Test di affidabilità dei PCB ad alte e basse temperature: verifica della durata della scheda sotto stress termico.

I PCB sono composti da substrati in resina epossidica/poliimmidica, fogli di rame, saldature, componenti ceramici e altri materiali eterogenei, e il coefficiente di dilatazione termica (CTE) dei diversi materiali varia notevolmente: il CTE del rame è di circa 17 ppm/°C, il CTE del substrato in resina epossidica è di 13-50 ppm/°C, il CTE della saldatura è di circa 25 ppm/°C e il CTE dei componenti ceramici è di soli 6-8 ppm/°C. Quando la temperatura ambiente cambia, i materiali si espandono o si contraggono a velocità diverse, generando sollecitazioni di taglio e di trazione all'interfaccia. Le variazioni di temperatura a breve termine causano meno stress e non provocano guasti evidenti, ma i cicli termici ripetuti a lungo termine continueranno ad accumulare stress, portando infine a danni da fatica al PCB, che è il principio fondamentale dei test ad alta e bassa temperatura. invecchiamento accelerato da fatica termica.

 

I test ad alta e bassa temperatura dei PCB si dividono principalmente in due categorie: test di cicli termici E test di shock termico a freddo e a caldoEsistono evidenti differenze in termini di resistenza allo stress e scenari applicativi tra i due. Il test del ciclo termico è il metodo di verifica ad alta e bassa temperatura più comunemente utilizzato. L'apparecchiatura di prova è una camera di prova ad alternanza tra alta e bassa temperatura, che, tramite un programma, controlla la temperatura per commutare lentamente tra intervalli di alta e bassa temperatura. La velocità di aumento e diminuzione della temperatura è solitamente di 1-5 °C/min, il tempo di permanenza nella singola zona di temperatura è di 15-30 minuti, simulando le lievi variazioni di temperatura causate dall'avvio e dall'arresto dell'apparecchiatura e dal cambio di stagione. L'intervallo di temperatura generalmente utilizzato nell'industria è compreso tra -40 °C e 125 °C, il numero di cicli è compreso tra 500 e 1000. Nell'elettronica di consumo si può semplificare a -20 °C~85 °C, mentre l'elettronica automobilistica deve soddisfare i rigorosi requisiti di -55 °C~150 °C.

 

Il test di shock termico e a freddo è una verifica di stress termico estremo che consente al PCB di passare rapidamente da un'alta temperatura (125 °C) a una bassa temperatura (-55 °C) attraverso una camera di prova a due o tre camere, con un tempo di conversione inferiore a 1 minuto, applicando istantaneamente un enorme stress termomeccanico e accelerando l'individuazione di potenziali difetti nel PCB. Questo test è utilizzato principalmente in condizioni di lavoro estreme, come nei PCB per applicazioni militari, aerospaziali e nel vano motore automobilistico, e può individuare rapidamente i prodotti con insufficiente stabilità termica. Il ciclo di test è molto più breve rispetto al ciclo termico, ma il danno al PCB è anche più grave.

 

Il sistema standard di settore per i test ad alta e bassa temperatura è perfetto e comprende IPC-TM-650 2.6.7 (metodo di prova di cicli termici per PCB), JEDEC JESD22-A104 (standard di cicli termici per semiconduttori e giunzioni di saldatura di PCB), IEC 60068-2-14 (test di variazione di temperatura); gli standard nazionali includono GB/T 2423.22 (test di alternanza tra alta e bassa temperatura) e GJB 150.3A (test di alta/bassa temperatura per apparecchiature militari). Lo standard specifico per l'elettronica automobilistica è AEC-Q104, che specifica chiaramente i parametri di prova ad alta e bassa temperatura e i criteri di guasto dei PCB per autoveicoli, rappresentando la soglia di ingresso per i PCB dei veicoli a energia alternativa.

 

Il processo di test segue rigorosamente le fasi standardizzate: innanzitutto, il campione viene pre-testato, i valori iniziali di resistenza di conduzione, resistenza di isolamento e impedenza del PCB vengono registrati utilizzando un multimetro e un tester LCR, e l'ispezione visiva e la scansione a raggi X vengono utilizzate per confermare che non vi siano crepe iniziali nelle saldature o difetti del substrato; quindi il PCB viene fissato nell'apposita camera di prova per evitare spostamenti durante il test e vengono impostati l'intervallo di temperatura, la velocità di aumento e diminuzione della temperatura e il numero di cicli secondo lo standard. Durante il test, le variazioni delle prestazioni elettriche possono essere registrate in tempo reale tramite l'apparecchiatura di monitoraggio online e, al termine del test, viene eseguito un test completo che include l'ispezione visiva (bolle della maschera di saldatura, delaminazione del substrato, crepe dei componenti), l'ispezione a raggi X (saldature BGA, crepe interne nei fori passanti) e il test delle prestazioni elettriche (tasso di variazione della resistenza ≤5%, resistenza di isolamento ≥100MΩ).

 

Le tipiche modalità di guasto dei PCB in ambienti ad alta e bassa temperatura si concentrano principalmente in tre aree: giunzioni di saldatura, fori passanti e substratiSotto lo stress del ciclo termico, l'interfaccia tra il pad e la saldatura è soggetta a microfratture e, con l'aumento del numero di cicli, le crepe continuano ad espandersi, portando infine alla rottura del giunto di saldatura, in particolare i giunti di saldatura di dispositivi incapsulati come BGA e QFN, che sono più inclini a guasti a causa della concentrazione di stress. Il guasto del foro passante nei PCB multistrato è collegato a diverse linee degli strati interni e lo stress assiale generato dall'espansione e contrazione termica tira il foro di rame, provocando la fessurazione dello strato di rame e la rottura della linea. Il guasto del substrato include la delaminazione della resina, la frattura della fibra di vetro e il distacco della maschera di saldatura, principalmente a causa di una selezione errata del substrato o di difetti nel processo di pressatura.

 

Per quanto riguarda il problema dei guasti dovuti alle alte e basse temperature, è possibile ottimizzare l'affidabilità da tre punti di vista: progettazione, materiali e processo. In termini di selezione dei materiali, i PCB ad alta affidabilità utilizzano substrati ad alta frequenza e alta velocità con basso coefficiente di dilatazione termica (CTE) (come i materiali ad alta frequenza Rogers e Shengyi) per ridurre le differenze di dilatazione termica. Le saldature sono realizzate con una lega di saldatura con maggiore tenacità e la progettazione del pad è ottimizzata per aumentare l'area di stress della saldatura. In termini di progettazione strutturale, si evita di posizionare componenti di grandi dimensioni nell'area di concentrazione delle sollecitazioni del PCB, si aggiungono rinforzi o fori di fissaggio e si riduce l'ampiezza della deformazione termica. I fori passanti sono progettati con rame ispessito e fori ciechi interrati per migliorare la resistenza alla trazione. In termini di tecnologia di processo, la temperatura e la pressione di pressatura sono rigorosamente controllate per garantire la forza di adesione tra gli strati del substrato, si ottimizza la curva di temperatura della saldatura a rifusione e si riducono le tensioni residue all'interno della saldatura.

 

Con lo sviluppo dell'integrazione di PCB ad alta densità, le sfide relative all'affidabilità alle alte e basse temperature di PCB 3D-MID, schede rigido-flessibili e PCB ultrasottili si stanno intensificando. Il coefficiente di dilatazione termica (CTE) delle regioni rigide e flessibili delle piastre rigide e rigide incollate è molto diverso e la frattura del legame è soggetta a cicli termici. La rigidità del substrato dei PCB ultrasottili è insufficiente e tende a deformarsi ad alte temperature, compromettendo la stabilità della saldatura dei componenti. Per questi nuovi PCB, è necessario personalizzare i parametri di prova alle alte e basse temperature, utilizzando una velocità di aumento e diminuzione della temperatura più graduale, aumentando il numero di cicli e garantendo la loro stabilità in ambienti con temperature estreme.

 

I test ad alta e bassa temperatura non sono solo un mezzo per verificare la qualità del prodotto, ma anche una base importante per l'ottimizzazione della ricerca e sviluppo. L'analisi dei guasti può individuare con precisione i difetti dei materiali e dei processi e guidare a ritroso gli aggiornamenti della progettazione dei PCB.