02.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph, Gabriele Stock
Kwaliteitscontrole van elektronische assemblages met behulp van thermomechanische analyse
Een belangrijke oorzaak van het falen van elektronische assemblages is thermische uitzetting en de problemen die dit veroorzaakt. Om er zeker van te zijn dat de printplaten aan een bepaalde kwaliteit voldoen, zijn er IPC-normen opgesteld die meting van de thermische uitzetting, de GlasovergangstemperatuurDe glasovergang is een van de belangrijkste eigenschappen van amorfe en semikristallijne materialen, zoals anorganisch glas, amorfe metalen, polymeren, farmaceutische producten en voedingsingrediënten, enz. en beschrijft het temperatuurgebied waar de mechanische eigenschappen van de materialen veranderen van hard en bros naar meer zacht, vervormbaar of rubberachtig.glasovergang en het verwekingspunt vereisen. Ontdek hoe u aan de norm kunt voldoen met de nieuwe TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition.
Een belangrijke oorzaak van het falen van elektronische assemblages is thermische uitzetting en de problemen die dit veroorzaakt. Thermomechanische analyse kan helpen om deze productstoringen te voorkomen.
FR4 - meest gebruikte composiet in de elektronische industrie
FR4 (FR= vlamvertragend) en zijn derivaten (FR2, FR3, FR5) zijn veruit de meest gebruikte basismaterialen voor elektronische printplaten en elektronische assemblages. Het basismateriaal van FR4 bestaat uit glasvezel dat geweven is tot een dun, doekachtig vel. Het glasweefsel wordt vervolgens geïmpregneerd met een vlamvertragende epoxyhars. Het resulterende goedkope composiet is stijf, isoleert betrouwbaar en presteert goed in de meeste omgevingsomstandigheden. Aan de andere kant heeft de epoxyharsmatrix een lagere Tg en een hogere thermische uitzettingscoëfficiënt dan het versterkende glasweefsel en heeft het de neiging om zacht te worden en uit te zetten wanneer een printplaat verschillende thermische cycli doorloopt tijdens het productieproces en mogelijk ook tijdens het gebruik. Dit kan leiden tot een gedeeltelijke loslating van de geperste materiaalverbinding, wat op zijn beurt leidt tot verbindingsfouten of delaminatie. Het gevolg is meestal dat de assemblage mislukt. Thermomechanische analyse (TMA) is een goede methode om de thermische uitzetting van de printplaatbasis, elektronische componenten en componentmaterialen te meten.
Om er zeker van te zijn dat de printplaten een bepaalde kwaliteit hebben, zijn er IPC-normen opgesteld die metingen van de thermische uitzetting, de GlasovergangstemperatuurDe glasovergang is een van de belangrijkste eigenschappen van amorfe en semikristallijne materialen, zoals anorganisch glas, amorfe metalen, polymeren, farmaceutische producten en voedingsingrediënten, enz. en beschrijft het temperatuurgebied waar de mechanische eigenschappen van de materialen veranderen van hard en bros naar meer zacht, vervormbaar of rubberachtig.glasovergang en het verwekingspunt voorschrijven [zie IPC-TM-650 2.4.24.1 Tijd tot delaminatie (TMA-methode)].
CTE en Tg- Twee belangrijke waarden voor de kwaliteitscontrole van FR4-composieten
De belangrijke materiaaleigenschap voor kwaliteitsborging van polymeercomposieten zoals FR4 is de GlasovergangstemperatuurDe glasovergang is een van de belangrijkste eigenschappen van amorfe en semikristallijne materialen, zoals anorganisch glas, amorfe metalen, polymeren, farmaceutische producten en voedingsingrediënten, enz. en beschrijft het temperatuurgebied waar de mechanische eigenschappen van de materialen veranderen van hard en bros naar meer zacht, vervormbaar of rubberachtig.glasovergangstemperatuur, Tg. Dit is het temperatuurpunt waarop de epoxyharsstructuur zacht begint te worden. Zodra de Tg-waarde wordt bereikt, begint het materiaal meer uit te zetten - meestal 2-3 keer meer dan in vaste toestand. Thermomechanische analyse (TMA) is een perfect hulpmiddel om het uitzettingsgedrag en de verwekingstemperatuur van verschillende materialen zoals polymeren, elastomeren en composieten te bestuderen. Het geeft fundamentele informatie over de thermische uitzettingscoëfficiënt (Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE), de GlasovergangstemperatuurDe glasovergang is een van de belangrijkste eigenschappen van amorfe en semikristallijne materialen, zoals anorganisch glas, amorfe metalen, polymeren, farmaceutische producten en voedingsingrediënten, enz. en beschrijft het temperatuurgebied waar de mechanische eigenschappen van de materialen veranderen van hard en bros naar meer zacht, vervormbaar of rubberachtig.glasovergangstemperatuur en over visco-elastische eigenschappen. Het is een zeer gevoelige methode en kan gebruikt worden om zwakke fysische overgangen te bepalen die geassocieerd worden met veranderingen in modulus, uitharding of delaminatie, die soms niet gedetecteerd kunnen worden met Differentiële Scanning Calorimetrie (DSC).
Dit maakt het de methode bij uitstek voor kwaliteitscontrole. Het testen van de maximale verwerkingstemperatuur van uw FR4 vermindert de kans op beschadiging van de Printed Circuit Board (PCB) tijdens de productie van componenten.
Tijd tot Delaminatie - zichtbaar defect product
De printplaat wordt thermisch belast tijdens de assemblage, bijvoorbeeld in de reflow soldeeroven. De tijd tot delaminatie is belangrijk als het gaat om de materiaalselectie voor een bepaalde toepassing. De onderstaande figuur toont een meting op een FR4-monster waarbij de tijd tot delaminatie werd geregistreerd. Er werden twee metingen uitgevoerd. In beide gevallen werd het monster verwarmd tot de testtemperatuur. Daarna werd er één gehouden bij een isotherme temperatuur van 260°C (volgens IPC standaard) en een tweede met een isotherme temperatuur van 300°C. Bij de eerste meting bij 260°C (groene lijn) detecteerde de TMA geen delaminatie omdat de curve vlak blijft tot het einde van de meting. Bij de hogere temperatuur van 300°C is echter degradatie van het product zichtbaar. De tweede meting registreert een tijd tot delaminatie van 18,1 min na gehouden te zijn bij een isotherme temperatuur van 300°C, die 28 min na het begin van de meting werd bereikt. De TMA detecteert duidelijk de delaminatie, waar de fysieke inspectie van het monster alleen wat verkleuring laat zien, zoals te zien is op foto's van de verschillende monsters voor en na de tests.
Deze test is vooral belangrijk geworden sinds de "Restriction of Hazardous Substances Directive" 2002/95/EC (RoHS 1) van kracht is geworden in de Europese Unie. In het geval van elektronische en elektrische apparatuur heeft dit bijvoorbeeld invloed op het gebruik van loodhoudend soldeer. Apparatuur die wordt geproduceerd of verkocht op de EU-markt moet nu loodvrij zijn. Dit had een groot effect op de vereiste Thermische stabiliteitEen materiaal is thermisch stabiel als het niet ontleedt onder invloed van temperatuur. Een manier om de thermische stabiliteit van een stof te bepalen is door een TGA (thermogravimetrische analyser) te gebruiken. thermische stabiliteit van alle componenten - inclusief FR4.
De processen om loodvrij soldeer te produceren vereisen nu reflowtemperaturen tot 260°C. Eerdere reflowtemperaturen waren slechts 240°C. De FR4 die voor dit onderzoek werd gebruikt, zou geschikt zijn voor zowel het loodhoudende als het loodvrije soldeer, aangezien de delaminatie-effecten pas werden gedetecteerd bij een temperatuur van 300°C. Niet alle materialen die momenteel gebruikt worden als basismateriaal voor elektronische printplaten en elektronische assemblages zijn echter bestand tegen de nieuwe vereisten van loodvrije processen.
Het bovenstaande onderzoek met TMA toont aan hoe belangrijk de bepaling van de tijd tot delaminatie is om productdefecten te vermijden en uw klanten producten van hoge kwaliteit te leveren. Thermomechanische analyse wordt toegepast volgens de IPC standaard om de geschiktheid van materialen te testen. De nieuwe TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition is speciaal ontworpen om een breed scala aan polymeermaterialen te meten en is zeer geschikt voor de kwaliteitscontrolebehoeften van de elektronische componentenindustrie.
