PCB-pålidelighedstest ved høje og lave temperaturer: Verifikation af printpladens levetid under termisk stress

PCB'er er sammensat af epoxy/polyimidsubstrater, kobberfolier, loddemateriale, keramiske komponenter og andre heterogene materialer, og varmeudvidelseskoefficienten (CTE) for forskellige materialer varierer meget: CTE for kobber er omkring 17 ppm/°C, CTE for epoxyharpikssubstrat er 13-50 ppm/°C, CTE for loddemateriale er omkring 25 ppm/°C, og CTE for keramiske komponenter er kun 6-8 ppm/°C. Når omgivelsestemperaturen ændrer sig, vil materialerne udvide sig eller trække sig sammen med forskellige hastigheder, hvilket genererer forskydnings- og trækspændinger ved grænsefladeforbindelsen. Kortvarige temperaturændringer forårsager mindre spænding og vil ikke forårsage åbenlys fejl, men langvarige gentagne temperaturcyklusser vil fortsætte med at akkumulere spændinger, hvilket i sidste ende fører til udmattelsesskader på PCB'et, hvilket er kerneprincippet for høj- og lavtemperaturtestning. accelererende termisk træthedsældning.

 

PCB-testning ved høj og lav temperatur er hovedsageligt opdelt i to kategorier: temperaturcyklustestning og kold- og varmchoktest, og der er tydelige forskelle i spændingsstyrke og anvendelsesscenarier mellem de to. Temperaturcyklustesten er den mest almindeligt anvendte verifikationsmetode for høje og lave temperaturer. Testudstyret er et alternerende testkammer med høj og lav temperatur. Gennem programmet til temperaturstyring skiftes der langsomt mellem høje og lave temperaturområder. Temperaturstignings- og faldhastigheden er normalt 1-5°C/min., opholdstiden i en enkelt temperaturzone er 15-30 minutter, hvilket simulerer de milde temperaturændringer, der forårsages af udstyrets start og stop og årstidernes skiften. Det generelle temperaturområde i industrien er -40°C~125°C, antallet af cyklusser er 500-1000 gange, forbrugerelektronik kan forenkles til -20°C~85°C, og bilelektronik skal opfylde de strenge krav på -55°C~150°C.

 

Termisk og kuldechoktestning er en verifikation af ekstrem termisk belastning, der gør det muligt for printkortet hurtigt at konvertere mellem høj temperatur (125 °C) og lav temperatur (-55 °C) gennem et slagtestkammer med to eller tre kasser med en konverteringstid på mindre end 1 minut. Dette påfører øjeblikkeligt enorm termomekanisk belastning og fremskynder eksponeringen af ​​potentielle defekter i printkortet. Denne test bruges hovedsageligt under ekstreme arbejdsforhold, såsom printkort i militære, luftfarts- og bilindustrien, og kan hurtigt frasortere produkter med utilstrækkelig termisk stabilitet. Testcyklussen er meget kortere end temperaturcyklussen, men skaden på printkortet er også mere alvorlig.

 

Industristandardsystemet til testning af høje og lave temperaturer er perfekt, inklusive IPC-TM-650 2.6.7 (PCB-temperaturcyklingstestmetode), JEDEC JESD22-A104 (temperaturcyklingsstandard for halvleder- og PCB-loddeforbindelser), IEC 60068-2-14 (temperaturændringstest); indenlandske standarder omfatter GB/T 2423.22 (alternerende test af høje og lave temperaturer) og GJB 150.3A (test af høje/lave temperaturer for militært udstyr). Den særlige standard for bilelektronik er AEC-Q104, som klart specificerer testparametrene for høje og lave temperaturer og fejlkriterier for bil-PCB'er, hvilket er indgangstærsklen for nye PCB'er til energikøretøjer.

 

Testprocessen følger nøje de standardiserede trin: først fortestes prøven, printpladens indledende modstand, isolationsmodstand og impedansværdier registreres ved hjælp af et multimeter og en LCR-tester, og visuel inspektion og røntgenscanning bruges til at bekræfte, at der ikke er nogen initiale revner i loddeforbindelsen eller substratdefekter. Derefter fastgøres printpladen i testkammerets værktøj for at undgå forskydning under testen, og temperaturområdet, temperaturstignings- og faldhastigheden samt antallet af cyklusser indstilles i henhold til standarden. Under testen kan ændringer i den elektriske ydeevne registreres i realtid via onlineovervågningsudstyret, og omfattende test udføres efter testen er afsluttet, herunder visuel inspektion (loddemaskeblæredannelse, substratdelaminering, komponentrevnedannelse), røntgeninspektion (BGA-loddeforbindelser, interne revner i gennemgående huller) og elektrisk ydeevnetest (modstandsændringshastighed ≤5%, isolationsmodstand ≥100MΩ).

 

De typiske fejltilstande for printkort i miljøer med høj og lav temperatur er hovedsageligt koncentreret i tre dele: loddeforbindelser, gennemgående huller og substraterUnder termisk cyklisk belastning er grænsefladen mellem puden og loddet tilbøjelig til mikrorevner, og med stigende antal cyklusser fortsætter revnerne med at udvide sig, hvilket i sidste ende fører til brud på loddeforbindelserne, især loddeforbindelserne på pakkede enheder som BGA og QFN, som er mere tilbøjelige til at svigte på grund af spændingskoncentration. Gennemgående hulfejl i flerlags-PCB er forbundet med forskellige indre laglinjer, og den aksiale spænding, der genereres af termisk udvidelse og sammentrækning, vil trække kobberhullet, hvilket resulterer i revner i kobberlaget og brud på linjen. Substratfejl omfatter harpiksdelaminering, glasfiberbrud og afskalning af loddemaske, hovedsageligt på grund af forkert substratvalg eller procesfejl i presningsprocessen.

 

For fejlproblemer ved høje og lave temperaturer kan det optimeres for at forbedre pålideligheden ud fra tre aspekter: design, materiale og proces. Med hensyn til materialevalg bruger højpålidelige printkort højfrekvente og højhastighedssubstrater med lav CTE (såsom Rogers og Shengyi højfrekvente materialer) for at reducere forskelle i termisk udvidelse. Loddeforbindelserne er lavet af en loddelegering med bedre sejhed, og designet af puden er optimeret til at øge loddeforbindelsens spændingsområde. Med hensyn til strukturelt design skal man undgå at placere store komponenter i printkortets spændingskoncentrationsområde, tilføje afstivninger eller fastgørelseshuller og reducere amplituden af ​​termisk deformation. Gennemgangshullet er designet med fortykket kobber og blinde nedgravede huller for at forbedre trækstyrken. Med hensyn til procesteknologi kontrolleres pressetemperaturen og trykket strengt for at sikre bindingskraften mellem substratlagene, optimere temperaturkurven for reflow-lodning og reducere restspændingen inde i loddeforbindelsen.

 

Med udviklingen af ​​højdensitets-PCB-integration intensiveres udfordringerne med pålidelighed ved høje og lave temperaturer for 3D-MID, rigid-flex-kort og ultratynde printkort. CTE'en (Central Traffic Expansion Test) for de stive og fleksible områder af de stive og stive bundne plader er meget forskellig, og bindingsbrud er tilbøjelige til at forekomme under termisk cykling. Substratets stivhed i ultratynde printkort er utilstrækkelig, og de er let at vride og deformere ved høje temperaturer, hvilket påvirker komponenternes loddestabilitet. For disse nye printkort skal testparametrene for høje og lave temperaturer tilpasses ved hjælp af en mildere temperaturstigning og -fald, øge antallet af cyklusser og sikre deres stabilitet i ekstreme temperaturmiljøer.

 

Testning ved høje og lave temperaturer er ikke kun en metode til at verificere produktkvalitet, men også et vigtigt grundlag for optimering af forskning og udvikling. Fejlanalyse kan præcist lokalisere materiale- og procesfejl og styre opgraderinger af printkortdesign i modsat retning.