02.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph, Gabriele Stock
Kvalitetskontroll av elektroniska komponenter med hjälp av termomekanisk analys
En viktig orsak till fel i elektroniska enheter är termisk expansion och de problem som den orsakar. För att säkerställa att kretskorten håller en viss kvalitet har IPC-standarder införts som kräver mätning av termisk expansion, GlasomvandlingstemperaturGlasövergången är en av de viktigaste egenskaperna hos amorfa och halvkristallina material, t.ex. oorganiska glas, amorfa metaller, polymerer, läkemedel och livsmedelsingredienser etc., och beskriver det temperaturområde där materialens mekaniska egenskaper ändras från hårda och spröda till mer mjuka, deformerbara eller gummiaktiga.glasövergång och mjukningspunkt. Läs om hur du kan uppfylla standarden med den nya TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition.
En viktig källa till fel i elektroniska enheter är termisk expansion och de problem som den orsakar. Termomekanisk analys kan hjälpa till att undvika dessa produktfel.
FR4 - den mest använda kompositen inom elektronikindustrin
FR4 (FR= flamskyddad) och dess derivat (FR2, FR3, FR5) är de absolut mest använda basmaterialen för elektroniska kretskort och elektroniska sammansättningar. FR4:s grundmaterial består av glasfiber som vävts till ett tunt, tygliknande ark. Glasfiberväven impregneras sedan med ett flamskyddande epoxiharts. Den resulterande lågkostnadskompositen är styv, isolerar på ett tillförlitligt sätt och fungerar bra under de flesta miljöförhållanden. Å andra sidan har epoxihartsmatrisen ett lägre Tg och en högre värmeutvidgningskoefficient än den förstärkande glasväven och tenderar att mjukna och expandera när ett kretskort genomgår flera termiska cykler i produktionsprocessen och eventuellt under användning. Detta kan leda till att den pressade materialblandningen delvis lossnar, vilket i sin tur leder till fogfel eller delaminering. Konsekvensen är vanligtvis att monteringen går sönder. Termomekanisk analys (TMA) är en bra metod för att mäta den termiska expansionen hos kretskortets bas, elektroniska komponenter och komponentmaterial.
För att säkerställa att kretskorten håller en viss kvalitet har IPC-standarder införts som kräver mätning av termisk expansion, GlasomvandlingstemperaturGlasövergången är en av de viktigaste egenskaperna hos amorfa och halvkristallina material, t.ex. oorganiska glas, amorfa metaller, polymerer, läkemedel och livsmedelsingredienser etc., och beskriver det temperaturområde där materialens mekaniska egenskaper ändras från hårda och spröda till mer mjuka, deformerbara eller gummiaktiga.glasövergång och mjukningspunkt [se IPC-TM-650 2.4.24.1 Tid till delaminering (TMA-metod)].
CTE och Tg- två viktiga värden för kvalitetskontroll av FR4-kompositer
Den viktigaste materialegenskapen för kvalitetssäkring av polymerkompositer som FR4 är glasövergångstemperaturen, Tg. Detta är den temperaturpunkt där epoxihartsstrukturen börjar mjukna. Så snart Tg-värdet har uppnåtts börjar materialet expandera mer - vanligtvis mellan 2-3 gånger mer än i fast tillstånd. Termomekanisk analys (TMA) är ett perfekt verktyg för att studera expansionsbeteendet och mjukningstemperaturen hos olika material, t.ex. polymerer, elastomerer och kompositer. Den ger grundläggande information om den termiska expansionskoefficienten (Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE), glasövergångstemperaturen samt om viskoelastiska egenskaper. Det är en mycket känslig metod som kan användas för att bestämma svaga fysiska övergångar som är förknippade med förändringar i modul, Härdning (tvärbindningsreaktioner)Termen "crosslinking" betyder bokstavligen översatt "tvärnätverk". I kemiska sammanhang används det för reaktioner där molekyler länkas samman genom att införa kovalenta bindningar och bilda tredimensionella nätverk.härdning eller delaminering, som ibland inte kan upptäckas med DSC (Differential Scanning Calorimetry).
Detta gör det till den metod som väljs för kvalitetskontroll. Genom att testa den maximala bearbetningstemperaturen för din FR4 minskar sannolikheten för att kretskortet skadas under komponenttillverkningen.
Tid till delaminering - synligt produktfel
Kretskortet utsätts för termisk StressSpänning definieras som en kraftnivå som appliceras på ett prov med ett väldefinierat tvärsnitt. (Spänning = kraft/area). Prover med cirkulärt eller rektangulärt tvärsnitt kan komprimeras eller sträckas. Elastiska material som gummi kan sträckas upp till 5 till 10 gånger sin ursprungliga längd.stress under monteringen, t.ex. i lödugnen för återflödeslödning. Tiden till delaminering är viktig när det gäller materialval för en viss applikation. Bilden nedan visar en mätning på ett FR4-prov där tiden till delaminering registrerades. Två mätningar genomfördes. I båda värmdes provet upp till testtemperaturen. Därefter hölls ett prov vid en IsotermisktTester vid kontrollerad och konstant temperatur kallas isotermiska.isotermisk temperatur på 260°C (enligt IPC-standarden) och ett andra prov vid en IsotermisktTester vid kontrollerad och konstant temperatur kallas isotermiska.isotermisk temperatur på 300°C. Vid den första mätningen vid 260°C (grön linje) upptäckte TMA inte delaminering eftersom kurvan förblir platt fram till slutet av mätningen. Vid den högre temperaturen på 300°C syns dock en nedbrytning av produkten. Den andra mätningen registrerar en tid till delaminering på 18,1 min efter att ha hållits vid en IsotermisktTester vid kontrollerad och konstant temperatur kallas isotermiska.isotermisk temperatur på 300°C, som nåddes 28 min efter mätningens början. TMA:n upptäcker tydligt delamineringen, medan den fysiska inspektionen av provet endast visar en viss missfärgning, vilket framgår av de foton som tagits av de olika proverna före och efter testerna.
Detta test har blivit särskilt viktigt sedan "direktivet om begränsning av farliga ämnen" 2002/95/EG (RoHS 1) trädde i kraft i Europeiska unionen. När det gäller elektronisk och elektrisk utrustning påverkar detta t.ex. användningen av blyhaltiga lödningar. Utrustning som tillverkas eller säljs till EU-marknaden måste nu vara blyfri. Detta har en stor inverkan på den termiska stabilitet som krävs för alla komponenter - inklusive FR4.
Processerna för att tillverka blyfria lödtenn kräver nu omsmältningstemperaturer på upp till 260°C. Tidigare låg omsmältningstemperaturerna på endast 240°C. Den FR4 som användes i den här studien skulle vara lämplig för både blyhaltigt och blyfritt lod, eftersom delamineringseffekterna inte upptäcktes förrän en temperatur på 300°C uppnåddes. Det är dock inte alla material som för närvarande används som basmaterial för elektroniska kretskort och elektroniska enheter som klarar de nya kraven på blyfria processer.
Ovanstående undersökning med TMA visar hur viktigt det är att bestämma tiden till delaminering för att undvika produktfel och förse kunderna med högkvalitativa produkter. Termomekanisk analys tillämpas enligt IPC-standarden för att testa materialets lämplighet. Den nya TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition är speciellt utformad för att mäta ett brett spektrum av polymermaterial och är väl lämpad för kvalitetskontroll inom elektronikkomponentindustrin.
