Elektronik devre tahtaları, her modern elektronik cihazın temelidir, tüketici gadget'lardan görev-kırık havalimanları için güvenilirlikleri önemlidir, ancak performans ve yaşam boyu uzlaşmaya konu olabilirler. Bu makale, ortaya çıkan en çok tartışılan faktörler arasında, normal işlem veya çevresel maruz kalma sırasında meydana gelen tekrarlanan ısıtma ve soğutma.

Elektronikte Termal Bisikleti Anlamak

Termal bisiklet, tekrarlanan genişleme ve malzeme sözleşmelerini bir devre kurulu içindeki ısı dalgalanmaları olarak ifade eder. Bir cihazda güçler ve devre kurulunun kendi ısıtılır; ne zaman tasarruf eder veya çevre sıcaklığı azalır, özellikle de satılan arayüzler gibi arayüzler mekanik stres yaratır - silikon cips, bakır izler, satılan bağlar - farklı oranlarda borular ve sözleşmeleri.

Termal bisiklet iki geniş tipe sınıflandırılabilir: yavaş, düşük frekanslı bisiklet (örneğin, günlük tüketici elektronikinde çevrimler) ve hızlı, yüksek frekanslı bisiklet (örneğin, otomotiv alt-sırası ortamlarda ısı şoku). Yavaş döngüler, ürpertici ve stres rahatlamasına yol açan hızlı bir şekilde gerginliğe neden olabilir.

Uygulamada, termal bisiklet genellikle IPC-9701 veya JESD22-A104 gibi standartları kullanarak güvenilirlik testlerinde simülasyon yapılır. Bu testler, belirli bir sıcaklık aralığı üzerinde yüzlerce veya binlerce döngüye konu olur, tipik olarak --40C'ye +125°C'ye kadar, yaşlanmayı ve zayıf noktaları tanımlamak için.

Common Failure Modes Driven Tarafından Termal Bisiklet

Termal bisiklet fiziksel bozulma mekanizmalarının bir cascadesini tetikler. En yaygın başarısızlık modları, satılan ortak çatlakları, delaminasyon, bileşen yorgunluk, yönetim savaş sayfasını ve hızlandırılmış korozyonu içerir.

1. Solder Ortak Cracking ve Fatigue

Leydik eklemler bir devre kurulu toplantısında en termal olarak vurgulanan elementlerdir. Her iki elektrik bağlantısı ve mekanik eki bileşenler için sağlar. Sıcaklık döngüleri, genellikle kontrüksiyon (örneğin, bir seramik kapasitör veya BGA paketi) ve PCB (tipik olarak FR-4).

Şişmanlık çatlakları sürekli bisiklete devam etti, geçici temasa geçti, artan direniş ve sonunda açık devreler. Lead-free satıcılar, SAC305 (Sn-3.0Ag-0.5Cu), döngüde hasarları azaltmak için daha hassastır, çünkü sert ve daha az ürpertici ve daha az ürpertici-girişme büyüme oranı sıcaklık aralığına bağlıdır, zaman ve rampalar. Örneğin, yavaş rampalar stres rahatlamaya izin verir, çünkü IMC arayüzünde hasar verebilirler.

Çalışmalar:0)NASA Elektronik Parçalar ve Ambalaj (NEPP) programı), satılan ortak yaşamla ısınmış kompozisyona göre ölçeklendirmek için değişebilir, ped bitiş ve geometriye dayanan veriler doğru ped tasarımının (örneğin, satılan maske tanımlı pedleri kullanarak) ve kontrollü reflow profillerini genişleterek yaşam süresini genişletilebilir.

2. PCB Katmanlarının Delaminasyon

Çok katmanlı baskılı devreler bakır folyo ve dielektrik laminatlarının alternatif katmanlarından oluşur (örneğin, FR-4, poliimide veya BT reçinesi). Bu stresler, özellikle de tonlama (vertical) yönünden daha yüksek bir CTE'ye sahiptir.

Delaminasyon, sinyal bütünlüğünü engelleyerek bozar ve plakalı boşluklar (PTHs) veya bakır topraklar asansörü için kısa devreler içerir. Özellikle yüksek orandaki oranlarda ve kalın laminatlar ile ilgili sorun.

Malzeme seçimi önemli bir rol oynar. Polyimide- bazlı laminatlar daha düşük performans hızı CTE ve daha yüksek cam geçiş sıcaklığı (Tg) standart FR-4'ten daha fazla standartta incelemeye dayanıklı hale getirebilir. Aşırı ısılı bisiklet için, hidrokarbon seramik kompozitleri veya şampuan bazlı laminatlar gibi gelişmiş malzemeler gerekli olabilir.

3. Kompucu Fatigue ve Kurşun Breakage

Yüzey temel bileşenleri, özellikle büyük BGAs, QFNs ve seramik kapasitörler, sıcaklık değişiklikleri sırasında tahta flexleri ve bükülmeleri deneyimleyin. seramik multikat kapasitörler (MLCC) için, bu çatlaklar arasındaki yanlış eşleştirme hemen hemen neden olmayabilir ve elektrokimyasal göçebe izin verebilir.

Ayrıca yol açan delik bileşenleri de acı çekiyor. Bakır, konektörlerin ve rölelerin bacaklarının tekrarlanan döngülerden sonra iş-harden ve yorgunluk-raktalitenin daha yüksek olması, liderlik materyalinin gemiden farklı bir CTE'ye sahip olması veya yeterli desteklenmemesi durumunda. Otomotiv elektroniklerinde, alt-kullanış sıcaklıklarının 40°C'den 150 °C'ye kadar hızlanabilir.

4. Kurul War page and Deformation

Termal bisiklet sadece bireysel malzemeler arasında değil, aynı zamanda tahtanın yüzeyinde de farklı genişlemeye yol açıyor.Eğer bir taraf diğerinden daha hızlı ısı veya serinler, ya da asimetrik bakır dağıtımları varsa, tahta (camber veya bükülme) Depolamada sorunlara neden olabilir.

War page ince tahtalar, büyük panel boyutları ve dengesiz bakır dökmeleri tarafından tartışılmıştır. Tasarım yönergelerinden yararlanılan elektronik standartlar), bakır dengesinin üstlenebilirlik uygulamaları için kullanılmasını tavsiye eder.

5. Korozyon ve Elektrokimyasal Göç

Sıcaklık ve nem bisiklet birkaç şekilde korozyonu hızlandırdı. Tekrarlanan kondensasyon ve buharlaşma döngüleri, özellikle de uygun kaplama başarısız olursa, metal yüzeylere maruz kalma nemi tanıtmak için ne kadar nem sağlayabilir. klorin ve sulfur kirleticileri çevreden veya üretim kalıntıları, elektrokimyasal göç (ECM) Tin viskileri de ısıtacak çözümleri oluşturmak için bir araya getirebilir.

Termal bisiklet ayrıca, galvanic korozyonu, retoriler metallerin kesişmelerini hızlandırabilir, örneğin ENIG (electroless nikel immersion gold) yüzey bitirmek. Tekrarlanan genişleme ve kontrat, nikeli koror edici ajanlara maruz bırakabilir.

Termal Bisiklet Başarısızlığı Olan Faktörler

Tüm devre kurulları aynı oranda başarısız değildir. Termal bisiklet hasarının ciddiyetleri maddi özelliklere, satılan kaliteye, tasarım seçeneklerine ve işletim ortamına bağlıdır.Bu faktörler, mühendislerin yaşam boyu tahmin etmesini ve hedefli gelişmeleri gerçekleştirmelerini sağlar.

Malzeme Özellikleri ve CTE Mismatch

En kritik faktör, montajdaki malzemeler arasında termal genişleme katlarında farktır.Bir silikonun CTE'si yaklaşık 2.6 ppm /°C'dir, tipik bir FR-4 kurulunun 14-17 ppm/°C'nin CTE'si ve 50-70 ppm/°C'nin CTE'si ile getirilen bir ortaktır.

Seramik veya sıvı kristal polimer gibi alt CTE ile alt kaplama malzemeleri (LCP), silikon bileşenleri ile yanlış bir eşleşmeyi azaltabilir ve diğer ticari sürümlere sahip olabilir. Yapıştırıcılar ve yeraltı depoları da stres ve yorgunluk hayatını artırmak için kullanılabilir.

Solder Quality and Piano

Voiding, yetersiz wetting, ve yanlış geri dönüşümlü profiller tüm düşük ortak gücü azaltır. Büyük boşluklar da çatlakları çatlak siteleri olarak hareket eder: SAC305, son endüstri araştırmalarında gösterilen elementlerle daha fazla yorulmaya dayanıklıdır.

Design Geometry and Layoutoutout

Yüksek bileşen yoğunluğu, büyük BGA paketleri ve küçük saha (0.4 mm veya daha az) stres.Bir paketteki ortaklar en fazla gerginlik yaşayabilir, çünkü yönetim kurulu ve paketi merkezin yüzeyinden yayılabilir.

Ortam ve Üst Parametreleri İşletim

Daha geniş sıcaklık hızları, daha kısa zamanlar ve daha hızlı rampa oranları ile hızlanır. Örneğin, yılda 1000 döngü hayatta kalan bir tasarım, bir veri merkezi sunucusu sadece birkaç düzine test edildiğinden daha az 200 döngüde başarısız olabilir.

Termal Bisiklet Güvenilirliği Için Stratejileri

Başarısız mekanizmaları anlamakla, mühendisler risk azaltmak için kasıtlı adımlar atabilirler. Tüm uygulamalar için tek bir çözüm işe yaramıyor; malzeme, tasarım ve süreç iyileştirmeleri genellikle gereklidir. Aşağıda kategori tarafından organize edilen kanıtlanmış stratejiler vardır.

Malzeme Seçimi

CTE değerleri ile PCB laminatları, yüksek çözünürlük uygulamaları için, poliimide (CTE ⁇ 12-14 ppm/°C in-plane) veya yüksek-Tg FR-4 düşük performanslı genişleyen yüzeyler için, bazı yetkililer silikon ölüye düşük bir CTE amplifikatör kullanarak bir substratı kullanın (örneğin, seramik BGA substratları CTE ⁇ 6-8 ppm /°C) Ayrıca, iyi bir alaşım ile satış yapar.

Depolama malzemeleri, bileşen ve yönetim kurulu arasında gerginlik ve dağıtma için uygulanabilir. Depolama altında Capillary CSP ve BGAs için yaygındır, ancak dolum seviyesindeki akışlar kullanılmamaktadır.

Tasarım Optimizasyonu

ped geometrisini optimize edin: BGAs için, daha düşük stres konsantrasyonlarını artırmak için köşeli masaları kullanın.Kaçlanmış maskeli (NSMD) pedleri kullanın, çünkü Windows pedleri tahtada daha fazla ısıtıp çatlakları azaltır.

Instri stres-relief, büyük bileşenlere yakın slot veya esnek sertleştirici özellikler gibi özellikleri sunar.For through- delük konektörleri için, ısıtmalı çatılar altında bükmeye olanak sağlar. Board yığınları savaş sayfalarını en aza indirmek için simetrik olmalıdır.

En İyi Uygulamaların Satılması

Doğru profilli bir reflow fırında yatırım yapın. Üst ısıyı ve zamanı sıvıus'un üzerindeki zaman boyunca korelasyon ve iyileştirmeyi sağlamak için nitro atmosferi kullanın.Görüntülerden ve bileşenleri kaldırmak için ön akış fırın kullanın, popcorning ve boşlukları önlemek için.

Önünde ücretsiz satış yapmak için, soğutma oranına özel dikkat edin - daha yavaş soğutma daha büyük tahıllar ve daha zayıf eklemler teşvik eder, hızlı soğutma çatlaklara neden olabilir. alaşımın kompozisyonu XRF analizi ile kirlenmemesini sağlamak için doğrulanmalıdır.

Çevre Kontrolleri ve Mekanik Destek

Son kullanım ürünü, nem, toz ve koreal gazlar için korumak için uygun kaplama kullanın. iyi niyetli bir kaplama (örneğin, akrilik, silikon veya parylene) korozyon ve ECM azaltır. Eğer termal bisiklet aşırı ise, mekanik destek sağlayan ve hatta ısı dağılımı sağlayan düşük bir malzemeden oluşan tüm montajı düşünün.

Kuvvetli soğutma, sıcaklık hızının amplitüdünü azaltabilir. Yüksek güç elektroniklerinde, ısı batağı, fanlar veya sıvı soğutma daha sabit bir sıcaklık tutar, zarar verme döngülerinin sayısını azaltır. Aynı şekilde, ısı kaynaklarından hassas bileşenleri azaltır.

Test ve Geçerlilik

Tasarım aşamasında erken, termal stresi simüle etmek ve prototipleri inşa etmeden yüksek riskli alanları tanımlamak için sonlu elemanlar analizi (FEA) kullanın. IPC-9701 veya JESD22-A104. Kontrol elektrik sürekliliği (örneğin, barajlar) test boyunca, 2000 veya daha fazla çevrim için test yapın ve çatlakları incelemek için kesit analizi yapın.

Gezinti sonrası ortak bütünlüğün yok edici inceleme için direnç spektroskopi veya akustik mikroscopy kullanmayı düşünün. Rekor zaman-failure verileri kaydetmek ve Weibull analizlerini alan güvenilirliğini tahmin etmek için uygulayın.Bu veriler aynı zamanda tasarım iyileştirme döngülerine geri beslemektedir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Termal bisiklet endüstriler arasındaki elektronik devre yönetim kurulu başarısızlıklarının baskın nedenidir. birincil mekanizmalar - ortak yorgunluk, delaminasyon, bileşen çatlakları, savaş sayfaları ve korozyon - tüm malzemeler arasındaki temel yanlış uyumlardan kaynaklanmaktadır. Geniş sıcaklık aralıkları, hızlı rampaları ve zayıf malzeme uyumluluğu gibi faktörleri tanımak, mühendisler daha sağlam toplantıları tasarlamaya olanak sağlar.

Mitigation, tümleşik bir yaklaşım gerektirir: Eşleştirilmiş CTE, optimizasyon düzeni ve ped geometrisi ile malzeme seçmek, en iyi satılan uygulamaları kullanmak, işletim ortamını kontrol etmek ve titiz test yoluyla doğrulamayı gerektirir. Teknoloji yüksek enerji kesintilerine ve sert çevresel maruziyetlere doğru itmek (kahkadar ve havacılık aşırı uçlarına dahil olmak üzere), ısınıcı alaşımların önemi sadece büyür.

Daha fazla okuma için, [[Üyetim:0)IPC (Association Connecting Electronics Industries)), tasarım ve güvenilirlik testleri için kapsamlı standartlar yayınlar ve ) ISPP programı), termomekanik stres altında halka açık ortak performans hakkında kamu raporları sunar. Ek olarak, IEEE gerçek dünyanın bileşenleri, Ambalaj ve İmalat Teknolojisi ile ilgili kapsamlı standartlar yayınlar.).