02.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph, Gabriele Stock
Controlul calității ansamblurilor electronice utilizând analiza termomecanică
O sursă majoră de defectare a ansamblurilor electronice este dilatarea termică și problemele pe care aceasta le provoacă. Pentru a se asigura că plăcile de bază ale circuitelor sunt conforme cu o anumită calitate, au fost instituite standarde IPC care necesită măsurarea expansiunii termice, a tranziției vitroase și a punctului de înmuiere. Aflați cum vă puteți conforma standardului cu noua ediție TMA 402 F3 Hyperion® Polymer.
O sursă majoră de defectare a ansamblurilor electronice este dilatarea termică și problemele pe care aceasta le provoacă. Analiza termomecanică poate ajuta la evitarea acestor defecțiuni ale produselor.
FR4 - cel mai frecvent utilizat compozit în industria electronică
FR4 (FR = ignifug) și derivatele sale (FR2, FR3, FR5) sunt de departe cele mai utilizate materiale de bază pentru plăcile de circuite electronice și ansamblurile electronice. Materialul suport al FR4 este format din fibră de sticlă țesută într-o foaie subțire, asemănătoare unei țesături. Țesătura de sticlă este apoi impregnată cu o rășină epoxidică ignifugă. Materialul compozit ieftin rezultat este rigid, izolează fiabil și funcționează bine în majoritatea condițiilor de mediu. Pe de altă parte, matricea de rășină epoxidică are o Tg mai mică și un coeficient de dilatare termică mai mare decât țesătura de sticlă de armare și tinde să se înmoaie și să se dilate atunci când o placă de circuit trece prin mai multe cicluri termice în procesul de producție și, eventual, în timpul utilizării. Acest lucru poate duce la o desprindere parțială a compusului materialului presat, care, la rândul său, duce la defecțiuni ale îmbinărilor sau la delaminare. Consecința este, de obicei, o defecțiune a ansamblului. Analiza termomecanică (TMA) este o metodă bună pentru a măsura dilatarea termică a plăcii de bază a circuitelor, a componentelor electronice și a materialelor componentelor.
Pentru a se asigura că plăcile de bază ale circuitelor sunt conforme cu o anumită calitate, au fost instituite standarde IPC care necesită măsurarea expansiunii termice, a tranziției vitroase și a punctului de înmuiere [a se vedea IPC-TM-650 2.4.24.1 Timpul până la delaminare (metoda TMA)].
CTE și Tg- Două valori importante pentru controlul calității compozitelor FR4
Caracteristica importantă a materialului pentru asigurarea calității compozitelor polimerice precum FR4 este temperatura de tranziție vitroasă, Tg. Acesta este punctul de temperatură la care structura rășinii epoxidice începe să se înmoaie. Imediat ce este atinsă valoarea Tg, materialul începe să se dilate mai mult - de obicei de 2-3 ori mai mult decât în stare solidă. Analiza termomecanică (TMA) este un instrument perfect pentru studierea comportamentului de expansiune și a temperaturii de înmuiere a diferitelor materiale, cum ar fi polimerii, elastomerii și compozitele. Ea furnizează informații fundamentale despre coeficientul de dilatare termică (Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE), temperatura de tranziție vitroasă, precum și despre proprietățile viscoelastice. Este o metodă foarte sensibilă și poate fi utilizată pentru a determina tranzițiile fizice slabe care sunt asociate cu modificări ale modulului, întărire sau delaminare, care uneori nu pot fi detectate prin calorimetrie diferențială cu baleiaj (DSC).
Aceasta o face metoda de alegere pentru controlul calității. Testarea temperaturii maxime de prelucrare a FR4 reduce probabilitatea ca placa de circuite imprimate (PCB) să fie deteriorată în timpul producerii componentelor.
Timpul până la delaminare - defectarea vizibilă a produsului
PCB este supus stresului termic în timpul asamblării, de exemplu, în cuptorul de lipire prin reflow. Timpul până la delaminare este important atunci când vine vorba de selectarea materialului pentru o anumită aplicație. Figura de mai jos prezintă o măsurare pe o probă FR4 în care a fost înregistrat timpul până la delaminare. Au fost efectuate două măsurători. În ambele, proba a fost încălzită la temperatura de testare. Apoi, una a fost menținută la o temperatură izotermă de 260°C (în conformitate cu standardul IPC) și a doua cu o temperatură izotermă de 300°C. În prima măsurare la 260°C (linia verde), TMA nu a detectat delaminarea, deoarece curba rămâne plată până la sfârșitul măsurătorii. Cu toate acestea, la temperatura mai ridicată de 300°C, degradarea produsului este vizibilă. A doua măsurătoare înregistrează un timp până la delaminare de 18,1 minute după menținerea la o temperatură izotermă de 300 °C, care a fost atinsă la 28 de minute de la începutul măsurătorii. TMA detectează în mod clar delaminarea, în timp ce inspecția fizică a probei arată doar o oarecare decolorare, după cum se poate vedea în fotografiile făcute diferitelor probe înainte și după teste.
Acest test a devenit deosebit de important de când "Directiva privind restricționarea substanțelor periculoase" 2002/95/CE (RoHS 1) a intrat în vigoare în Uniunea Europeană. În cazul echipamentelor electrice și electronice, acest lucru afectează, de exemplu, utilizarea lipiturilor care conțin plumb. Echipamentele produse sau vândute pe piața UE trebuie acum să fie fără plumb. Acest lucru a avut un efect major asupra stabilității termice necesare a tuturor componentelor - inclusiv FR4.
Procesele de producere a lipiturilor fără plumb necesită acum temperaturi de refulare de până la 260°C. Anterior, temperaturile de reflow erau de numai 240°C. FR4 utilizat pentru acest studiu ar fi potrivit atât pentru lipiturile cu plumb, cât și pentru cele fără plumb, deoarece efectele de delaminare nu au fost detectate până la atingerea unei temperaturi de 300°C. Cu toate acestea, nu toate materialele care sunt utilizate în prezent ca materiale de bază pentru plăci de circuite electronice și ansambluri electronice pot rezista noilor cerințe ale proceselor fără plumb.
Investigația de mai sus cu TMA arată cât de importantă este determinarea timpului până la delaminare pentru a evita defectarea produselor și pentru a furniza clienților dumneavoastră produse de înaltă calitate. Analiza termomecanică este aplicată în conformitate cu standardul IPC pentru a testa adecvarea materialelor. Noua ediție TMA 402 F3 Hyperion® Polymer este special concepută pentru a măsura o gamă largă de materiale polimerice și este potrivită pentru nevoile de control al calității din industria componentelor electronice.
