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PCB设计的热冲击可靠性测试


让任何东西在很短的时间内加热到高温,它可能会失效。电子设备也是如此,可能需要在非常热的环境中生存。更重要的是极端温度之间的缓慢和快速循环,这给元件和PCB本身的结构带来了极大的压力。如果您可以将电路板设计为承受热冲击和应力,则电路板的使用寿命可能会更长。

确保您的电路板可以承受较大的温度变化,需要了解热冲击可靠性测试。通过了解实际情况下的主要故障点,您的电路板就有可能经受住较大的热冲击。让我们看一下故障的主要原因以及在热冲击可靠性测试期间出现的最常见的故障点。

什么是热冲击可靠性测试?

热冲击可靠性测试从概念上讲是简单的测试:在短时间内将电路板置于极端温度下,然后测试人员确定电路板是否由于这种极端温度变化而发生故障。显然,极端温度变化一词可能有任何含义,而符合电路板故障的条件取决于设计要求和控制产品的标准。IPC已根据MIL-STD标准指定了用于热冲击测试和可靠性的通用标准。

IPC-TM-650 2.6.7标准定义了多种材料的热冲击可靠性测试要求。国防用品的另一种标准热冲击可靠性测试方法是MIL-STD-202G,方法107。这两个标准都指定了由于极端温度值之间的变化而导致的结构可靠性检查。这些材料的温度测试范围是根据板基板的玻璃化转变温度(TgIPC-TM-650 2.6.7)或超出标准范围(MIL-STD-202G)选择的。

IPC-TM-650 2.6.7热冲击测试

此测试基于与MIL-STD测试类似的方法来进行热可靠性测试。试验中的最高温度设定为低于层压材料的Tg。具体来说,IPC D试样应承受-55°C到最低以下温度的热冲击:Tg-10°C,回流温度– 25°C210°C。这涵盖了大多数中等和高Tg层压板,以及商业或工业产品的最典型操作条件。

MIL-STD-202G热冲击测试

本标准规定了使用空对空方法或液对液方法的标准测试。这些方法旨在控制热量传递到被测设备(DUT)中的速率,并且它们各自具有不同的特性。下表总结了这两种方法。

 

空对空

液对液

DUT在温度区域s之间移动

在不同温度,不同温度液体之间难以移动DUT

DUT的传热率低

DUT的高传热率

DUT封闭在一个笼子中,这会增加热质量和停留时间

涉及的液体往往易挥发且昂贵

DUT暴露于高温环境中时,它需要在该环境中继续运行,以使系统达到热平衡。测试指定了停留时间,该时间是DUT应该保留在环境中以使其达到平衡的时间。由于空气对空气的热传递比液体对液体的热传递低,因此空气对空气的测试方法将具有更长的停留时间。停留时间还取决于被测试系统的质量。在两个测试中,较重的PCB将有更长的停留时间。

MIL-STD-202G中的测试范围分为不同类别。低端测试温度可低至-65°C,最高可至200°C(用于液-液测试)和500°C(用于空对空测试)。空对空测试在实际条件下更为典型,尤其是在飞机或汽车上。但是,它们无法模拟温度上升非常快的情况,因此,如果在操作过程中存在快速而大的温度上升的危险,则液-液测试是更好的选择。

是什么决定热可靠性?

无论我们担心热循环还是热冲击,决定热可靠性的重要参数是各种板材料的CTE值之间的差异。这包括层压板,焊料和印刷导体材料。另外,所用导体的延展性影响导体在热冲击期间是否会断裂。更具延展性的材料可以承受更高的应变率,因此可以保持较快的温度上升。

随着板温度的升高,板材料以不同的速率膨胀时,应力会施加在不同的结构上。由于CTE值不同,热冲击会导致以下形式的故障:

焊锡断裂:焊球中的拉伸应力和剪切应力趋于集中在焊球的顶部和底部附近,从而导致断裂,尤其是在异种金属之间的脆性界面处

通孔断裂:应力集中在通孔中的位置取决于纵横比和几何形状(通孔与盲孔)

分层:发生分层时,导体和基板在极端变形下会分离。

您可以通过以下几种方法来防止由于热冲击而导致的故障:

紧密匹配的CTE值:您的导体,焊料和基底材料的CTE值应尽可能相似。

使用高Tg基材材料:当基材的Tg值较大时,基材的CTE值将在较宽的温度范围内保持较低。

使用导热系数高的基板:如果您的电路板将在存在热冲击危险的高温环境中运行,则使用导热系数高的基板(例如,金属芯或陶瓷)将使热量迅速散逸并可能散发较低的平衡温度。

 

 

 

 

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