مطالعات نشان می دهد حالت شکست PCB در آزمایشات دمای بالا

در صنعت الکترونیک که به سرعت در حال تحول است، بردهای مدار چاپی (PCB) به عنوان ستون فقرات دستگاه‌های مدرن عمل می‌کنند. با پیشرفت روزافزون تجهیزات الکترونیکی، اطمینان از عملکرد و قابلیت اطمینان PCBها در شرایط سخت، اهمیت بالایی پیدا کرده است. آزمایش‌های چرخه حرارتی به عنوان یک اقدام تضمین کیفیت ضروری ظاهر شده‌اند و تغییرات دمایی شدیدی را که PCBها ممکن است در حین کار با آن مواجه شوند، شبیه‌سازی می‌کنند.

آزمایش‌های چرخه حرارتی، نمونه‌های PCB را در معرض محیط‌های متناوب با دمای بالا و پایین قرار می‌دهند و شرایط عملیاتی دنیای واقعی را تکرار می‌کنند. این آزمایش استرس تسریع‌شده به شناسایی نقاط ضعف احتمالی در مواد، ساخت و عملکرد الکتریکی قبل از رسیدن محصولات به بازار کمک می‌کند.

اصل اساسی آزمایش‌های چرخه حرارتی، از خواص انبساط حرارتی مواد استفاده می‌کند. اجزای مختلف PCB - از جمله زیرلایه‌ها، ردیابی‌های مسی، اتصالات لحیم‌کاری و دستگاه‌های نصب‌شده - دارای ضریب انبساط حرارتی منحصربه‌فردی هستند. هنگامی که در معرض نوسانات دما قرار می‌گیرند، این نرخ‌های انبساط نامتناسب، تنش‌های داخلی پیچیده‌ای ایجاد می‌کنند که می‌تواند منجر به خستگی یا خرابی مواد شود.

اهداف کلیدی ارزیابی چرخه حرارتی عبارتند از:

• ارزیابی پایداری مواد و یکپارچگی ساختاری تحت تغییرات سریع دما
• ارزیابی قابلیت اطمینان عملکرد الکتریکی در دماهای شدید
• شناسایی نقص‌های پنهان در طراحی، ساخت یا انتخاب مواد
• ارائه بینش‌های مبتنی بر داده برای بهینه‌سازی محصول

یک پروتکل چرخه حرارتی معمولی شامل موارد زیر است:

1. آماده‌سازی و آماده‌سازی نمونه
2. پیکربندی پارامتر (محدوده دما، نرخ انتقال، تعداد چرخه)
3. چرخه‌زنی کنترل‌شده با نظارت بی‌درنگ
4. تجزیه و تحلیل جامع خرابی
5. گزارش‌دهی و توصیه‌ها

چرخه حرارتی چندین مکانیسم خرابی احتمالی را در PCBها آشکار می‌کند:

اتصالات لحیم‌کاری نقاط ضعف حیاتی در طول تنش حرارتی را نشان می‌دهند. انواع خرابی اولیه عبارتند از:

ترک خوردگی خستگی حرارتی: چرخه‌های انبساط/انقباض مکرر، ریزترک‌هایی ایجاد می‌کنند که از طریق اتصالات لحیم‌کاری، به‌ویژه در رابط‌های سرب اجزا، گسترش می‌یابند. انتخاب مواد، هندسه اتصال و پارامترهای دما، تأثیر قابل‌توجهی بر این حالت خرابی دارند.

خوردگی اکسیداسیون: دمای بالا، اکسیداسیون را در سطوح لحیم‌کاری تسریع می‌کند و استحکام مکانیکی و رسانایی الکتریکی را کاهش می‌دهد. کنترل رطوبت و پوشش‌های محافظ به کاهش این مشکل کمک می‌کند.

شکنندگی ترکیب بین فلزی (IMC): رشد بیش از حد لایه‌های IMC شکننده بین لحیم‌کاری و فلزات زیرلایه، دوام اتصال را کاهش می‌دهد. کنترل‌های فرآیند و سازگاری مواد، عوامل کلیدی پیشگیری هستند.

زیرلایه‌های PCB چند لایه، جدایی بین لایه‌های مواد را تجربه می‌کنند که به دلیل:

عدم تطابق انبساط حرارتی: نرخ‌های انبساط متفاوت بین رزین‌های اپوکسی و تقویت‌کننده فایبرگلاس، تنش‌های بین سطحی ایجاد می‌کنند. انتخاب مواد و بهینه‌سازی نسبت می‌تواند این اثر را به حداقل برساند.

نقص‌های تولید: فضاهای خالی، ناخالصی‌ها یا فشار لمیناسیون ناکافی، نقاط ضعفی ایجاد می‌کنند که مستعد جدایی هستند. کنترل‌های فرآیند و بازرسی کیفیت از این مشکلات جلوگیری می‌کند.

جذب رطوبت: مواد رطوبت‌گیر هنگام قرار گرفتن در معرض رطوبت متورم می‌شوند و تنش‌های حرارتی را تشدید می‌کنند. زیرلایه‌های مقاوم در برابر رطوبت و پوشش‌های محافظ راه‌حل‌هایی ارائه می‌دهند.

دستگاه‌های مختلف نصب‌شده روی PCB، خرابی‌های مرتبط با دما را نشان می‌دهند:

خرابی‌های نیمه‌رسانا: مدارهای مجتمع از ترک خوردگی ناشی از تنش حرارتی، پیری تسریع‌شده و نفوذ رطوبت رنج می‌برند. انتخاب، خنک‌سازی و محصور کردن مناسب، عملکرد را حفظ می‌کند.

خرابی‌های خازن: خشک شدن الکترولیتی، شکست دی‌الکتریک و ترک خوردن بسته‌ها، خازن‌ها را در طول چرخه حرارتی آزار می‌دهد. اجزای دارای درجه حرارت و کنترل‌های محیطی، عمر مفید را افزایش می‌دهند.

خرابی‌های مقاومت: تخریب فیلم، اکسیداسیون ترمینال و شکستگی بسته‌ها بر مقاومت‌ها تأثیر می‌گذارد. انتخاب مواد و مدیریت شرایط عملیاتی از خرابی زودرس جلوگیری می‌کند.

مسیرهای رسانا در PCBها ممکن است به دلیل موارد زیر دچار ترک شوند:

خستگی حرارتی: چرخه‌های انبساط/انقباض مکرر، ردیابی‌های مسی را خسته می‌کند، به‌ویژه در نقاط تمرکز تنش. بهینه‌سازی طراحی و انتخاب مواد، دوام را بهبود می‌بخشد.

تنش مکانیکی: نصب، حمل و نقل یا لرزش‌های عملیاتی می‌تواند ردیابی‌ها را بشکند. روش‌های جابجایی و نصب مناسب از آسیب جلوگیری می‌کند.

خوردگی محیطی: رطوبت و آلاینده‌ها رسانایی مس را کاهش می‌دهند. پوشش‌های محافظ و کنترل‌های محیطی، یکپارچگی ردیابی را حفظ می‌کنند.

اقدامات فعالانه می‌توانند عملکرد حرارتی PCB را به طور قابل‌توجهی بهبود بخشند:

روش‌های چیدمان متفکرانه، تجزیه و تحلیل سازگاری مواد و راه‌حل‌های مدیریت حرارتی، اساس طرح‌های قابل اعتماد را تشکیل می‌دهند. ملاحظات کلیدی شامل توزیع تنش، قرارگیری اجزا و اتلاف گرما است.

کنترل‌های لمیناسیون دقیق، تکنیک‌های لحیم‌کاری پیشرفته و عملیات سطحی، کیفیت ثابتی را تضمین می‌کنند. پروتکل‌های اعتبارسنجی فرآیند و بازرسی، یکپارچگی تولید را تأیید می‌کنند.