Испытания надежности печатных плат при высоких и низких температурах: проверка срока службы платы в условиях термической нагрузки.

Печатные платы состоят из эпоксидных/полиимидных подложек, медной фольги, припоя, керамических компонентов и других разнородных материалов, при этом коэффициент теплового расширения (КТР) различных материалов сильно различается: КТР меди составляет около 17 ppm/°C, КТР эпоксидной подложки — 13-50 ppm/°C, КТР припоя — около 25 ppm/°C, а КТР керамических компонентов — всего 6-8 ppm/°C. При изменении температуры окружающей среды материалы расширяются или сжимаются с разной скоростью, создавая сдвиговые и растягивающие напряжения в местах соединения. Кратковременные изменения температуры вызывают меньшее напряжение и не приводят к явному разрушению, но длительные многократные температурные циклы продолжают накапливать напряжение, в конечном итоге приводя к усталостному повреждению печатной платы, что является основным принципом испытаний при высоких и низких температурах. ускорение термической усталости старения.

 

Испытания печатных плат при высоких и низких температурах в основном делятся на две категории: испытания на температурные циклы и испытания на холодовой и горячий шокМежду ними существуют очевидные различия в прочности на растяжение и сценариях применения. Испытание на температурный цикл является наиболее распространенным методом проверки при высоких и низких температурах. Испытательное оборудование представляет собой камеру для испытаний с чередованием высоких и низких температур, где с помощью программы осуществляется медленное переключение между диапазонами высоких и низких температур. Скорость повышения и понижения температуры обычно составляет 1-5°C/мин, время пребывания в одной температурной зоне — 15-30 минут, что имитирует незначительные изменения температуры, вызванные запуском и остановкой оборудования и сменой сезонов. Общий диапазон температур в промышленности составляет -40°C~125°C, количество циклов — 500-1000 раз. В бытовой электронике этот диапазон упрощен до -20°C~85°C, а в автомобильной электронике необходимо соблюдать строгие требования -55°C~150°C.

 

Испытания на термический и холодовой шок — это проверка на экстремальные термические нагрузки, позволяющая печатной плате быстро переходить от высокой температуры (125°C) к низкой температуре (-55°C) в двух- или трехкамерной камере для ударных испытаний. Время перехода составляет менее 1 минуты, что мгновенно создает огромные термомеханические нагрузки и ускоряет выявление потенциальных дефектов на печатной плате. Этот тест в основном используется в экстремальных условиях эксплуатации, например, для печатных плат в военной, аэрокосмической и автомобильной промышленности, и позволяет быстро отсеивать изделия с недостаточной термической стабильностью. Цикл испытаний значительно короче, чем цикл температурных испытаний, но повреждения печатной платы также более серьезны.

 

В отрасли существует совершенная система стандартов для испытаний при высоких и низких температурах, включающая IPC-TM-650 2.6.7 (метод испытаний печатных плат на температурные циклы), JEDEC JESD22-A104 (стандарт циклических испытаний полупроводников и паяных соединений печатных плат на температуру), IEC 60068-2-14 (испытание на изменение температуры); к отечественным стандартам относятся GB/T 2423.22 (испытание на чередование высоких и низких температур) и GJB 150.3A (испытание на высокие/низкие температуры для военной техники). Специальным стандартом для автомобильной электроники является AEC-Q104, который четко определяет параметры испытаний при высоких и низких температурах и критерии отказов автомобильных печатных плат, что является пороговым значением для печатных плат электромобилей.

 

Процесс тестирования строго соответствует стандартизированным этапам: сначала проводится предварительное тестирование образца, регистрируются начальные значения сопротивления в открытом состоянии, сопротивления изоляции и импеданса печатной платы с помощью мультиметра и LCR-тестера, а также проводится визуальный осмотр и рентгеновское сканирование для подтверждения отсутствия начальных трещин в паяных соединениях или дефектов подложки; затем печатная плата фиксируется в испытательной камере с помощью специального оборудования, чтобы избежать смещения во время тестирования, и устанавливается температурный диапазон, скорость повышения и понижения температуры, а также количество циклов в соответствии со стандартом. Во время тестирования изменения электрических характеристик регистрируются в режиме реального времени с помощью оборудования онлайн-мониторинга, а после завершения тестирования проводится комплексное тестирование, включающее визуальный осмотр (вздутие паяной маски, расслоение подложки, растрескивание компонентов), рентгеновский контроль (паяные соединения BGA, внутренние трещины в сквозных отверстиях) и тестирование электрических характеристик (скорость изменения сопротивления ≤5%, сопротивление изоляции ≥100 МОм).

 

Типичные виды отказов печатных плат в условиях высоких и низких температур в основном сосредоточены в трех областях: паяные соединения, сквозные отверстия и подложкиПод воздействием термических циклов на границе раздела между контактной площадкой и припоем образуются микротрещины, и с увеличением числа циклов трещины продолжают расширяться, в конечном итоге приводя к разрыву паяного соединения, особенно это касается паяных соединений корпусированных устройств, таких как BGA и QFN, которые более подвержены отказам из-за концентрации напряжений. Прорыв сквозных отверстий в многослойных печатных платах связан с линиями различных внутренних слоев, а осевое напряжение, возникающее из-за термического расширения и сжатия, вытягивает медные отверстия, что приводит к растрескиванию медного слоя и разрыву линий. Повреждение подложки включает расслоение смолы, разрушение стекловолокна и отслоение паяльной маски, главным образом из-за неправильного выбора подложки или дефектов процесса прессования.

 

Для решения проблемы отказов при высоких и низких температурах можно оптимизировать надежность по трем направлениям: конструкция, материал и технологический процесс. Что касается выбора материалов, в высоконадежных печатных платах используются высокочастотные и высокоскоростные подложки с низким коэффициентом теплового расширения (например, высокочастотные материалы Rogers и Shengyi) для уменьшения разницы в тепловом расширении. Паяные соединения изготавливаются из припоя с улучшенной прочностью, а конструкция контактной площадки оптимизируется для увеличения площади напряжений в паяном соединении. В плане конструктивного проектирования избегается размещение крупных компонентов в зонах концентрации напряжений печатной платы, добавляются ребра жесткости или крепежные отверстия, а также уменьшается амплитуда термической деформации. Сквозные отверстия выполнены из утолщенной меди и глухих заглубленных отверстий для повышения сопротивления растяжению. В плане технологического процесса строго контролируются температура и давление прессования для обеспечения прочности сцепления между слоями подложки, оптимизируется температурная кривая пайки оплавлением и снижается остаточное напряжение внутри паяного соединения.

 

С развитием высокоплотной интеграции печатных плат обостряются проблемы надежности при высоких и низких температурах для 3D-MID, жестко-гибких плат и сверхтонких печатных плат. Коэффициенты теплового расширения жестких и гибких областей жестко и жестко склеенных пластин сильно различаются, и при термических циклах высока вероятность разрушения соединений. Жесткость подложки сверхтонких печатных плат недостаточна, и они легко деформируются при высоких температурах, что влияет на стабильность пайки компонентов. Для этих новых печатных плат необходимо оптимизировать параметры испытаний при высоких и низких температурах, используя более плавные темпы повышения и понижения температуры, увеличивая количество циклов и обеспечивая их стабильность в экстремальных температурных условиях.

 

Испытания при высоких и низких температурах являются не только средством проверки качества продукции, но и важной основой для оптимизации НИОКР. Анализ отказов позволяет точно выявлять дефекты материалов и процессов, а также направлять процесс модернизации конструкции печатных плат в обратном порядке.