Тестване за надеждност на печатни платки при висока и ниска температура: Проверка на живота на платката при термично напрежение

ПХБ са съставени от епоксидни/полиимидни субстрати, медни фолиа, припои, керамични компоненти и други хетерогенни материали, а коефициентът на термично разширение (КТР) на различните материали варира значително: КТР на медта е около 17ppm/°C, КТР на епоксидната смола е 13-50ppm/°C, КТР на припоя е около 25ppm/°C, а КТР на керамичните компоненти е само 6-8ppm/°C. Когато температурата на околната среда се промени, материалите ще се разширяват или свиват с различна скорост, генерирайки напрежения на срязване и опън в граничната зона. Краткосрочните температурни промени причиняват по-малко напрежение и няма да причинят очевидна повреда, но дългосрочните повтарящи се температурни цикли ще продължат да натрупват напрежение, което в крайна сметка ще доведе до умора на ПХБ, което е основният принцип на изпитването при висока и ниска температура. ускоряване на стареенето от термична умора.

 

Тестването на печатни платки при висока и ниска температура се разделя основно на две категории: изпитване на температурни цикли и изпитване на студен и горещ шок, и има очевидни разлики в якостта на напрежение и сценариите на приложение между двата. Тестът за температурен цикличен тест е най-често използваният метод за проверка на висока и ниска температура, изпитвателното оборудване е камера за редуване на висока и ниска температура, чрез програма за контрол на температурата, за да се превключва бавно между висок и нисък температурен диапазон, скоростта на покачване и понижаване на температурата обикновено е 1-5°C/мин, времето на престой в единичната температурна зона е 15-30 минути, симулирайки леки температурни промени, причинени от стартирането и спирането на оборудването и смяната на сезоните. Общият температурен диапазон на индустрията е -40°C~125°C, броят на циклите е 500-1000 пъти, потребителската електроника може да бъде опростена до -20°C~85°C, а автомобилната електроника трябва да отговаря на строгите изисквания от -55°C~150°C.

 

Термичното и студено шоково изпитване е проверка за екстремно термично напрежение, която позволява на печатната платка бързо да превключва между висока температура (125°C) и ниска температура (-55°C) чрез двукубикова или трикубикова камера за ударно изпитване, с време за преобразуване по-малко от 1 минута, като незабавно се прилага огромно термомеханично напрежение и се ускорява откриването на потенциални дефекти в нея. Този тест се използва главно в екстремни работни условия, като например печатни платки във военната, аерокосмическата и автомобилната промишленост, и може бързо да елиминира продукти с недостатъчна термична стабилност, а цикълът на изпитване е много по-кратък от температурния цикъл, но повредите върху печатната платка са и по-сериозни.

 

Стандартизираната в индустрията система за изпитване при висока и ниска температура е перфектна, включително IPC-TM-650 2.6.7 (метод за изпитване на температурни цикли на печатни платки), JEDEC JESD22-A104 (стандарт за температурни цикли на споени съединения на полупроводници и печатни платки), IEC 60068-2-14 (тест за промяна на температурата); Вътрешните стандарти включват GB/T 2423.22 (изпитване за променливо напрежение при висока и ниска температура) и GJB 150.3A (тест за висока/ниска температура за военно оборудване). Специалният стандарт за автомобилна електроника е AEC-Q104, който ясно определя параметрите за изпитване при висока и ниска температура и критериите за повреда на автомобилните печатни платки, което е прагът за навлизане в нови печатни платки за енергийни превозни средства.

 

Процесът на тестване стриктно следва стандартизираните стъпки: първо, пробата се тества предварително, първоначалните стойности на съпротивлението във включено състояние, съпротивлението на изолацията и импеданса на печатната платка се записват с помощта на мултицет и LCR тестер, а визуалната проверка и рентгеновото сканиране се използват за потвърждаване, че няма начални пукнатини в спойките или дефекти на основата; след това печатната платка се фиксира в инструментариума на тестовата камера, за да се избегне изместване по време на теста, и се задава температурният диапазон, скоростта на покачване и спадане на температурата и броят на циклите съгласно стандарта. По време на теста промените в електрическите характеристики могат да бъдат записани в реално време чрез онлайн оборудване за наблюдение, а след приключване на теста се извършват цялостни тестове, включително визуална проверка (образуване на мехури по спойка, разслояване на основата, напукване на компонентите), рентгенова проверка (спойки BGA, вътрешни пукнатини в проходни отвори) и тестване на електрическите характеристики (скорост на промяна на съпротивлението ≤5%, съпротивление на изолацията ≥100MΩ).

 

Типичните режими на повреда на печатните платки във високотемпературни и нискотемпературни среди са концентрирани главно в три части: спояващи съединения, проходни отвори и подложкиПод въздействието на термично циклично напрежение, интерфейсът между контактната площадка и спойката е склонен към микропукнатини и с увеличаване на броя на циклите, пукнатините продължават да се разширяват, което в крайна сметка води до счупване на споените съединения, особено на споените съединения на корпусни устройства като BGA и QFN, които са по-склонни към повреда поради концентрация на напрежение. Повредата през отвора на многослойната печатна платка е свързана с различни линии на вътрешния слой, а аксиалното напрежение, генерирано от термично разширение и свиване, ще издърпа медния отвор, което ще доведе до напукване на медния слой и счупване на линията. Повредата на основата включва разслояване на смолата, счупване на стъклени влакна и отлепване на спояваща маска, главно поради неправилен избор на основата или дефекти в процеса на пресоване.

 

За проблема с повредите при високи и ниски температури, надеждността може да бъде оптимизирана от три аспекта: дизайн, материал и процес. По отношение на избора на материали, високонадеждните печатни платки използват високочестотни и високоскоростни подложки с нисък CTE (като високочестотните материали на Rogers и Shengyi), за да се намалят разликите в термичното разширение. Споените съединения са изработени от спояваща сплав с по-добра здравина, а дизайнът на контактната площадка е оптимизиран за увеличаване на площта на напрежение в споената връзка. По отношение на структурния дизайн, избягвайте поставянето на големи компоненти в зоната на концентрация на напрежение на печатната платка, добавете усилващи елементи или фиксиращи отвори и намалете амплитудата на термична деформация. Проходните отвори са проектирани с удебелена мед и слепи, заровени отвори за подобряване на устойчивостта на опън. По отношение на технологията на процеса, температурата и налягането на пресоване са строго контролирани, за да се осигури силата на свързване между слоевете на подложката, да се оптимизира температурната крива на повторното запояване и да се намали остатъчното напрежение вътре в споената връзка.

 

С развитието на интеграцията на печатни платки с висока плътност, предизвикателствата пред надеждността при високи и ниски температури на 3D-MID, твърдо-гъвкавите платки и ултратънките печатни платки се засилват. CTE на твърдите и гъвкавите области на твърдите и твърдо свързаните плочи е много различен и е склонен към поява на разкъсване на свързването при термични цикли. Твърдостта на основата на ултратънките печатни платки е недостатъчна и е лесно да се изкриви и деформира при високи температури, което влияе върху стабилността на запояване на компонентите. За тези нови печатни платки, параметрите за изпитване при високи и ниски температури трябва да бъдат персонализирани, като се използва по-плавно покачване и спадане на температурата, увеличаване на броя на циклите и осигуряване на тяхната стабилност в екстремни температурни среди.

 

Тестването при висока и ниска температура е не само средство за проверка на качеството на продукта, но и важна основа за оптимизация на научноизследователската и развойна дейност. Анализът на повреди може точно да локализира дефекти в материалите и процеса и да насочва подобренията в дизайна на печатни платки в обратен ред.