Стресс от термоциклирования

Термическое циклическое напряжение: определение, область применения и для кого предназначен этот справочник

Термическое циклическое напряжение относится к механической деформации, воздействующей на печатную плату (ПП) и ее компоненты при колебаниях температуры между крайними значениями. Это напряжение возникает в основном из-за несоответствия коэффициента теплового расширения (КТР) между различными материалами — в частности, медным покрытием, диэлектрическим ламинатом (смолой и стеклом) и паяными компонентами. Когда печатная плата нагревается, диэлектрический материал расширяется значительно больше по оси Z, чем медный цилиндр металлизированного сквозного отверстия (МСО). Повторяющиеся расширения и сжатия вызывают усталость меди, что в конечном итоге приводит к трещинам в цилиндре, угловым трещинам или отказу межсоединений.

Этот справочник предназначен для инженеров по аппаратному обеспечению, менеджеров по надежности и руководителей отдела закупок, которые отвечают за поставку печатных плат для суровых условий эксплуатации. Если ваш продукт работает в моторных отсеках автомобилей, аэрокосмической авионике, промышленных системах управления для наружного применения или высокопроизводительных вычислительных кластерах, управление термическим циклическим напряжением не является необязательным — это основной фактор, определяющий долговечность продукта. Основное внимание здесь уделяется не теоретической физике, а практическим спецификациям закупок, производственному контролю и протоколам валидации для предотвращения отказов в эксплуатации. В APTPCB (Завод печатных плат APTPCB) мы часто видим конструкции, которые проходят первоначальное электрическое тестирование, но выходят из строя через несколько месяцев эксплуатации из-за игнорирования термомеханических ограничений. Это руководство предоставляет основу для заблаговременного определения ваших требований, гарантируя, что приобретаемая вами плата сможет выдержать термические условия своей рабочей среды.

Когда использовать термическое циклическое напряжение (и когда стандартный подход лучше)

Понимание рабочей среды является первым шагом в определении того, нужно ли вам инвестировать в высоконадежные материалы и протоколы тестирования.

Приоритет смягчения термического циклического напряжения следует отдавать, когда:

Автомобильная промышленность и транспорт: Устройство установлено рядом с двигателем, выхлопной системой или тормозной системой, где температура быстро колеблется от -40°C до +125°C (или выше).
Аэрокосмическая промышленность и оборона: Оборудование подвергается быстрым изменениям высоты или находится в негерметичных отсеках, подвергаясь воздействию экстремального холода и быстрого нагрева при работе.
Наружная инфраструктура: Телекоммуникационные радиостанции, солнечные инверторы или системы управления дорожным движением, подверженные суточным циклам (изменения температуры день/ночь) и сезонным экстремальным условиям в течение 10+ лет.
Мощная электроника: Устройства, генерирующие значительное внутреннее тепло, создавая большой перепад между состоянием "выключено" (окружающая среда) и "включено" (рабочая температура), вызывая локальный тепловой удар.
Платы с большим количеством слоев: Толстые печатные платы (2,0 мм+) с высокими соотношениями сторон создают большее напряжение на медные бочки во время расширения, чем более тонкие потребительские платы.

Придерживайтесь стандартного подхода, когда:

Бытовая электроника: Устройство используется в офисных или домашних условиях с климат-контролем (от 0°C до 40°C) с минимальными колебаниями.
Продукты с коротким сроком службы: Одноразовые или короткоцикловые продукты, где стоимость материалов с высоким Tg и IST-тестирования перевешивает выгоду продления срока службы более чем на 2-3 года.
IoT с низким энергопотреблением: Датчики с батарейным питанием, которые генерируют незначительный самонагрев и работают в мягких условиях окружающей среды.

Спецификации напряжения термоциклирования (материалы, структура слоев, допуски)

Для борьбы с напряжением термоциклирования необходимо выйти за рамки общих обозначений "FR4". Следующие спецификации определяют физическую прочность, необходимую для выдерживания сил расширения.

Температура стеклования (Tg):
- Спецификация: Минимум 170°C (высокий Tg).
- Почему: Ниже Tg материал расширяется линейно; выше Tg скорости расширения резко возрастают. Крайне важно поддерживать рабочую температуру ниже Tg.
Температура разложения (Td):
- Спецификация: Минимум 340°C (потеря веса 5%).
- Почему: Гарантирует, что система смолы не деградирует во время нескольких циклов оплавления, поддерживая структурную целостность.
КТР по оси Z (Коэффициент теплового расширения):
- Спецификация: < 3,0% (от 50°C до 260°C) или < 50 ppm/°C (альфа 1).
Почему: Это наиболее критический показатель. Меньшее расширение по оси Z снижает "вытягивающее" усилие на медный цилиндр во время нагрева.
Толщина медного покрытия:
- Спецификация: В среднем 25 мкм (1 мил), минимум 20 мкм (IPC Класс 3).
- Почему: Более толстая медь более пластична и может выдерживать больше циклов деформации до растрескивания по сравнению со стандартным Классом 2 (в среднем 20 мкм).
Соотношение сторон:
- Спецификация: По возможности поддерживать ниже 10:1 (например, отверстие 0,2 мм в плате 2,0 мм).
- Почему: Более высокие соотношения сторон затрудняют нанесение покрытия и увеличивают нагрузку по оси Z на центральную часть цилиндра переходного отверстия.
Заполнение переходных отверстий:
- Спецификация: IPC-4761 Тип VII (заполненные и закрытые) для via-in-pad.
- Почему: Устраняет воздушные карманы, которые могут расширяться и вызывать "попкорнинг" или напряжение в цилиндре во время оплавления и эксплуатации.
Содержание смолы:
- Спецификация: Избегать препрегов с недостатком смолы; обеспечить достаточный поток смолы.
- Почему: Правильное инкапсулирование стеклянного плетения смолой предотвращает микропустоты, которые становятся точками концентрации напряжений.
Покрытие поверхности:
- Спецификация: ENIG (химическое никелирование с иммерсионным золочением) или иммерсионное серебро.
- Почему: Обеспечивает плоскую поверхность для размещения компонентов и позволяет избежать термического шока HASL (выравнивание припоя горячим воздухом) во время производства.
Паяльная маска:
- Спецификация: Высокотемпературная, определенная по IPC-SM-840 Класс H.
Почему: Предотвращает хрупкость и растрескивание маски, которые могут распространяться на дорожки.
Выбор ламината:
- Спецификация: Укажите серии "Low-CTE" (низкий коэффициент теплового расширения) или "High-Reliability" (высокая надежность) (например, Isola 370HR, Panasonic Megtron или Rogers RO4000 series).
- Почему: Обычный FR4 слишком сильно варьируется по характеристикам CTE от партии к партии.

Производственные риски, связанные с термическим циклическим напряжением (первопричины и предотвращение)

Даже при идеальных спецификациях производственные отклонения могут привести к появлению слабых мест, которые выходят из строя под воздействием термического циклического напряжения. Вот конкретные риски, которые следует отслеживать.

Трещины в стволе (окружные):
- Первопричина: Расширение ламината по оси Z превышает пластичность медного покрытия.
- Обнаружение: Тест на стресс межсоединений (IST) или поперечное сечение после термического удара.
- Предотвращение: Используйте материалы с низким CTE и убедитесь, что толщина покрытия соответствует требованиям Класса 3.
Угловые трещины (трещины в "колене"):
- Первопричина: Концентрация напряжений на стыке контактной площадки поверхности и ствола переходного отверстия.
- Обнаружение: Анализ микрошлифа, показывающий разделение в "колене".
- Предотвращение: Улучшите пластичность покрытия и избегайте агрессивных процессов обратного травления.
Разделение стойки (внутренний слой):
- Первопричина: Плохое сцепление между химически осажденной медью и медной фольгой внутреннего слоя, усугубляемое тепловым расширением.
- Обнаружение: Электрические обрывы цепи при высоких температурах (периодические сбои).
Предотвращение: Тщательный процесс удаления смолы и микротравление перед нанесением покрытия.
Кратеризация контактных площадок:
- Основная причина: Разрушение смолы под медной контактной площадкой из-за механического напряжения или несоответствия КТР во время охлаждения.
- Обнаружение: Тест на прокрашивание и отрыв или акустическая микроскопия.
- Предотвращение: Использование смол с более высокой вязкостью разрушения и избегание размещения переходных отверстий по самому краю BGA-площадок.
Деламинация:
- Основная причина: Влага, захваченная внутри платы, превращается в пар во время оплавления/нагрева, разделяя слои.
- Обнаружение: Видимое вздутие или изменения емкости.
- Предотвращение: Строгие протоколы выпечки перед оплавлением и оптимизация цикла прессования для обеспечения бездефектного ламинирования.
Пустоты в покрытии:
- Основная причина: Пузырьки воздуха или мусор, препятствующие осаждению меди в отверстии.
- Обнаружение: Рентген или тестирование с подсветкой.
- Предотвращение: Вибрация/перемешивание в гальванических ваннах и надлежащая очистка.
Усадка смолы:
- Основная причина: Усадка или деградация материала во время сверления/покрытия.
- Обнаружение: Микрошлиф, показывающий зазоры между стенкой отверстия и медью.
- Предотвращение: Оптимизированные скорости и подачи сверления для предотвращения термического повреждения смолы.
Капиллярный эффект:
- Основная причина: Химический состав покрытия мигрирует вдоль стекловолокон.
- Обнаружение: Микрошлиф, показывающий медные шипы в диэлектрик.
Предотвращение: Точность сверления и надлежащее сцепление стекла со смолой.

Проверка и приемка на устойчивость к термоциклическим нагрузкам (тесты и критерии прохождения)

Валидация — единственный способ доказать, что конструкция способна выдержать предполагаемый срок службы. В этом разделе изложены протоколы испытаний, необходимые для приемки партии.

Испытание на термоудар (IPC-TM-650 2.6.7):
- Цель: Имитация быстрых изменений температуры.
- Метод: Циклирование между -55°C и +125°C (или +150°C).
- Приемка: Отсутствие увеличения сопротивления > 10% после 1000 циклов.
Испытание на стресс межсоединений (IST):
- Цель: Ускоренное тестирование надежности переходных отверстий.
- Метод: Постоянный ток нагревает специальные образцы до целевой температуры, затем принудительный воздух охлаждает их.
- Приемка: Выдержать 500 циклов при 150°C без увеличения сопротивления на 10%.
Микросекционный анализ (в исходном состоянии):
- Цель: Проверка толщины покрытия и целостности стека.
- Метод: Поперечное сечение образцов плат.
- Приемка: Толщина меди > 20 мкм (или указанная), отсутствие пустот, отсутствие трещин.
Микросекционный анализ (после нагрузки):
- Цель: Проверка на наличие скрытых дефектов после термоциклирования.
- Метод: Поперечное сечение образцов, подвергшихся термоудару.
- Приемка: Отсутствие распространения микротрещин, отсутствие отслоения > указанных пределов.
Испытание на паяемость (IPC-J-STD-003):
- Цель: Обеспечить сохранение качества поверхностного покрытия после термического старения.
Метод: Погружение и визуальный осмотр / тест на баланс смачивания.
Приемлемость: > 95% покрытия, равномерное смачивание.
Проверка температуры стеклования (Tg):
- Цель: Подтверждение свойств материала.
- Метод: ДСК (дифференциальная сканирующая калориметрия) или ТМА.
- Приемлемость: Tg в пределах ±5°C от спецификации технического паспорта.
Измерение КТР (ТМА):
- Цель: Проверка расширения по оси Z.
- Метод: Термомеханический анализ.
- Приемлемость: Значения КТР Альфа 1 и Альфа 2 соответствуют техническому паспорту материала.
Тест на влагопоглощение:
- Цель: Оценка риска расслоения.
- Метод: Взвешивание до и после воздействия влажности.
- Приемлемость: < 0,2% прироста веса (зависит от материала).
Практика проектирования купонов:
- Цель: Убедиться, что тестовый образец представляет продукт.
- Метод: Включить специфические особенности практики проектирования купонов (например, последовательные цепи, соответствующие наименьшему переходному отверстию на плате) на производственной панели.
- Приемлемость: Купоны должны быть отслеживаемы до конкретной производственной панели.

Контрольный список квалификации поставщиков по термическому циклическому стрессу (RFQ, аудит, отслеживаемость)

Используйте этот контрольный список для проверки поставщиков. Если поставщик не может предоставить эти данные, он, вероятно, не оснащен для высоконадежного производства.

Входные данные для RFQ (Что вы должны предоставить)

Диапазон рабочих температур: Определите Мин/Макс (например, от -40°C до +125°C).
Профиль термического цикла: Скорость нарастания (°C/мин) и время выдержки.
Целевой срок службы: Ожидаемые годы эксплуатации или количество циклов.
Класс IPC: Четко указать IPC-6012 Класс 3, если требуется.
Указание материала: Конкретный ламинат (например, "Isola 370HR или эквивалент с Tg>170, Td>340").
Структура переходных отверстий: Определения глухих/скрытых/сквозных отверстий и соотношения сторон.
Спецификация покрытия: Минимальная толщина стенки (например, 25 мкм в среднем).
Требование к тестовым купонам: Запрос купонов IST или купонов IPC на направляющих панели.

Подтверждение возможностей (Что должен показать поставщик)

Возможности IST/HATS: Есть ли у них собственное тестирование или партнерская лаборатория?
Запас материалов: Регулярно ли они хранят материалы с высоким Tg/низким CTE?
Равномерность покрытия: Данные, показывающие рассеивающую способность для высоких соотношений сторон.
Оптимизация цикла прессования: Доказательства контролируемых профилей ламинирования для толстых плат.
Сертификации: IATF 16949 (Автомобильная промышленность) или AS9100 (Аэрокосмическая промышленность) являются сильным показателем контроля процессов.
Точность сверления: Данные CpK для совмещения на платах с большим количеством слоев.

Система качества и прослеживаемость

Прослеживаемость партии: Могут ли они отследить неисправную плату до конкретной партии материала и гальванической ванны?
Частота поперечных срезов: Делают ли они поперечные срезы каждой панели, каждой партии или только по запросу?
Адгезия паяльной маски: Проводятся ли рутинные тесты на отрыв ленты?
Ионное загрязнение: Частота тестирования для предотвращения электрохимической миграции.
Калибровка: Калибруются ли термические печи и испытательное оборудование по стандартам NIST/ISO?
Библиотека дефектов: Есть ли у них каталог прошлых термических отказов и корректирующих действий?

Контроль изменений и поставка

Политика PCN: Уведомят ли они вас перед сменой марок ламината или производственных площадок?
Упаковка: Влагозащитные пакеты (MBB) с индикаторными картами влажности (HIC) обязательны.
Срок годности: Четкая маркировка срока годности для поверхностных покрытий.
COC (Сертификат соответствия): Должен указывать измеренную Tg и толщину меди, а не просто "Прошел".

Как выбрать стресс-тестирование термическими циклами (компромиссы и правила принятия решений)

Балансирование надежности с затратами и технологичностью требует определенных компромиссов.

Материал с высокой Tg против стандартного FR4:
- Правило принятия решения: Если рабочая температура > 130°C или пайка требует нескольких бессвинцовых оплавлений, выбирайте материал с высокой Tg (170°C+). В противном случае, стандартная Tg (140°C) экономит 10-20% от стоимости материала.
Покрытие Класса 3 (25 мкм) против Класса 2 (20 мкм):
- Правило принятия решения: Если плата подвергается ежедневным термическим циклам (например, автомобильное зажигание), выбирайте Класс 3 для дополнительной пластичности. Для стабильного телекоммуникационного оборудования Класс 2 обычно достаточен.
Заполненные переходные отверстия против открытых переходных отверстий:
Правило принятия решения: Если у вас есть конструкции Via-in-Pad или BGA высокой плотности, выбирайте проводящее/непроводящее заполнение + заглушку. Это предотвращает отток припоя и укрепляет переходное отверстие, но увеличивает стоимость на 15-20%.
Ламинат с низким КТР против стандартного High Tg:
- Правило принятия решения: Если плата толще 2,0 мм или имеет BGA с шагом 0,8 мм, отдавайте предпочтение материалам с низким КТР для снижения напряжения по оси Z. Для тонких плат (< 1,0 мм) стандартный High Tg часто достаточен.
IST-тестирование против стандартной проверки непрерывности:
- Правило принятия решения: Если отказ угрожает безопасности или влечет за собой высокие затраты на замену (удаленные объекты), инвестируйте в IST-тестирование на основе партий. Для потребительских гаджетов приемлем стандартный E-тест.
Большие переходные отверстия против малых переходных отверстий:
- Правило принятия решения: Если позволяет пространство, используйте более крупные переходные отверстия (0,3 мм+). Их легче эффективно покрывать. Используйте микропереходные отверстия 0,15 мм только тогда, когда этого требует плотность, так как они более чувствительны к неравномерностям покрытия.

Часто задаваемые вопросы о напряжении от термоциклирования (стоимость, срок выполнения заказа, файлы DFM, материалы, тестирование)

Насколько спецификация "устойчивости к термоциклированию" увеличивает стоимость печатной платы? Переход от стандартного FR4 к материалу High-Tg/Low-CTE обычно увеличивает стоимость голой платы на 15-30%. Добавление покрытия Класса 3 и тщательного тестирования (IST-купоны) может добавить еще 10-20%. Однако эта стоимость ничтожна по сравнению с отзывом продукции.

Влияет ли тестирование на напряжение от термоциклирования на срок выполнения заказа? Да. Стандартное электрическое тестирование выполняется быстро. Добавление циклов термошока (например, 100 циклов) или IST-тестирования может увеличить время выполнения заказа на 3-7 дней в зависимости от количества циклов и доступности лаборатории. Запланируйте это в свой график NPI.

Какие DFM-файлы необходимы для анализа рисков термического напряжения? Помимо стандартных файлов Gerber, предоставьте список цепей IPC-356 (для проверки соединений) и подробный чертеж стека слоев. Стек слоев должен указывать точные диэлектрические материалы (марка/серия), чтобы производитель мог рассчитать несоответствия КТР.

Могу ли я использовать стандартный FR4 для термоциклирования, если я увеличу толщину меди? Ненадежно. Увеличение толщины меди помогает прочности бочки, но если FR4 слишком сильно расширяется (высокий КТР), он в конечном итоге треснет даже толстую медь. Первопричина — расширение материала — должна быть устранена путем правильного выбора ламината.

Каковы критерии приемки для стресс-тестов на термоциклирование? Общие критерии (основанные на IPC-6012) включают: отсутствие электрических обрывов цепи, изменение сопротивления < 10%, отсутствие трещин в бочке, видимых на микрошлифе, и отсутствие угловых трещин, распространяющихся в покрытие более чем на 25 мкм.

Как «оптимизация цикла прессования» снижает риски термического напряжения? Оптимизация цикла прессования включает настройку скорости нагрева, давления и скорости охлаждения во время ламинирования. Это гарантирует полное отверждение смолы без возникновения напряжений или пустот. Плохо отвержденная плата будет иметь более низкую фактическую Tg и будет более склонна к расслоению под воздействием термического напряжения. Почему «практика проектирования тестовых купонов» критически важна для получения достоверных результатов? Если тестовый купон не соответствует самым сложным особенностям платы (например, наименьшее переходное отверстие, самый плотный шаг), тест бессмыслен. Хорошая практика проектирования тестовых купонов включает размещение купонов по периферии панели, которые имитируют точные структуры переходных отверстий, найденные в активной области печатной платы.

Является ли ENIG лучше, чем HASL, для условий термоциклирования? В целом, да. ENIG обеспечивает более плоскую поверхность и избегает термического шока самого процесса HASL. Кроме того, интерметаллическое соединение, образующееся с ENIG, часто более стабильно при термическом старении, чем переменная толщина HASL.

Может ли APTPCB помочь с выбором материалов для термоциклирования? Да. Мы можем рассмотреть ваши рабочие условия и рекомендовать конкретные наборы материалов (Isola, Rogers, Panasonic), которые сбалансируют стоимость с требуемой стабильностью по оси Z.

Производство печатных плат с высоким Tg: Подробное изучение материалов, которые сохраняют стабильность при высоких температурах, что крайне важно для уменьшения расширения по оси Z.
Решения для автомобильных печатных плат: Узнайте, как мы справляемся с экстремальными тепловыми требованиями для двигателей и систем безопасности.
Система контроля качества печатных плат: Подробности о наших протоколах инспекции, включая микрошлифование и испытания на термический стресс.
Материалы Isola для печатных плат: Спецификации для одного из наиболее распространенных семейств высоконадежных ламинатов, используемых для борьбы с термическим напряжением.
Процесс изготовления печатных плат: Пошаговый обзор того, как мы контролируем гальваническое покрытие и ламинирование для предотвращения скрытых дефектов.
Тестирование и обеспечение качества: Узнайте о методах валидации, которые мы используем для обеспечения долговечности вашей PCBA в эксплуатации.

Запросить коммерческое предложение на испытания на термический циклический стресс (анализ DFM + ценообразование)

Готовы проверить свой дизайн? Нажмите здесь, чтобы запросить коммерческое предложение и получить всесторонний анализ DFM, сфокусированный на термической надежности.

Для получения наиболее точной оценки термического риска, пожалуйста, включите:

Файлы Gerber (RS-274X): Полный набор слоев.
Производственный чертеж: Четко укажите требования Tg, Td и IPC Class 3.
Стек (Stackup): Желаемая структура слоев и предпочтения по материалам (или попросите нас порекомендовать).
Требования к тестированию: Укажите, нужны ли вам купоны IST, испытания на термический удар или конкретные отчеты о поперечном сечении.
Объем: Количество для прототипов или для массового производства (влияет на варианты складских запасов материалов).

Заключение: следующие шаги по термическому циклическому стрессу

Управление стрессом от термоциклирования заключается в прогнозировании механического поведения материалов вашей печатной платы под воздействием тепла и обеспечении того, чтобы ваш производитель мог контролировать важные переменные. Выбирая правильные материалы с высоким Tg, применяя строгие спецификации по покрытию и проводя валидацию с помощью реалистичных стресс-тестов, вы устраняете наиболее частую причину отказов в полевых условиях в суровых средах. APTPCB оснащена для того, чтобы помочь вам разобраться в этих компромиссах, гарантируя, что ваши платы будут работать так же надежно на десятый год, как и в первый день.