PCB中如何防止熱循環(huán)失效故障

每個(gè)電子設(shè)備都有額定壽命，但是由于機(jī)械沖擊，熱沖擊和振動(dòng)，仍可能會(huì)發(fā)生過早故障。熱循環(huán)只是振動(dòng)的熱模擬-反復(fù)的機(jī)械應(yīng)力作用于PCB中的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致疲勞和故障。反復(fù)進(jìn)行熱循環(huán)后，溫度升高和體積膨脹的后期會(huì)導(dǎo)致機(jī)械故障。

熱循環(huán)電阻不是可以測(cè)量的特定物理性質(zhì)。取而代之的是，它只是指電子設(shè)備承受熱循環(huán)的能力。組件必須遵守其絕對(duì)的最高溫度額定值，但是反復(fù)的熱循環(huán)會(huì)導(dǎo)致兩種PCB結(jié)構(gòu)（焊料和過孔）出現(xiàn)故障。讓我們看一下這些結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)如何產(chǎn)生熱故障，以及如何防止熱故障。

通孔是一種結(jié)構(gòu)，在反復(fù)的熱循環(huán)下容易出現(xiàn)疲勞破壞和斷裂。盡管這些結(jié)構(gòu)在極端溫度下容易斷裂，但如何防止熱循環(huán)失效是通孔的機(jī)械設(shè)計(jì)。正確的基材材料的選擇還有助于提高熱可靠性。這些點(diǎn)適用于HDI板中的高長(zhǎng)寬比過孔和盲孔/埋孔。

就像焊球可靠性一樣，由于銅和基板的CTE值不匹配，也會(huì)導(dǎo)致熱循環(huán)失效。FR4是各向異性材料，垂直于板表面的CTE值為?70 ppm /°C；請(qǐng)注意，這與沿表面的CTE值（?13 ppm /°C）不同。為了進(jìn)行比較，銅的CTE值為?16 ppm /°C。這意味著，當(dāng)板加熱到高溫時(shí)，應(yīng)力主要沿著通孔的軸線承受，如下圖所示。

由于基板的熱膨脹而在通孔上施加力

上圖顯示了在鍍通孔上的作用力，但對(duì)于盲孔或埋入式微孔也可以繪制類似的示意圖。該應(yīng)力的影響取決于通孔的幾何形狀，尤其取決于通孔的縱橫比和結(jié)構(gòu)。應(yīng)力集中的位置還取決于通孔沉積和電鍍方法，這涉及從溶液中沉積。

盲孔和埋孔微孔

盲孔在通孔的頸部附近的鍍層稍薄。這是表層上盲孔的主要斷裂點(diǎn)，擴(kuò)展的基板在該處向上頂住通孔的頸部。堆疊的盲孔和掩埋微孔在堆疊的界面處容易斷裂。換句話說，掩埋通孔的頸部區(qū)域可以與其上方的通孔底部分開，從而產(chǎn)生高電阻連接或開路。

IPC最近發(fā)布了將被納入IPC 6012E標(biāo)準(zhǔn)的可靠性警告，并且在制造過程中必須評(píng)估盲孔和埋孔的可靠性問題。為確保制造過程中的可靠性，IPC-TM-650（方法2.6.27）中的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法要求測(cè)試試樣應(yīng)經(jīng)受正常的錫膏回流焊，以使其達(dá)到230°C或260°C的峰值溫度。 C連接至4線電阻探頭時(shí)，可獲得六個(gè)完整的回流曲線。只要在此重復(fù)的回流曲線期間電阻增加不超過5％，就可以認(rèn)為該板具有足夠的熱循環(huán)電阻才能投入使用。

高長(zhǎng)寬比通孔

當(dāng)在制造過程中沉積典型的通孔或掩埋的電鍍通孔時(shí)，電鍍液會(huì)發(fā)生毛細(xì)作用。當(dāng)將板浸入電鍍液中并且銅開始沿過孔壁沉積時(shí)，表面張力會(huì)影響如何將電鍍液吸入通孔中。如果在沉積過程中未充分?jǐn)嚢韬蛿噭?dòng)電鍍液，則由于形成彎液面，銅前驅(qū)體在通孔桶中心附近消耗得更快。

這導(dǎo)致通孔桶的中心區(qū)域的電鍍層比通孔頸部的電鍍層薄。如果通孔的縱橫比較大，則通孔內(nèi)部的銅涂層將更薄。一旦基板在高溫下膨脹，通孔的中心將承受更大的應(yīng)力集中，并且更容易破裂。

這里有三種可能的解決方案，涉及設(shè)計(jì)和制造：

使用寬高比較小的通孔。對(duì)于更長(zhǎng)的通孔，這僅意味著增大通孔直徑。

使用CTE值接近銅的PCB基板。對(duì)于某些設(shè)計(jì)，例如需要低損耗層壓板的高速設(shè)計(jì)，您可能需要折衷其他基板材料的性能以降低CTE值。

確保您的制造商在攪拌下使用粘度較低的鍍液，以在通孔桶和頸部中更均勻地沉積銅鍍層。

焊接可靠性

就像振動(dòng)疲勞會(huì)在焊球中產(chǎn)生機(jī)械故障一樣，熱循環(huán)也會(huì)如此。當(dāng)焊點(diǎn)的溫度升高到很高的水平時(shí)，焊錫的膨脹速率比基材低，但所涉及的力很難預(yù)測(cè)。焊球中的應(yīng)力集中更容易預(yù)測(cè)，并且有限元方法（FEM）模型顯示應(yīng)力集中在焊球的頂部和底部附近，從而導(dǎo)致斷裂。

只要焊點(diǎn)足夠牢固且具有延展性，該焊點(diǎn)就能夠承受反復(fù)的熱循環(huán)。這意味著制造商需要解決任何可能影響焊點(diǎn)強(qiáng)度和延展性的因素。這些包括腐蝕，潤(rùn)濕不足，焊錫不足以及只能由制造商解決的其他因素。在準(zhǔn)備進(jìn)行制造設(shè)計(jì)時(shí)，請(qǐng)確保制造商了解電路板上的熱環(huán)境，以防止在反復(fù)熱循環(huán)下焊點(diǎn)失效。
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