Testarea fiabilității PCB la temperaturi ridicate și joase: Verificarea duratei de viață a plăcii sub stres termic

PCB-urile sunt compuse din substraturi epoxidice/poliimidice, folii de cupru, aliaje de lipit, componente ceramice și alte materiale eterogene, iar coeficientul de dilatare termică (CTE) al diferitelor materiale variază foarte mult: CTE-ul cuprului este de aproximativ 17 ppm/°C, CTE-ul substratului de rășină epoxidică este de 13-50 ppm/°C, CTE-ul aliajului de lipit este de aproximativ 25 ppm/°C, iar CTE-ul componentelor ceramice este de numai 6-8 ppm/°C. Când temperatura ambiantă se modifică, materialele se vor dilata sau contracta la viteze diferite, generând solicitări de forfecare și tracțiune la joncțiunea interfeței. Schimbările de temperatură pe termen scurt provoacă mai puțin stres și nu vor provoca defecțiuni evidente, dar ciclurile de temperatură repetate pe termen lung vor continua să acumuleze stres, ducând în cele din urmă la deteriorarea prin oboseală a PCB-ului, acesta fiind principiul de bază al testării la temperaturi înalte și joase. accelerarea îmbătrânirii prin oboseală termică.

 

Testarea PCB la temperaturi ridicate și joase este împărțită în principal în două categorii: testarea ciclică a temperaturii şi testarea șocurilor la rece și cald...și există diferențe evidente în ceea ce privește rezistența la stres și scenariile de aplicare între cele două. Testul ciclului de temperatură este cea mai frecvent utilizată metodă de verificare la temperaturi înalte și joase, echipamentul de testare este o cameră de testare alternativă la temperaturi înalte și joase, prin intermediul programului de control al temperaturii pentru a comuta lent între intervalele de temperatură înalte și joase, rata de creștere și scădere a temperaturii este de obicei de 1-5°C/min, timpul de staționare într-o singură zonă de temperatură este de 15-30 de minute, simulând schimbările ușoare de temperatură cauzate de pornirea și oprirea echipamentului și de schimbarea anotimpurilor. Intervalul general de temperatură al industriei este de -40°C~125°C, numărul de cicluri este de 500-1000 de ori, electronica de larg consum poate fi simplificată la -20°C~85°C, iar electronica auto trebuie să îndeplinească cerințele stricte de -55°C~150°C.

 

Testarea la șoc termic și la rece este o verificare a stresului termic extrem, permițând PCB-ului să treacă rapid de la temperatura ridicată (125°C) la temperatura scăzută (-55°C) printr-o cameră de testare la impact cu două sau trei cutii, cu un timp de conversie mai mic de 1 minut, aplicând instantaneu un stres termomecanic uriaș și accelerând expunerea potențialelor defecte ale PCB-ului. Acest test este utilizat în principal în condiții extreme de lucru, cum ar fi PCB-urile din domeniul militar, aerospațial și al compartimentului motorului auto, și poate elimina rapid produsele cu stabilitate termică insuficientă, iar ciclul de testare este mult mai scurt decât ciclul de temperatură, dar deteriorarea PCB-ului este, de asemenea, mai severă.

 

Sistemul standard industrial pentru testarea la temperaturi ridicate și joase este perfect, incluzând IPC-TM-650 2.6.7 (metoda de testare a ciclului de temperatură pentru PCB), JEDEC JESD22-A104 (standardul de testare a ciclului de temperatură pentru îmbinările de lipire ale semiconductorilor și PCB), IEC 60068-2-14 (testul de schimbare a temperaturii); Standardele interne includ GB/T 2423.22 (testul alternant la temperaturi ridicate și joase) și GJB 150.3A (testul la temperaturi ridicate/joase pentru echipamente militare). Standardul special pentru electronica auto este AEC-Q104, care specifică clar parametrii de testare la temperaturi ridicate și joase și criteriile de defecțiune ale PCB-urilor auto, acesta fiind pragul de intrare pentru PCB-urile vehiculelor cu energie nouă.

 

Procesul de testare respectă cu strictețe etapele standardizate: mai întâi, proba este pre-testată, valorile inițiale ale rezistenței la conectare, rezistenței de izolație și impedanței PCB-ului sunt înregistrate folosind un multimetru și un tester LCR, iar inspecția vizuală și scanarea cu raze X sunt utilizate pentru a confirma că nu există fisuri inițiale la îmbinările de lipire sau defecte ale substratului; Apoi, PCB-ul este fixat în sculele camerei de testare pentru a evita deplasarea în timpul testului și setați intervalul de temperatură, rata de creștere și scădere a temperaturii și numărul de cicluri conform standardului. În timpul testului, modificările performanței electrice pot fi înregistrate în timp real prin intermediul echipamentului de monitorizare online, iar după finalizarea testului se efectuează o testare completă, inclusiv inspecție vizuală (deformarea măștii de lipire, delaminarea substratului, fisurarea componentelor), inspecție cu raze X (îmbinări de lipire BGA, fisuri interne în găurile străpunse) și testarea performanței electrice (rata de modificare a rezistenței ≤5%, rezistența de izolație ≥100MΩ).

 

Modurile tipice de defecțiune ale PCB-urilor în medii cu temperaturi ridicate și scăzute sunt concentrate în principal în trei părți: îmbinări de lipire, găuri străpunse și substraturiSub stresul ciclului termic, interfața dintre pad și lipire este predispusă la microfisuri, iar odată cu creșterea numărului de cicluri, fisurile continuă să se extindă, ducând în cele din urmă la ruperea îmbinărilor de lipire, în special a îmbinărilor de lipire ale dispozitivelor ambalate, cum ar fi BGA și QFN, care sunt mai predispuse la defectare din cauza concentrării stresului. Defectarea prin gaură traversantă a PCB-urilor multistrat este conectată la diferite linii ale stratului interior, iar tensiunea axială generată de expansiunea și contracția termică va trage gaura de cupru, rezultând fisurarea stratului de cupru și ruperea liniei. Defectarea substratului include delaminarea rășinii, fracturarea fibrei de sticlă și exfolierea măștii de lipire, în principal din cauza selecției necorespunzătoare a substratului sau a defectelor procesului de presare.

 

Pentru problema defecțiunilor la temperaturi ridicate și joase, aceasta poate fi optimizată pentru a îmbunătăți fiabilitatea din trei aspecte: design, material și proces. În ceea ce privește selecția materialelor, PCB-urile de înaltă fiabilitate utilizează substraturi de înaltă frecvență și viteză mare cu CTE scăzut (cum ar fi materialele de înaltă frecvență Rogers și Shengyi) pentru a reduce diferențele de dilatare termică. Îmbinările de lipire sunt fabricate dintr-un aliaj de lipit cu o tenacitate mai bună, iar designul pad-ului este optimizat pentru a crește zona de solicitare a îmbinării de lipire. În ceea ce privește designul structural, evitați plasarea componentelor de dimensiuni mari în zona de concentrare a solicitării a PCB-ului, adăugați rigidizări sau găuri de fixare și reduceți amplitudinea deformării termice. Gaura traversantă este proiectată cu cupru îngroșat și găuri oarbe îngropate pentru a îmbunătăți rezistența la tracțiune. În ceea ce privește tehnologia de proces, temperatura și presiunea de presare sunt strict controlate pentru a asigura forța de lipire dintre straturile substratului, a optimiza curba de temperatură a lipirii prin reflow și a reduce tensiunea reziduală din interiorul îmbinării de lipire.

 

Odată cu dezvoltarea integrării PCB-urilor de înaltă densitate, provocările legate de fiabilitatea la temperaturi ridicate și joase ale plăcilor 3D-MID, rigid-flex și PCB-urilor ultra-subțiri se intensifică. Coeficientul de deformare termică (CTE) al regiunilor rigide și flexibile ale plăcilor lipite rigide și rigide este foarte diferit, iar fractura de lipire este predispusă la apariția ciclului termic. Rigiditatea substratului PCB-urilor ultra-subțiri este insuficientă și se deformează și se deformează ușor la temperaturi ridicate, afectând stabilitatea componentelor la lipire. Pentru aceste noi PCB-uri, parametrii de testare la temperaturi ridicate și joase trebuie personalizați, utilizând o rată de creștere și scădere a temperaturii mai ușoară, crescând numărul de cicluri și asigurând stabilitatea lor în medii cu temperaturi extreme.

 

Testarea la temperaturi înalte și joase nu este doar un mijloc de verificare a calității produsului, ci și o bază importantă pentru optimizarea cercetării și dezvoltării. Analiza defecțiunilor poate localiza cu precizie defectele de material și de proces și poate ghida invers actualizările de proiectare a PCB-urilor.