PCB 熱循環測試如何揭示製造可靠性

最初發布於 Nov 11, 2026, 更新於 Nov 11, 2026

2 分鐘

重點摘要

揭露潛在缺陷：熱膨脹會使微小裂縫張開，找出室溫測試無法發現的導通孔失效。
熱膨脹不匹配造成應力：不同材料的熱膨脹差異會隨時間削弱導通孔及焊點。
標準化測試：依照 IPC 及 JESD 規範執行，並以電阻增加作為失效判定依據。
製程預防：採用高 Tg 材料、較厚銅層及填孔製程，可延長電路板壽命。
破壞性測試：測試會消耗電路板的疲勞壽命，因此受測樣品必須報廢。

PCB 熱循環測試能找出室溫電氣測試無法發現的故障。當電路板冷卻時，導通孔孔壁上的裂縫通常會重新閉合；但當層壓材料受熱膨脹時，裂縫便可能張開，而此時一般不會進行探測。

PCB 熱循環測試片及即時電阻監測

圖 1：置於熱循環試驗箱中的 PCB 測試片，以及即時顯示的電阻變化曲線

這是由熱膨脹不匹配所造成：銅的熱膨脹係數約為 17 ppm/°C，而電鍍孔周圍的環氧樹脂在厚度方向的膨脹量則超過銅的兩倍。每次加熱及冷卻循環，都會使孔銅反覆受到拉伸，就像來回彎折迴紋針一樣。本指南將說明熱循環測試的目的，以及它與其他可靠性測試的差異，並介紹實驗室採用的測試參數、方法，以及這些測試能揭示的失效模式。

什麼是 PCB 熱循環測試？

熱循環測試是讓電路板或測試片在低溫與高溫狀態之間反覆循環（亦可採相反順序），並比較互連結構的電阻變化。這是一種疲勞測試，因此並非只測試一次便完成。

熱循環測試為何攸關 PCB 可靠性

無論你是否刻意對正在使用的電路板進行熱循環，它在實際運作中都會經歷類似情況。開機、負載變化，以及日夜溫差，都會使層壓材料與銅箔產生不同程度的升溫，令互連結構隨每次溫度變化而輕微彎曲。損傷會逐步累積，也就是說，導通孔可能在使用數月後才出現開路，而並非由某一次事件直接造成。因此，單靠製造測試無法完整回答可靠性問題。

在室溫下，飛針測試可能會將細微的孔壁裂縫壓合，使其暫時保持導通，因而判定為正常。熱循環測試則會對結構施加相同應力，並重現令裂縫張開的條件，讓潛在缺陷能在實驗室中顯現。隨著溫度範圍擴大，疲勞壽命亦會急劇下降，這種現象可透過 Coffin-Manson 類型方程式建模。因此，實際使用多年才可能出現的問題，可以透過數週、但溫度範圍較大的循環測試加以模擬。

熱循環測試與其他 PCB 可靠性測試的比較

熱循環測試用於評估疲勞程度，而大多數其他熱測試則是評估樣品能否承受單次極端事件。IPC-TM-650 2.6.8（E 版）中的熱應力測試，是將樣品放置於 288 °C 的熔融焊料上 10 秒。此測試並不能顯示電鍍孔可承受多少次循環，而是確認其能否通過焊接熱衝擊。

依照 IPC-TM-650 2.6.27（B 版）進行的回焊模擬，用來模擬熱風回焊組裝時的溫度。濕度及振動測試則是在固定溫度下，評估濕氣影響及機械負載。這些測試都無法重現產品每次開機時材料膨脹及互連結構所承受的變化。因此，IPC-TM-650 2.6.7.2 要求在熱循環前先進行回焊模擬：組裝及實際使用造成的損傷會逐步累積。

PCB 熱循環測試如何進行

每項熱循環測試都由四項設定構成：溫度極限、溫度變化速率、各極限溫度的停留時間，以及失效判定標準。實際測試方法及監測方式，則決定這些設定能在多大程度上反映銅層的真實狀況。

PCB 熱循環測試曲線及電阻讀數

圖 2：熱循環測試曲線，顯示升降溫階段、停留時間及電阻讀數

常見測試參數

高溫極限的上限由層壓材料的玻璃轉移溫度（Tg）決定，因為超過 Tg 後的失效機制會有所不同。因此，IPC-TM-650 2.6.7.2（C 版，2020 年）將預設品質符合性測試的高溫端設定為比 Tg 低 10 °C，而預設低溫極限則為 −55 °C。

測試規範	溫度範圍	循環次數及溫度轉換	失效判定標準	測試用途
IPC-TM-650 2.6.7.2C，品質符合性測試	−55 °C 至以下三者中的最低值：Tg − 10 °C、回焊峰值 − 25 °C 或 210 °C	100 次循環，溫度變化速率至少為每秒 1 °C	電阻變化超過 5%	確認一批電鍍孔是否可靠
IPC-TM-650 2.6.26A IST，預設條件	室溫至 150 °C	250 次循環，採用直流加熱	電阻上升 10%	約一天內評估導通孔疲勞
IPC-9701 TC1（現行 B 版，2022 年）	0 °C 至 100 °C	每個極限溫度停留 10 分鐘	依 IPC-9701B 表 4-2 進行連續監測	作為焊點疲勞壽命的參考
JESD22-A104 G 條件	−40 °C 至 +125 °C	由資格認證計畫設定	由引用規範設定	評估嚴苛使用環境下互連結構的穩健性

裸板測試會將高溫極限控制在接近 Tg 的範圍，並在電阻變化達 5–10% 時判定網路失效。

PCB 熱循環測試方法

PCB 熱循環測試依照熱源可分為兩大類。試驗箱測試是從外部加熱整個樣品；而電流誘發測試則是從內部對銅層加熱。

熱循環測試與電流誘發互連應力測試比較

圖 3：熱循環測試與電流誘發互連應力測試的比較

試驗箱熱循環及熱衝擊：使用空氣試驗箱對整個樣品加熱及冷卻，可在單一試驗箱內完成，亦可將樣品在不同試驗箱之間移動。
互連應力測試（IST）：透過測試片本身的菊鏈電路輸入直流脈衝，使互連結構升溫，再利用風扇冷卻。

試驗箱測試是參考方法，因為它能模擬材料在實際環境中的受熱方式。根據 IPC-TM-650 2.6.7.2C，熱循環測試時，樣品表面的溫度變化速率應低於每秒 1 °C。熱衝擊則會在少於 2 分鐘內完成溫度轉換，並使用雙試驗箱系統將樣品在高溫與低溫試驗箱之間移動。

測試期間如何監測 PCB 性能

監測時，所有互連結構會串接成一條長電阻路徑。測試片通常以數百個導通孔或焊點組成菊鏈電路。因此，任何位置出現單一裂縫，都會使整個網路的電阻上升；而四線式量測則可排除測試導線本身的電阻影響。

孔壁裂縫只會在層壓材料受熱膨脹時張開。根據 IPC-TM-650 2.6.7.2C，應在每次高溫停留階段接近結束時，按照以下方式記錄電阻：

將測試片置於 105–125 °C 下烘烤至少 6 小時，以去除濕氣。
依照 IPC-TM-650 2.6.27 進行 6 次回焊模擬，並記錄室溫下的電阻。
第一個循環的 1RM 將作為參考電阻。
記錄其後每次高溫停留結束時的最大電阻。
除非買賣雙方另有協議，否則當電阻比參考值高出超過 5% 時，該網路即判定不合格。

焊點測試必須快速進行，因為裂縫可能只會張開數微秒，隨後便重新閉合。因此，IPC-9701B 建議採用連續監測；已發表的 TC1 研究則使用事件偵測器，在觀察到電阻尖峰達 1,000 Ω 或以上時發出警示。

PCB 熱循環失效與失效分析

熱循環失效通常發生在熱膨脹速率不同的材料交界處。熱循環測試的失效分析亦可定位裂縫位置，並追溯造成問題的材料或製程步驟。

CTE 不匹配造成電鍍通孔孔壁受拉伸

圖 4：CTE 不匹配造成電鍍通孔孔壁受拉伸

熱膨脹與 CTE 不匹配

CTE（熱膨脹係數）是材料每升高一度時的尺寸膨脹率，通常以 ppm 表示。由於玻璃纖維布在 FR-4 的平面方向不會限制材料，因此 X 軸及 Y 軸的膨脹情況與銅相近；但在厚度方向則缺乏相同的約束。因此，Z 軸 CTE 較高，而且在超過玻璃轉移溫度。

材料	CTE（ppm/°C）	對電路板的影響
銅（電鍍層及銅箔）	17	孔銅無法跟隨樹脂在 Z 軸方向同步膨脹
FR-4，X 軸及 Y 軸	約 13 至 17	平面內的銅層及走線仍能保持黏合
生益 S1000-2M，Tg 以下的 Z 軸（典型值）	41	導通孔在一般工作條件下承受的應變
生益 S1000-2M，Tg 以上的 Z 軸（典型值）	208	為何高溫極限應低於 Tg
氧化鋁陶瓷（96% 晶片電阻本體）	約 8 或以下	電路板膨脹幅度大於元件，導致焊點受到剪切應力

熱膨脹不匹配會迅速轉化為應變。將厚度為 1.6 mm（63 mil）的 S1000-2M 電路板由 25 °C 加熱至 150 °C，其厚度約增加 8.2 µm（0.32 mil）。若銅孔壁不受約束，則只會膨脹約 3.4 µm（0.13 mil），因此每次循環產生的差異都會拉伸孔銅。

焊點及導通孔的常見失效模式

依照應力集中的位置，熱循環失效可分為兩大類。導通孔會在銅層位置失效；焊點則會在焊料本身，或焊盤下方的層壓材料中失效。

孔壁裂縫、膝部裂縫及內層分離微切片

圖 5：孔壁裂縫、膝部裂縫及內層分離的微切片影像

導通孔及電鍍孔裂縫：包括孔壁裂縫、表面焊盤處的膝部裂縫，以及內層焊盤或微孔目標焊盤分離。
焊點疲勞：元件端子附近的焊點出現裂縫，並使下方層壓材料中的焊盤產生凹陷或破裂。

導通孔裂縫通常由 Z 軸方向的拉伸造成。裂縫一般出現在孔洞中段，因為該位置的電鍍層最薄。膝部裂縫則從孔銅轉向表面焊盤的位置開始。內層分離及目標焊盤分離最難檢測，因為它們在室溫下往往仍能保持導通。

將測試失效與製造流程連結

失效分析會先找出失效網路，再對相關位置進行微切片，逐步研磨至失效的導通孔或焊點。裂縫位置可反映設計及製程問題，因為每個製造步驟都有其特定弱點，而且通常可以預測。這種對應關係可透過 PCB 切片分析。

失效特徵	可能的製程原因	檢查或指定事項
孔銅中段裂縫	高縱橫比孔洞深處的電鍍層過薄	孔壁銅厚是否符合 IPC-6012 等級要求
表面焊盤處的膝部裂縫	表面銅厚不足或包覆電鍍不良	包覆電鍍及表面銅厚
孔銅與內層焊盤分離	除膠渣不完全，留下鑽孔殘膠	除膠渣控制及內層黏合品質
微孔目標焊盤分離	雷射鑽孔殘留物或電鍍附著力不足	每種微孔堆疊均配置測試片
孔洞附近的樹脂裂縫或分層	濕氣或層壓固化不足	組裝前烘烤，以及層壓材料的 Td 與 T260
焊點過早出現裂縫	空洞、焊點過薄或元件熱膨脹差異過大	透過 X 光檢查空洞，並確認元件選擇

專業 PCB 製造如何提升熱可靠性

電路板的熱循環壽命，在第一次熱循環測試之前便已大致決定。其壽命取決於層壓材料、疊層結構，以及鑽孔與電鍍製程的一致性；製造商可透過控制這些因素提升可靠性。

材料與疊層控制

每個導通孔需要承受的應變，取決於材料選擇。Tg 越高，電路板在更大的工作溫度範圍內便越能維持較低的 Z 軸 CTE。較高的分解溫度（Td）則可保護樹脂，使其在多次無鉛回焊後仍能保持穩定。請比較 Z 軸 CTE、T260 分層時間及 Tg，相關內容可參閱「如何選擇 PCB 的 Tg。」

以數據為例，生益 S1000-2M 資料表列出的典型 Tg 為 180 °C（以 DSC 量測），Td 則為 355 °C。JLCPCB 的製程能力頁面列出南亞、KB 及生益提供的 A 級層壓材料。HDI 板材採用南亞 NP-175F 或生益 S1000-2M TG170。不對稱結構亦是疊層控制的重要因素，因為膨脹不均會引起彎曲。當電路板因銅層不平衡或介電層不均勻而在加熱時翹曲，BGA 角落焊點便會承受更大的應力。

導通孔與互連結構的製程控制

決定孔銅壽命最直接的因素是電鍍厚度：銅層越厚，應力便能分散至更多金屬材料中。IPC-6012F（F 版，2023 年）Class 2 要求孔壁銅的平均厚度至少為 20 µm（0.8 mil）；Class 3 則提高至 25 µm（1.0 mil）。而IPC-6012 性能等級可協助判斷你的應用需要符合哪一個等級。

銅層的黏合品質取決於鑽孔方式及孔洞前處理。若鑽頭鈍化，樹脂便可能覆蓋整個內層銅面。若未透過除膠渣程序清除，孔銅便會電鍍在樹脂表面，而非直接附著於裸露銅面。這種界面雖然可能通過電氣測試，卻會在熱循環期間分離（如上圖所示的內層失效）。最後一項改善方法是導通孔結構。透過填孔及覆銅，可消除內部空氣並提供焊盤支撐。JLCPCB 的製程能力頁面指出，六層或以上的電路板預設採用環氧樹脂填孔及覆銅製程。

可靠性測試與品質驗證

熱可靠性由製造商透過測試片驗證，而不是直接測試你的成品板。每片測試片包含兩個網路；D 類測試片則包含最大的電鍍孔、最小的導通孔，以及所有盲孔、埋孔及填孔結構。由於同一拼板上的所有測試片與產品會同步鑽孔及電鍍，因此通過測試的測試片可代表附近的產品。

生產拼板邊緣的 D 類測試片及微切片

圖 6：生產拼板邊緣配置 D 類測試片及微切片樣本

日常生產檢查則可回答較簡單的品質問題。JLCPCB 的品質管制頁面說明了圖形電鍍後的 AOI、自動光學檢查、飛針測試，以及每片電路板的最終檢驗。這些步驟可在室溫下檢測開路、短路及可見缺陷。因此，若產品需要長時間熱循環可靠性驗證，仍必須依照訂單記錄的測試曲線，對測試片或電路板進行熱循環。

PCB 熱循環測試常見問題

Q：PCB 熱循環測試應通過多少次循環？

沒有單一固定數字，因為循環次數取決於測試曲線。IPC-TM-650 2.6.7.2C 品質符合性測試中的 100 次循環，是批次驗收篩選標準，並非產品壽命預測。

Q：電路板通過電氣測試後，仍可能無法通過熱循環測試嗎？

可以，這正是熱循環測試存在的主要原因。細微的導通孔裂縫在室溫下會被壓合，因此飛針測試仍會讀取為導通；只有當電路板受熱膨脹時，裂縫才會張開，而熱循環測試正是要量測這種情況。

Q：Tg 較高的層壓材料一定能承受更多熱循環嗎？

不一定。當測試高溫極限接近材料 Tg 時，較高 Tg 才能發揮幫助。在低於該溫度的範圍內，Z 軸 CTE、電鍍厚度及導通孔結構更為重要；而且 Tg 較高本身並不代表樹脂更堅韌，因此仍須另外檢查焊盤凹陷的抵抗能力。

Q：電路板完成熱循環測試後，還可以出貨或重複使用嗎？

不可以。熱循環測試會刻意消耗材料的疲勞壽命，因此即使通過測試，電路板的互連結構也已消耗部分使用壽命。此外，板上可能仍存在小到無法量測的裂縫，因此受測電路板應報廢或留作測試證據。

結論

PCB 熱循環測試是一種疲勞測試，其價值在於提供三項資訊：電路板處於高溫時量測的電阻、切片檢查所發現的裂縫位置，以及特定測試曲線下的循環次數。這些資訊可將失效現象轉化為具體的製程改善措施。

隨著堆疊微孔數量增加及元件封裝尺寸變大，應力會更加集中，電路板也更難通過相關測試。當設計逐步進入量產階段時， JLCPCB 提供 TG170 層壓材料選項，並在六層或以上的電路板上提供填孔及覆銅製程。本指南介紹的材料及導通孔選項，可直接應用於你的訂單。