单孔阻值测量在高低温冲击试验中的应用

孙龙生

（麦可罗泰克（常州）产品服务有限公司，江苏 常州 213031）

0 前言

高低温冲击是模拟印制电路板在长期使用过程中环境温度改变引起的老化程度，由于不可能采用与实际使用情况相同的试验条件，只能通过瞬间经极高温及极低温来模拟检测试样的承受能力。高低温冲击与阻值测量相结合可以监控电路板在经极高温及极低温的连续环境下试样因热胀冷缩所引起的内部变化过程，常规的高低温冲击只能测量试验前和试验后的导通阻值，且只针对阻值较大的测试单元；对于毫欧级别的单孔电阻在线测量，我们使用了更加精密的测量设备，以及量身定做的一套测试软件系统来实现了阻值测量的实时监控。实时监测可以更直观地了解电路板在试验过程中的变化情况，可以及时找出试样发生失效的时间点，并在产生失效的第一时间进行分析处理。

1 单孔图形较链状图形的优势

以往高低温冲击都是测量链状电路图形，链状图形的总电阻包含了若干个镀覆孔的阻值和连接导线的阻值（见图1所示），总电阻通常超过了100 mΩ，而单孔阻值的大小大约在1 mΩ左右（见图2所示）。链状图形试验时，当某一个镀覆孔孔壁出现部分断裂导致阻值发生变化时，即使变化率超过了20%，阻值的变化量也只有0.2 mΩ，相对于总电阻而言，变化率只有0.2%，无法呈现失效现象；这通常表现在总电阻变化率较小，切片分析下来发现孔壁出现部分断裂现象。除非当所有镀覆孔都发生断裂现象，从而引起链状图形整体电阻变大，否则我们将无法直观地通过阻值判定试样失效与否。但一个链状图形中所有镀覆孔同时失效的可能性是极低的，因此我们引入了单孔阻值测量方法，用四线法在一个镀覆孔的顶面和底面焊接测试线，排除线阻的影响，只测量整个单孔的阻值，可以通过阻值变化观察到这个镀覆孔从开始断裂到最终失效的全过程；对于多层印制线路板，也可测量内层孔壁之间的阻值。由于单孔阻值较小的特殊性，我们需要更加精密，稳定性更高的测量设备，在测量过程中施加一定的电流，待电流稳定后测量镀覆孔两端的电势差，从而得到单孔的阻值。

图1 链状图形（摘自IPC-2221）

图2 单孔阻值四线测量

2 二线与四线测试的区别

当测量小电阻时，电缆自身的电阻会造成严重的测量误差。为解决这一问题，我们采用 四线（也称为远程传感或开尔文连接）测量功能。在四线方案中，两个连接器输入电流，另外两个连接器测量电压。由于测量电压的连接器没有任何电流流过，因此它们可以精确地传感被测器件上的实际电压，以下是关于二线测试和四线测试的区别。

图3 二线测试

二线测试只有一个回路（见图3所示），所测得的阻值为引线电阻（R1和R2）和待测线路电阻（Rpcb）之和，即测得的阻值为R1+R2+Rpcb，故无法精确测定被测PCB的低阻值。但因为二线测试经常被应用于开短路测试中，评判开路的条件一般为20 Ω，故引线电阻影响不大，可以忽略不计。二线测试用来判断线路的开短路已经能满足绝大部分的电路板的需要，但仅适用于完全断线、完全孔断之测试，对于低阻值测试则无能为力。

低阻四线测试又名开尔文连接，开尔文连接有两个要求：对于每个测试点都有一条激励线和一条检测线，二者严格分开，各自构成独立回路，同时要求检测线必须接到一个极高输入阻抗的测试回路上，使流过检测线的电流极小，近似为零（见图4所示）。激励线即是电流供给回路，检测线即是电压测定回路，电流、电压两回路各自独立。电流供给回路两端子与电压测定回路两端子共计四端子，故称四线测试。

图4 四线测试

电压表测得的电压V≈I1xRpcb（待测线路电阻与电流之乘积），因电压表的内部电阻非常高（MΩ级），远远大于电压测定回路的引线电阻R3和R4（Ω级），使得电流几乎全部流经Rpcb，流经电压表的电流I2几乎为零，故所量到的电压也几乎是Rpcb本身的压降，引线电阻完全可以忽略，使所测得的电阻值几乎近似于Rpcb本身；由此可精确测定被测PCB之微小阻值，有效地消除了引线电阻（R1、R2）带来的误差，这对于mΩ级的小电阻而言是相当关键的。

3 影响单孔阻值测量结果准确性的因素

3.1 温度影响

首先在试验箱内放置一块温控板，这块板需要采用和待测单孔测试板相同的制造工艺，唯一区别是需要将一根温度传感线压入板内层；此操作的目的在于实时监控测试板的板内温度，因为板内温度将直接影响所测单孔的阻值，微小的温度波动将直接影响阻值的波动，我们会在板内温度达到规定的高温后稳定15 min开始测量阻值，此时的测试板受热膨胀趋于恒定，阻值测量结果较稳定。其次在试验箱内还引入了参考板，此操作的目的在于修正试验箱内高温稳定后温度的微小变化。

举个例子，试验箱高温设定125 ℃，稳定后温度会在125±1 ℃波动，虽然我们采用了纯进口的德国伟思试验箱，这个温度波动会更小，几乎保持在±0.5 ℃以下，但是在124.5 ℃和125.5 ℃温度下测得的阻值结果将有所差别。我们将一块测试板放入高低温冲击试验箱中，分别将试验温度设置为124.5 ℃和125.5 ℃，稳定1 h 后重复测量测试板40次，得到124.5 ℃时的平均阻值为1.348379 mΩ，125.5 ℃时的平均阻值为1.351831 mΩ，阻值变化率接近0.26%，需要利用参考板人为修正这一差异。我们引入一根纯线路电阻，它位于线路板表面，能够及时感知箱内温度的变化，并反映在阻值的变化上面，可以通过以下的公式对每个循环的单孔阻值进行修正，以减少设备温度波动造成阻值微小差异。阻值变化率见图5所示。

图5 阻值变化率反应式

图5中Rw,z——第Z个循环高温下的导通电阻；Rw,1——第1个循环高温下的导通电阻，

Rref。z——参考板第Z个循环高温下的导通电阻，

Rref。z——第Z个循环修正后的阻值变化率。

从图6、图7中可以看出，单孔阻值变化除了线路板自身的变化之外还受到了温度对其的影响，出现了波动，参考板也在相同时间段出现了类似的波动。通过参考板的引入，进行适当的温度补偿（见图8所示），可以基本消除试验箱内温度波动对阻值产生的影响，较准确地体现了单孔阻值的实际变化率。

图6 修正前高温下的单孔阻值变化率

图7 高温下的参考板阻值变化率

图8 经参考板修正后的单孔阻值变化率

3.2 测量电流影响

单孔阻值较小，合适的电流可以增加测量稳定性，减少测量波动（见图9所示）。因为外测电阻对电㳘表来说是串联的，当用大电流测大电阻时，大部分电流被电阻吸收，仪表吸收的电流会很小，影响其指针的摆动。所以我们选用小电流测大电阻；而测量小电阻时则刚好相反，使用大电流可以使电流被仪表吸收，使其可以正常显示。通过查阅设备性能参数可知，选择自动四线阻值测量功能，当电阻测量档位为2 Ω时，使用1.1 A测量电流时，设备分辨率可达1 μΩ；而使用0.1 A测量电流时，设备分辨率仅为10 μΩ。图8是在同一温度下分别采用1.1 A和0.1 A电流测量1 mΩ左右电阻200次所得阻值变化率的对比。由数据分析可知，使用1.1 A测量电流的标准差仅为0.000506，而使用0.1 A测量电流的标准差却高达0.005887，两者有10倍的差异。因此在测量低电阻时采用1.1 A电流将得到更准确，更稳定的测量结果。

图9 不同测试电流所测阻值的波动情况

3.3 通电时间影响

电阻具有温度系数，即电阻值随温度而变化，长时间通电将造成电阻发热，并造成电阻值变化，导致测量误差，尤其是单孔测量中我们采用了较大的1.1 A电流，发热现象更严重，对阻值的影响比较大，因此我们在测量的过程中将通电时间严格控制在（1±0.05）s，以减少测量误差。

4 总结

单孔测量技术已经越来越广泛地应用到电路板的可靠性测试中，用来评定高低温冲击对孔铜的影响，每次只检测一个孔，即使轻微孔壁开裂也能立即被监测到，让细微缺陷无处遁形。