可靠的。 以下工业标准通常用于指导高可靠性PCB的设计。

  • IPC-2221印制板设计通用标准
  • IPC-2222 硬质有机印制板的截面设计标准
  • IPC-2223柔性印制板的截面设计标准
  • IPC-2225有机多芯片模块（MCM-L）和MCM-L组件的分段设计标准。

• 供应商质量。 超过100家不同的印制电路板公司曾在某一时期提供过用于NASA任务的产品。 并非所有这些公司都是同一范围内的技术和产品的专家，仔细的供应商风险评估是必要的，以确保向那些能够随时提供经过验证的高质量产品的公司下订单，而不需要多次重造。 在机构层面上，没有特定的最低技术要求是保证PCB质量的唯一标准。 有一些最低要求是每个NASA中心所特有的。每个NASA中心负责确保其主要承包商和系统开发商所使用或使用的PCB制造商能够遵守NPD 8730.5，NASA质量保证政策中确定的最低通用质量控制要求。 每个NASA中心还必须确定如何将PCB主题知识用于供应商风险评估和缓解。 IPC、NADCAP、国防部（见MIL-PRF-31032）和欧洲航天局（ESA）各自都有评估供应商在其PCB标准或审计清单方面能力的程序。 这些组织保持着已证明符合这些标准和满足最低审计标准的供应商名单。 许多高可靠性系统开发商将根据PCB供应商所表现出的遵守以下技术标准的能力来确定其资格。

  • MIL-STD-55110，性能规范，印刷线路板，刚性，一般规范。
  • MIL-PRF-31032，印制电路板/印制线路板，一般规范
  • ECSS-Q-ST-70-10C，空间产品保证—印刷电路板的鉴定
  • IPC A-600，印刷板的可接受性（第3类要求
  • IPC-6011，印刷电路板的通用性能规范，第3类
  • IPC-6012, 硬质印刷板的资格和性能规范，第3类（一些NASA中心也适用 “空间 “附录 “A”）。
  • IPC-6013，柔性印制板的资格和性能规范，第3类
  • IPC-6015, 有机多芯片模块（MCM-L）安装和互连结构的鉴定和性能规范
  • IPC-6018, 微波终端产品电路板检查和测试，第3类
  • IPC-6012DS, 空间和军用航空电子设备应用 IPC-6012D, 硬质印刷板的鉴定和性能规范的增编

• 产品质量。 特定的测试程序和评估用于确定在特定的运行、批次或面板中制造的印刷电路板的质量。一些印刷电路板的评估是通过视觉进行的，其他的则是通过一系列的破坏性和非破坏性测试进行的。 非破坏性测试包括评估翘曲度、目视检查表面缺陷和电气探测，以确保电路连接已从PCB设计者提供给PCB制造商的计算机辅助设计（CAD）文件正确实现。 破坏性测试是在一个称为测试券的代表性样品上进行的。

测试券是在与PCB相同的面板上制作的，假设它们将完全代表PCB的质量，因为测试券与PCB的制造过程和顺序相同。测试券是为评估它们所代表的PCB和面板的具体特性而设计的。标准测试券的设计和设计要求在上图所示的IPC-222x系列标准中定义。所有内部和外部特征（层压层、电镀、箔、孔、间距等）的最小和最大尺寸都是在结构完整性测试券的帮助下评估的，其中的一致性限制在上述IPC-601x系列标准中确定。

NASA是如何管理PCB供应链风险的？
风险管理过程使NASA及其印制电路板供应链参与者，能够系统地分析、交流和减轻质量、可靠性或性能不足的风险。该过程要求制定风险缓解方法，并实施经批准的策略，以减少或消除质量逃逸和故障的可能性。美国航天局用于管理和减轻供应链风险的一些方法包括。
1. 识别风险（例如，与使用特定要求、标准、材料、设计、设施或制造技术有关的风险）。
2. 评估风险，分析确定风险的可能性（概率）和后果的严重性（性能下降的影响，例如，解释由于使用过时的规格而产生的风险，分析其影响并评估风险的重要性）。
3. 进行故障模式和影响分析，以确定可能影响印刷电路板或组件功能的模式和故障机制。
4. 在制定风险管理策略和确定可接受的风险水平后，规划和实施解决方案。
5. 持续改进的方法，包括分析重新设计的过程，影响规范和标准，制定基准，跟踪，控制和沟通。

美国航天局工艺计划的技术标准活动
NASA工艺计划正在采取以下行动，以制定可在全局范围内适用的保证指南和要求，具体方式如下。
1. 美国国家航空航天局多氯联苯工作小组
NASA印刷电路板工作组是印刷电路板技术评估的资源，并为印刷电路板质量保证提供政策建议。该小组通过NASA工艺计划向NASA安全和任务保证办公室推荐印刷电路板的安全和任务保证要求。工作组还传达经验教训的技术建议，并分享对新的和改变的印刷电路板产品的观察。评估是通过权衡对NASA任务的影响来进行的，在某些情况下，分享测试数据。
NASA工作组目前正在讨论的问题。
- 高密度互连的适用性和使用，如堆叠式µvias和via-in-pad技术在当前硬件中的应用
现状（3/2017）。参与IPC-2226的更新工作。 审查行业数据、文献和经验。
- 讨论新的层压材料，即：高Tg、低CTE、通孔填充材料的选择
现状（3/2017）。 审查制造商的数据表和发表的文献。
- 使用模拟回流条件作为对含有高密度互连（如微孔）的试样进行质量筛选的方法。
现状（3/2017）。 审查设计和工艺条件，以逐一确定可能适用修改预处理条件的情况。
2. 对工业和美国国家航空航天局技术标准的贡献
当工作组的经验教训或建议在整个NASA项目中具有系统性降低风险的强大潜力时，工作组会以设计规则、材料建议或制造或质量检查/验收要求的形式向标准化机构提供相关信息，如IPC。一旦在技术标准中发布，指导、要求或整个标准可以被NASA硬件开发商在其采购合同工作说明书、采购订单或其他建立技术要求的采购工具中引用和实施。
3. 独立技术评估
NASA中心经常对印刷电路板的材料、设计和制造原理进行独立的技术评估，试图了解如何保持对可能影响任务中使用的PCB质量和可靠性的所有因素的控制。使用实验设计方法使NASA中心能够通过得出有效的结论来测试假设，例如设计规格、应用应力的大小和可靠性之间的关系，或任何其他独立和因变量之间的关系。下面是一些正在进行或最近完成的独立研究的例子。

a. 包铜板的电镀要求
GSFC与NASA工艺标准计划和NASA可靠性工程计划合作，进行了实验和模拟工作，以了解印刷电路板的设计和制造条件对可靠性的影响，这些条件导致了IPC 6012B 3/A中规定的铜包层少于工业标准的数量。对用聚酰亚胺和FR4材料制作的测试券进行的温度循环和热冲击测试表明，铜包层厚度不是PTH几何形状中的主要故障点。对来自互连应力测试（IST）的测试券进行的破坏性物理分析，其应力水平远远超过任何合理的合格水平，表明故障点位于桶内，远离铜包层位置。软件模拟也证实了IST测试的观察结果。
该研究进一步表明，对包覆层厚度的采购要求从IPC-6012的3级到2级，对可靠性的风险很小。通过建模证实的实验结果表明，应力最大值是在机筒内部而不是在包覆位置。

b. 内部环形物（IAR）的要求（正在进行）
该测试计划的目标是设计印刷电路板内部环形环几何形状的变化，并将这些变化的影响与地球轨道机器人任务的相关测试和任务环境中的PCB故障风险联系起来。可靠性测试，如温度循环和机械弯曲，将在用受控的IAR宽度、次优的IAR宽度和其他配置（如泪滴）构建的测试样品上进行。这项工作将试图发现IAR是否应该在1密耳和2密耳之间，类似于IPC 6012C 3/A的规格，是否可以低于1密耳（0.5密耳），或者当在水滴状配置时，不需要用最小尺寸控制而不损失可靠性。