اختبار الدورة الحرارية لموثوقية لوحات الدوائر المطبوعة (PCB): دليل هندسي ومواصفات تحليل الأعطال

يستخدم المهندسون اختبار الدورة الحرارية لموثوقية لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) لتسريع أعطال التعب الميكانيكي الناتجة عن تقلبات درجة الحرارة. على عكس اختبارات درجة الحرارة الثابتة، يؤدي التدوير الحراري إلى تمدد وانكماش متكرر لمواد اللوحة، مما يجهد الواجهة بين الفتحات النحاسية ومفاصل اللحام والركيزة العازلة.

في APTPCB (مصنع APTPCB للوحات الدوائر المطبوعة)، نرى هذا الاختبار كمرشح أساسي للكشف عن عدم تطابق معامل التمدد الحراري (CTE) قبل الإنتاج الضخم. يغطي هذا الدليل المواصفات وأنماط الفشل وخطوات التنفيذ المطلوبة للتحقق من صحة تصميمك وفقًا لمعايير بيئية قاسية.

اختبار الدورة الحرارية لموثوقية لوحات الدوائر المطبوعة: إجابة سريعة (30 ثانية)

اختبار الدورة الحرارية لموثوقية لوحات الدوائر المطبوعة: إجابة سريعة (30 ثانية)

  • الغرض الأساسي: يحاكي سنوات من الإجهاد الميداني عن طريق التدوير بين درجات الحرارة القصوى (مثل -40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية) لإحداث أعطال التعب.
  • المعيار الرئيسي: طريقة IPC-TM-650 2.6.7 هي الأساس للصدمة الحرارية والتدوير؛ ينطبق IPC-9701 خصيصًا على موثوقية التثبيت بالتركيب السطحي.
  • المعلمة الحرجة: يجب أن يكون "وقت الانتظار" (الوقت المستغرق عند درجات الحرارة القصوى) طويلاً بما يكفي لكي تصل كتلة لوحة الدوائر المطبوعة بأكملها إلى التوازن الحراري ولكي يحدث زحف اللحام.
  • معايير النجاح/الفشل: تُعرف عادةً بأنها زيادة في المقاومة تزيد عن 20% في دائرة متسلسلة أو حدث دائرة مفتوحة يستمر لأكثر من 1 ميكروثانية.
  • الفشل الشائع: تشققات في برميل الفتحات المطلية (PTH) بسبب تمدد FR4 على المحور Z الذي يكون أعلى بكثير من النحاس.
  • التحقق: قم دائمًا بإجراء تحليل مقطعي دقيق بعد الدورات للتحقق من وجود تشققات داخلية لم تسبب بعد دوائر كهربائية مفتوحة.

متى ينطبق اختبار الدورة الحرارية لموثوقية لوحات الدوائر المطبوعة (ومتى لا ينطبق)

الدورة الحرارية ليست ضرورية لكل جهاز استهلاكي. إنه اختبار إجهاد محدد للأجهزة عالية الموثوقية.

متى تستخدم الدورة الحرارية:

  • إلكترونيات السيارات: تواجه وحدات التحكم في المحرك (ECUs) وأجهزة الاستشعار تحولات سريعة من البدايات المتجمدة إلى حرارة المحرك.
  • الفضاء والدفاع: تتعرض إلكترونيات الطيران لانخفاضات شديدة في درجة الحرارة على ارتفاعات عالية وتسخين سريع أثناء التشغيل.
  • تصميمات HDI: التوصيلات البينية عالية الكثافة (High Density Interconnects) ذات الفتحات الدقيقة المكدسة حساسة للغاية للتمدد في المحور Z؛ وتتحقق الدورة من سلامة طلاء النحاس.
  • المواد غير المتشابهة: التصميمات التي تستخدم ركائز خزفية أو نحاسًا ثقيلًا على FR4 القياسي تخلق تباينات كبيرة في معامل التمدد الحراري (CTE) يجب اختبارها.
  • المعدات الصناعية طويلة العمر: تتطلب المعدات التي يتوقع أن تدوم من 10 إلى 20 عامًا في البيئات الخارجية اختبارات عمر متسارعة (ALT).

متى يكون الأمر مبالغًا فيه أو غير صحيح على الأرجح:

  • بيئات المكاتب الخاضعة للرقابة: نادرًا ما تشهد أجهزة الكمبيوتر المكتبية أو ألعاب المستهلك الداخلية فرق درجة الحرارة (delta-T) المطلوب لتبرير اختبارات الدورات المكلفة.
  • المواد الاستهلاكية قصيرة العمر: إذا كان عمر المنتج أقل من سنتين في المناخات المعتدلة، فإن التشغيل الأولي القياسي (burn-in) يكون كافيًا عادةً.
  • اختبار الرطوبة النقية: إذا كان التهديد الأساسي هو الرطوبة، وليس الإجهاد الميكانيكي، فإن اختبار الحرارة الرطبة والرطوبة للوحة الدوائر المطبوعة (85 درجة مئوية/85% رطوبة نسبية) يكون أكثر ملاءمة من الدورة الحرارية.
  • الحرارة العالية الثابتة: إذا كان الجهاز موجودًا في غرفة خوادم ساخنة ولكن درجة الحرارة لا تتقلب أبدًا، فإن اختبار التخزين في درجة حرارة عالية (HTS) للوحة الدوائر المطبوعة هو طريقة التحقق الأفضل.

اختبار الدورة الحرارية لموثوقية لوحات الدوائر المطبوعة: القواعد والمواصفات (المعلمات والحدود الرئيسية)

اختبار الدورة الحرارية لموثوقية لوحات الدوائر المطبوعة: القواعد والمواصفات (المعلمات والحدود الرئيسية)

يتطلب الاختبار الناجح الالتزام الصارم بمعدلات الارتفاع والانخفاض وأوقات الثبات. إذا لم يتم تحديد هذه المعلمات، فإن نتائج الاختبار لا تكون قابلة للتكرار.

القاعدة القيمة/النطاق الموصى به لماذا يهم كيفية التحقق إذا تم تجاهله
نطاق درجة الحرارة -40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية (للسيارات/الصناعية) يحدد حجم إجهاد التمدد/الانكماش. سجل ملف تعريف الغرفة. قد لا يحاكي الاختبار أسوأ الظروف الميدانية.
معدل الارتفاع والانخفاض 5 درجات مئوية إلى 10 درجات مئوية في الدقيقة البطء الشديد يقلل الإجهاد؛ السرعة الشديدة تصبح "صدمة حرارية" (نمط فشل مختلف). مزدوج حراري على لوحة الدوائر المطبوعة. لن ترتبط النتائج بنماذج التعب القياسية.
وقت الثبات 10 إلى 30 دقيقة يسمح بزحف اللحام والتشبع الحراري الكامل لكتلة لوحة الدوائر المطبوعة. مؤقت الغرفة + مستشعر لوحة الدوائر المطبوعة. قلب لوحة الدوائر المطبوعة لا يصل إلى درجة الحرارة؛ يتم التقليل من الإجهاد.
عدد الدورات 500 إلى 1000 دورة (نموذجي) الإجهاد تراكمي؛ قد تفوت الدورات الأقل آليات التآكل. سجل وحدة التحكم في الاختبار. تفشل الأعطال المبكرة في الحياة، لكن الموثوقية طويلة الأمد تفشل.
حجم العينة 32 إلى 50 قسيمة (موصى بها من IPC) الأهمية الإحصائية ضرورية لحساب توزيع Weibull. عد العينات المادية. القيم الشاذة تشوه البيانات؛ ثقة منخفضة في الموثوقية.
تصميم السلسلة المتتالية فتحات/وسادات متصلة يسمح بالمراقبة الكهربائية المستمرة لجميع الوصلات في وقت واحد. مراجعة المخطط/Gerber. لا يمكن اكتشاف الأعطال المتقطعة أثناء الدورة.
اكتشاف الأحداث خلل < 1 ميكروثانية غالبًا ما تنغلق الشقوق عندما تعود اللوحة إلى درجة حرارة الغرفة. مسجل بيانات عالي السرعة. تحدث "اجتيازات خاطئة" لأن الاستمرارية تعود عند 25 درجة مئوية.
عتبة المقاومة زيادة بنسبة +20% عن خط الأساس يشير إلى تشقق جزئي أو إجهاد شديد قبل الفتح الكامل. قياس المقاومة بـ 4 أسلاك. يتم شحن الأعطال الوشيكة للعملاء.
المعالجة المسبقة محاكاة الخبز + إعادة التدفق يحاكي إجهاد التجميع قبل بدء الاختبار. سجل الإنتاج. يعكس الاختبار لوحات "جديدة"، وليس لوحات "مجمعة".
تحليل ما بعد الاختبار التقطيع العرضي (التقطيع الدقيق) تأكيد بصري لانتشار الشقوق أو الفراغات. مجهر معدني. تظل الشقوق الداخلية المخفية غير مكتشفة.

PCB - خطوات التنفيذ (نقاط فحص العملية)

لإجراء اختبار دورة حرارية صالح لموثوقية لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، يجب على المهندسين اتباع بروتوكول منظم لضمان سلامة البيانات.

  1. تصميم قسيمة الاختبار: أنشئ قسيمة اختبار محددة (أو استخدم قسائم IPC-2221 القياسية) تتميز بفتحات توصيل متسلسلة (daisy-chained vias) ومفاصل لحام. تأكد من أن التراص (stackup) يطابق لوحة الإنتاج تمامًا.

  2. التهيئة المسبقة للعينات: اخضع القسائم لـ اختبار تخزين بدرجة حرارة عالية (HTS) للوحات الدوائر المطبوعة (الخبز) متبوعًا بـ 3 محاكاة لإعادة التدفق (reflow simulations). هذا يحاكي التاريخ الحراري للوحة مأهولة قبل دخولها الخدمة.

  3. قياسات خط الأساس: قم بقياس مقاومة كل سلسلة متسلسلة (daisy chain) في درجة حرارة الغرفة باستخدام قياس كلفن رباعي الأسلاك. سجل هذه القيم كخط أساس ($R_0$).

  4. إعداد الغرفة وتحديد الملف الشخصي: قم بتركيب المزدوجات الحرارية (thermocouples) على العينات (وليس فقط في هواء الغرفة). اضبط تدفق الهواء في الغرفة لضمان أن كتلة لوحة الدوائر المطبوعة تتبع معدل الارتفاع المبرمج (على سبيل المثال، 10 درجات مئوية/دقيقة).

  5. تشغيل الدورات: نفذ الملف الشخصي (على سبيل المثال، -40 درجة مئوية فترة بقاء 15 دقيقة $\rightarrow$ ارتفاع $\rightarrow$ +125 درجة مئوية فترة بقاء 15 دقيقة $\rightarrow$ انخفاض). يجب أن تسجل معدات المراقبة المستمرة قيم المقاومة طوال الدورة.

  6. مراقبة الانقطاعات المتقطعة: يجب أن يشير مسجل البيانات إلى أي ارتفاع مفاجئ في المقاومة. غالبًا ما ينفتح الشق عند درجة حرارة عالية (تمدد) وينغلق عند درجة حرارة منخفضة (انكماش).

  7. تحليل ما بعد الدورة: بعد إكمال 500 أو 1000 دورة، قم بإزالة العينات. أعد إجراء الاختبار الكهربائي. حدد العينات (الفاشلة والناجحة على حد سواء) للتقطيع المجهري لفحص براميل الفتحات وحشوات اللحام.

  8. الإبلاغ عن البيانات: ارسم توزيع الفشل (مخطط ويبل) لتحديد العمر المميز ($\eta$) والميل ($\beta$). هذا يتنبأ بمعدل الفشل بمرور الوقت.

اختبار الدورة الحرارية لاستكشاف أخطاء موثوقية لوحات الدوائر المطبوعة وإصلاحها (أنماط الفشل والإصلاحات)

عندما تفشل لوحة في اختبار الدورة الحرارية لموثوقية لوحات الدوائر المطبوعة، يخبرك موقع الفشل بالضبط ما هو معلم التصميم الذي يحتاج إلى التغيير.

1. تشققات البرميل (الثقوب المطلية)

  • العرض: دائرة مفتوحة عند درجات حرارة عالية؛ اتصال متقطع.
  • السبب: معامل التمدد الحراري (CTE) للمحور Z لركيزة FR4 (50-70 جزء في المليون/درجة مئوية) أعلى بكثير من طلاء النحاس (17 جزء في المليون/درجة مئوية). تتمدد اللوحة وتسحب النحاس بعيدًا.
  • التحقق: يظهر المقطع المجهري تشققًا أفقيًا في منتصف برميل الفتحة.
  • الإصلاح: زيادة سمك طلاء النحاس (تتطلب الفئة 3 متوسط 25 ميكرومتر). استخدم مواد صفائحية ذات Tg عالية / CTE منخفض.

2. تشققات الزاوية (تشققات الركبة)

  • العرض: فشل الاتصال عند زاوية الفتحة حيث تلتقي بالوسادة السطحية.
  • السبب: تركيز الإجهاد عند "ركبة" الطلاء أثناء التمدد.
  • التحقق: ابحث عن انفصال بين الرقاقة السطحية وطلاء جدار الثقب.
  • الإصلاح: تحسين جودة الحفر (عملية إزالة الراتنج) وضمان طلاء نحاسي مطيل.

3. إجهاد وصلة اللحام

  • العرض: زيادة المقاومة في مكونات BGA أو QFN.
  • السبب: عدم تطابق معامل التمدد الحراري (CTE) بين جسم المكون (السيراميك/البلاستيك) ولوحة الدوائر المطبوعة (PCB). تمتص وصلة اللحام إجهاد القص.
  • التحقق: اختبار الصبغ والنزع (Dye-and-pry test) أو مقطع عرضي يظهر تشققات تنتشر عبر المركب البين معدني (IMC).
  • الإصلاح: استخدام حشوة سفلية (underfill) لمكونات BGA الكبيرة. التبديل إلى مادة PCB ذات معامل تمدد حراري (CTE) أقرب إلى المكون (مثل الرقائق المملوءة بالسيراميك).

4. انفصال الثقوب الدقيقة (HDI)

  • العرض: فشل في الثقوب الدقيقة المكدسة.
  • السبب: انفصال الواجهة بين الوسادة المستهدفة وقاع الثقب الدقيق بسبب "الرفع" (lift-off).
  • التحقق: تحليل قاعدة الثقب الدقيق بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح (SEM).
  • الإصلاح: التبديل من الثقوب الدقيقة المكدسة إلى الثقوب الدقيقة المتداخلة. ضمان ترسيب نحاس كيميائي لاكهربائي قوي.

5. تفكك الطبقات

  • العرض: تقرح أو انفصال طبقات لوحة الدوائر المطبوعة (PCB).
  • السبب: تمدد الرطوبة المحبوسة أثناء التسخين، أو ضعف الراتنج عند درجة حرارة عالية.
  • التحقق: فقاعات مرئية أو بقع بيضاء في الركيزة.
  • الإصلاح: خبز اللوحات قبل الاختبار. التحقق من أن درجة حرارة التحلل ($T_d$) للمادة أعلى بكثير من ذروة الاختبار.

اختبار الدورة الحرارية لموثوقية لوحة الدوائر المطبوعة: الدورة الحرارية مقابل الصدمة الحرارية: كيف تختار

غالبًا ما يخلط المهندسون بين هذين الاختبارين. اختيار الاختبار الخاطئ يؤدي إلى بيانات عديمة الفائدة. الدورة الحرارية (TC):

  • المعدل: ارتفاع بطيء (5-15 درجة مئوية/دقيقة).
  • الآلية: الإجهاد، الزحف، استرخاء الإجهاد.
  • الهدف: يحاكي دورات التشغيل/الإيقاف اليومية أو التغيرات النهارية الخارجية.
  • الأفضل لـ: موثوقية وصلات اللحام، إجهاد الثقوب (vias).

الصدمة الحرارية (TS):

  • المعدل: نقل فوري (>30 درجة مئوية/ثانية) عادةً عبر غرفة مزدوجة بمصعد سائل أو هوائي.
  • الآلية: الكسر الهش، الإجهاد الميكانيكي الزائد الفوري.
  • الهدف: يحاكي الأحداث الكارثية المفاجئة (مثل إسقاط جهاز دافئ في ماء مثلج).
  • الأفضل لـ: فحص عيوب التصنيع، سلامة وصلات الأسلاك.

إذا كان هدفك هو التنبؤ بالعمر الافتراضي (سنوات الخدمة)، فاستخدم الدورة الحرارية. إذا كان هدفك هو فحص الأجزاء الضعيفة في الإنتاج، فاستخدم الصدمة الحرارية.

PCB الأسئلة الشائعة (التكلفة، المهلة الزمنية، ملفات DFM، ترتيب الطبقات، فئة IPC، اختبارات الموثوقية)

س: كم يكلف اختبار الدورة الحرارية؟ ج: تختلف التكاليف حسب المدة. يمكن أن يستغرق اختبار 1000 دورة أسابيع من وقت الغرفة. توقع تكاليف بالآلاف من الدولارات للمختبرات الخارجية، ولهذا السبب توصي APTPCB بالتحقق من ترتيب الطبقات مبكرًا.

س: هل يمكنني استخدام المحاكاة بدلاً من الاختبارات الفيزيائية؟ ج: يمكن لتحليل العناصر المحدودة (FEA) التنبؤ بنقاط الإجهاد، لكنه لا يستطيع التنبؤ بعيوب التصنيع مثل ضعف التصاق الطلاء. الاختبار الفيزيائي إلزامي للتحقق.

س: ما الفرق بين HTS والدورة الحرارية؟ A: اختبار التخزين في درجة حرارة عالية (HTS) للوحات الدوائر المطبوعة (PCB) يحافظ على اللوحة عند حرارة عالية ثابتة لاختبار شيخوخة المواد وانتشارها. يتذبذب الدوران الحراري في درجة الحرارة لاختبار الإجهاد الميكانيكي.

Q: هل يفشل لحام خالٍ من الرصاص بشكل أسرع في الدوران الحراري؟ A: بشكل عام، نعم. SAC305 أكثر صلابة وهشاشة من لحام SnPb، مما يجعله أكثر عرضة للفشل بسبب الصدمات والإجهاد في الدورات القاسية، على الرغم من أن السبائك المحددة تتحسن.

Q: ما هي فئة IPC التي تتطلب الدوران الحراري؟ A: لا تفرض فئة IPC 2 ذلك بشكل صارم على جميع الأجزاء، ولكن فئة IPC 3 (موثوقية عالية) غالبًا ما تتطلب اختبار القسائم وفقًا لمعيار IPC-6012 للتحقق من السلامة الهيكلية تحت الإجهاد الحراري.

Q: كيف أعد ملفات Gerber الخاصة بي لهذا الاختبار؟ A: يجب عليك تضمين تصميم "قسيمة اختبار" في حدود لوحتك. اطلب من الشركة المصنعة إدخال قسائم قياسية IPC-2221 إذا لم يكن لديك تصميم مخصص.

Q: لماذا فشلت لوحتي عند 85 درجة مئوية / 85٪ رطوبة نسبية ولكنها اجتازت الدوران الحراري؟ A: يستهدف اختبار الحرارة الرطبة والرطوبة للوحات الدوائر المطبوعة (85 درجة مئوية / 85٪ رطوبة نسبية) تسرب الرطوبة والتآكل (CAF)، بينما يستهدف الدوران الحراري التمدد الميكانيكي. إنهما يختبران آليات فشل مختلفة تمامًا.

Q: ما هي معادلة "كوفين-مانسون"؟ A: إنه نموذج فيزيائي يستخدم لتقدير عدد الدورات حتى الفشل بناءً على نطاق درجة الحرارة وخصائص المواد. يساعد في ترجمة دورات الاختبار إلى "سنوات من العمر الافتراضي في الميدان".

Q: هل يمكن لـ APTPCB إجراء هذه الاختبارات داخليًا؟ ج: نعم، لدى APTPCB مختبرات موثوقية مجهزة بغرف حرارية للتحقق من جودة لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) وأداء التراص قبل الإنتاج على نطاق واسع.

س: ماذا يحدث إذا تخطيت هذا الاختبار لمنتجات السيارات؟ ج: تخاطر بحدوث أعطال ميدانية عندما تتشقق وصلات اللحام بعد بضعة فصول شتاء. يؤدي هذا عادةً إلى عمليات سحب جماعية ومطالبات بالمسؤولية.

مسرد اختبار الدورة الحرارية لموثوقية لوحات الدوائر المطبوعة (مصطلحات رئيسية)

المصطلح التعريف
CTE (معامل التمدد الحراري) المعدل الذي تتمدد به المادة عند تسخينها. يقاس بوحدة جزء في المليون/درجة مئوية. عدم التطابق يسبب الإجهاد.
Tg (درجة حرارة التحول الزجاجي) درجة الحرارة التي تتحول عندها راتنج لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) من صلب/زجاجي إلى ناعم/مطاطي، مما يزيد بشكل كبير من معامل التمدد الحراري (CTE).
وقت البقاء المدة التي تحتفظ فيها غرفة الاختبار بدرجة الحرارة القصوى لضمان تشبع العينة بالكامل.
معدل الارتفاع/الانحدار سرعة تغير درجة الحرارة (درجات في الدقيقة) بين الحدود الدنيا والعليا.
سلسلة متتالية (Daisy Chain) نمط دائرة اختبار يربط عدة فتحات أو وسادات على التوالي لمراقبة الاستمرارية.
توزيع وايبول طريقة إحصائية تستخدم لتحليل بيانات العمر الافتراضي والتنبؤ بمعدلات الموثوقية/الفشل.
الزحف ميل المادة الصلبة (مثل اللحام) إلى التحرك ببطء أو التشوه بشكل دائم تحت الضغوط الميكانيكية.
IMC (مركب بين معدني) الطبقة المتكونة بين اللحام والنحاس. إنها هشة وغالبًا ما تكون موقعًا لكسر التعب.
التمدد على المحور Z التمدد عبر سمك اللوحة. السبب الرئيسي لتشققات براميل PTH.
HALT (اختبار الحياة المعجل للغاية) منهجية اختبار الإجهاد التي تتجاوز المواصفات لإيجاد حد التدمير للمنتج.

طلب عرض أسعار لاختبار الدورة الحرارية لموثوقية لوحات الدوائر المطبوعة (مراجعة DFM + تسعير)

هل أنت مستعد للتحقق من تصميمك عالي الموثوقية؟ أرسل لنا ملفات Gerber ومتطلبات الاختبار الخاصة بك. توفر APTPCB مراجعات DFM شاملة لتحسين ترتيب الطبقات لديك للأداء الحراري قبل بدء التصنيع.

المطلوب لعرض الأسعار:

  • ملفات Gerber (RS-274X)
  • رسم التصنيع (مع مواصفات المواد)
  • متطلبات قسيمة الاختبار (إذا كانت محددة)
  • الحجم التقديري

احصل على عرض أسعار ومراجعة DFM – نقوم بمراجعة تكديسك لمخاطر CTE في غضون 24 ساعة.

PCB – الخطوات التالية

يعد اختبار الدورة الحرارية لموثوقية لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) الطريقة الحاسمة للتنبؤ بعمر الإلكترونيات في البيئات القاسية. من خلال إجهاد الواجهات الميكانيكية بين النحاس واللحام والرقائق، يكشف هذا الاختبار عن نقاط الضعف التي تفوتها الاختبارات الكهربائية القياسية. سواء كنت تصمم لقطاعات السيارات أو الفضاء أو الصناعة، فإن فهم فيزياء الفشل - وتحديداً عدم تطابق معامل التمدد الحراري (CTE) وإجهاد اللحام - يسمح لك ببناء لوحات تدوم طويلاً. تضمن APTPCB أن تصميماتك تلبي هذه المعايير الصارمة من خلال الاختيار الدقيق للمواد والتحكم في التصنيع.