Testowanie niezawodności PCB w wysokich i niskich temperaturach: weryfikacja żywotności płytki pod wpływem naprężeń termicznych

Płytki PCB składają się z podłoży epoksydowych/poliimidowych, folii miedzianych, lutów, elementów ceramicznych i innych materiałów heterogenicznych, a współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) różnych materiałów jest bardzo zróżnicowany: CTE miedzi wynosi około 17 ppm/°C, CTE podłoża z żywicy epoksydowej wynosi 13-50 ppm/°C, CTE lutu wynosi około 25 ppm/°C, a CTE elementów ceramicznych wynosi zaledwie 6-8 ppm/°C. Wraz ze zmianą temperatury otoczenia materiały rozszerzają się lub kurczą z różną szybkością, generując naprężenia ścinające i rozciągające na styku. Krótkotrwałe zmiany temperatury powodują mniejsze naprężenia i nie powodują oczywistych uszkodzeń, ale długotrwałe, powtarzające się cykle temperaturowe będą nadal kumulować naprężenia, prowadząc ostatecznie do uszkodzenia zmęczeniowego płytki PCB, co jest podstawową zasadą testowania w wysokich i niskich temperaturach. przyspieszające starzenie się wskutek zmęczenia cieplnego.

 

Testowanie PCB w wysokiej i niskiej temperaturze dzieli się zasadniczo na dwie kategorie: testowanie cykli temperaturowych I badanie szokowe na zimno i na gorącoIstnieją oczywiste różnice w wytrzymałości na naprężenia i scenariuszach zastosowań między tymi dwoma metodami. Test cyklu temperaturowego jest najczęściej stosowaną metodą weryfikacji wysokich i niskich temperatur. Sprzętem testowym jest komora testowa z naprzemiennymi temperaturami, sterowana programowo, która umożliwia powolne przełączanie między zakresami wysokich i niskich temperatur. Tempo wzrostu i spadku temperatury wynosi zazwyczaj 1-5°C/min, a czas przebywania w jednej strefie temperaturowej wynosi 15-30 minut, symulując łagodne zmiany temperatury spowodowane uruchamianiem i zatrzymywaniem urządzenia oraz zmianą pór roku. Ogólny zakres temperatur w przemyśle wynosi od -40°C do 125°C, a liczba cykli jest 500-1000 razy większa. Elektronika użytkowa może być uproszczona do -20°C do 85°C, a elektronika samochodowa musi spełniać rygorystyczne wymagania od -55°C do 150°C.

 

Testy szoków termicznych i temperaturowych to weryfikacja ekstremalnych naprężeń termicznych, umożliwiająca płytce PCB szybką konwersję między wysoką temperaturą (125°C) a niską (-55°C) w komorze uderzeniowej z dwoma lub trzema komorami. Czas konwersji wynosi mniej niż 1 minutę, co powoduje natychmiastowe zastosowanie ogromnych naprężeń termomechanicznych i przyspiesza ujawnienie potencjalnych defektów w płytce PCB. Test ten jest stosowany głównie w ekstremalnych warunkach pracy, takich jak płytki PCB w przemyśle wojskowym, lotniczym i kosmicznym oraz w komorach silników samochodowych. Pozwala on na szybkie odsianie produktów o niewystarczającej stabilności termicznej. Cykl testowy jest znacznie krótszy niż cykl temperaturowy, ale uszkodzenia płytki PCB są również poważniejsze.

 

Standardowy system badań przemysłowych w zakresie wysokich i niskich temperatur jest idealny, w tym IPC-TM-650 2.6.7 (metoda badania cyklicznego zmian temperatury płytek PCB), JEDEC JESD22-A104 (norma dotycząca cyklicznego zmian temperatury półprzewodników i połączeń lutowanych PCB), IEC 60068-2-14 (test zmiany temperatury); normy krajowe obejmują GB/T 2423.22 (test zmienny w wysokiej i niskiej temperaturze) oraz GJB 150.3A (test wysokiej/niskiej temperatury sprzętu wojskowego). Specjalną normą dla elektroniki samochodowej jest AEC-Q104, która jasno określa parametry badań w wysokiej i niskiej temperaturze oraz kryteria awaryjności płytek PCB w pojazdach samochodowych, co stanowi próg dopuszczalności dla płytek PCB do pojazdów zasilanych nowymi źródłami energii.

 

Proces testowania ściśle podąża za znormalizowanymi krokami: najpierw próbka jest wstępnie testowana, początkowe wartości rezystancji włączenia, rezystancji izolacji i impedancji PCB są rejestrowane za pomocą multimetru i testera LCR, a następnie kontrola wizualna i skanowanie rentgenowskie są używane do potwierdzenia braku początkowych pęknięć połączeń lutowanych lub defektów podłoża; Następnie mocuje się PCB w narzędziach komory testowej, aby uniknąć przesunięcia podczas testu, i ustawia zakres temperatur, szybkość wzrostu i spadku temperatury oraz liczbę cykli zgodnie z normą. Podczas testu zmiany wydajności elektrycznej mogą być rejestrowane w czasie rzeczywistym za pomocą sprzętu do monitorowania online, a po zakończeniu testu przeprowadzane są kompleksowe testy, w tym kontrola wizualna (pęcherze na masce lutowniczej, rozwarstwienie podłoża, pękanie elementów), kontrola rentgenowska (połączenia lutowane BGA, wewnętrzne pęknięcia w otworach przelotowych) i testowanie wydajności elektrycznej (szybkość zmiany rezystancji ≤5%, rezystancja izolacji ≥100 MΩ).

 

Typowe tryby awarii płytek PCB w środowiskach o wysokiej i niskiej temperaturze koncentrują się głównie w trzech częściach: połączenia lutowane, otwory przelotowe i podłożaPod wpływem cyklicznych naprężeń termicznych, powierzchnia styku między padem a lutem jest podatna na mikropęknięcia, a wraz ze wzrostem liczby cykli pęknięcia nadal się rozszerzają, prowadząc ostatecznie do pękania połączeń lutowniczych, zwłaszcza w przypadku połączeń lutowniczych w obudowach, takich jak BGA i QFN, które są bardziej podatne na awarie z powodu koncentracji naprężeń. Awaria otworu przelotowego w wielowarstwowej płytce PCB jest połączona z różnymi liniami warstw wewnętrznych, a naprężenia osiowe generowane przez rozszerzalność cieplną i kurczenie się spoiwa rozciągają otwór miedziany, powodując pękanie warstwy miedzianej i przerwanie linii. Uszkodzenia podłoża obejmują rozwarstwienie żywicy, pękanie włókien szklanych i odklejanie się maski lutowniczej, głównie z powodu niewłaściwego doboru podłoża lub wad procesu prasowania.

 

W przypadku awarii w wysokich i niskich temperaturach, można zoptymalizować niezawodność pod kątem trzech aspektów: projektu, materiału i procesu. Pod względem doboru materiałów, płytki PCB o wysokiej niezawodności wykorzystują podłoża o wysokiej częstotliwości i wysokiej prędkości z niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej (CTE) (takie jak materiały wysokoczęstotliwościowe Rogers i Shengyi), aby zmniejszyć różnice w rozszerzalności cieplnej. Połączenia lutownicze wykonane są ze stopu lutowniczego o lepszej wytrzymałości, a konstrukcja padów została zoptymalizowana pod kątem zwiększenia powierzchni naprężeń w spoinie lutowniczej. Pod względem konstrukcyjnym należy unikać umieszczania dużych komponentów w obszarze koncentracji naprężeń płytki PCB, dodać usztywnienia lub otwory montażowe oraz zmniejszyć amplitudę odkształceń termicznych. Otwory przelotowe zaprojektowano z pogrubionej miedzi i nieprzelotowych otworów zakopanych, aby zwiększyć wytrzymałość na rozciąganie. Pod względem technologii procesu, temperatura i ciśnienie prasowania są ściśle kontrolowane, aby zapewnić siłę wiązania między warstwami podłoża, zoptymalizować krzywą temperatury lutowania rozpływowego i zmniejszyć naprężenia szczątkowe wewnątrz spoiny lutowniczej.

 

Wraz z rozwojem integracji płytek PCB o wysokiej gęstości, rosną wyzwania związane z niezawodnością w wysokich i niskich temperaturach, zarówno w przypadku technologii 3D-MID, płyt sztywno-giętkich, jak i ultracienkich płytek PCB. Współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) sztywnych i elastycznych obszarów płyt sztywnych i sztywnych jest bardzo różny, a pęknięcia w spoiwie są podatne na cykle termiczne. Sztywność podłoża ultracienkich płytek PCB jest niewystarczająca i łatwo ulega ono odkształceniom i deformacjom w wysokich temperaturach, co wpływa na stabilność lutowania komponentów. W przypadku tych nowych płytek PCB parametry testów w wysokich i niskich temperaturach muszą być dostosowane, poprzez zastosowanie łagodniejszego tempa wzrostu i spadku temperatury, zwiększenie liczby cykli i zapewnienie stabilności w ekstremalnych warunkach temperaturowych.

 

Testy w wysokich i niskich temperaturach to nie tylko sposób weryfikacji jakości produktu, ale także ważna podstawa optymalizacji prac badawczo-rozwojowych. Analiza usterek pozwala precyzyjnie zlokalizować wady materiałowe i procesowe oraz ukierunkować modernizację projektu PCB.