02.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph, Gabriele Stock
Kontrola kvality elektronických sestav pomocí termomechanické analýzy
Hlavním zdrojem poruch elektronických sestav je tepelná roztažnost a problémy, které způsobuje. Aby bylo zajištěno, že základní desky obvodů odpovídají určité kvalitě, byly zavedeny normy IPC, které vyžadují měření tepelné roztažnosti, skelného přechodu a bodu měknutí. Zjistěte, jak můžete vyhovět normě díky novému vydání TMA 402 F3 Hyperion® Polymer.
Hlavním zdrojem poruch elektronických sestav je tepelná roztažnost a problémy, které způsobuje. Termomechanická analýza může pomoci těmto poruchám výrobků předcházet.
FR4 - nejčastěji používaný kompozit v elektronickém průmyslu
FR4 (FR = zpomalovač hoření) a jeho deriváty (FR2, FR3, FR5) jsou zdaleka nejpoužívanějšími základními materiály pro desky s elektronickými obvody a elektronické sestavy. Podkladový materiál FR4 je tvořen skleněnými vlákny tkanými do tenké, látce podobné fólie. Skleněná tkanina je pak impregnována nehořlavou epoxidovou pryskyřicí. Výsledný levný kompozit je tuhý, spolehlivě izoluje a dobře funguje ve většině podmínek prostředí. Na druhé straně má matrice z epoxidové pryskyřice nižší Tg a vyšší koeficient tepelné roztažnosti než výztužná skleněná tkanina a má tendenci měknout a rozpínat se, když deska plošných spojů projde několika tepelnými cykly ve výrobním procesu a případně i během používání. To může vést k částečnému oddělování lisované materiálové směsi, což následně vede k poruchám spoje nebo delaminaci. Důsledkem je obvykle selhání sestavy. Termomechanická analýza (TMA) je vhodnou metodou pro měření tepelné roztažnosti základové desky plošných spojů, elektronických součástek a materiálů součástek.
Aby bylo zajištěno, že základní desky s plošnými spoji odpovídají určité kvalitě, byly zavedeny normy IPC, které vyžadují měření tepelné roztažnosti, skelného přechodu a bodu měknutí [viz IPC-TM-650 2.4.24.1 Doba do delaminace (metoda TMA)].
CTE a Tg- dvě důležité hodnoty pro kontrolu kvality kompozitů FR4
Důležitou charakteristikou materiálu pro zajištění kvality polymerních kompozitů, jako je FR4, je teplota skelného přechodu, Tg. Jedná se o teplotní bod, kdy struktura epoxidové pryskyřice začíná měknout. Jakmile je dosaženo hodnoty Tg, materiál se začne více rozpínat - obvykle 2-3krát více než v pevném stavu. Termomechanická analýza (TMA) je dokonalým nástrojem pro studium expanzního chování a teploty měknutí různých materiálů, jako jsou polymery, elastomery a kompozity. Poskytuje základní informace o koeficientu teplotní roztažnosti (Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE), teplotě skelného přechodu a také o viskoelastických vlastnostech. Je to velmi citlivá metoda a lze ji použít ke stanovení slabých fyzikálních přechodů, které souvisejí se změnami modulu, Vytvrzování (síťovací reakce)V doslovném překladu termín "crosslinking" znamená "křížové propojení". V chemickém kontextu se používá pro reakce, při nichž se molekuly spojují kovalentními vazbami a vytvářejí trojrozměrné sítě.vytvrzováním nebo delaminaci, které někdy nelze zjistit diferenční skenovací kalorimetrií (DSC).
Proto je tato metoda vhodnou volbou pro kontrolu kvality. Testování maximální teploty zpracování vašeho materiálu FR4 snižuje pravděpodobnost poškození desky s plošnými spoji (PCB) při výrobě součástek.
Doba do delaminace - viditelné selhání výrobku
DPS je během osazování vystavena tepelnému namáhání, například v pájecí peci. Doba do delaminace je důležitá při výběru materiálu pro určitou aplikaci. Obrázek níže ukazuje měření na vzorku FR4, při kterém byla zaznamenána doba do delaminace. Byla provedena dvě měření. V obou případech byl vzorek zahřát na zkušební teplotu. Poté bylo jedno měření udržováno při izotermické teplotě 260 °C (podle normy IPC) a druhé při izotermické teplotě 300 °C. Při prvním měření při teplotě 260 °C (zelená čára) TMA nezjistil delaminaci, protože křivka zůstává plochá až do konce měření. Při vyšší teplotě 300 °C je však patrná degradace produktu. Druhé měření zaznamenává čas do delaminace 18,1 min po udržování při izotermické teplotě 300 °C, které bylo dosaženo 28 min po zahájení měření. TMA jasně detekuje delaminaci, přičemž fyzická kontrola vzorku vykazuje pouze určitou změnu barvy, jak je vidět na fotografiích pořízených u různých vzorků před a po testech.
Tato zkouška je obzvláště důležitá od doby, kdy v Evropské unii vstoupila v platnost směrnice 2002/95/ES o omezení nebezpečných látek (RoHS 1). V případě elektronických a elektrických zařízení se to týká například používání pájek obsahujících olovo. Zařízení vyráběná nebo prodávaná na trhu EU nyní musí být bezolovnatá. To mělo zásadní vliv na požadovanou tepelnou stabilitu všech součástí - včetně FR4.
Procesy výroby bezolovnatých pájek nyní vyžadují teploty přetavení až 260 °C. Dříve byly teploty přetavení pouze 240 °C. Materiál FR4 použitý pro tuto studii by byl vhodný jak pro olovnaté, tak pro bezolovnaté pájky, protože účinky delaminace byly zjištěny až při teplotě 300 °C. Ne všechny materiály, které se v současnosti používají jako základní materiály pro desky s elektronickými obvody a elektronické sestavy, však mohou odolat novým požadavkům bezolovnatých procesů.
Výše uvedené šetření s TMA ukazuje, jak důležité je stanovení doby do delaminace, aby se předešlo selhání výrobku a zákazníkům se dodávaly vysoce kvalitní výrobky. Termomechanická analýza se používá podle normy IPC k testování vhodnosti materiálu. Nový přístroj TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition je speciálně navržen pro měření široké škály polymerních materiálů a je vhodný pro potřeby kontroly kvality v průmyslu elektronických součástek.
