אפקט ההלם העשר על האינטגרציה המבנית של חומרים אלקטרוניים

ההשפעה של הלם חצני על האינטגרליות של חומרים אלקטרוניים Packaging

מכשירים אלקטרוניים נארזים כמעט בכל היבט של החיים המודרניים, מסמארטפונים והשתלות רפואיות ועד מערכות בקרת רכב ואלקטרוניקה אווירו-מרחב.האמינות של מכשירים אלה תלויה באופן ביקורתי בחומרים המשמשים לחבילה ולהגן על רכיבי המוליכים למחצה העדין בתוך.בין האיומים החמורים ביותר לאריזות שלמות היא FLT:0thermal ShockFLT:1 - שינוי מהיר, קיצוני בטמפרטורה שמניבה מתח מכני, עייפות, ואפקטים של מנגנונים משפטיים, ואפקטים חיוניים לשיטות, כדי להפחית את ההשפעות של זעזועים, כלומר, כלומר, על זעזועים חיוניים, על זעזועים, על זעזועים, על זעזועים, על ידי זעזועים של זעזועים של זעזועים חיוניים, על זעזועים, על זעזועים, על ידי זעזועים, על זעזועים חיוניים, על ידי זעזועים, על ידי זעזועים משפטיים, על מנת להשפיע על זעזועים משפטיים, על זעזועים משפטיים, על זעזועים משפטיים, על זעזועים משפטיים, על זעזועים משפטיים, על זעזועים מתקדמים, על זעזועים מתקדמים, על זעזועים משפטיים, על זעזועים משפטיים, על זעזועים מתקדמים, על זעזועים מתקדמים, על

Defining Thermal Shock in Electronic Packaging

הלם צחיח מתרחש כאשר חומר או ההרכבה חווים סגסוגת טמפרטורה פתאומית, לעתים קרובות על פני פרק של שניות או דקות. באריזה אלקטרונית, אירועים כאלה יכולים להתעורר במהלך ייצור, תהליכי זרימה מחדש, רכיבה על חשמל, או חשיפה לתנאים סביבתיים קשים - לדוגמה, כאשר מכשיר מועבר מאזור אחסון קר לתוך סביבת הפעלה חמה.

חומרת ההלם התרמי מאופיינת בשלושה פרמטרים: הבדל הטמפרטורה ( ⁇ T), שיעור שינויי הטמפרטורה (dT/dt), ומספר המחזורים החוזרים ונשנות. ⁇ T גדול יותר וקצב הרמפה מהיר יותר מייצרים תנודות תרמיות גבוהות יותר ומתח חמור יותר.אפילו אירוע הלם תרמי יחיד יכול לגרום לפצח מיידי או דלמנטום, בעוד מחזורים חוזרים להוביל לעייפות סדקים וכישלון.

מכניזם של נזק מהלם הירומלי

כאשר חומר אריזה נתון חימום מהיר או קירור, אזורים שונים מתרחבים או חוזים בשיעורים שונים.ההתרחבות השונה הזו יוצרת FLT:0thermal StressFLT:1 שפועל על המיקרו של החומר.

• (FLT:0)Cracking and Fracture: FréveLT:1) חומרים בריטל כמו קרמיקה וכמה epoxies לא יכולים להכיל את הזן, המוביל לסדקים בנקודות ריכוז הלחץ - לעתים קרובות בשוליים חדים, דרך, או ממשקי מילוי.
• (FLT:0) מחיקה: 1FLT במבנים רב-שכבות (למשל, לוחות מעגלים מודפסים (PCBs) עם עקבות נחושת ושכבות דיאלקטריות), כוחות השקיה יכולים להפריד שכבות מקושרות.זה נפוץ במיוחד כאשר האפקטיביות של התרחבות תרמית (CTE) של חומרים סמוכים שונים באופן משמעותי.
• (FLT:0) עיוות ומלחמת עמוד: FLT:1 מתכות דונטיליות כגון מכר יכול להציג עיוות פלסטי, גרימת דף מלחמה של תת-קרקעי או רכיב. WarPage יכול להיות רכיבים לא-מעורניים או לגרום לעייפות משותפת מכר.
• (FLT:0) כשלים חשמליים: נתיבי קראק 1FLT יכולים לגשר על מנצחי, ליצור מעגלים קצרים, או להפריע לסימנים. Delamination עלול לגרום מעגלים פתוחים או חיבורים לסירוגין, מה שמוביל להתנהגות לא סדירה של מכשירים.
• (FLT:0) ותצורת קירקנדאל ווידינג:FLT 1 ב-מכרזות, הלם תרמי יכול להאיץ את היווצרות הממשק בין מכר לבין מתכת, מחליש את ההתנגדות המשותפת והגדלה של חשמל.

תפקידה של Coefficient of thermal הרחבה (CTE)

CTE לא נכון הוא הנהג הבסיסי של נזק בהלם תרמי.רוב חומרי האריזה האלקטרוניים יש CTE שונים על ידי גורמים של שניים עד 10 או יותר. לדוגמה, תת-קרקעי טיפוסי יש CTE של 6-8 pm / ° C, בעוד תנור חום נחושת יש CTE של 17 ppm / C. כאשר ההרכבה הוא קר, החרוטציה יותר מאשר קרמיקה, תוך כדי לחץ חזק יותר, הצבת לחץ קרמיקה, בלחץ מהיר.

השפעות על חומרים ספקוניים אלקטרוניים

כיתות חומריות שונות מגיבות באופן ייחודי לזעזוע תרמי.הבנת התנהגויות אלה מסייעת למהנדסים לבחור חומרים מתאימים ליישומים ספציפיים.

Ceramics (Alumina, אלומיניום Nitride, LTCC)

Ceramics משמשים נרחב עבור אריזות אמינות גבוהה בשל התנהגות תרמית מעולה שלהם ואת בידוד חשמלי.עם זאת, הם בשפע מטבעו.הלם הקרום יכול לגרום לכישלון קטסטרופלי ללא אזהרה מוקדמת. Alumina (אל2O3) substrates, למשל, להראות קשיחות שבר של 3–4 MPam פגיעת . a ⁇ t של 200 מעלות צלזיוס יכול לייצר לחץ דם די גבוה יותר (לדוגמא) אבל די קשה יותר חץ נמוך יותר.

Polymers ו-Efoxy מוליד קומפלקסים (EMCs)

דיסאוקסי ריזינס הם עמוד השדרה של רוב האריזה הפלסטי, כולל חבילות חוט-bonded ו- עובש-array. EMCs מלאים חלקיקים סיליקה כדי להפחית CTE ולשפר כוח מכני.הלם הירומל גורם ללחץ בממשק הממלא-מטריקס, המוביל למלא מכווץ וסדקים מטבוליים (בנוסף, המרחץ פוליגרמטי הוא מולטי: בטמפרטורות גבוהות זה יכול להיות מכווץ נמוך יותר), אבל זה הופך לטמפרטורות אחוריות (למשל, אבל מכווץ) אבל זה הופך להיות איטי יותר.

Metals (Copper, אלומיניום, Solder Alloys)

מתכת הם דוקטריליים ובדרך כלל מתנגדים לפצח, אבל הם יכולים לסבול מעיוות פלסטי ועייפות.מפרקים מכרים, במיוחד במערך הכדור-גריד (BGA) חבילות, לחוות מתח במהלך הלם תרמי. מכרים ללא עופרת כמו SAC305 (Sn-3.0Ag-0.5Cu) יש תכונות מכניות שונות מאשר מכרים מסורתיים סנפיר.

Composites and Laminate Substrates (FR-4, BT, Polyimide)

PCB הם מבנים מורכבים של מרק זכוכית זורק ו epoxy resin.הלם הירומלי יכול לגרום סדקים מטריקס, סיבים פורצים, ו resin-to-to-glass debonding.הלא מתאים בין CTE של הזכוכית (5-6 ppm / ° C) ואת הקיר האחורי (50-70 ppm / C) יוצר זנים מקומיים גבוהים.

גורמים המשפיעים על מספר הנזקים של ההלם החריף

היקף הנזק תלוי בתכונות חומריות, בגיאומטריה ובתנאי אירוע ההלם.

• (ב) ⁇ :0) ⁇ ⁇ (ב) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ,0) שינוי הטמפרטורה: (FLT:1 מהר יותר (Filloer רמפות:2dT / DtcioFLT 3 > 20 מעלות צלזיוס) למנוע רגיעה באמצעות זרימה מולקולטית, גרימת שבר באט.
• (FLT:0) מהירויות אוויריות ודוכסיות: רינגפל ( 1:1 Brettle Materials (ceramics, epoxies) סדק בלחץ נמוך יותר. חומרי דוטילי (pure נחושת, מכרים רכים) דהופור באופן פלסטי אך עלול להיכשל על ידי עייפות לאחר מחזורים רבים.
• (ב) ⁇ 0 (Geometry and Thickness:FLT:1 ; חלקים של Thicker יוצרים ⁇ s תרמיים גדולים יותר (מספר נמוך יותר ביוט).
• (ב) ויקרא י"א: ויקרא י"ד: "ה', בין מכר ועמודות, יש צורך בפלמנט.
• (FLT:0)Moisture ו- Vapor לחץ: ההרחבה 1 (Absorbed לחות בתוך חבילות יכול להתכווץ במהלך חימום מהיר, מה שגורם ללחץ פנימי שמניע את הדיכאון ו"פופקורן" סדקים.

בדיקה סטנדרטית Thermal Shock Testing

כדי להבטיח אמינות, תקני התעשייה מציינים תנאי בדיקת הלם תרמיים.הנפוצים ביותר נשלטים על ידי the , 2.com bn) ו-R>theml=R>theml=R=R=R=R R R R=R.com-R=R R.com-R.com-R.com-R.com-R.com-R.

במהלך בדיקות, דגימות נבדקות עבור פתיחות חשמלית או מכנסיים קצרים, סדקים חזותיים, דלמנטום (באמצעות סריקה מיקרוסקופית אקוסטית), ודף מלחמה מכני.FLT:0;0 ניתוח Weibull ניתוח irFLT:1 הוא לעתים קרובות מועסק כדי מודל של התפלגות הזמן-לכישלון וחיזוי אמינות בתנאים השימוש.

תוצאות מבחן

אתגר גדול הוא correlating בדיקות הלם תרמיות מואצות עם החיים שדה.מערכת היחסים של Arrhenius ומשוואה Coffin-Manson משמשים לעתים קרובות כדי למנוע נזק נוסף.עם זאת, מודלים אלה מניחים כי המנגנון נשאר זהה בטווחי טמפרטורה, אשר עשוי לא להיות נכון עבור כל החומרים. וכתוצאה מכך, מהנדסים חייבים לאמת תוצאות עם אופי נוסף, כגון ניתוח חוצה גבולות וסופי (EAF).

אסטרטגיות ל-Thermal Shock

הפחתת הסיכון של זעזוע תרמי כרוכה בבחירה לחומרים זהירים, אופטימיזציה לעיצוב ושליטה בתהליך.

בחירת חומרים ו- CTE התאמת

בכל פעם שניתן, חומרים נבחרים עם טעינות CTEs תואמים הדוקה. עבור קבצים מצורפים, להשתמש בצללים תחתיים תחתיים עם טעינות מילוי מותאמות היטב כדי להשיג CTE קרוב לזה של המוכר.לדוגמה, a silica-מלא תחת חתיכה יכול להפחית את CTE האפקטיבי מ 60 ppm / C עד 20m / C., באופן דומה בעיצוב, בחירת חומרים ב-C.

שימוש ב-Comliant Interfaces

שילוב שכבת מקבילה בין חומרים לא מתאימים פועל כמו מתח buffer. דוגמאות כוללות כריות elastomeric במודולים כוח או קלטת פולימד גמישה ב- PCB-flexs קשיח.ביישומים בעוצמה גבוהה, חומרי ממשק תרמיים (TIM) כמו חפיפות מבוססי סיליקון יכולים להכיל עקירה ללא העברת עומס למות.

עיצוב ל- Stress Relief

תכונות גיאומטריות יכולות להפחית ריכוזי מתח.פיות עגולות על תת-שכבות, מפרקים מלאים של מכר, ואת חריצים הלחץ-relief ב- PCB מסייעות להפיץ מתח תרמי.השימוש של דרך-in-pad עם מלא באמצעות (למשל, מילוי נחושת) גם מפחית מתח סביב בחביות.

ניהול התרמומלי

הן במהלך הייצור והן במבצע שדה, שליטה בקצב של שינוי הטמפרטורה היא קריטית.בתנורות זרימה מחדש, להשתמש בפרופילים טרום התחממות ונקיים (שיעורי הדג <2C /s) עבור מכשירים שחייבים לפעול בסביבה קשה, ליישם ניהול תרמי פעיל (טבעות, מעריצים, חומרי שינוי) כדי למנוע תנודות טמפרטורה גדולות.

מודלים מתקדמים וסימפוציה

ניתוח אלמנט פינט (FEA) מאפשר למהנדסים לחזות הפצה של מתח לזהות נקודות חמות לפני הפשטות פיזית.כלי סימולציה מודרניים יכולים לשלב מודלים חומרים מולקולטיים ומולקולסטיק, כמו גם קידוד סדקים.לדוגמה, סימולציה:0 Ansys שרלוקFLT:1 משמש כדי מודל רכיבה תרמי במפרקים מוכרים.

ניהול Moisture

מאחר לחות מחמירה את הנזק הזעזוע התרמי, אחסון תקין וטיפול ב- IPC-JEDEC J-STD-033 הם חיוניים.מכשירים אפויים להסיר לחות לפני זרימה. שקיות מחסום דקיקנט ושקיות מחסום לחות להגן על רכיבים במעבר.עבור יישומים בעלי רגישות גבוהה, לשקול שימוש בתרכובות עובש בטמפרטורה גבוהה עם לחות נמוכה (<0.2% על ידי משקל).

דוגמאות ל-Case Studies and Real-World

(FLT:0Case 1: מודולי כוח רכב מודולים 1FLT:1ir:2 בכלי רכב חשמליים היברידיים, מבודד דו קוטבי מודולים (IGBT) ניסיון זעזוע תרמי חוזר על עצמו עקב רכיבה על חשמל. CTE התאמה בין סיליקון למות ( ⁇ pm / C) ואת תת-התחרס ( ⁇ pm / ° C) מוביל להפחתה של שלושה חומרים ממות עם זעזועים גבוה יותר.

(FLT:0Case 2: סמארטפון של הצרכן Flex AssembliessveFLT:1 ;2 יצרן טלפונים חכמים צפה כישלון של מחבר לוח-to-board לאחר 200 מחזורי הלם תרמי (- 40 ° C עד +85 ° C ניתוח), גילה כי הפולימנימריד flexs מעגל היה Z-axis CTE של 40m / ° C, בעוד השכבה נוקשה (ל) היה מעורב Cpcgregic) עם CTE של CTE של CTE של CTE של cup.

(FLT:0Case 3: Space-class Delaminationph1) ;2 לוויינים (BMI) עשויים מ- FR-4 laminate delaminated לאחר מבחן הלם תרמי יחיד (-65 מעלות צלזיוס ל- +150 מעלות צלזיוס) , ה-Tg של ה-Tgminate היה 140°C; במהלך ה-Spsy, המנוכל וה-Z-C-i-C-i-i-i-I-I-I-E-E-C היה מ-250.

מגמות מתפתחות וכיוונים עתידיים

כאשר האלקטרוניקה הופכת להיות יותר ממאירה ופועלת בסביבות קשות יותר (למשל, מטה קידוח, חקר עמוק הים, מטוסים חשמליים), חוסן הלם תרמי חייב לשפר את ההתפתחויות:

• (FLT:0)Nanocomposite Underfills:031) הוספת צינורות פחמן או גרפן לחזרות תחת פייתול מגביר את הקשידות ואת מוליכות תרמית תוך צמצום CTE.
• ייצור:0 (Additive Manufacturing:) 1FLT 1 3D מודפס אלקטרוניקה מאפשר ממשקים חומריים מדורגים כי מעבר חלק CTE, צמצום שיאי הלחץ.
• (FLT:0) חומרים של חזבאללה: ⁇ 1 (FLT:1) פולימרים המכילים מיקרו-capsules של סוכן ריפוי אשר שחרור על סדק עשוי לתקן מיקרודמדומים לפני שהוא הופך קריטי.
• (FLT:0) ניטור בריאות החלפת: FLT:1 חיישנים Embedding (למשל, מדדי זנים או טרנספורמטיטיס אקוסטי) בחבילות יכולים לזהות נזק מוקדם ולגרום פעולות ניהול תרמי.
• (FLT:0)Machine Learning for Design Optimization: FIRLT:1) כלים מבוססי AI יכולים לחקור במהירות את מרחב העיצוב של שילובים גיאומטריה חומריים כדי למקסם את חיי ההלם התרמי, צמצום ההסתמכות על המשפט וטרור.

לקריאה נוספת, ייעוץ תקני (FLT:0)IPC לאמינות ה-FLT האלקטרונית ( 1:1 ו- 2) ו- 2 (FLT:2IEEE סטנדרטים לניהול תרמי

מסקנה

ההלם הארומאל נשאר אתגר עצום באריזות אלקטרוניות.שילוב של שינויים מהירים בטמפרטורה, CTE לא מתאים, וסחרחורת חומרית יכול להוביל לפצח, לדהמה, לעיוות ולכישלון חשמלי.עם זאת, על ידי הבנת הפיזיקה הבסיסית, מינוף בדיקות סטנדרטיות, וליישם אסטרטגיות מידבקות קוליות - חומרים מתואמת, תואמים, פרופילים מבוקרים, מתקדמים יותר, כמו גם שיטות תכנון מתקדמות יותר, יכולות לשפר את יעילות של מערכות הפעלה מתקדמות יותר, כמו גם סימולציה תעשייתיות, כמו גם סימולציה מתקדמת יותר, כמו גם סימולציה מתקדמת יותר, כמו גם שיטות הפעלה.