02.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph, Gabriele Stock
Kvalitetskontrol af elektroniske samlinger ved hjælp af termomekanisk analyse
En vigtig kilde til fejl i elektroniske samlinger er varmeudvidelse og de problemer, det medfører. For at sikre, at printpladerne lever op til en bestemt kvalitet, er der indført IPC-standarder, som kræver måling af termisk udvidelse, glasovergang og blødgøringspunkt. Lær, hvordan du kan overholde standarden med den nye TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition.
En vigtig kilde til fejl i elektroniske samlinger er termisk udvidelse og de problemer, det medfører. Termomekanisk analyse kan hjælpe med at undgå disse produktfejl.
FR4 - det mest anvendte kompositmateriale i elektronikindustrien
FR4 (FR= flammehæmmende) og dets derivater (FR2, FR3, FR5) er langt de mest udbredte basismaterialer til elektroniske printkort og elektroniske samlinger. FR4's bagsidemateriale består af glasfiber, der er vævet til en tynd, stoflignende plade. Glasstoffet er derefter imprægneret med en flammehæmmende epoxyharpiks. Den resulterende lavpriskomposit er stiv, isolerer pålideligt og klarer sig godt under de fleste miljøforhold. På den anden side har epoxyharpiksmatricen en lavere Tg og højere varmeudvidelseskoefficient end det forstærkende glasstof og har en tendens til at blødgøre og udvide sig, når et printkort gennemgår flere termiske cyklusser i produktionsprocessen og potentielt under brug. Dette kan føre til en delvis løsrivelse af den pressede materialeforbindelse, hvilket igen fører til fejl i samlingen eller delaminering. Konsekvensen er normalt, at samlingen svigter. Termomekanisk analyse (TMA) er en god metode til at måle den termiske udvidelse af printkortets base, elektroniske komponenter og komponentmaterialer.
For at sikre, at printpladerne overholder en bestemt kvalitet, blev der indført IPC-standarder, der kræver måling af den termiske udvidelse, glasovergang og blødgøringspunkt [se IPC-TM-650 2.4.24.1 Tid til delaminering (TMA-metode)].
CTE og Tg- to vigtige værdier til kvalitetskontrol af FR4-kompositter
Den vigtige materialekarakteristik for kvalitetssikring af polymerkompositter som FR4 er glasovergangstemperaturen, Tg. Det er det temperaturpunkt, hvor epoxyharpiksstrukturen begynder at blive blød. Så snart Tg-værdien er nået, begynder materialet at udvide sig mere - typisk mellem 2-3 gange mere end i fast tilstand. Termomekanisk analyse (TMA) er et perfekt værktøj til at studere ekspansionsadfærden og blødgøringstemperaturen for forskellige materialer som polymerer, elastomerer og kompositter. Den giver grundlæggende oplysninger om den termiske udvidelseskoefficient (Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE), glasovergangstemperaturen samt om viskoelastiske egenskaber. Det er en meget følsom metode og kan bruges til at bestemme svage fysiske overgange, der er forbundet med ændringer i modulus, Hærdning (tværbindingsreaktioner)Bogstaveligt oversat betyder udtrykket "crosslinking" "krydsnetværk". I kemisk sammenhæng bruges det om reaktioner, hvor molekyler knyttes sammen ved at indføre kovalente bindinger og danne tredimensionelle netværk.hærdning eller delaminering, som nogle gange ikke kan opdages ved hjælp af DSC (Differential Scanning Calorimetry).
Det gør det til den foretrukne metode til kvalitetskontrol. Test af den maksimale behandlingstemperatur for din FR4 reducerer sandsynligheden for, at printpladen (PCB) bliver beskadiget under komponentproduktionen.
Tid til delaminering - synlig produktsvigt
PCB'et udsættes for termisk StressStress defineres som et kraftniveau, der påføres en prøve med et veldefineret tværsnit. (Spænding = kraft/areal). Prøver med et cirkulært eller rektangulært tværsnit kan komprimeres eller strækkes. Elastiske materialer som gummi kan strækkes op til 5 til 10 gange deres oprindelige længde.stress under samlingen, for eksempel i reflow-loddeovnen. Tiden til delaminering er vigtig, når det drejer sig om materialevalg til en bestemt anvendelse. Figuren nedenfor viser en måling på en FR4-prøve, hvor tiden til delaminering blev registreret. Der blev foretaget to målinger. I begge tilfælde blev prøven opvarmet til testtemperaturen. Derefter blev den ene holdt ved en isoterm temperatur på 260 °C (i henhold til IPC-standarden) og den anden ved en isoterm temperatur på 300 °C. I den første måling ved 260 °C (grøn linje) opdagede TMA'en ikke delaminering, da kurven forblev flad indtil slutningen af målingen. Men ved den højere temperatur på 300 °C er nedbrydningen af produktet synlig. Den anden måling registrerer en tid til delaminering på 18,1 minutter efter at være blevet holdt ved en IsotermiskTest ved kontrolleret og konstant temperatur kaldes isotermiske.isotermisk temperatur på 300 °C, som blev nået 28 minutter efter målingens start. TMA'en registrerer tydeligt delamineringen, hvor den fysiske inspektion af prøven kun viser en vis misfarvning, som det kan ses på fotos, der er taget af de forskellige prøver før og efter testene.
Denne test er blevet særlig vigtig, siden "Direktivet om begrænsning af farlige stoffer" 2002/95/EF (RoHS 1) trådte i kraft i EU. I forbindelse med elektronisk og elektrisk udstyr påvirker det f.eks. brugen af blyholdigt loddemetal. Udstyr, der produceres eller sælges til EU-markedet, skal nu være blyfrit. Det har haft stor indflydelse på den krævede termiske stabilitet af alle komponenter - inklusive FR4.
Processerne til fremstilling af blyfri loddetin kræver nu reflow-temperaturer på op til 260 °C. Tidligere var reflow-temperaturerne kun på 240 °C. Det FR4, der blev brugt til denne undersøgelse, ville være egnet til både de blyholdige og de blyfrie lodder, da delamineringseffekterne ikke blev opdaget, før en temperatur på 300 °C var nået. Det er dog ikke alle materialer, der i øjeblikket bruges som basismaterialer til elektroniske printkort og elektroniske samlinger, der kan modstå de nye krav til blyfri processer.
Ovenstående undersøgelse med TMA viser, hvor vigtig bestemmelsen af tid til delaminering er for at undgå produktfejl og forsyne dine kunder med produkter af høj kvalitet. Termomekanisk analyse anvendes i henhold til IPC-standarden til at teste materialets egnethed. Den nye TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition er specielt designet til at måle en bred vifte af polymermaterialer og er velegnet til kvalitetskontrol i den elektroniske komponentindustri.
