02.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph, Gabriele Stock
Elektronisten kokoonpanojen laadunvalvonta lämpömekaanisen analyysin avulla
Lämpölaajeneminen ja sen aiheuttamat ongelmat ovat merkittävä elektroniikkakokoonpanojen vikaantumisen lähde. Sen varmistamiseksi, että piirilevyt ovat tietyn laadun mukaisia, otettiin käyttöön IPC-standardit, jotka edellyttävät lämpölaajenemisen, lasinsiirtymän ja pehmenemispisteen mittaamista. Lue, miten voit noudattaa standardia uuden TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition -julkaisun avulla.
Lämpölaajeneminen ja sen aiheuttamat ongelmat ovat merkittävä elektroniikkakokoonpanojen vikaantumisen lähde. Lämpömekaaninen analyysi voi auttaa välttämään näitä tuotevikoja.
FR4 - elektroniikkateollisuudessa yleisimmin käytetty komposiitti
FR4 (FR = palonestoaine) ja sen johdannaiset (FR2, FR3, FR5) ovat ylivoimaisesti yleisimmin käytettyjä elektronisten piirilevyjen ja elektronisten kokoonpanojen perusmateriaaleja. FR4:n taustamateriaali koostuu ohueksi, kankaaksi kudotusta lasikuidusta. Lasikangas on sitten kyllästetty liekinkestävällä epoksihartsilla. Tuloksena syntyvä edullinen komposiitti on jäykkä, eristää luotettavasti ja toimii hyvin useimmissa ympäristöolosuhteissa. Toisaalta epoksihartsimatriisin Tg-arvo on alhaisempi ja lämpölaajenemiskerroin korkeampi kuin vahvistavan lasikangas, ja sillä on taipumus pehmentyä ja laajentua, kun piirilevy käy läpi useita lämpösyklejä tuotantoprosessin aikana ja mahdollisesti käytön aikana. Tämä voi johtaa puristetun materiaaliyhdisteen osittaiseen irtoamiseen, mikä puolestaan johtaa liitosvikoihin tai delaminaatioon. Seurauksena on yleensä kokoonpanon epäonnistuminen. Lämpömekaaninen analyysi (TMA) on hyvä menetelmä piirilevypohjan, elektroniikkakomponenttien ja komponenttimateriaalien lämpölaajenemisen mittaamiseen.
Varmistaakseen, että piirilevyjen pohjalevyt vastaavat tiettyä laatua, otettiin käyttöön IPC-standardit, joissa edellytetään lämpölaajenemisen, lasittumis- ja pehmenemispisteen mittaamista [ks. IPC-TM-650 2.4.24.1 Time to Delamination (TMA-menetelmä)].
CTE ja Tg- kaksi tärkeää arvoa FR4-komposiittien laadunvalvonnassa
Tärkeä materiaaliominaisuus FR4:n kaltaisten polymeerikomposiittien laadunvarmistuksen kannalta on lasittumislämpötila, Tg. Tämä on lämpötilapiste, jossa epoksihartsirakenne alkaa pehmentyä. Heti kun Tg-arvo on saavutettu, materiaali alkaa laajeta enemmän - tyypillisesti 2-3 kertaa enemmän kuin kiinteässä tilassa. Lämpömekaaninen analyysi (TMA) on täydellinen työkalu erilaisten materiaalien, kuten polymeerien, elastomeerien ja komposiittien, paisumiskäyttäytymisen ja pehmenemislämpötilan tutkimiseen. Se antaa perustietoa lämpölaajenemiskertoimesta (Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE), lasittumislämpötilasta sekä viskoelastisista ominaisuuksista. Se on erittäin herkkä menetelmä, ja sitä voidaan käyttää sellaisten heikkojen fysikaalisten siirtymien määrittämiseen, jotka liittyvät moduulin muutoksiin, kovettumiseen tai delaminaatioon, joita ei toisinaan voida havaita DSC:llä (Differential Scanning Calorimetry).
Tämän vuoksi se on ensisijainen menetelmä laadunvalvonnassa. FR4:n enimmäiskäsittelylämpötilan testaaminen vähentää painetun piirilevyn (PCB) vaurioitumisen todennäköisyyttä komponenttien valmistuksen aikana.
Delaminaatioaika - näkyvä tuotevika
Piirilevy altistuu lämpöjännitykselle kokoonpanon aikana, esimerkiksi reflow-juotosuunissa. Delaminaatioon kuluva aika on tärkeä, kun kyse on materiaalin valinnasta tiettyyn sovellukseen. Alla olevassa kuvassa on FR4-näytteestä tehty mittaus, jossa delaminaatioon kuluva aika on kirjattu. Mittauksia tehtiin kaksi. Molemmissa mittauksissa näyte lämmitettiin testauslämpötilaan. Sen jälkeen toinen pidettiin 260 °C:n isotermisessä lämpötilassa (IPC-standardin mukaisesti) ja toinen 300 °C:n isotermisessä lämpötilassa. Ensimmäisessä mittauksessa 260 °C:n lämpötilassa (vihreä viiva) TMA ei havainnut delaminaatiota, koska käyrä pysyi tasaisena mittauksen loppuun asti. Korkeammassa 300 °C:n lämpötilassa tuotteen HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen on kuitenkin havaittavissa. Toisessa mittauksessa Delaminoitumisaika on 18,1 minuuttia sen jälkeen, kun tuotetta oli pidetty 300 °C:n isotermisessä lämpötilassa, joka saavutettiin 28 minuuttia mittauksen aloittamisen jälkeen. TMA havaitsee selvästi delaminaation, kun taas näytteen fyysinen tarkastus osoittaa vain jonkin verran värimuutoksia, kuten eri näytteistä ennen ja jälkeen testien otetuista valokuvista voidaan nähdä.
Tämä testi on tullut erityisen tärkeäksi sen jälkeen, kun vaarallisten aineiden rajoittamista koskeva direktiivi 2002/95/EY (RoHS 1) tuli voimaan Euroopan unionissa. Elektroniikka- ja sähkölaitteiden osalta tämä vaikuttaa esimerkiksi lyijypitoisten juotosten käyttöön. EU:n markkinoille valmistettavien tai myytävien laitteiden on nyt oltava lyijyttömiä. Tämä vaikutti merkittävästi kaikkien komponenttien - myös FR4:n - vaadittuun lämpöstabiilisuuteen.
Lyijyttömien juotosten tuotantoprosessit edellyttävät nyt jopa 260 °C:n reflow-lämpötiloja. Aikaisemmin uudelleenjuoksutuslämpötilat olivat vain 240 °C. Tässä tutkimuksessa käytetty FR4 soveltuisi sekä lyijypitoisten että lyijyttömien juotosten käyttöön, koska delaminaatioilmiöt havaittiin vasta 300 °C:n lämpötilassa. Kaikki materiaalit, joita nykyisin käytetään elektroniikkalevyjen ja elektroniikkakokoonpanojen perusmateriaaleina, eivät kuitenkaan kestä lyijyttömiä prosesseja koskevia uusia vaatimuksia.
Edellä mainittu TMA:lla tehty tutkimus osoittaa, kuinka tärkeää delaminaatioajan määrittäminen on tuotevikojen välttämiseksi ja korkealaatuisten tuotteiden toimittamiseksi asiakkaille. Lämpömekaanista analyysia sovelletaan IPC-standardin mukaisesti materiaalin soveltuvuuden testaamiseen. Uusi TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition on suunniteltu erityisesti mittaamaan monenlaisia polymeerimateriaaleja, ja se soveltuu hyvin elektroniikkakomponenttiteollisuuden laadunvalvontatarpeisiin.
