Инженеры используют термоциклический тест для проверки надежности печатных плат для ускорения механических усталостных отказов, вызванных колебаниями температуры. В отличие от испытаний при постоянной температуре, термоциклирование многократно расширяет и сжимает материалы платы, нагружая интерфейс между медными переходными отверстиями, паяными соединениями и диэлектрическим субстратом.
В APTPCB (Завод печатных плат APTPCB) мы рассматриваем этот тест как основной фильтр для обнаружения несоответствий коэффициента теплового расширения (КТР) перед массовым производством. Это руководство охватывает спецификации, режимы отказов и этапы реализации, необходимые для проверки вашей конструкции на соответствие жестким экологическим стандартам.
Термоциклический тест для надежности печатных плат: Краткий ответ (30 секунд)
- Основная цель: Имитирует годы эксплуатации в полевых условиях путем циклирования между температурными крайностями (например, от -40°C до +125°C) для вызова усталостных отказов.
- Ключевой стандарт: Метод IPC-TM-650 2.6.7 является базовым для термического шока и циклирования; IPC-9701 применяется специально к надежности поверхностного монтажа.
- Критический параметр: "Время выдержки" (время, проведенное при пиковых температурах) должно быть достаточно долгим, чтобы вся масса печатной платы достигла теплового равновесия и произошло ползучесть припоя.
- Критерии прохождения/отказа: Обычно определяется как увеличение сопротивления >20% в цепи "гирлянда" или событие обрыва цепи продолжительностью >1 микросекунды.
- Распространенный отказ: Трещины в бочонках металлизированных сквозных отверстий (PTH) из-за гораздо большего расширения FR4 по оси Z по сравнению с медью.
- Валидация: Всегда выполняйте микросекционный анализ после циклирования, чтобы проверить наличие внутренних трещин, которые еще не вызвали электрических обрывов цепи.
Когда тест на термоциклирование для надежности печатных плат применим (и когда нет)
Термоциклирование не является обязательным для каждого потребительского гаджета. Это специфический стресс-тест для высоконадежного оборудования.
Когда использовать термоциклирование:
- Автомобильная электроника: Блоки управления двигателем (ЭБУ) и датчики сталкиваются с быстрыми перепадами от замерзания при запуске до нагрева двигателя.
- Аэрокосмическая и оборонная промышленность: Авионика испытывает экстремальные перепады температур на высоте и быстрый нагрев во время работы.
- Конструкции HDI: Межсоединения высокой плотности (High Density Interconnects) со стекированными микропереходами очень чувствительны к расширению по оси Z; циклирование подтверждает целостность медного покрытия.
- Разнородные материалы: Конструкции, использующие керамические подложки или толстую медь на стандартном FR4, создают значительные несоответствия КТР, которые должны быть протестированы.
- Долговечное промышленное оборудование: Оборудование, рассчитанное на 10-20 лет эксплуатации в условиях окружающей среды, требует ускоренных испытаний на долговечность (ALT).
Когда это, вероятно, избыточно или некорректно:
- Контролируемые офисные среды: Настольные ПК или комнатные потребительские игрушки редко испытывают дельта-Т, необходимое для оправдания дорогостоящих циклических испытаний.
- Одноразовые изделия с коротким сроком службы: Если срок службы продукта составляет менее 2 лет в умеренном климате, обычно достаточно стандартной приработки.
- Испытание на чистую влажность: Если основная угроза — влажность, а не механическое напряжение, то испытание на влажное тепло и влажность для печатных плат (85°C/85% RH) более уместно, чем термоциклирование.
- Статическое высокое тепло: Если устройство находится в горячей серверной комнате, но температура никогда не колеблется, испытание на хранение при высокой температуре (HTS) для печатных плат является лучшим методом валидации.
Испытание на термоциклирование для надежности печатных плат: правила и спецификации (ключевые параметры и пределы)
Успешное тестирование требует строгого соблюдения скорости изменения температуры и времени выдержки. Если они не определены, результаты испытаний невоспроизводимы.
| Правило | Рекомендуемое значение/диапазон | Почему это важно | Как проверить | Если проигнорировано |
|---|---|---|---|---|
| Диапазон температур | От -40°C до +125°C (Автомобильная/Промышленная) | Определяет величину напряжения расширения/сжатия. | Журнал профиля камеры. | Испытание может не имитировать наихудшие полевые условия. |
| Скорость изменения температуры | От 5°C до 10°C в минуту | Слишком медленно снижает напряжение; слишком быстро становится "Термическим шоком" (другой режим отказа). | Термопара на печатной плате. | Результаты не будут коррелировать со стандартными моделями усталости. |
| Время выдержки | От 10 до 30 минут | Позволяет ползучесть припоя и полное термическое насыщение массы печатной платы. | Таймер камеры + датчик печатной платы. | Ядро печатной платы не достигает температуры; напряжение недооценивается. |
| Количество циклов | От 500 до 1000 циклов (Типично) | Усталость является кумулятивной; меньшее количество циклов может пропустить механизмы износа. | Журнал контроллера испытаний. | Отказы на ранних этапах проходят, но долгосрочная надежность не достигается. |
| Размер выборки | От 32 до 50 купонов (рекомендовано IPC) | Для расчета распределения Вейбулла необходима статистическая значимость. | Подсчет физических образцов. | Выбросы искажают данные; низкая уверенность в надежности. |
| Цепочечный дизайн | Взаимосвязанные переходные отверстия/площадки | Позволяет непрерывно электрически контролировать все соединения одновременно. | Проверка схемы/Gerber. | Не может обнаружить прерывистые отказы во время цикла. |
| Обнаружение событий | Сбой < 1 микросекунды | Трещины часто закрываются, когда плата возвращается к комнатной температуре. | Высокоскоростной регистратор данных. | Происходят "ложные прохождения", потому что непрерывность восстанавливается при 25°C. |
| Порог сопротивления | Увеличение на +20% от базового уровня | Указывает на частичное растрескивание или сильную усталость до полного разрыва. | 4-проводное измерение сопротивления. | Почти-отказы отправляются клиентам. |
| Предварительная подготовка | Имитация запекания + оплавления | Имитирует нагрузку сборки до начала испытаний. | Производственный маршрутный лист. | Тест отражает "свежие" платы, а не "собранные" платы. |
| Послетестовый анализ | Поперечное сечение (Микрошлиф) | Визуальное подтверждение распространения трещин или образования пустот. | Металлургический микроскоп. | Скрытые внутренние трещины остаются необнаруженными. |
Испытание на термоциклирование для надежности печатных плат – Этапы реализации (контрольные точки процесса)
Для проведения действительного испытания на термоциклирование для надежности печатных плат инженеры должны следовать структурированному протоколу для обеспечения целостности данных.
Разработка тестового купона: Создайте специальный тестовый купон (или используйте стандартные купоны IPC-2221) с последовательно соединенными переходными отверстиями и паяными соединениями. Убедитесь, что стек соответствует производственной плате.
Предварительная подготовка образцов: Подвергните купоны испытанию на высокотемпературное хранение (HTS) для печатных плат (выпекание) с последующими 3 симуляциями оплавления. Это имитирует термическую историю собранной платы до ее ввода в эксплуатацию.
Базовые измерения: Измерьте сопротивление каждой последовательной цепи при комнатной температуре с использованием 4-проводного измерения Кельвина. Запишите эти значения как базовые ($R_0$).
Настройка и профилирование камеры: Установите термопары на образцы (а не только в воздух камеры). Отрегулируйте поток воздуха в камере, чтобы масса печатной платы соответствовала запрограммированной скорости нарастания (например, 10°C/мин).
Выполнение циклов: Выполните профиль (например, -40°C выдержка 15 мин $\rightarrow$ подъем $\rightarrow$ +125°C выдержка 15 мин $\rightarrow$ спад). Оборудование непрерывного мониторинга должно регистрировать значения сопротивления на протяжении всего цикла.
Мониторинг прерывистых отказов: Регистратор данных должен отмечать любой скачок сопротивления. Трещина часто открывается при высокой температуре (расширение) и закрывается при низкой температуре (сжатие).
Постцикловой анализ: После завершения 500 или 1000 циклов извлеките образцы. Повторно проведите электрические испытания. Выберите образцы (как вышедшие из строя, так и прошедшие испытания) для микрошлифования, чтобы осмотреть стенки переходных отверстий и паяные галтели.
Отчетность по данным: Постройте распределение отказов (график Вейбулла) для определения характерного срока службы ($\eta$) и наклона ($\beta$). Это предсказывает частоту отказов со временем.
Испытание на термоциклирование для устранения неполадок надежности печатных плат (режимы отказов и исправления)
Когда плата не проходит испытание на термоциклирование для надежности печатных плат, место отказа точно указывает, какой параметр конструкции необходимо изменить.
1. Трещины в стенках (металлизированных отверстий)
- Симптом: Разомкнутая цепь при высоких температурах; прерывистое соединение.
- Причина: Коэффициент теплового расширения (КТР) по оси Z подложки FR4 (50-70 ppm/°C) значительно выше, чем у медного покрытия (17 ppm/°C). Плата расширяется и разрывает медь.
- Проверка: Микрошлиф показывает горизонтальную трещину в середине стенки переходного отверстия.
- Исправление: Увеличьте толщину медного покрытия (Класс 3 требует в среднем 25µm). Используйте ламинатные материалы с высоким Tg / низким CTE.
2. Угловые трещины (Трещины в «колене»)
- Симптом: Отказ соединения в углу переходного отверстия, где оно встречается с контактной площадкой.
- Причина: Концентрация напряжений в «колене» покрытия во время расширения.
- Проверка: Ищите разделение между поверхностной фольгой и покрытием стенки отверстия.
- Исправление: Улучшить качество сверления (процесс десмира) и обеспечить пластичное медное покрытие.
3. Усталость паяного соединения
- Симптом: Увеличение сопротивления в компонентах BGA или QFN.
- Причина: Несоответствие КТР между корпусом компонента (керамика/пластик) и печатной платой. Паяное соединение поглощает сдвиговое напряжение.
- Проверка: Тест с окрашиванием и отрывом (dye-and-pry test) или поперечное сечение, показывающее трещины, распространяющиеся через интерметаллическое соединение (ИМС).
- Исправление: Использовать андерфилл для больших BGA. Переключиться на материал печатной платы с КТР, более близким к компоненту (например, ламинаты с керамическим наполнителем).
4. Разделение микропереходов (HDI)
- Симптом: Отказ в стекированных микропереходах.
- Причина: Разделение интерфейса между целевой площадкой и основанием микроперехода из-за "отслоения" (lift-off).
- Проверка: Анализ основания микроперехода с помощью РЭМ (Растрового Электронного Микроскопа).
- Исправление: Переключиться со стекированных на смещенные микропереходы. Обеспечить надежное химическое осаждение меди.
5. Деламинация
- Симптом: Вздутие или разделение слоев печатной платы.
- Причина: Захваченная влага расширяется при нагреве, или слабость смолы при высокой температуре.
- Проверка: Видимые пузыри или белые пятна в подложке.
- Исправление: Выпекать платы перед тестированием. Убедиться, что температура разложения ($T_d$) материала значительно выше пика испытания.
Испытание на термоциклирование для надежности печатных плат: Термоциклирование против термического шока: Как выбрать
Инженеры часто путают эти два теста. Выбор неправильного приводит к бесполезным данным. Термоциклирование (ТЦ):
- Скорость: Медленный подъем (5-15°C/мин).
- Механизм: Усталость, ползучесть, релаксация напряжений.
- Цель: Имитирует ежедневные циклы включения/выключения питания или суточные изменения температуры на улице.
- Лучше всего подходит для: Надежности паяных соединений, усталости переходных отверстий.
Термошок (ТШ):
- Скорость: Мгновенный перенос (>30°C/сек) обычно через двухкамерный жидкостный или воздушный лифт.
- Механизм: Хрупкое разрушение, немедленная механическая перегрузка.
- Цель: Имитирует внезапные катастрофические события (например, падение теплого устройства в ледяную воду).
- Лучше всего подходит для: Выявления производственных дефектов, целостности проволочных соединений.
Если ваша цель — прогнозировать срок службы (годы эксплуатации), используйте термоциклирование. Если ваша цель — выявлять слабые детали в производстве, используйте термошок.
Тест на термоциклирование для надежности печатных плат ЧАВО (стоимость, срок выполнения, файлы DFM, стек, класс IPC, тесты на надежность)
В: Сколько стоит тест на термоциклирование? О: Стоимость варьируется в зависимости от продолжительности. Тест на 1000 циклов может занять недели камерного времени. Ожидайте затраты в тысячи долларов для сторонних лабораторий, поэтому APTPCB рекомендует заранее проверять стеки.
В: Могу ли я использовать симуляцию вместо физического тестирования? О: МКЭ (Метод конечных элементов) может предсказывать точки напряжения, но не может предсказывать производственные дефекты, такие как плохая адгезия покрытия. Физическое тестирование обязательно для проверки.
В: В чем разница между HTS и термоциклированием? A: Высокотемпературное хранение (HTS) для печатных плат поддерживает плату при постоянной высокой температуре для проверки старения материала и диффузии. Термоциклирование изменяет температуру для проверки механической усталости.
Q: Отказывает ли бессвинцовый припой быстрее при термоциклировании? A: В целом, да. SAC305 более жесткий и хрупкий, чем припой SnPb, что делает его более подверженным ударным и усталостным отказам при жестком циклировании, хотя конкретные сплавы улучшаются.
Q: Какой класс IPC требует термоциклирования? A: IPC Класс 2 не требует этого строго для всех деталей, но IPC Класс 3 (Высокая надежность) часто требует тестирования купонов в соответствии с IPC-6012 для проверки структурной целостности при термическом напряжении.
Q: Как подготовить файлы Gerber для этого теста? A: Вы должны включить дизайн "тестового купона" в границы вашей панели. Попросите вашего производителя вставить стандартные купоны IPC-2221, если у вас нет индивидуального дизайна.
Q: Почему моя плата вышла из строя при 85°C/85% RH, но прошла термоциклирование? A: Испытание на влажное тепло и влажность для печатных плат (85°C/85% RH) направлено на проникновение влаги и коррозию (CAF), в то время как термоциклирование направлено на механическое расширение. Они проверяют совершенно разные механизмы отказа.
Q: Что такое уравнение "Коффина-Мэнсона"? A: Это физическая модель, используемая для оценки количества циклов до отказа на основе диапазона температур и свойств материала. Она помогает перевести тестовые циклы в "годы эксплуатации в полевых условиях".
Q: Может ли APTPCB выполнять эти тесты собственными силами? О: Да, APTPCB располагает лабораториями надежности, оснащенными тепловыми камерами для проверки качества печатных плат и производительности стека до полномасштабного производства.
В: Что произойдет, если я пропущу этот тест для автомобильной продукции? О: Вы рискуете столкнуться с отказами в полевых условиях, когда паяные соединения трескаются после нескольких зим. Это обычно приводит к массовым отзывам и претензиям по ответственности.
Ресурсы для испытаний на термоциклирование для надежности печатных плат (связанные страницы и инструменты)
- Печатные платы для автомобильной электроники: Узнайте, как мы применяем стандарты термоциклирования к платам автомобильного класса.
- Возможности HDI PCB: Платы высокой плотности требуют тщательного циклирования для обеспечения надежности микропереходов.
- Тестирование и контроль качества: Обзор наших услуг по электрическим и экологическим испытаниям.
- Материалы для печатных плат с высоким Tg: Материалы, разработанные для выдерживания высоких термических напряжений и расширения по оси Z.
- Жестко-гибкие печатные платы: Сложные структуры, которые больше всего выигрывают от проверки несоответствия CTE.
Глоссарий испытаний на термоциклирование для надежности печатных плат (ключевые термины)
| Термин | Определение |
|---|---|
| КТР (Коэффициент теплового расширения) | Скорость, с которой материал расширяется при нагревании. Измеряется в ppm/°C. Несоответствие вызывает напряжение. |
| Tg (Температура стеклования) | Температура, при которой смола печатной платы переходит из твердого/стеклообразного состояния в мягкое/резиноподобное, что резко увеличивает КТР. |
| Время выдержки | Продолжительность, в течение которой испытательная камера поддерживает пиковую температуру, чтобы обеспечить полное прогревание образца. |
| Скорость нарастания/спада температуры | Скорость изменения температуры (градусов в минуту) между низкими и высокими пределами. |
| Гирляндное соединение (Daisy Chain) | Схема тестовой цепи, соединяющая несколько переходных отверстий или контактных площадок последовательно для контроля непрерывности. |
| Распределение Вейбулла | Статистический метод, используемый для анализа данных о сроке службы и прогнозирования надежности/частоты отказов. |
| Ползучесть | Тенденция твердого материала (например, припоя) медленно перемещаться или деформироваться постоянно под механическими напряжениями. |
| ИМС (Интерметаллическое соединение) | Слой, образующийся между припоем и медью. Он хрупкий и часто является местом усталостного разрушения. |
| Расширение по оси Z | Расширение по толщине платы. Основная причина трещин в бочонках PTH. |
| HALT (Высокоускоренные испытания на долговечность) | Методология стресс-тестирования, которая выходит за рамки спецификаций для определения предела разрушения продукта. |
Запросить коммерческое предложение на испытания печатных плат на надежность методом термоциклирования (анализ DFM + ценообразование)
Готовы проверить свой высоконадежный дизайн? Отправьте нам свои Gerber-файлы и требования к испытаниям. APTPCB предоставляет комплексные обзоры DFM для оптимизации вашего стека для тепловых характеристик до начала производства.
Требуется для коммерческого предложения:
- Gerber-файлы (RS-274X)
- Производственный чертеж (со спецификациями материалов)
- Требования к тестовым купонам (если применимо)
- Ориентировочный объем
Получить предложение и DFM-обзор – Мы проверяем вашу структуру слоев на риски CTE в течение 24 часов.
Заключение: испытание на термоциклирование для надежности печатных плат – следующие шаги
Испытание на термоциклирование для надежности печатных плат является окончательным методом прогнозирования срока службы электроники в суровых условиях. Нагружая механические интерфейсы между медью, припоем и ламинатом, этот тест выявляет слабые места, которые пропускают стандартные электрические испытания. Независимо от того, проектируете ли вы для автомобильного, аэрокосмического или промышленного сектора, понимание физики отказов — в частности, несоответствия КТР и усталости припоя — позволяет создавать долговечные платы. APTPCB гарантирует, что ваши конструкции соответствуют этим строгим стандартам благодаря точному выбору материалов и контролю производства.