02.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph, Gabriele Stock
Control de calidad de ensamblajes electrónicos mediante análisis termomecánico
Una de las principales fuentes de fallo de los conjuntos electrónicos es la dilatación térmica y los problemas que causa. Para asegurarse de que las placas base de los circuitos cumplen una determinada calidad, se establecieron normas IPC que exigen la medición de la expansión térmica, la transición vítrea y el punto de reblandecimiento. Descubra cómo puede cumplir la norma con la nueva edición de la TMA 402 F3 Hyperion® Polymer.
Una de las principales causas de fallo de los conjuntos electrónicos es la dilatación térmica y los problemas que ocasiona. El análisis termomecánico puede ayudar a evitar esos fallos en los productos.
FR4: el compuesto más utilizado en la industria electrónica
El FR4 (FR= retardante de llama) y sus derivados (FR2, FR3, FR5) son, con diferencia, los materiales de base más utilizados para placas de circuitos electrónicos y conjuntos electrónicos. El material de base del FR4 consiste en fibra de vidrio tejida en una fina lámina similar a un paño. A continuación, el tejido de vidrio se impregna con una resina epoxi ignífuga. El compuesto de bajo coste resultante es rígido, aísla de forma fiable y funciona bien en la mayoría de las condiciones ambientales. Por otro lado, la matriz de resina epoxi tiene una Tg más baja y un coeficiente de expansión térmica más alto que el tejido de vidrio de refuerzo, y tiende a ablandarse y expandirse cuando una placa de circuito pasa por varios ciclos térmicos en el proceso de producción y, potencialmente, durante su uso. Esto puede provocar un desprendimiento parcial del compuesto de material prensado, lo que, a su vez, provoca fallos en las juntas o delaminación. La consecuencia suele ser un fallo del conjunto. El análisis termomecánico (TMA) es un buen método para medir la dilatación térmica de la base de la placa de circuito, los componentes electrónicos y los materiales de los componentes.
Para asegurarse de que las placas base de circuitos cumplen una determinada calidad, se establecieron normas IPC que exigen la medición de la expansión térmica, la transición vítrea y el punto de reblandecimiento [véase IPC-TM-650 2.4.24.1 Tiempo hasta la delaminación (método TMA)].
CTE y Tg- Dos valores importantes para el control de calidad de los composites FR4
La temperatura de transición vítrea, Tg, es una característica importante del material para garantizar la calidad de los compuestos poliméricos como el FR4. Se trata del punto de temperatura en el que la estructura de la resina epoxi comienza a ablandarse. En cuanto se alcanza el valor Tg, el material empieza a dilatarse más, normalmente entre 2 y 3 veces más que en estado sólido. El análisis termomecánico (TMA) es una herramienta perfecta para estudiar el comportamiento de expansión y la temperatura de reblandecimiento de diversos materiales, como polímeros, elastómeros y materiales compuestos. Proporciona información fundamental sobre el coeficiente de expansión térmica (Coeficiente lineal de expansión térmica (CLTE/CTE)The coefficient of linear thermal expansion (CLTE) describes the length change of a material as a function of the temperature.CTE), la temperatura de transición vítrea y las propiedades viscoelásticas. Es un método muy sensible y puede utilizarse para determinar transiciones físicas débiles asociadas a cambios en el módulo, el curado o la delaminación, que a veces no pueden detectarse mediante la calorimetría diferencial de barrido (DSC).
Esto la convierte en el método preferido para el control de calidad. Comprobar la temperatura máxima de procesamiento de su FR4 reduce la probabilidad de que la placa de circuito impreso (PCB) se dañe durante la producción de componentes.
Tiempo hasta la delaminación - fallo visible del producto
La placa de circuito impreso se somete a tensiones térmicas durante el montaje, por ejemplo, en el horno de soldadura por reflujo. El tiempo hasta la delaminación es importante a la hora de seleccionar el material para una determinada aplicación. La figura siguiente muestra una medición en una muestra de FR4 en la que se registró el tiempo hasta la delaminación. Se realizaron dos mediciones. En ambas, la muestra se calentó hasta la temperatura de ensayo. A continuación, una se mantuvo a una temperatura isotérmica de 260°C (según la norma IPC) y la segunda con una temperatura isotérmica de 300°C. En la primera medición a 260°C (línea verde), el TMA no detectó delaminación, ya que la curva se mantiene plana hasta el final de la medición. Sin embargo, a la temperatura más alta de 300°C, la degradación del producto es visible. La segunda medición, registra un tiempo hasta la delaminación de 18,1 min después de mantenerse a una temperatura isotérmica de 300°C, que se alcanzó 28 min después del inicio de la medición. El TMA detecta claramente la delaminación, mientras que la inspección física de la muestra sólo muestra cierta decoloración, como puede verse en las fotos tomadas de las diferentes muestras antes y después de las pruebas.
Esta prueba ha cobrado especial importancia desde que entró en vigor en la Unión Europea la "Directiva sobre restricciones a la utilización de sustancias peligrosas" 2002/95/CE (RoHS 1). En el caso de los equipos electrónicos y eléctricos, esto afecta, por ejemplo, al uso de soldaduras que contienen plomo. Los equipos producidos o vendidos en el mercado de la UE ahora deben estar libres de plomo. Esto ha tenido un efecto importante en la Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica exigida a todos los componentes, incluidos los FR4.
Los procesos de producción de soldaduras sin plomo exigen ahora temperaturas de reflujo de hasta 260 ºC. Antes, las temperaturas de reflujo sólo llegaban a los 240°C. El FR4 utilizado para este estudio sería adecuado tanto para las soldaduras con plomo como para las soldaduras sin plomo, ya que los efectos de delaminación no se detectaron hasta que se alcanzó una temperatura de 300°C. Sin embargo, no todos los materiales que se utilizan actualmente como materiales de base para placas de circuitos electrónicos y conjuntos electrónicos pueden soportar los nuevos requisitos de los procesos sin plomo.
La investigación anterior con TMA muestra lo importante que es la determinación del tiempo hasta la delaminación para evitar el fallo del producto y suministrar a sus clientes productos de alta calidad. El análisis termomecánico se aplica según la norma IPC para comprobar la idoneidad de los materiales. El nuevo TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition está diseñado específicamente para medir una amplia gama de materiales poliméricos y es muy adecuado para las necesidades de control de calidad de la industria de componentes electrónicos.
