לוחות מעגלים אלקטרוניים הם הבסיס של כמעט כל מכשיר אלקטרוני מודרני, מ גאדג'טים צרכניים ועד מערכות חלל קריטיות המשימה-קריירה.אמינותם היא רבת-חשיבות, אך הם כפופים למגוון של מצבי כשלון שיכולים להתפשר על ביצועים ותוחלת החיים. בין המדגישים והנפוחים הנפוצים ביותר הוא רכיבה תרמית - חימום חוזר וקירור המתרחש במהלך פעילות נורמלית או חשיפה סביבתית.

הבנת האופניים הארוכים באלקטרוניקה

הרכיבה הארומית מתייחסת להתרחבות החוזרת וההתכווצות של חומרים בתוך סיפון לוח עגול כטמפרטורות פלוגטטים.כאשר מכשיר מסתמך, רכיבים ולוח המעגל עצמו מתחממת; כאשר הוא מאלץ או טיפות טמפרטורה מתפתלות, הם מתקררים מטה. המחזורים אלה גורמים ללחץ מכני משום חומרים שונים - שבבים, עקבות נחושת, מפרקים מוכרים, ולוחמי - מתרחבים וחוזה בקצב שונה של הממשקים (מתאים-מתאים ל-מתאים) כגון סיליקון-Cact-Cact-to-Cactentreme-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-up-up-to-to-to-co-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-

אופניים תרמיים יכולים להיות מסווגים לשני סוגים רחבים: אופניים איטיים, נמוך ספאם (למשל, מדי יום על מחזורים על- off באלקטרוניקה לצרכנים) ורכיבה מהירה, גבוה גבוה (למשל, הלם תרמי בסביבות הרכב מתחת לסביבות) להאט מאפשר מחזורי צץ ומשקפיה, בעוד מחזורים מהירים יכולים לגרום למתח מיידי שמוביל לשבר.

בפועל, רכיבה תרמית מדמה לעתים קרובות בבדיקת אמינות באמצעות סטנדרטים כגון IPC-9701 או JESD22-A104.מבחנים אלה כפופים למאות או אלפי מחזורים על טווח טמפרטורה מוגדר, בדרך כלל -40 מעלות C ל +125 ° C, כדי להאיץ הזדקנות לזהות נקודות חלש.עם זאת, אפילו עם בדיקות קפדניות, כישלונות שדה עדיין להתרחש כאשר הנחות עיצוב הם הפרות איכות או חלקים.

מצבי כישלון נפוצים מונעים על ידי Cycling

הרכיבה הירומית גורמת לשקד של מנגנוני השפלה פיזיים.מצבי הכישלון הנפוצים ביותר כוללים סדקים משותפים של מכר, דמינציה, עייפות רכיב, דף מלחמה, ושחיתות מואצת.כל אחד מהם מתבטא אחרת ודורש אמצעי נגד ספציפיים.

1 מכור לפצח משותף ושומן

המפרקים המוכרים הם האלמנטים המחוחים ביותר באסיפה של לוח מעגלים.הם מספקים חיבור חשמלי והחזקה מכנית עבור רכיבים.כאשר מחזורי טמפרטורה, חוויות מכר ולחצים פילים עקב אי התאמה של CTE בין הרכיב (למשל, קרמיקה או חבילת BGA) ו- PCB (בדרך כלל 4-2) על פני מחזורים רבים, אלה ממריצים מיקרו-קליפים, בדרך כלל בשכבה intermetal (מסטרוי) או בתוך ה-מפלקס נמכר).

סדקים שומניים propagate תחת המשך רכיבה על אופניים, המוביל ליצירת קשר לסירוגין, התנגדות מוגברת, ובסופו של דבר מעגלים פתוחים. מובילי חינם מכרים, כגון SAC305 (Sn-3.0Ag-0.5Cu), רגישים יותר עייפות תרמית מאשר מכרים מסורתיים מובילים כי הם נוקשים יותר ויותר ממריצים.

מחקרים שנערכו על ידי FLT:0 NASA אלקטרוני חלקים וחבילהaging (NEPP) תוכנית תוכנית 1FreaLT 1 תיעד כי מכר חיים משותפים תחת רכיבה תרמית יכול להשתנות על ידי פקודות של גודל המבוסס על הרכב נמכר, גליל, וגיאומטריה.המידע שלהם מדגיש כי עיצוב נאות של כריות (למשל, באמצעות כריות מסיכה מוגדרות) ופרופילי זרימה מבוקרים הם קריטיים להאריך את החיים.

המונחים: PCB Layers

לוחות מעגלים מודפסים של Multilayer מורכבים משינוי שכבות של נחושת ו- dielectric laminate (למשל, FR-4, Polyimide, או BT resin) חומרים דיאלקטריים יש CTE גבוה יותר מאשר נחושת, במיוחד בעקביות (מניעה) (תחת רכיבה תרמית), ההל מתרחב וחוזים יותר מאשר נחושת, ומייצר מתחים בין-גזעיים.

דלמינציה משבשת את השלמות האותות על ידי שינוי אי-ציות ויכולה לפרוץ דרך החורים (PTHs) או לגרום מעגלים קצרים אם אדמות נחושת להרים.זה בעייתי במיוחד בלוחות עם יחסים גבוהים ונשימות עבות. The FLT:0IPC1212121212 הסמכה סטנדרטיFLT:1 כולל בדיקות לחץ תרמיות ספציפיות למסך של רגישות, אך ייצור כגון פגמים עדיין יכול להוביל לכשלים או לכשלים.

בחירה חומרית ממלאת תפקיד מרכזי.לזרעים המבוססים על פולימד יש נמוך יותר מחוץ למטוס CTE וטמפרטורת מעבר זכוכית גבוהה יותר (Tg) מאשר תקן FR-4, מה שהופך אותם עמידים יותר לדיכאון בסביבות קשות.עבור אופניים תרמיים קיצוניים, חומרים מתקדמים כמו הידרופחמי קרמיקה או לימונים מבוססי PT-FE עשויים להיות הכרחי.

3.התכווות ועופרת פורצות

מרכיבים על פני השטח, במיוחד גוף גדול BGAs, QFNs, ואת קרמיקה קיבולים, ניסיון עייפות כמו לוח flexes ו טוויסט במהלך שינויים טמפרטורה. עבור רב שכבת קרמיקה (MLCCs), השגיאה בין הגוף הקרמיקה (CTE ⁇ 10-12-12 pm / C) ואת ה- PCB 16-18 ppacim / C ב- המטוס) יכול לגרום ל-Ricttsts לאפסיבי למכור באופן מיידי.

באמצעות רכיבי חור עם מוביל גם לסבול. Copper מוביל או רגליים של מחברים וממסרים יכול לעבוד-Harden ועייפות-fracture לאחר מחזורים חוזרים.סיכון גבוה יותר כאשר החומר המוביל יש CTE שונה מהדירקטוריון, או כאשר הרכיב כבד ולא נתמך כראוי. באלקטרוניקה לרכב, שבו תחת טמפרטורה מתחת לגיל יכול להתנדנד מ -40 מעלות צלזיוס ל-150 מעלות צלזיוס, רכיב הוא גורם מוביל של עייפות של החזרות אחריות.

4.מועצת המנהלים Warpage and Deformation

אופניים תרמית גורמת הרחבה שונה לא רק בין חומרים בודדים אלא גם על פני השטח של הלוח.אם צד אחד של חום הלוח או מגניב מהר יותר מהשני, או אם יש התפלגות נחושת סימטרית, הלוח יכול להתנפץ (מחץ או עיוות) מדגישי WarPages Solder מפרקים, יכול לגרום רכיבים להרים או להטה, ועלול להוביל פגמים במהלך זריקת מחדש במקרים חמורים, עלולים להתאים באופן קבוע, עלול לגרום בעיות שטוחות, עלול לגרום נזקי פגיעה.

דף מלחמה מחמיר על ידי לוחות דקים, גדלים פאנל גדול, ו שפכות נחושת לא מאוזנת. עיצוב הנחיות מ-FLT:0reed אלקטרוניקה סטנדרטים אלקטרוניקה אלקטרוניקה ⁇ 1 ממליץ לשמור על איזון נחושת על פני הלוח ושימוש באלה עבים יותר עבור יישומים עתירי אחריות גבוהה. במהלך בדיקות רכיבה תרמי, דף מלחמה נמדד לעתים קרובות כתפקוד של טמפרטורה באמצעות שימוש ב- moiréééé או טכניקות דיגיטליות.

קורוזיה וההגירה אלקטרו-כימית

טמפרטורה ולחות רכיבה על אופניים להאיץ את קורוזיה בכמה דרכים. חזור על condensation ו evaporation מחזורים, במיוחד אם ציפוי קונפורטיבי נכשל, להציג לחות משטחים מתכת חשופים. Chlorine ו sul confurants מן הסביבה או שאריות ייצור יכול לשלב עם לחות כדי ליצור פתרונות ionic שמניעים הגירה אלקטרו-כימית (M). Tinsss עלולים גם ליצור תחת לחץ תרמי, לחץ קצר, הגדלת.

אופניים תרמיים יכולים גם להאיץ קורוזיה גליונית בצומת של מתכות דיסימיות, כגון כריות נחושת עם ENIG (זהב ניקל קידוד אלקטרוני) לסיים את ההתרחבות והה התכווצות החוזרים יכולים לפצח את שכבת הזהב, חשיפת ניקל לסוכני קורוזיות.זה מגביר את התנגדות הקשר ועלול בסופו של דבר ליצור מעגלים פתוחים.

גורמים המשפיעים על כישלון האופניים

לא כל לוחות המעגלים נכשלים באותו שיעור.חומרת נזקי אופניים תרמיים תלויה בתכונות חומריות, איכות מכרה, אפשרויות עיצוב והסביבה התפעולית.הבנת גורמים אלה מאפשרת למהנדסים לחזות את החיים וליישם שיפורים ממוקדים.

תכונות חומריות ו- CTE Mismatch

הגורם הקריטי היחיד הוא ההבדל ב-Ricive הרחבה תרמית בין החומרים באסיפה.ה-CTE של סיליקון מת הוא בערך 2.6 pm/ ° C, בעוד שללוח טיפוסי של FR-4 יש מטוס CTE של 14-17 ppm/ ° C ו- דרך-thickness CTE של 50-70p/C. יש CTE ערכים סביב 21-25m / C.

חומרים טבוליים עם CTE נמוך יותר, כגון קרמיקה או פולימר גביש נוזלי (LCP), יכולים להפחית את השגיאה עם רכיבי סיליקון.עם זאת, חומרים אלה יקרים יותר ועשויים להיות אחרים של סחרחורת ותחתונים יכולים לשמש גם כדי להפיץ מתח ולהגדיל את חיי העייפות.

איכות מכרה וקומפוזיציה

Voiding, לא מספיק רטוב, פרופילי זרימה לא נכונה כל להפחית כוח משותף מכר. רִיק גדול לפעול כמו אתרי סדקים.הסגסוגת כמו גם משנה: SAC305 הוא קשה יותר ויותר עמיד יותר עייפות מאשר סנקטינים גדולים יותר מקיפים 37 בטמפרטורת החדר, אבל בטמפרטורות גבוהות סגסוגת ללא מוביל להראות רפוי מהיר ונמוך יותר, מה שהופך אותם יותר נוטה לעייפות תרמית עם אלמנטים כמו ניקל נראה כמו ביצועים אחרונים, או ביצועים.

עיצוב גיאומטריה ו-Leout

צפיפות רכיב גבוה, חבילות BGA גדולות, וקט קטן (0.4 מ"מ או פחות) להתרכז הלחץ.מפרקים מכרס בפינות של חבילה לחוות את הזנים ביותר כי הלוח וחבילה להרחיב את הרדיואקטיבית מן המרכז.שימוש בטכניקות של פינית-מתח, כגון ביצוע כריות פינה גדול או באמצעות תבניות כדור מזוודות, להפיץ את העומס.

סביבת הפעלה ו-Cybers

כשלים מאיצים עם תנודות טמפרטורה רחבות יותר, זמני מגורים קצרים יותר, ושיעורי רמפה מהירים יותר.לדוגמה, עיצוב השורוד 1,000 מחזורים מ 0 מעלות צלזיוס ל-100 מעלות צלזיוס עלול להיכשל בפחות מ-200 מחזורים כאשר נבדקו מ- −55 מעלות צלזיוס ל-125 מעלות צלזיוס עם 15 מעלות צלזיוס / דקה רמפה.בנוסף, מספר המחזורים ביום בשימוש אמיתי: מכשיר במנוע רכב עשוי לראות מאות שנים בלבד.

אסטרטגיות ל-Thermal Cycling Reliability

על ידי הבנת מנגנוני הכישלון, מהנדסים יכולים לנקוט בצעדים מכוונים כדי להפחית את הסיכון.אין פתרון אחד עובד עבור כל היישומים; שילוב של חומר, עיצוב ושיפורי תהליכים נדרשים בדרך כלל.

בחירה חומרית

בחר PCB להמונים עם CTE ערכים תואמות היטב את הרכיבים. עבור יישומים בעלי אחריות גבוהה, לשקול פולימאיד (CTE ⁇ 12–14 ppm/ ° C בתוך המטוס) או High-Tg-4 עם התרחבות נמוכה מחוץ למטוס.עבור מאגרי כדור, השתמש ב- CTE נמוך בניגוד לסיליקון (למשל, BGA יש גם תכונות CTE טוב).

חומרים תחתיים ניתן ליישם בין הרכיב והלוח לספוג מתח ולחלק מתח. Capillary underfill נפוץ עבור CSPs ו BGAs, בעוד שאין זרימה מתחת לfills משמשים חבילות ברמה גבוהה.תחת סינון יכול להכפיל את החיים המשותפים הנמכרים על ידי גורם של 10 או יותר, אבל זה מוסיף עלויות הייצור ומורכבות.

אופטימיזציה

גלוקומטריה: עבור BGAs, להשתמש כריות מסיכה מוגדרות (SMD) ולא מ- non-solder המסיכה המוגדרת (NSMD) כפי ש- SMD יש אזור גדול יותר של מתח שטח ולהפחית את סדקים.להגדיל את המגרש ואת קוטר של כדורי פינה כדי להפחית ריכוזים נמוכים יותר.

שילוב תכונות לחץ-relief כגון חורים מלוטשים או נוקשות גמישה ליד רכיבים גדולים.עבור מחברים דרך חור, להשתמש מובילי קושרת שניתן לכופף תחת הרחבה תרמית.

שיטות עבודה טובות

להשקיע בתנור זרימה מבוקר היטב עם פרופיל מדויק.להבטיח את הטמפרטורה ואת הזמן מעל נוזל נמצאים בתוך ההמלצות של יצרן מאפה מוכר. השתמש חנקן אווירת כדי להפחית חמצון ולשפר את רטוב. לבצע לפני זרימה מראש כדי להסיר לחות מן לוחות ורכיבים, למנוע הזבוביות וריקנות.

עבור מכרה ללא מוביל, לשים לב מיוחד לשיעור הקירור - קירור איטי מקדם גרגרים גדולים יותר ומפרקים חלשים יותר, בעוד קירור מהיר יכול לגרום סדקים.הרכב של ⁇ צריך להיות מאומת עם ניתוח XRF כדי להבטיח לא זיהום.

בקרת הסביבה ותמיכה מכנית

במוצר של שימוש קצה, השתמש בציפוי קונפורמנטלי כדי להגן מפני לחות, אבק, גזים קורוזיים. A היטב-applied ציפוי (למשל, אקרילי, סיליקון או parylene) מפחית קורוזיה ו- ECM. אם רכיבה תרמית היא קיצונית, לשקול את כל ההרכבה עם מערעריכה נמוכה כי חומר מספק תמיכה מכנית ואפילו חום.

קירור חזק יכול להפחית את האמרה של תנודות טמפרטורה.באלקטרוניקה גבוהה, כיור חום, אוהדים או קירור נוזלי לשמור על טמפרטורה קבועה יותר, מוריד את מספר מחזורים מזיקים.

בדיקות ואימות

בשלב העיצוב, השתמש בניתוח אלמנט סופי (FEA) כדי לדמות מתח תרמי לזהות אזורים בסיכון גבוה לפני בניית אבטיפוס.אימות עם בדיקות רכיבה תרמיות מואצות עבור IPC-9701 או JESD22-A104. Monitor המשכיות חשמלית (למשל, daisy-שרשרת מתנגדים) לאורך כל הבדיקה כדי לזהות כשלים.

שקול באמצעות ספקטרוסקופיה התנגדות או מיקרוסקופיה אקוסטית לבדיקה לא הרסנית של יושרה משותפת מכר לאחר רכיבה על אופניים. להקליט נתונים בזמן-לfailure וליישם ניתוח Weibull כדי להעריך אמינות שדה. נתונים אלה גם להאכיל בחזרה ללולאות שיפור עיצוב.

מסקנה

רכיבה על אופניים נשאר גורם דומיננטי של תקלות בלוח מעגלים אלקטרוניים על פני תעשיות.המנגנונים העיקריים - עייפות משותפת מכרה, דלמנט, רכיב סדק, דף מלחמה, וקורוזיון - כולם נובעים מהעיוות הבסיסי באפקטים התפשטות תרמיים בין חומרים.הכרה בגורמים מאיצים את הנזק, כגון טווחי טמפרטורה רחב, רמפות מהירות, והתאמה חומרית גרועה, מאפשר מהנדסים לעצב יותר כמו ניגודיות חזקות.

מייגציה דורשת גישה הוליסטית: בחירת חומרים עם CTE, הפריסה וגאומטריה של כריית, תוך שימוש בשיטות הנמכרות ביותר, שליטה על הסביבה התפעולית, ואימות באמצעות בדיקות קפדניות.כפי טכנולוגיה דוחפת לעבר משקעים גבוהים יותר כוח וחשיפה סביבתית קשה יותר (כולל רכב מתחת לתחתית ואוויר קיצוניות), החשיבות של עמידות אופניים תרמיים רק גדל.

לקריאה נוספת, ה- 0 (Association Connecting Electronics Industries) FLT:1 מפרסם סטנדרטים מקיפים עבור תכנון ואמינות בדיקות, ותוכנית ה-FLT:2NASA NEPPINGFLT 3 מציעה דוחות ציבוריים על ביצועים משותפים הנמכרים תחת לחץ תרמומכאי, בנוסף, כתבי עת כגון FLT:4 Transactions on Constants,aging and Manufacturing for the Standards on the Standards and Industrial Analysis on the Function of thermo-Freative Research on the Function of thermo-Freative and Function of thermo-Fireative Research on the RETA.