ПЕЧАТНАЯ PCB - Влияние термического воздействия на ПХД и ПХВ-БАВ

Термическое напряжение - это внутреннее напряжение, возникающее в результате неравномерного теплового расширения или сжатия материала при изменении температуры. Термическое напряжение возникает, когда различные части объекта претерпевают неравномерные изменения размеров при нагревании или охлаждении, и эти части ограничивают способность друг друга к свободной деформации. Это напряжение особенно сильно проявляется в многослойных конструкциях, системах из разнородных материалов или системах, подверженных локальному нагреву.

Тепловое напряжение существует не только в высокотехнологичных областях, таких как крупногабаритное промышленное оборудование, мостовые конструкции и космические аппараты, но также широко распространеновпвседневных электронных изделиях, особенно на печатных платах (ПХД), где тепловое напряжение оказывает значительное влияние.

тепловое напряжение

Механизм образования теплового напряжения

Возникновение термического напряжения может быть объяснено несоответствием коэффициента теплового расширения (КТР). КТР материала определяет изменение его размеров на единицу изменения температуры. Если два материала (например, медь и стекловолокно) соединить и нагреть одновременно, они будут расширяться или сжиматься с разной скоростью. Однако из-за своего прочного соединения они не могут свободно деформироваться, что в конечном итоге приводит к напряжению. Кроме того, скорость изменения температуры (скорость нагрева или охлаждения) также влияет на величину теплового напряжения. Резкие перепады температуры могут легко вызвать сильное термическое напряжение, приводящее к усталости материала и даже растрескиванию.

Проявления термического напряжения в печатных платах

1. Деформация/прогиб платы

Одним из наиболее заметных проявлений термической нагрузки является деформация печатной платы в процессе нагрева или охлаждения. Например, в процессе пайки оплавлением печатная плата подвергается термическим циклам от комнатной температуры до температуры, достигающей 260°C. Если соотношение материалов между слоями будет неравномерным, возникнет неравномерное тепловое напряжение, что приведет к необратимой деформации печатной платы. Это может повлиять на точность размещения компонентов и, в тяжелых случаях, привести к разрушению паяного соединения или трещинам.

2. Растрескивание сквозных отверстий в покрытии.

В многослойных печатных платах используются многочисленные сквозные отверстия с гальваническим покрытием (PTHS) для соединения слоев схемы. Медные слои в PTHs и окружающая подложка из эпоксидной стеклоткани имеют разные CTE. Во время повторяющихся циклов термообработки (например, при испытаниях на термоудар или длительной эксплуатации) между медью и подложкой накапливается тепловое напряжение, что в конечном итоге приводит к образованию микротрещин или даже сквозных отверстий в меди, что снижает надежность передачи сигнала.

3. Поднимите накладку.

При неравномерной температуре пайки печатной платы или при непрочном соединении контактной площадки с подложкой тепловое напряжение концентрируется на краях контактной площадки, что легко приводит к ее отделению от платы. Повторный нагрев во время ремонта может усугубить это накопление теплового напряжения и привести к отслаиванию контактной площадки.

4. Отслаивание

В многослойных печатных платах термическое напряжение может вызвать расслоение между слоями, что приводит к образованию пустот (выемок и расслаивания). Это происходит из-за того, что коэффициенты теплового расширения различных материалов, таких как смола, медная фольга и стеклоткань, различаются. Длительная работа при высоких температурах или многократный термоциклирование могут привести к повреждению структуры промежуточного слоя.

5. Трещины на поверхности

При длительном воздействии тепла на поверхности некоторых покрытий, таких как никель-золото и олово, могут образовываться микротрещины. Эти трещины могут стать отправной точкой для коррозии и электромиграции, что в конечном итоге скажется на электрических характеристиках и надежности. 

Термическое напряжение в печатных платах

В процессе сборки PCBA (печатной платы) тепловое напряжение влияет не только на саму печатную плату, но и существенно влияет на качество пайки компонентов, надежность сборки и долговременную стабильность. По мере того, как электронные изделия становятся все более плотными, быстродействующими и тонкими, влияние тепловых нагрузок становится еще более ощутимым.

Типичные проявления и последствия тепловых нагрузок в печатных платах

1. Трещины или отказы в паяных соединениях

Чрезмерная усталость припоя может привести к образованию постоянных трещин и изломов в паяных соединениях, как показано на рисунке. В электронной промышленности, особенно в оборонном секторе, для обеспечения надежности систем и в рамках управления температурой печатных плат на поздних стадиях разработки производители электроники приобретают специализированные температурные камеры для проведения термоциклических испытаний печатных плат в сборе. Печатные платы, в которых на этапе проектирования не учитываются эффекты термоциклирования, часто выходят из строя после термоциклирования. Разрушение паяного соединения является наиболее распространенной причиной выхода из строя печатных плат.

Современные электронные узлы часто подвергаются воздействию высоких температур, например, в системах электропитания бортовых радаров. Повторяющийся термоциклирование приводит к тому, что эти электронные узлы (включая подложку печатной платы, компоненты и паяные соединения) подвергаются термическому сжатию и расширению. Быстрое сжатие и расширение может вызвать термомеханическую усталость, приводящую к деформации припоя и последующему разрушению паяного соединения. Термомеханическая усталость является основной причиной выхода из строя печатных плат.

Трещины от припоя

2. Неисправность компонента

Разрушение шариков припоя BGA (Ball Grid Array): Из-за различных коэффициентов теплового расширения между печатной платой и корпусом микросхемы шарики припоя могут разрушаться из-за напряжения сдвига после многократных термических циклов.

Разборка паяного соединения микросхем QFN/LGA: Упаковки большой площади с нижней частью пайки подвержены общей деформации или разрушению кромок из-за теплового расширения и сжатия.

3. Разборка прокладок или следов

Неправильный контроль температуры, особенно во время переделок, может привести к отделению контактных площадок от подложки печатной платы, что серьезно повлияет на возможность пайки и надежность.

4. Деформация платы, приводящая к неправильному монтажу или холодным паяным соединениям.

Деформация платы при нагреве может привести к смещению компонентов, что в тяжелых случаях может привести к плохой пайке или короткому замыканию. 5. Растрескивание внутренней части устройства или корпуса

Такие компоненты, как керамика, электролитические конденсаторы и катушки индуктивности, могут треснуть при термическом воздействии, что приведет к изменению электрических характеристик или повреждению изоляции.

тепловое напряжение

Являясь ключевым фактором, влияющим на производительность и надежность печатных плат, тепловые нагрузки играют жизненно важную роль на протяжении всего процесса производства электроники. От выбора материала и проектирования конструкции до процессов пайки и контроля качества инженеры должны систематически учитывать источники и методы контроля тепловых нагрузок. По мере того как электронные изделия становятся все более компактными, миниатюризируемыми и надежными, проблемы с тепловыми нагрузками становятся все более очевидными, проявляясь в виде трещин в паяных соединениях, выхода из строя компонентов и деформации платы. В будущем, с помощью теплового моделирования, интеллектуального производства и технологий использования новых материалов, промышленность достигнет более совершенных и систематических успехов в управлении тепловыми нагрузками, тем самым повышая стабильность продукции.