02.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph, Gabriele Stock
Контроль качества электронных сборок с помощью термомеханического анализа
Одним из основных источников отказов электронных узлов является тепловое расширение и проблемы, которые оно вызывает. Чтобы убедиться в том, что базовые платы соответствуют определенному качеству, были введены стандарты IPC, которые требуют измерения теплового расширения, температуры стеклования и размягчения. Узнайте, как можно соответствовать этим стандартам с помощью нового издания TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition.
Одним из основных источников отказов электронных узлов является тепловое расширение и проблемы, которые оно вызывает. Термомеханический анализ может помочь избежать таких отказов.
FR4 - наиболее часто используемый композит в электронной промышленности
FR4 (FR = огнестойкий) и его производные (FR2, FR3, FR5) являются наиболее широко используемыми материалами для изготовления электронных плат и электронных узлов. Материал основы FR4 состоит из стекловолокна, сплетенного в тонкий, похожий на ткань лист. Затем стеклоткань пропитывается огнестойкой эпоксидной смолой. Получившийся недорогой композит отличается жесткостью, надежно изолирует и хорошо работает в большинстве условий окружающей среды. С другой стороны, матрица из эпоксидной смолы имеет более низкую Tg и более высокий коэффициент теплового расширения, чем армирующая стеклоткань, и склонна размягчаться и расширяться, когда печатная плата проходит через несколько термических циклов в процессе производства и, возможно, в процессе эксплуатации. Это может привести к частичному отслоению прессованного материала, что, в свою очередь, приводит к разрушению или расслоению соединения. Следствием этого обычно является отказ сборки. Термомеханический анализ (ТМА) - хороший метод измерения теплового расширения основания печатной платы, электронных компонентов и материалов компонентов.
Чтобы убедиться в том, что печатные платы соответствуют определенному качеству, были введены стандарты IPC, требующие измерения теплового расширения, температуры стеклования и размягчения [см. IPC-TM-650 2.4.24.1 Время до расслоения (метод ТМА)].
CTE и Tg- две важные величины для контроля качества композитов FR4
Важной характеристикой материала для обеспечения качества полимерных композитов, таких как FR4, является температура стеклования, Tg. Это температурная точка, при которой структура эпоксидной смолы начинает размягчаться. Как только достигается значение Tg, материал начинает расширяться - обычно в 2-3 раза больше, чем в твердом состоянии. Термомеханический анализ (ТМА) - идеальный инструмент для изучения поведения при расширении и температуры размягчения различных материалов, таких как полимеры, эластомеры и композиты. Он предоставляет фундаментальную информацию о коэффициенте теплового расширения (КТР), температуре стеклования, а также о вязкоупругих свойствах. Это очень чувствительный метод, который можно использовать для определения слабых физических переходов, связанных с изменением модуля упругости, отверждением или расслоением, которые иногда не могут быть обнаружены с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК).
Это делает данный метод предпочтительным для контроля качества. Тестирование максимальной температуры обработки FR4 снижает вероятность повреждения печатной платы (PCB) при производстве компонентов.
Время до расслоения - видимое разрушение продукта
Печатная плата подвергается термическому воздействию во время сборки, например, в печи для пайки оплавлением. Время до расслоения имеет важное значение, когда речь идет о материале selection для определенного применения. На рисунке ниже показано измерение на образце FR4, в ходе которого было зарегистрировано время до расслоения. Было проведено два измерения. В обоих случаях образец нагревался до температуры испытания. Затем один образец выдерживался при изотермической температуре 260°C (в соответствии со стандартом IPC), а второй - при изотермической температуре 300°C. В первом измерении при температуре 260°C (зеленая линия) TMA не обнаружил расслоения, так как кривая остается плоской до конца измерения. Однако при более высокой температуре 300°C деградация продукта становится заметной. Второе измерение фиксирует время до расслоения 18,1 мин после выдержки при изотермической температуре 300°C, которая была достигнута через 28 мин после начала измерения. TMA четко обнаруживает расслоение, в то время как физический осмотр образца показывает лишь некоторое изменение цвета, как видно на фотографиях, сделанных для различных образцов до и после испытаний.
Этот тест стал особенно важен с тех пор, как в Европейском союзе вступила в силу "Директива об ограничении использования опасных веществ" 2002/95/EC (RoHS 1). В случае с электронным и электрическим оборудованием это касается, например, использования свинцовосодержащих припоев. Теперь оборудование, производимое или продаваемое на рынке ЕС, должно быть бессвинцовым. Это существенно повлияло на требуемую термическую стабильность всех компонентов, включая FR4.
Процессы производства бессвинцовых припоев теперь требуют температуры пайки до 260°C. Ранее температура пайки составляла всего 240°C. FR4, использованный в данном исследовании, подходит как для свинцовых, так и для бессвинцовых припоев, поскольку эффект расслоения не был обнаружен до достижения температуры 300°C. Однако не все материалы, которые в настоящее время используются в качестве основы для электронных плат и электронных узлов, могут выдержать новые требования бессвинцовых процессов.
Приведенное выше исследование с помощью ТМА показывает, насколько важно определение времени до расслоения, чтобы избежать выхода изделий из строя и поставлять своим клиентам высококачественную продукцию. Термомеханический анализ применяется в соответствии со стандартом IPC для проверки пригодности материалов. Новый прибор TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition специально разработан для измерения широкого спектра полимерных материалов и хорошо подходит для контроля качества в индустрии электронных компонентов.
