Uno studio rivela le modalità di guasto dei PCB nei test a bassa temperatura

Nell'odierna industria elettronica in rapida evoluzione, i circuiti stampati (PCB) fungono da spina dorsale dei dispositivi moderni. Poiché le apparecchiature elettroniche diventano sempre più sofisticate, garantire le prestazioni e l'affidabilità dei PCB in condizioni estreme è diventato fondamentale. I test di ciclo termico sono emersi come una misura di garanzia della qualità indispensabile, simulando le severe variazioni di temperatura che i PCB possono incontrare durante il funzionamento.

I test di ciclo termico sottopongono i campioni di PCB ad ambienti con temperature alte e basse alternate, replicando le condizioni operative del mondo reale. Questo test di stress accelerato aiuta a identificare potenziali punti deboli nei materiali, nella costruzione e nelle prestazioni elettriche prima che i prodotti raggiungano il mercato.

Il principio alla base dei test di ciclo termico sfrutta le proprietà di espansione termica dei materiali. Diversi componenti dei PCB, inclusi substrati, piste di rame, giunti di saldatura e dispositivi montati, possiedono coefficienti di espansione termica unici. Quando sottoposti a fluttuazioni di temperatura, questi tassi di espansione non corrispondenti generano complesse sollecitazioni interne che possono portare all'affaticamento o al guasto del materiale.

Gli scopi chiave della valutazione del ciclo termico includono:

• Valutazione della stabilità del materiale e dell'integrità strutturale in caso di rapidi cambiamenti di temperatura
• Valutazione dell'affidabilità delle prestazioni elettriche in condizioni di temperatura estreme
• Identificazione di difetti latenti nella progettazione, nella produzione o nella selezione dei materiali
• Fornire informazioni basate sui dati per l'ottimizzazione del prodotto

Un tipico protocollo di ciclo termico prevede:

1. Preparazione e condizionamento del campione
2. Configurazione dei parametri (intervallo di temperatura, velocità di transizione, conteggio dei cicli)
3. Ciclo controllato con monitoraggio in tempo reale
4. Analisi completa dei guasti
5. Report e raccomandazioni

Il ciclo termico espone diversi potenziali meccanismi di guasto nei PCB:

Le interconnessioni saldate rappresentano punti deboli critici durante lo stress termico. I principali tipi di guasto includono:

Fessurazione da fatica termica: Cicli ripetuti di espansione/contrazione creano microfessure che si propagano attraverso i giunti di saldatura, in particolare alle interfacce dei terminali dei componenti. La selezione dei materiali, la geometria dei giunti e i parametri di temperatura influenzano in modo significativo questa modalità di guasto.

Corrosione da ossidazione: Le temperature elevate accelerano l'ossidazione sulle superfici di saldatura, degradando la resistenza meccanica e la conduttività elettrica. Il controllo dell'umidità e i rivestimenti protettivi aiutano a mitigare questo problema.

Fragilità del composto intermetallico (IMC): La crescita eccessiva di strati IMC fragili tra la saldatura e i metalli del substrato riduce la durata del giunto. I controlli di processo e la compatibilità dei materiali sono fattori chiave di prevenzione.

I substrati PCB multistrato subiscono la separazione tra gli strati di materiale a causa di:

Mancata corrispondenza dell'espansione termica: Tassi di espansione diversi tra le resine epossidiche e il rinforzo in fibra di vetro creano sollecitazioni interfacciali. La selezione dei materiali e l'ottimizzazione del rapporto possono ridurre al minimo questo effetto.

Difetti di fabbricazione: Vuoti, impurità o pressione di laminazione inadeguata creano punti deboli soggetti a separazione. I controlli di processo e l'ispezione della qualità prevengono questi problemi.

Assorbimento di umidità: I materiali igroscopici si gonfiano se esposti all'umidità, esacerbando le sollecitazioni termiche. I substrati resistenti all'umidità e i rivestimenti protettivi forniscono soluzioni.

Vari dispositivi montati su PCB mostrano guasti legati alla temperatura:

Guasti dei semiconduttori: I circuiti integrati subiscono fessurazioni indotte da stress termico, invecchiamento accelerato e penetrazione di umidità. La corretta selezione, il raffreddamento e l'incapsulamento preservano la funzionalità.

Guasti dei condensatori: L'essiccazione elettrolitica, la rottura dielettrica e la fessurazione dell'involucro affliggono i condensatori durante il ciclo termico. I componenti con classificazione di temperatura e i controlli ambientali prolungano la durata utile.

Guasti dei resistori: La degradazione del film, l'ossidazione dei terminali e le fratture dell'involucro influiscono sui resistori. La selezione dei materiali e la gestione delle condizioni operative prevengono guasti prematuri.

I percorsi conduttivi sui PCB possono sviluppare crepe a causa di:

Fatica termica: Cicli ripetuti di espansione/contrazione affaticano le piste di rame, in particolare nei punti di concentrazione delle sollecitazioni. L'ottimizzazione della progettazione e la selezione dei materiali migliorano la durata.

Stress meccanico: Le vibrazioni durante l'installazione, il trasporto o il funzionamento possono fratturare le piste. La corretta manipolazione e le tecniche di montaggio prevengono i danni.

Corrosione ambientale: L'umidità e gli agenti contaminanti degradano la conduttività del rame. Le finiture protettive e i controlli ambientali mantengono l'integrità delle piste.

Misure proattive possono migliorare significativamente le prestazioni termiche dei PCB:

Pratiche di layout ponderate, analisi della compatibilità dei materiali e soluzioni di gestione termica costituiscono le fondamenta di progetti affidabili. Le considerazioni chiave includono la distribuzione delle sollecitazioni, il posizionamento dei componenti e la dissipazione del calore.

Controlli di laminazione di precisione, tecniche di saldatura avanzate e trattamenti superficiali garantiscono una qualità costante. I protocolli di convalida del processo e di ispezione verificano l'integrità della produzione.