PCB-tillförlitlighetstestning vid hög och låg temperatur: Verifiering av kortets livslängd under termisk stress

Kretskort består av epoxi-/polyimidsubstrat, kopparfolier, lödtenn, keramiska komponenter och andra heterogena material, och värmeutvidgningskoefficienten (CTE) för olika material varierar kraftigt: CTE för koppar är cirka 17 ppm/°C, CTE för epoxihartssubstrat är 13–50 ppm/°C, CTE för lödtenn är cirka 25 ppm/°C och CTE för keramiska komponenter är endast 6–8 ppm/°C. När omgivningstemperaturen ändras kommer materialen att expandera eller krympa i olika takt, vilket genererar skjuv- och dragspänningar vid gränssnittsövergången. Kortsiktiga temperaturförändringar orsakar mindre spänning och kommer inte att orsaka uppenbara fel, men långvariga upprepade temperaturcykler kommer att fortsätta att ackumulera spänningar, vilket så småningom leder till utmattningsskador på kretskortet, vilket är kärnprincipen för hög- och lågtemperaturtestning. accelererande termisk utmattningsåldrande.

 

PCB-testning med hög och låg temperatur är huvudsakligen indelad i två kategorier: temperaturcyklingstestning och kall- och varmchocktestning, och det finns uppenbara skillnader i spänningshållfasthet och tillämpningsscenarier mellan de två. Temperaturcykeltestning är den vanligaste verifieringsmetoden för höga och låga temperaturer. Testutrustningen är en alternerande testkammare med hög och låg temperatur, och genom programmet för att kontrollera temperaturen växlas långsamt mellan höga och låga temperaturområden. Temperaturöknings- och minskningshastigheten är vanligtvis 1-5 °C/min, uppehållstiden i en enda temperaturzon är 15-30 minuter, vilket simulerar de milda temperaturförändringarna som orsakas av utrustningens start och stopp och årstidsväxlingar. Det allmänna temperaturintervallet för branschen är -40 °C ~ 125 °C, antalet cykler är 500-1000 gånger, konsumentelektronik kan förenklas till -20 °C ~ 85 °C, och bilelektronik måste uppfylla de stränga kraven på -55 °C ~ 150 °C.

 

Termisk och kall chocktestning är en verifiering av extrem termisk stress, vilket gör att kretskortet snabbt kan omvandlas mellan hög temperatur (125 °C) och låg temperatur (-55 °C) genom en slagprovkammare med två eller tre lådor, med en omvandlingstid på mindre än 1 minut, vilket omedelbart applicerar enorm termomekanisk stress och accelererar exponeringen av potentiella defekter i kretskortet. Detta test används huvudsakligen under extrema arbetsförhållanden såsom militära, flyg- och rymdindustrins kretskort i motorrummet, och kan snabbt sålla bort produkter med otillräcklig termisk stabilitet, och testcykeln är mycket kortare än temperaturcykeln, men skadorna på kretskortet är också allvarligare.

 

Branschstandardsystemet för hög- och lågtemperaturtestning är perfekt, inklusive IPC-TM-650 2.6.7 (PCB-temperaturcyklingstestmetod), JEDEC JESD22-A104 (temperaturcyklingsstandard för halvledar- och PCB-lödfogar), IEC 60068-2-14 (temperaturförändringstest); Inhemska standarder inkluderar GB/T 2423.22 (växeltest med hög och låg temperatur) och GJB 150.3A (hög-/lågtemperaturtest för militär utrustning). Den speciella standarden för fordonselektronik är AEC-Q104, som tydligt specificerar parametrarna för hög- och lågtemperaturtestning och felkriterier för fordons-PCB, vilket är ingångströskeln för nya energifordons-PCB.

 

Testprocessen följer strikt de standardiserade stegen: först förtestas provet, kretskortets initiala motstånd, isolationsmotstånd och impedansvärden registreras med hjälp av en multimeter och LCR-testare, och visuell inspektion och röntgenskanning används för att bekräfta att det inte finns några initiala lödfogssprickor eller substratdefekter. Fixera sedan kretskortet i testkammarens verktyg för att undvika förskjutning under testet, och ställ in temperaturintervall, temperaturökning och -fall samt antal cykler enligt standarden. Under testet kan förändringar i elektrisk prestanda registreras i realtid via onlineövervakningsutrustning, och omfattande tester utförs efter att testet är avslutat, inklusive visuell inspektion (lödmaskblåsor, substratdelaminering, komponentsprickbildning), röntgeninspektion (BGA-lödfogar, interna sprickor i genomgående hål) och elektrisk prestandatestning (motståndsförändringshastighet ≤5 %, isolationsmotstånd ≥100 MΩ).

 

De typiska fellägena för kretskort i miljöer med hög och låg temperatur är huvudsakligen koncentrerade till tre delar: lödfogar, genomgående hål och substratUnder termisk cykelspänning är gränssnittet mellan plattan och lödningen benäget för mikrosprickor, och med ökningen av antalet cykler fortsätter sprickorna att expandera, vilket så småningom leder till lödfogbrott, särskilt lödfogarna i kapslade enheter som BGA och QFN, vilka är mer benägna att misslyckas på grund av spänningskoncentration. Genomgående hålbrott i flerskikts-PCB är kopplade till olika inre lagerlinjer, och den axiella spänningen som genereras av termisk expansion och kontraktion kommer att dra i kopparhålet, vilket resulterar i sprickbildning i kopparskiktet och ledningsbrott. Substratbrott inkluderar hartsdelaminering, glasfiberbrott och lödmaskavskalning, främst på grund av felaktigt substratval eller processdefekter i pressprocessen.

 

För felproblem med höga och låga temperaturer kan det optimeras för att förbättra tillförlitligheten ur tre aspekter: design, material och process. När det gäller materialval använder högtillförlitliga PCB:er högfrekventa och höghastighetssubstrat med låg CTE (som Rogers och Shengyi högfrekventa material) för att minska skillnaderna i termisk expansion. Lödfogarna är tillverkade av lödlegeringar med bättre seghet, och plattans design är optimerad för att öka lödfogens spänningsarea. När det gäller strukturell design, undvik att placera stora komponenter i kretskortets spänningskoncentrationsområde, lägg till förstyvningar eller fixeringshål och minska amplituden av termisk deformation. Det genomgående hålet är utformat med förtjockad koppar och blinda nedgrävda hål för att förbättra draghållfastheten. När det gäller processteknik kontrolleras presstemperaturen och trycket strikt för att säkerställa bindningskraften mellan substratlagren, optimera temperaturkurvan för reflowlödning och minska kvarvarande spänning inuti lödfogen.

 

Med utvecklingen av högdensitets-PCB-integration intensifieras utmaningarna med tillförlitlighet vid höga och låga temperaturer för 3D-MID, rigid-flex-kort och ultratunna kretskort. CTE (Centric Traffic Expansion Test) för de styva och flexibla områdena på de styva och styva bundna plattorna skiljer sig mycket, och bindningsbrott är benägna att uppstå under termisk cykling. Substratstyvheten hos ultratunna kretskort är otillräcklig, och de är lätta att skeva och deformeras vid höga temperaturer, vilket påverkar komponenternas lödstabilitet. För dessa nya kretskort måste testparametrarna för höga och låga temperaturer anpassas, med en mjukare temperaturökning och -fall, ökat antal cykler och säkerställande av deras stabilitet i extrema temperaturmiljöer.

 

Testning vid höga och låga temperaturer är inte bara ett sätt att verifiera produktkvalitet, utan också en viktig grund för FoU-optimering. Felanalys kan exakt lokalisera material- och processdefekter och vägleda uppgraderingar av kretskortsdesign i omvänd ordning.