02.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph, Gabriele Stock
Elektronikus szerelvények minőségellenőrzése termomechanikai elemzéssel
Az elektronikai szerelvények meghibásodásának egyik fő forrása a hő tágulás és az általa okozott problémák. Annak érdekében, hogy az áramköri alaplapok megfeleljenek egy bizonyos minőségnek, olyan IPC-szabványokat vezettek be, amelyek előírják a hő tágulás, az üvegesedési átmenet és a lágyulási pont mérését. Tudja meg, hogyan felelhet meg a szabványnak az új TMA 402 F3 Hyperion® Polimer Edition segítségével.
Az elektronikai szerelvények meghibásodásának egyik fő forrása a hő tágulás és az általa okozott problémák. A termomechanikai elemzés segíthet az ilyen termékhibák elkerülésében.
FR4 - a leggyakrabban használt kompozit az elektronikai iparban
Az FR4 (FR = égésgátló) és származékai (FR2, FR3, FR5) messze a legszélesebb körben használt alapanyagok az elektronikus áramköri lapok és az elektronikus szerelvények számára. Az FR4 alapanyaga vékony, szövetszerű lapba szőtt üvegszálból áll. Az üvegszövetet ezután lángálló epoxigyantával impregnálják. Az így kapott olcsó kompozit merev, megbízhatóan szigetel és a legtöbb környezeti körülmény között jól teljesít. A másik oldalról viszont az epoxigyanta mátrixnak alacsonyabb a Tg-értéke és nagyobb a hőtágulási együtthatója, mint az erősítő üvegszövetnek, és hajlamos lágyulni és tágulni, amikor az áramköri lap a gyártási folyamat során és esetleg a használat során több hőcikluson megy keresztül. Ez a préselt anyagkeverék részleges leválásához vezethet, ami viszont illesztési hibákhoz vagy leváláshoz vezet. Ennek következménye általában a szerelvény meghibásodása. A termomechanikai analízis (TMA) jó módszer az áramköri alap, az elektronikus alkatrészek és az alkatrészanyagok hő tágulásának mérésére.
Annak biztosítására, hogy az áramköri alaplapok megfeleljenek egy bizonyos minőségnek, olyan IPC-szabványokat vezettek be, amelyek előírják a hő tágulás, az üvegesedési átmenet és a lágyulási pont mérését [lásd IPC-TM-650 2.4.24.1 A Delaminálódásig eltelt idő (TMA-módszer)].
CTE és Tg- Két fontos érték az FR4 kompozitok minőségellenőrzéséhez
Az FR4-hez hasonló polimer kompozitok minőségbiztosításának fontos anyagi jellemzője az üvegesedési hőmérséklet, Tg. Ez az a hőmérsékleti pont, ahol az epoxigyanta szerkezete lágyulni kezd. Amint a Tg értéket elérjük, az anyag elkezd jobban tágulni - jellemzően 2-3-szor jobban, mint szilárd állapotban. A termomechanikai elemzés (TMA) tökéletes eszköz a különböző anyagok, például polimerek, elasztomerek és kompozitok tágulási viselkedésének és lágyulási hőmérsékletének tanulmányozására. Alapvető információkat szolgáltat a hőtágulási együtthatóról (Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE), az üvegesedési átmeneti hőmérsékletről, valamint a viszkoelasztikus tulajdonságokról. Ez egy nagyon érzékeny módszer, és használható a modulus változásával, a keményedéssel vagy a leválással összefüggő gyenge fizikai átmenetek meghatározására, amelyek néha nem mutathatók ki differenciál pásztázó kalorimetriával (DSC).
Ez teszi ezt a módszert a minőség-ellenőrzésben a legmegfelelőbb módszerré. Az FR4 maximális feldolgozási hőmérsékletének vizsgálata csökkenti a nyomtatott áramköri lap (PCB) sérülésének valószínűségét az alkatrészgyártás során.
Delaminálódásig eltelt idő - látható termékhiba
A nyomtatott áramköri lap hőterhelésnek van kitéve az összeszerelés során, például az újraforrasztó forrasztókemencében. A delaminációig eltelt idő fontos, amikor egy adott alkalmazáshoz szükséges anyag kiválasztásáról van szó. Az alábbi ábra egy FR4 mintán végzett mérést mutat, ahol a leválásig eltelt időt rögzítették. Két mérést végeztek. Mindkettőnél a mintát a vizsgálati hőmérsékletre melegítettük. Ezután az egyiket 260°C-os IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus hőmérsékleten tartották (az IPC szabvány szerint), a másodikat pedig 300°C-os IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus hőmérsékleten. Az első, 260°C-on végzett mérésnél (zöld vonal) a TMA nem észlelte a delaminációt, mivel a görbe a mérés végéig lapos maradt. A magasabb, 300°C-os hőmérsékleten azonban a termék degradációja látható. A második mérés 18,1 percnél rögzíti a delaminálódásig eltelt időt, miután 300°C-os IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus hőmérsékleten tartották, amelyet 28 perccel a mérés kezdete után értek el. A TMA egyértelműen kimutatja a delaminációt, míg a minta fizikai vizsgálata csak némi elszíneződést mutat, amint az a különböző mintákról a vizsgálatok előtt és után készített fényképeken is látható.
Ez a vizsgálat különösen fontossá vált, mióta a 2002/95/EK "A veszélyes anyagok korlátozásáról szóló irányelv" (RoHS 1) hatályba lépett az Európai Unióban. Az elektronikus és elektromos berendezések esetében ez például az ólomtartalmú forraszanyagok használatát érinti. Az EU piacán gyártott vagy értékesített berendezéseknek mostantól ólommentesnek kell lenniük. Ez jelentős hatással volt az összes alkatrész - köztük az FR4 - megkövetelt HőstabilitásEgy anyag hőstabil, ha a hőmérséklet hatására nem bomlik el. Egy anyag hőstabilitásának meghatározására a TGA (termogravimetriás analizátor) egyik módja. hőstabilitására.
Az ólommentes forraszanyagok előállításához szükséges eljárások most már akár 260°C-os újraolvasztási hőmérsékletet is megkövetelnek. Korábban az újraolvasztási hőmérséklet csak 240°C volt. Az ebben a vizsgálatban használt FR4 alkalmas lenne mind az ólmozott, mind az ólommentes forraszanyagokhoz, mivel a delaminációs hatások csak 300°C-os hőmérséklet elérésekor jelentkeztek. Azonban nem minden olyan anyag, amelyet jelenleg az elektronikus áramköri lapok és elektronikus szerelvények alapanyagaként használnak, képes ellenállni az ólommentes eljárások új követelményeinek.
A TMA-val végzett fenti vizsgálat megmutatja, hogy a termékhibák elkerülése és a vevők magas minőségű termékekkel való ellátása szempontjából mennyire fontos a Delaminálódási idő meghatározása. A termomechanikai analízist az IPC szabvány szerint alkalmazzák az anyagok alkalmasságának vizsgálatára. Az új TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition kifejezetten a polimer anyagok széles körének mérésére készült, és jól megfelel az elektronikai alkatrészipar minőségellenőrzési igényeinek.
