Testes de confiabilidade de placas de circuito impresso (PCBs) em altas e baixas temperaturas: verificação da vida útil da placa sob estresse térmico.

As placas de circuito impresso (PCBs) são compostas por substratos de epóxi/poliimida, folhas de cobre, soldas, componentes cerâmicos e outros materiais heterogêneos, e o coeficiente de expansão térmica (CTE) dos diferentes materiais varia bastante: o CTE do cobre é de cerca de 17 ppm/°C, o CTE do substrato de resina epóxi é de 13 a 50 ppm/°C, o CTE da solda é de cerca de 25 ppm/°C e o CTE dos componentes cerâmicos é de apenas 6 a 8 ppm/°C. Quando a temperatura ambiente muda, os materiais se expandem ou contraem em taxas diferentes, gerando tensões de cisalhamento e tração na junção da interface. Mudanças de temperatura de curto prazo causam menos tensão e não provocam falhas óbvias, mas ciclos repetidos de temperatura a longo prazo continuarão a acumular tensão, levando eventualmente a danos por fadiga na PCB, que é o princípio fundamental dos testes de alta e baixa temperatura. envelhecimento acelerado por fadiga térmica.

 

Os testes de temperatura em placas de circuito impresso (PCBs) em altas e baixas temperaturas são divididos principalmente em duas categorias: teste de ciclagem de temperatura e testes de choque térmico (frio e calor)Existem diferenças óbvias na resistência ao estresse e nos cenários de aplicação entre os dois. O teste de ciclo térmico é o método de verificação de alta e baixa temperatura mais comumente usado. O equipamento de teste é uma câmara de teste de alternância de alta e baixa temperatura, onde, por meio de um programa, a temperatura é controlada para alternar lentamente entre faixas de alta e baixa temperatura. A taxa de aumento e queda de temperatura é geralmente de 1 a 5 °C/min, e o tempo de permanência em cada zona de temperatura é de 15 a 30 minutos, simulando as variações de temperatura causadas pela partida e parada do equipamento e pela mudança das estações do ano. A faixa de temperatura geral da indústria é de -40 °C a 125 °C, com um número de ciclos de 500 a 1000 vezes. Para eletrônicos de consumo, pode-se simplificar para -20 °C a 85 °C, enquanto a eletrônica automotiva precisa atender aos requisitos rigorosos de -55 °C a 150 °C.

 

O teste de choque térmico e a frio é uma verificação de estresse térmico extremo, permitindo que a placa de circuito impresso (PCI) alterne rapidamente entre alta temperatura (125 °C) e baixa temperatura (-55 °C) através de uma câmara de teste de impacto de duas ou três caixas, com um tempo de conversão inferior a 1 minuto. Isso aplica instantaneamente um enorme estresse termomecânico e acelera a detecção de potenciais defeitos na PCI. Este teste é usado principalmente em condições de trabalho extremas, como em PCIs de aplicações militares, aeroespaciais e em compartimentos de motores automotivos, e pode rapidamente identificar produtos com estabilidade térmica insuficiente. O ciclo de teste é muito mais curto do que o ciclo de temperatura, mas os danos à PCI também são mais severos.

 

O sistema padrão da indústria para testes de alta e baixa temperatura é completo, incluindo IPC-TM-650 2.6.7 (método de teste de ciclagem térmica de PCBs), JEDEC JESD22-A104 (padrão de ciclagem térmica de juntas de solda de semicondutores e PCBs), IEC 60068-2-14 (teste de variação de temperatura); as normas nacionais incluem GB/T 2423.22 (teste alternado de alta e baixa temperatura) e GJB 150.3A (teste de alta/baixa temperatura para equipamentos militares). A norma específica para eletrônica automotiva é a AEC-Q104, que especifica claramente os parâmetros de teste de alta e baixa temperatura e os critérios de falha de PCBs automotivos, sendo o requisito mínimo para PCBs de veículos de nova energia.

 

O processo de teste segue rigorosamente as etapas padronizadas: primeiro, a amostra é pré-testada, os valores iniciais de resistência em condução, resistência de isolamento e impedância da placa de circuito impresso (PCI) são registrados usando um multímetro e um testador LCR, e a inspeção visual e a varredura por raios X são usadas para confirmar a ausência de trincas iniciais nas juntas de solda ou defeitos no substrato; em seguida, a PCI é fixada na câmara de teste para evitar deslocamentos durante o teste, e a faixa de temperatura, a taxa de aumento e diminuição da temperatura e o número de ciclos são definidos de acordo com a norma. Durante o teste, as alterações no desempenho elétrico podem ser registradas em tempo real por meio do equipamento de monitoramento online, e um teste abrangente é realizado após a conclusão do teste, incluindo inspeção visual (bolhas na máscara de solda, delaminação do substrato, trincas nos componentes), inspeção por raios X (juntas de solda BGA, trincas internas nos furos passantes) e teste de desempenho elétrico (taxa de variação de resistência ≤5%, resistência de isolamento ≥100MΩ).

 

Os modos de falha típicos de PCBs em ambientes de alta e baixa temperatura concentram-se principalmente em três partes: juntas de solda, furos passantes e substratosSob o estresse do ciclo térmico, a interface entre a almofada de solda e a solda fica propensa a microfissuras e, com o aumento do número de ciclos, as fissuras continuam a se expandir, eventualmente levando à ruptura da junta de solda, especialmente nas juntas de solda de dispositivos encapsulados, como BGA e QFN, que são mais suscetíveis a falhas devido à concentração de tensão. A falha de furos passantes em PCBs multicamadas está relacionada a diferentes linhas de camadas internas, e a tensão axial gerada pela expansão e contração térmica puxa o furo de cobre, resultando em fissuras na camada de cobre e ruptura da linha. As falhas do substrato incluem delaminação da resina, fratura da fibra de vidro e descolamento da máscara de solda, principalmente devido à seleção inadequada do substrato ou a defeitos no processo de prensagem.

 

Para solucionar o problema de falhas em altas e baixas temperaturas, a otimização da confiabilidade pode ser feita em três aspectos: projeto, material e processo. Em termos de seleção de materiais, PCBs de alta confiabilidade utilizam substratos de alta frequência e alta velocidade com baixo coeficiente de expansão térmica (CTE), como os materiais de alta frequência da Rogers e da Shengyi, para reduzir as diferenças de expansão térmica. As juntas de solda são feitas com ligas de solda de maior tenacidade, e o projeto das ilhas de solda é otimizado para aumentar a área de tensão da junta. Em termos de projeto estrutural, evita-se a colocação de componentes de grande porte em áreas de concentração de tensão na PCB, adicionam-se reforços ou furos de fixação e reduz-se a amplitude da deformação térmica. Os furos passantes são projetados com cobre espesso e furos cegos para melhorar a resistência à tração. Em termos de tecnologia de processo, a temperatura e a pressão de prensagem são rigorosamente controladas para garantir a força de ligação entre as camadas do substrato, otimizar a curva de temperatura da soldagem por refluxo e reduzir a tensão residual dentro da junta de solda.

 

Com o desenvolvimento da integração de PCBs de alta densidade, os desafios de confiabilidade em altas e baixas temperaturas para placas 3D-MID, placas rígidas-flexíveis e PCBs ultrafinas estão se intensificando. O coeficiente de expansão térmica (CTE) das regiões rígidas e flexíveis das placas rígidas e rígidas coladas é muito diferente, e a ruptura da ligação é propensa a ocorrer sob ciclos térmicos. A rigidez do substrato das PCBs ultrafinas é insuficiente, sendo propensa a empenamento e deformação em altas temperaturas, afetando a estabilidade da soldagem dos componentes. Para essas novas PCBs, os parâmetros de teste em altas e baixas temperaturas precisam ser personalizados, utilizando taxas de aumento e diminuição de temperatura mais suaves, aumentando o número de ciclos e garantindo sua estabilidade em ambientes de temperatura extrema.

 

Os testes de alta e baixa temperatura não são apenas um meio de verificar a qualidade do produto, mas também uma base importante para a otimização de P&D. A análise de falhas pode localizar com precisão defeitos de materiais e processos e orientar as melhorias no projeto da placa de circuito impresso (PCB) de forma inversa.