Betrouwbaarheidstesten van printplaten bij hoge en lage temperaturen: verificatie van de levensduur van de printplaat onder thermische belasting

Printplaten (PCB's) zijn opgebouwd uit epoxy/polyimide substraten, koperfolie, soldeer, keramische componenten en andere heterogene materialen. De thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) van deze materialen varieert sterk: de CTE van koper is ongeveer 17 ppm/°C, de CTE van een epoxyhars substraat is 13-50 ppm/°C, de CTE van soldeer is ongeveer 25 ppm/°C en de CTE van keramische componenten is slechts 6-8 ppm/°C. Bij veranderingen in de omgevingstemperatuur zetten de materialen uit of krimpen ze met verschillende snelheden, waardoor schuif- en trekspanningen ontstaan ​​op de interface. Kortstondige temperatuurschommelingen veroorzaken minder spanning en leiden niet tot duidelijke defecten, maar langdurige, herhaalde temperatuurwisselingen zorgen ervoor dat de spanning zich blijft ophopen, wat uiteindelijk leidt tot vermoeidheidsschade aan de printplaat. Dit is het kernprincipe van testen bij hoge en lage temperaturen. versnelde thermische vermoeidheidsveroudering.

 

Het testen van printplaten bij hoge en lage temperaturen is hoofdzakelijk onderverdeeld in twee categorieën: temperatuurcyclus testen En koude en hete schoktestenEr zijn duidelijke verschillen in sterkte en toepassingsscenario's tussen de twee. De temperatuurcyclustest is de meest gebruikte methode voor het verifiëren van hoge en lage temperaturen. De testapparatuur bestaat uit een testkamer met afwisselend hoge en lage temperaturen. Via een programma wordt de temperatuur geregeld, waardoor deze langzaam schakelt tussen hoge en lage temperaturen. De temperatuurstijging en -daling bedraagt ​​doorgaans 1-5 °C/min. De verblijftijd in één temperatuurzone is 15-30 minuten. Dit simuleert de milde temperatuurschommelingen die optreden bij het starten en stoppen van de apparatuur en bij seizoenswisselingen. Het algemene temperatuurbereik in de industrie ligt tussen -40 °C en 125 °C. Het aantal cycli bedraagt ​​500-1000. Voor consumentenelektronica kan dit worden vereenvoudigd tot -20 °C tot 85 °C, terwijl voor auto-elektronica strenge eisen gelden van -55 °C tot 150 °C.

 

Thermische en koude schoktesten zijn tests die extreme thermische spanningen controleren. Hierbij wordt de printplaat (PCB) in een impacttestkamer met twee of drie compartimenten snel afgekoeld tussen een hoge temperatuur (125 °C) en een lage temperatuur (-55 °C). De afkoeltijd bedraagt ​​minder dan een minuut, waardoor direct enorme thermomechanische spanningen worden uitgeoefend en potentiële defecten in de printplaat snel aan het licht komen. Deze test wordt voornamelijk gebruikt in extreme werkomstandigheden, zoals bij printplaten in militaire, ruimtevaart- en automobielmotoren. Producten met onvoldoende thermische stabiliteit kunnen hiermee snel worden opgespoord. De testcyclus is veel korter dan bij temperatuurcycli, maar de schade aan de printplaat is ook ernstiger.

 

Het industriestandaardsysteem voor testen bij hoge en lage temperaturen is perfect, inclusief IPC-TM-650 2.6.7 (testmethode voor temperatuurcycli van printplaten), JEDEC JESD22-A104 (norm voor temperatuurcycli van halfgeleiders en soldeerverbindingen op printplaten) en IEC 60068-2-14 (temperatuurveranderingstest). Nationale normen omvatten GB/T 2423.22 (test voor afwisselende hoge en lage temperaturen) en GJB 150.3A (test voor hoge/lage temperaturen van militaire apparatuur). De specifieke norm voor auto-elektronica is AEC-Q104, die de testparameters en faalcriteria voor autoprintplaten bij hoge en lage temperaturen duidelijk specificeert. Deze norm vormt de instapdrempel voor printplaten in elektrische voertuigen.

 

Het testproces volgt strikt de gestandaardiseerde stappen: eerst wordt het monster voorgetest, waarbij de initiële aanweerstand, isolatieweerstand en impedantiewaarden van de printplaat worden geregistreerd met behulp van een multimeter en LCR-tester. Visuele inspectie en röntgenonderzoek worden gebruikt om te bevestigen dat er geen initiële soldeerverbindingen of substraatdefecten aanwezig zijn. Vervolgens wordt de printplaat in de testkamer gefixeerd om verschuiving tijdens de test te voorkomen, en worden het temperatuurbereik, de temperatuurstijging en -daling en het aantal cycli ingesteld volgens de standaard. Tijdens de test kunnen de veranderingen in de elektrische prestaties in realtime worden geregistreerd via de online monitoringapparatuur. Na afloop van de test wordt een uitgebreide test uitgevoerd, inclusief visuele inspectie (blaasvorming van het soldeermasker, delaminatie van het substraat, scheuren in componenten), röntgenonderzoek (BGA-soldeerverbindingen, interne scheuren in doorvoergaten) en elektrische prestatietests (weerstandsveranderingssnelheid ≤5%, isolatieweerstand ≥100MΩ).

 

De typische faalmechanismen van printplaten in omgevingen met hoge en lage temperaturen zijn hoofdzakelijk onder te verdelen in drie categorieën: soldeerverbindingen, doorvoergaten en substratenOnder invloed van thermische cycli is de interface tussen de pad en het soldeer gevoelig voor microscheurtjes. Naarmate het aantal cycli toeneemt, breiden deze scheurtjes zich verder uit, wat uiteindelijk leidt tot breuk van de soldeerverbinding. Dit geldt met name voor soldeerverbindingen in verpakte componenten zoals BGA en QFN, die door spanningsconcentratie extra gevoelig zijn voor defecten. Bij meerlaagse printplaten met doorvoergaten is de verbinding met verschillende binnenste lagen verstoord. De axiale spanning die ontstaat door thermische uitzetting en krimp trekt aan het koperen gat, wat resulteert in scheurtjes in de koperlaag en breuk van de verbinding. Substraatdefecten omvatten delaminatie van hars, breuk van glasvezels en afbladderen van het soldeermasker, voornamelijk als gevolg van een onjuiste substraatkeuze of defecten in het persproces.

 

Om het probleem van uitval bij hoge en lage temperaturen te verhelpen, kan de betrouwbaarheid op drie manieren worden verbeterd: door middel van ontwerp, materiaal en proces. Wat materiaalkeuze betreft, gebruiken zeer betrouwbare printplaten hoogfrequente en snelle substraten met een lage thermische uitzettingscoëfficiënt (zoals Rogers en Shengyi hoogfrequente materialen) om thermische uitzettingsverschillen te minimaliseren. De soldeerverbindingen zijn gemaakt van een soldeerlegering met een hogere taaiheid en het ontwerp van de pads is geoptimaliseerd om het spanningsgebied van de soldeerverbinding te vergroten. Qua structureel ontwerp wordt vermeden om grote componenten in de spanningsconcentratiegebieden van de printplaat te plaatsen, worden verstevigingen of bevestigingsgaten toegevoegd en wordt de amplitude van thermische vervorming verminderd. De doorvoergaten zijn ontworpen met verdikt koper en blinde, ingebedde gaten om de treksterkte te verbeteren. Wat procestechnologie betreft, worden de perstemperatuur en -druk strikt gecontroleerd om de hechtkracht tussen de lagen van het substraat te garanderen, de temperatuurcurve van het reflow-solderen te optimaliseren en de restspanning in de soldeerverbinding te verminderen.

 

Met de ontwikkeling van printplaatintegratie met hoge dichtheid nemen de betrouwbaarheidsuitdagingen bij hoge en lage temperaturen voor 3D-MID-, rigid-flex- en ultradunne printplaten toe. De thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) van de stijve en flexibele delen van de printplaten verschilt sterk, waardoor de verbinding bij thermische cycli snel kan breken. De substraatstijfheid van ultradunne printplaten is onvoldoende, waardoor ze bij hoge temperaturen gemakkelijk kromtrekken en vervormen, wat de soldeerstabiliteit van componenten beïnvloedt. Voor deze nieuwe printplaten moeten de testparameters voor hoge en lage temperaturen worden aangepast, met een geleidelijker temperatuurstijging en -daling, een hoger aantal cycli en een betere stabiliteit in extreme temperatuuromgevingen.

 

Testen bij hoge en lage temperaturen is niet alleen een manier om de productkwaliteit te controleren, maar ook een belangrijke basis voor optimalisatie van onderzoek en ontwikkeling. Foutanalyse kan materiaal- en procesfouten nauwkeurig lokaliseren en omgekeerd richting geven aan verbeteringen in het PCB-ontwerp.