Выберите правильную отделку для ваших печатных плат

Помните, что при выборе отделки для ваших печатных плат вам необходимо учитывать типы комплектующих и объем производства.Вам также необходимо принять во внимание требования к долговечности, влиянию на окружающую среду и стоимости. Принимая во внимание все эти факторы, вы можете быть уверены, что сделаете правильный выбор.

Основное руководство по конформному покрытию

С ростом популярности миниатюрной электроники и схем, использование конформных покрытий резко возросло, что укрепило его актуальность в большом количестве современных приложений, связанных с печатными платами. Выбор идеального типа покрытия и методов нанесения для вашей электроники имеет решающее значение.Однако обработка огромного количества информации в Интернете часто может представлять собой непростую задачу.

Ну, больше нет!

В этой статье вы получите всю информацию, необходимую для определения идеального конформного покрытия для требований вашего приложения. Если вы ищете что-то конкретное, не стесняйтесь использовать индекс для более избирательного подхода. В остальном эта статья будет полезна как для новичков, которые стремятся понять методологию и использование конформных покрытий, так и для опытных специалистов по нанесению покрытий и предприятий, желающих подтвердить свою базу знаний и процедурную легитимность.Вы также можете ознакомиться с нашей подборкой защитных покрытий здесь.

Типы конформных покрытий
Методы нанесения
Измерение толщины
Методы отверждения
Методы удаления
Сертификаты
Нормативные требования

Конформное покрытие — это специальный продукт, образующий полимерную пленку, который защищает печатные платы, компоненты и другие электронные устройства от неблагоприятных условий окружающей среды. Эти покрытия «соответствуют» внутренним неровностям как структуры, так и окружающей среды печатной платы.Они обеспечивают повышенное диэлектрическое сопротивление, эксплуатационную целостность и защиту от агрессивной атмосферы, влажности, тепла, грибка и загрязнений, переносимых по воздуху, таких как грязь и пыль.

Существует несколько вариантов технологий нанесения покрытий, и лучший вариант для вашего конкретного применения должен зависеть в первую очередь от вашего уровня необходимой защиты. Метод нанесения и простота доработки также являются важными факторами, но обычно их следует рассматривать как второстепенные по сравнению с необходимыми защитными характеристиками.

Традиционные конформные покрытия

То, что мы называем «традиционными» конформными покрытиями, представляет собой однокомпонентные системы на основе смолы, которые можно разбавлять либо растворителем, либо (в редких случаях) водой. Традиционные покрытия являются полупроницаемыми, поэтому они не являются полностью герметичными и не герметизируют электронику с покрытием. Они обеспечивают устойчивость к воздействию окружающей среды, что увеличивает долговечность печатных плат, сохраняя при этом процессы нанесения и ремонта на практике.Однако они НЕ полностью водонепроницаемы.

Следующие категории основаны на основной смоле каждого покрытия. Химический состав каждого конформного покрытия определяет его основные свойства и функции. Выбор подходящего защитного покрытия для вашего приложения определяется эксплуатационными требованиями вашей электроники.

• Акриловая смола (AR) — Акриловое конформное покрытие обеспечивает хорошую эластичность и общую защиту. Акриловое конформное покрытие известно своей высокой диэлектрической прочностью и хорошей устойчивостью к влаге и истиранию.Что обычно отличает акриловое покрытие от других смол, так это его способность к удалению. Акриловые покрытия легко и быстро удаляются различными растворителями, часто без перемешивания. Это делает доработку и даже ремонт в полевых условиях очень практичными и экономичными. С другой стороны, акриловые покрытия не защищают от растворителей и паров растворителей, что может привести к неидеальным характеристикам для применения, которое связано с чем-то вроде насосного оборудования. Акриловые покрытия можно считать базовой защитой начального уровня, поскольку они экономичны и защищают от широкого уровня загрязнения.Однако они не являются лучшими в своем классе по любым характеристикам, за исключением, возможно, электрической прочности.
• Силиконовая смола (SR) — Конформное силиконовое покрытие обеспечивает отличную защиту в очень широком диапазоне температур. SR обеспечивает хорошую химическую стойкость, стойкость к влаге и солевому туману, а также очень гибкий. Силиконовое конформное покрытие не устойчиво к истиранию из-за своей резиновой природы, но это свойство делает его устойчивым к вибрационным нагрузкам. Силиконовые покрытия обычно используются в условиях повышенной влажности.Доступны специальные составы, которые могут покрывать светодиодные фонари без изменения цвета или уменьшения интенсивности, что делает конформные покрытия SR популярным выбором для таких применений, как наружные вывески. Удаление может быть сложной задачей, требующей специальных растворителей, длительного времени замачивания и взбалтывания с помощью щетки или ультразвуковой ванны.
• Уретановая (полиуретановая) смола (UR) — Уретановое защитное покрытие известно своей превосходной влагостойкостью и химической стойкостью. Он также очень устойчив к истиранию.Сочетание этих факторов с устойчивостью к растворителям приводит к образованию конформного покрытия, которое очень трудно удалить. Как и силикон, для полного удаления обычно требуются специальные растворители, длительное время выдержки и перемешивание щеткой или ультразвуковой ванной. Уретановое защитное покрытие обычно используется в аэрокосмической отрасли, где часто возникает проблема воздействия паров топлива.

Остальная часть статьи посвящена в основном тому, что мы называем «традиционными» конформными покрытиями, но сначала мы рассмотрим другие типы покрытий, чтобы дать полное представление о доступных вариантах.

• Эпоксидное конформное покрытие — Эпоксидные смолы (ER) обычно доступны в виде двухкомпонентных смесей и создают очень твердое покрытие. Эпоксидные защитные покрытия обеспечивают очень хорошую влагостойкость и обычно не проницаемы, в отличие от традиционных защитных покрытий. Также они обладают высокой стойкостью к истиранию и химическим воздействиям. Обычно их очень трудно удалить после отверждения, и они не такие гибкие, как другие материалы. Эпоксидные покрытия широко используются в герметиках, которые, в отличие от защитных покрытий, полностью покрывают электронику сплошным и ровным слоем материала.
• Конформное покрытие из парилена — Конформное покрытие из парилена — это уникальный тип покрытия, наносимого методом парофазного осаждения. Они обеспечивают отличную диэлектрическую прочность и превосходную устойчивость к влаге, растворителям и экстремальным температурам. Благодаря методу осаждения из паровой фазы париленовые покрытия можно наносить тонко и при этом обеспечивать отличную защиту печатной платы. Однако удаление для переделки очень сложно, требует методов абразивной обработки, а без доступа к оборудованию для осаждения из паровой фазы повторное покрытие париленом невозможно.
• Тонкая пленка / «нано» покрытия — Покрытие растворяют в растворителе-носителе на основе фторуглерода и наносят методом распыления или окунания для создания очень тонкого покрытия, хотя и не в нанометровом масштабе, как следует из названия. Они обычно используются для обеспечения минимальной гидрофобности, что может предотвратить потери из-за очень быстрого контакта с водой. Этот тип покрытия не обеспечивает такого уровня защиты поверхности, как другие методы нанесения покрытия.

После выбора типа покрытия возникает следующий вопрос: как наносить защитное покрытие.Это решение должно основываться на следующих переменных:

• Требования к производительности — Необходимые подготовительные работы, скорость процесса нанесения покрытия и скорость обработки плит после процесса нанесения покрытия.
• Требования к конструкции платы — Конструкция, перегруженная разъемами, компоненты, чувствительные к растворителям, и другие проблемы влияют на ваше решение.
• Требования к оборудованию — Если покрытие требуется только время от времени, связывание капитальных и производственных площадей с помощью дополнительного оборудования может не иметь смысла.
• Обработка перед нанесением покрытия — Некоторые процессы требуют маскировки или заклеивания ленты перед нанесением покрытия, чтобы предотвратить покрытие нежелательных поверхностей.
• Требования к качеству — Критически важная электроника, требующая высокой степени повторяемости и надежности, обычно требует более автоматизированных методов нанесения.

Ниже приведены методы нанесения традиционных защитных покрытий:

• Ручное распыление — Конформное покрытие можно наносить с помощью аэрозольного баллона или ручного пистолета-распылителя.Обычно он используется для мелкосерийного производства, когда основное оборудование недоступно. Этот метод может занять много времени, потому что области, не требующие покрытия, необходимо замаскировать. Кроме того, качество и постоянство результатов зависят от оператора, поэтому от доски к доске часто возникают различия.
• Автоматическое распыление — Запрограммированная система распыления, которая перемещает доску на конвейере под альтернативной распылительной головкой, которая наносит конформное покрытие.
• Селективное покрытие — автоматизированный процесс конформного покрытия, в котором используются программируемые роботизированные распылительные форсунки для нанесения конформного покрытия на очень определенные области на печатной плате.Этот процесс используется в процессах большого объема и может устранить необходимость в маскировке. Аппликатор может иметь встроенную УФ-лампу для отверждения покрытия сразу после его нанесения.

Фото предоставлено PVA

• Погружение — Печатная плата сначала погружается, а затем извлекается из раствора для конформного покрытия. Скорость погружения, скорость извлечения, время погружения и вязкость определяют результирующее образование пленки. Это распространенный метод конформного покрытия для обработки больших объемов.Перед нанесением покрытия обычно требуется большая степень маскировки. Погружение практично только тогда, когда допустимо покрытие с обеих сторон доски.

• Чистка щеткой — Чистка — это простой метод нанесения, используемый в основном при ремонте и доработке. Конформное покрытие наносится кистью на определенные участки платы. Это недорогой метод, но он требует большого количества ручного труда и может сильно варьироваться в зависимости от квалификации и последовательности действий оператора. Этот метод лучше всего подходит для небольших производственных циклов.

Конформные покрытия обычно наносятся в виде очень тонких покрытий, обеспечивающих максимальную возможную защиту при использовании самого тонкого количества материала. Тонкость покрытий сводит к минимуму улавливание тепла, ненужный дополнительный вес и множество других проблем. Общая толщина большинства конформных покрытий составляет от 1 до 5 мил (от 25 до 127 микрон), а некоторые покрытия наносятся еще тоньше.Все, что больше этой толщины, обычно представляет собой герметик или заливочный компаунд, который обычно обеспечивает большую массу и толщину для защиты плит.

Есть три основных способа измерения толщины конформного покрытия.

• Измеритель толщины влажной пленки — Толщина влажной пленки может быть измерена непосредственно с помощью соответствующего измерителя. Эти калибры включают в себя ряд насечек и зубцов, каждый зуб имеет известную и откалиброванную длину. Датчик помещается непосредственно на влажную пленку для измерения пленки.См. Http://www.geionline.com/wet-film-gauge. Затем это измерение умножается на процент твердых частиц в покрытии для расчета приблизительной толщины сухого покрытия.

• Микрометр — Измерения толщины микрометром производятся на плате (или на испытательной панели) в нескольких местах до и после нанесения покрытия. Толщина затвердевшего покрытия вычитается из измерений без покрытия и делится на 2, получая толщину на одной стороне плиты.Затем рассчитывается стандартное отклонение измерений для определения однородности покрытия. Микрометрические измерения лучше всего проводить на более твердых покрытиях, которые не деформируются под давлением.
• Вихретоковые датчики — Вихретоковые измерения толщины конформного покрытия используют испытательный датчик, который непосредственно измеряет толщину покрытия, создавая колеблющееся электромагнитное поле. Измерения толщины являются неразрушающими и очень точными, но могут быть ограничены в зависимости от наличия металлической задней панели или металла под покрытием, а также наличия прямого контакта испытательного образца.Без металла под испытательной областью измерения не будут проводиться, и если зонд не подходит ровно к испытательной области, показания будут неточными.
• Ультразвуковой толщиномер — Этот тип толщиномера измеряет толщину покрытия с помощью ультразвуковых волн. Он имеет преимущество перед вихретоковыми пробниками, поскольку не требует металлической задней панели. Толщина определяется количеством времени, которое требуется звуку, чтобы пройти от преобразователя через покрытие до поверхности платы, а затем обратно через покрытие к преобразователю.Проводящая среда, такая как пропиленгликоль или вода, необходима для обеспечения хорошего контакта с поверхностью. Обычно это считается неразрушающим испытанием, если нет проблем с проводящей средой, влияющей на покрытие.

Хотя механизм отверждения не является основным критерием при выборе покрытия, он оказывает прямое влияние на тип метода нанесения, который будет осуществим, и ожидаемую производительность.Некоторые механизмы относительно безошибочны, в то время как другие очень сложны и оставляют место для ошибок приложения при использовании в неконтролируемом процессе.

• Испарительный механизм отверждения — Жидкий носитель испаряется, оставляя только смолу покрытия. Хотя это очень просто в теории, печатные платы обычно необходимо окунуть как минимум два раза, чтобы создать надлежащее покрытие на краях их компонентов. Независимо от того, является ли жидкий носитель на основе растворителя или на водной основе, влажность влияет на параметры нанесения.Системы на основе растворителей, как правило, просты в обработке и обеспечивают постоянное покрытие благодаря хорошему смачиванию и быстрому отверждению. Однако растворители часто легко воспламеняются, поэтому требуются соответствующие методы вентиляции и удаления дыма. Использование воды в качестве носителя может устранить проблему воспламеняемости, хотя такие покрытия, как правило, требуют гораздо больше времени для отверждения и могут быть очень чувствительны к влажности окружающей среды.
• Moisture Curing — В основном встречается в силиконе и некоторых уретановых системах. Эти материалы будут реагировать с окружающей влагой с образованием полимерного покрытия.Этот тип механизма отверждения часто сочетается с отверждением испарением. По мере испарения растворителей-носителей влага вступает в реакцию со смолой, инициируя окончательное отверждение.
• Отверждение при нагревании — Механизмы отверждения при нагревании могут использоваться с одно- или многокомпонентными системами в качестве вторичного механизма отверждения для УФ-отверждения, отверждения под действием влаги или испарения. Добавление тепла вызовет полимеризацию системы или ускорит ее отверждение. Это может быть выгодно, когда одного механизма отверждения недостаточно для получения требуемых или ожидаемых свойств отверждения.Однако при отверждении при высоких температурах необходимо учитывать тепловую чувствительность печатных плат и компонентов.
• УФ-отверждение — Покрытия, отверждаемые ультрафиолетом, обеспечивают очень быструю производительность. Это 100% твердые системы без растворителей-носителей. УФ-отверждение происходит на производственной линии, поэтому необходим вторичный механизм отверждения под компонентами и в темных местах. Покрытия, отвержденные УФ-излучением, сложнее ремонтировать и дорабатывать, и для них требуется оборудование для УФ-отверждения и защита рабочих от УФ-излучения.

Иногда необходимо удалить защитное покрытие с печатной платы, чтобы заменить поврежденные компоненты или выполнить другие процедуры восстановления. Методы и материалы, используемые для удаления покрытий, зависят как от смол покрытия, так и от размера поверхности, что может повлиять на время, необходимое для удаления.

Основные методы, указанные IPC:

• Удаление растворителя — Большинство защитных покрытий подвержены удалению растворителем; однако необходимо определить, повредит ли растворитель детали или компоненты на печатной плате.Акрил наиболее чувствителен к растворителям, поэтому их легко удалить. С другой стороны, эпоксидные смолы, уретаны и силиконы наименее чувствительны. Парилен нельзя удалить растворителем.
• Отслаивание — Некоторые защитные покрытия могут отслаиваться с печатной платы. В основном это характерно для некоторых силиконовых конформных покрытий и некоторых гибких конформных покрытий.
• Термическое / Прожигание — Распространенный метод удаления покрытия — это просто прожигать покрытие паяльником во время переделки платы.Этот метод хорошо работает с большинством форм конформных покрытий.
• Microblasting — Microblasting удаляет конформное покрытие с помощью концентрированной смеси мягкого абразива и сжатого воздуха для шлифовки покрытия. Этот процесс можно использовать для удаления небольших участков конформного покрытия. Чаще всего используется при удалении париленовых и эпоксидных покрытий.
• Шлифовка / соскабливание — В этом методе защитное покрытие удаляется путем шлифования печатной платы.Этот метод более эффективен с более твердыми конформными покрытиями, такими как парилен, эпоксидная смола и полиуретан. Этот метод используется только в крайнем случае, так как может быть нанесен серьезный ущерб.

Если все, что вы делаете, это заменяете компонент или работаете на изолированном участке, обычно просто прожигаете покрытие паяльником. В случаях, когда это эстетически неприемлемо, загрязнение вызывает беспокойство или компоненты расположены плотно, средства для удаления покрытий доступны в упаковке-ручке.

— важный способ отличить лаки и шеллаки общего назначения от специальных покрытий, разработанных специально для защиты печатных плат. Хотя существует множество пользовательских и отраслевых спецификаций, двумя основными сертификатами являются IPC-CC-830B и UL746E. При выборе покрытия обращайте внимание на наличие сторонней тестовой документации, а не на покрытия с заявлением, что «они соответствуют требованиям».Оба стандарта используют стандарт UL94 для оценки воспламеняемости, причем рейтинг V-0 означает самый низкий потенциал воспламеняемости.

IPC-CC-830B / MIL-I-46058C

Этот стандарт возник на основе военного стандарта MIL-I-46058C, который устарел в 1998 году. Гражданская версия IPC-CC-830B почти идентична, поэтому обычно понимается, что если плата соответствует спецификации IPC, она также пройдет Спецификация MIL, и наоборот. IPC-CC-830B — это набор тестов, некоторые из которых проходят успешно, а другие предоставляют данные, на которые можно ссылаться и сравнивать с:

• Внешний вид
• Сопротивление изоляции
• УФ-флуоресценция
• Устойчивость к грибкам
• Гибкость
• Воспламеняемость
• Влагостойкость и сопротивление изоляции
• Термический шок
• Гидролитическая стабильность

UL746E

Underwriters Laboratories (UL) считается авторитетным и надежным органом по сертификации безопасности во всем мире, и сертификация UL обычно требуется для потребительских товаров.UL746E проверяет электробезопасность и воспламеняемость электроники с покрытием. Для обеспечения электробезопасности существует серия тестов, аналогичных IPC-CC-830B, но с циклической токовой нагрузкой для постоянного измерения нарушения изолирующих свойств покрытия. В испытании на воспламеняемость используется стандарт UL94, такой как IPC-CC-830B, который включает попытку зажечь отвержденное покрытие открытым пламенем и наблюдение за устойчивостью пламени.

После того, как покрытие соответствует стандарту UL746E, его можно зарегистрировать в UL и присвоить ему регистрационный номер.Продукты, сертифицированные и зарегистрированные в соответствии со стандартами UL746E, могут иметь символ UL (который выглядит как обратная «UR»). Чтобы сохранить регистрацию, покрытие необходимо повторно проверять ежегодно.

могут и часто проверяются в соответствии со стандартами, которые представляют собой лишь часть всего стандарта. В случае UL94 это полезно, когда воспламеняемость является главной проблемой. Некоторые специальные покрытия не могут быть протестированы в соответствии со всеми стандартами IPC-CC-830B или UL746E, поскольку они могут не пройти некоторые части теста.Эти сбои могут быть связаны с характером продукта и необходимостью нанесения покрытия и не всегда отражают качество продукта. Например, некоторые покрытия, предназначенные для покрытия светодиодов, не включают УФ-индикатор, чтобы предотвратить изменение цвета, но это автоматически приведет к дисквалификации согласно IPC-CC-830B. Другими словами, невозможно по определению пройти IPC-CC-830B и иметь оптическую четкость в УФ-части спектра.

Вопросы безопасности и защиты окружающей среды всегда должны играть роль при выборе химикатов и разработке процессов, но различные регулирующие органы делают это еще более сложной задачей, поскольку требования должны интерпретироваться и согласовываться со спецификациями продуктов.

OSHA (Управление по охране труда) — В США OSHA имеет преимущественную силу в отношении вопросов безопасности работников. Многие покрытия легко воспламеняются, а многие выделяют пары с высокой токсичностью. Пристальное внимание необходимо уделять вентиляции (взрывозащищенность при работе с легковоспламеняющимися парами) и соответствующим средствам индивидуальной защиты (средств индивидуальной защиты), чтобы снизить воздействие на оператора ниже соответствующего порога безопасности. Трудно избежать воспламенения без изучения более конкретных материалов покрытия на водной основе.Были введены новые покрытия, которые не включают HAP (опасные загрязнители воздуха — государственная классификация особо токсичных химических веществ), такие как толуол, ксилол или метилэтилкетон (MEK). При маркировке необходимо соблюдать Глобальную гармонизированную систему (GHS — с этими символами красного ромба), о чем обычно заботится производитель. Убедитесь, что паспорта безопасности (SDS) легко доступны операторам, как и должны быть для любого опасного химического вещества на объекте.

EPA (Агентство по охране окружающей среды США) — В США требования EPA должны соблюдаться на национальном и региональном уровне.Агентство по охране окружающей среды, следуя договору Монреальского протокола, ввело ограничения на использование озоноразрушающих химикатов. Поскольку большинство запрещенных химикатов недоступны и не использовались в составе защитных покрытий в течение многих лет, разрушение озонового слоя не является актуальной проблемой. Если есть региональные агентства (см. Следующий абзац), которые предъявляют более строгие требования, чем EPA, то, как правило, им необходимо следовать.

CARB (Калифорнийский совет по воздушному контролю) и другие региональные правила — Местные агентства продолжают играть все большую и большую роль в экологических ограничениях.CARB был одним из первых регулирующих органов, которые установили ограничения на ЛОС (летучие органические соединения — химические вещества, образующие смог) по категориям продуктов. Их примеру последовали и другие региональные агентства. Потенциал глобального потепления (ПГП) — это последняя тема для обсуждения окружающей среды.

На этом заканчивается наше руководство по защитным покрытиям. Мы надеемся, что он ответил на ваши вопросы и предоставил надлежащие рекомендации по выбору лучших продуктов и методов для ваших нужд. Как и любую задачу, выбор лучшего покрытия и процесса нанесения покрытия можно разделить, проанализировать и решить.

Теперь мы хотим передать это вам …

Что вы думаете об этом руководстве? Может, мы что-то упустили. Дайте нам знать, оставив комментарий к вашему отзыву. В Techspray есть эксперты, которые проведут вас на протяжении всего процесса отбора и квалификации.

Улучшенные методики определения первопричины отказов печатных плат

Улучшенные методологии определения первопричины отказов печатных плат

Решения Hillman DfR

Аннотация

Три тематических исследования используются для демонстрации эффективности включения методологий и инструментов из различных дисциплин в классический процесс анализа отказов для печатных плат.Прогнозирование надежности на основе физики отказов, SQUID-микроскопия и ионная хроматография предоставили дополнительную информацию и понимание, которые позволили более убедительно идентифицировать основную причину. В сочетании с пониманием причин сбоев можно было разрешить проблемы и предпринять необходимые корректирующие действия.

Введение

Традиционный анализ отказов печатных плат (PCB) исторически основывался на подходе «срезов и кубиков». Основываясь на некоторой комбинации внешних методов, таких как электрические испытания, визуальный осмотр и рентгеновский анализ, технические специалисты часто приступают к резке, монтажу и поперечному сечению печатной платы для достижения интересующей области (AOI).Этот базовый метод может быть чрезвычайно эффективным, позволяя быстро и недорого определить первопричину сбоя.

Однако, когда задействованы более сложные механизмы отказа, например, когда окончательный дефект трудно идентифицировать, аналитикам отказов необходимо включить в свой процесс более обширные инструменты. В этой статье будут представлены три тематических исследования, демонстрирующих ценность этих методов при изучении отказов печатных плат.

Использование моделей на основе физики отказов для определения первопричины усталости от ПТГ

Прогнозирование срока службы, основанное на анализе напряжений и моделировании повреждений в сочетании с традиционным анализом отказов, является мощным инструментом для окончательного определения недостатков конструкции или физических дефектов как основной причины периферийной усталости в металлических сквозных отверстиях (PTH).С увеличением соотношения сторон эта дифференциация не всегда очевидна и требует более высокого уровня понимания взаимодействия между пластичностью меди, концентраторами напряжений, слоистым материалом и дизайном продукта.

С точки зрения высокого уровня отказы печатных плат можно разделить на две категории: износ и перенапряжение. Износ — это отказ из-за накопления дополнительных повреждений, превышающих износостойкость материала [1]. Наиболее распространенным механизмом износа печатных плат является периферическая усталость металлических сквозных отверстий (PTH), показанная на рисунке 1.Окружная усталость, также известная как растрескивание цилиндра, вызвана разным расширением между медным покрытием (~ 17 ppm) и коэффициентом теплового расширения (CTE) печатной платы (~ 70 ppm) при изменении температуры.

Было проведено большое количество исследований материальных и геометрических факторов, которые инициируют этот механизм отказа [2-12].

Производственные дефекты в PTH

В большинстве случаев растрескивание ствола связано с производственными дефектами.Это в первую очередь связано с тем, что большинство электронных продуктов, вероятно, будут использоваться в относительно благоприятных условиях, таких как потребительские, коммерческие или промышленные, где колебания температуры контролируются или сводятся к минимуму. Кроме того, стандартная толщина платы 62 мил (1,57 мм) в сочетании с минимальным диаметром PTH 15 мил (0,38 мм) создает умеренное соотношение сторон примерно 4: 1, что будет иметь тенденцию быть достаточно прочным в наиболее распространенном применении. среды.

Преобладание производственных дефектов, которые приводят к растрескиванию ПТГ, возникает в процессе изготовления платы.К ним относятся ямки травления (укусы мышей), выступы стекловолокна, недостаточная толщина покрытия, складки покрытия и пустоты.

Ямки травления — это результат того, что остатки травителя находятся в металлическом цилиндре со сквозным отверстием. Основным источником остатков травителя являются химические вещества, используемые в процессе удаления наружного слоя. Травления также могут появиться при переделке голой платы, например, при удалении паяемого покрытия. Эти ямки травления могут варьироваться по размеру от небольших «укусов мыши», показанных на рисунке 2, до полного удаления больших участков стенки ПТГ (см. Рисунок 3).Травления также могут застрять, если переходные отверстия затянуты только с одной стороны.

Выступ стекловолокна в стенках сквозных отверстий также влияет на толщину покрытия и, следовательно, может способствовать образованию трещин. Выступ стекловолокна может быть вызван непостоянством управления технологическим процессом во время сверления отверстий, подготовки отверстий или применения меди. Выступание стекловолокна допускается в соответствии с рекомендациями IPC для жестких медных плат только при соблюдении минимальной толщины медного покрытия.

Недостаточная толщина покрытия может привести к ухудшению механических и термических свойств и может привести к усталостному растрескиванию или растрескиванию под напряжением.Согласно ANSI / IPC-A-600F [13], минимально допустимая средняя толщина покрытия для продукта класса 11 составляет 20 микрон, а изолированные области могут достигать 15 микрон. Эта спецификация основана на минимальной толщине, которая будет надежно выдерживать несколько плавок припоя. ПТГ, показанный на Рисунке 5, имеет среднюю толщину покрытия приблизительно 18 микрон, а изолированные области достигают толщины 10 микрон.

Недостаточная толщина покрытия вызвана либо недостаточным током / временем нахождения в ванне для меднения, либо плохой рассеивающей способностью.Низкая метательная сила 2 часто приводит к неравномерному покрытию ствола с уменьшением толщины к центру доски. Это особенно характерно для ПТГ с высоким аспектным отношением (более 4: 1), когда становится необходимым использовать растворы для нанесения покрытий, работающие в особых условиях с низким содержанием меди, высоким содержанием серной кислоты, низкой плотностью тока и низкой температурой. Поскольку недостаточная толщина покрытия наблюдалась по всему ПТГ, а не только в центре платы, основная причина была определена, скорее всего, в недостаточном токе или времени в ванне для меднения.

Кроме того, складки покрытия могут уменьшаться в течение жизни за счет создания концентраций напряжения [5]. Грубое сверление или неправильная подготовка отверстий могут вызвать складки металлизации. Грубое сверление может быть вызвано плохим слоем материала, изношенными сверлами, некалиброванным и не обслуживаемым буровым оборудованием или неоптимизированным процессом сверления. Неправильная подготовка отверстия часто происходит из-за чрезмерного удаления эпоксидной смолы, вызванного неполным отверждением системы смол или неоптимизированным процессом подготовки (удаление смазки / травление).

Пустоты в гальванике — это области, где медь не осаждается или покрывается медленнее, чем в окружающих областях. Причина часто связана с наличием пузырьков воздуха на поверхности основного материала. Пузырьки воздуха возникают из-за перенасыщения. Перенасыщение может происходить из-за попадания воздуха в систему фильтрации, создавая микропузырьки в растворе. Кроме того, повышение температуры гальванической ванны может создавать пустоты в гальванике из-за снижения растворимости газа. Более низкая растворимость приводит к зарождению пузырьков воздуха в гальванической ванне.

Наличие этих дефектов часто является благом для аналитика сбоев. Он убедительно указывает на основную причину, часто предоставляет достаточные доказательства для принятия корректирующих действий у поставщика и обеспечивает завершение расследования. Однако растущее число инцидентов с растрескиванием стволов не может быть быстро идентифицировано как вызванное дефектом.

Мотивация

Это растущее число расследований с неубедительной первопричиной может быть связано с улучшениями в управлении технологическим процессом у производителя печатных плат, более агрессивными средами использования и конструкциями печатных плат с более высоким соотношением сторон, покрытыми сквозными отверстиями.

Увеличивающееся рассеивание мощности и последующее тепловыделение современных интегральных схем в сочетании с правилами энергопотребления, требующими перехода в спящий режим и отключения после длительного периода неиспользования, привели к увеличению количества и жесткости температурных циклов, испытываемых сквозными отверстиями .

переходных отверстий также изготавливаются с увеличивающимся соотношением сторон. Стремление к более высокой плотности проводки привело к появлению PTH диаметром 8 и 10 мил (20 и 25 мм).Для большей функциональности могут потребоваться более толстые платы, например, толщиной 93 мил (2,36 мм), особенно когда размеры длины и ширины ограничены. Это увеличило соотношение сторон до более чем 10: 1.

Это привело к тому, что «номинальные» ПТГ (номинальные в соответствии с наблюдением за поперечным сечением) могут испытывать периферическую усталость в течение ожидаемого срока службы. Пример этой головоломки показан на рисунке 8.

Традиционный анализ отказов

В этом исследовании клиент испытал обрыв в электрической цепи во время использования в полевых условиях.Первоначальная электрическая характеристика определила электрический разрыв как внутренний по отношению к плате. Основываясь на предыдущем опыте, подозревалось растрескивание металлического сквозного отверстия. Приблизительный участок интереса был разрезан с помощью алмазной сабельной пилы и закреплен в эпоксидной смоле, отверждаемой при комнатной температуре (Allied HighTech). Секции плиты шлифовали наждачной бумагой из карбида кремния (SiC) с зернистостью 240 до тех пор, пока поверхность образца не соприкасалась с цилиндром из ПТГ. Затем была достигнута средняя точка ПТГ с помощью наждачной бумаги с зернистостью 600.Окончательная шлифовка наждачной бумагой 1200 с последующей полировкой суспензией оксида алюминия (Al2O3) 0,3 мкм обеспечила окончательную отделку. Изображения были получены в ярком поле с использованием инвертированного оптического микроскопа Zeiss Axiovert 135.

Грубых дефектов или нарушений спецификации IPC выявлено не было. Средняя толщина покрытия составляла приблизительно 35 мкм, ни в коем случае не менее 23 мкм. Единственными выявленными аномалиями были узелки пластин. Наихудший наблюдаемый случай показан на Рисунке 10.

узелков в пластинках.Основными причинами клубеньков являются плохое сверление, частицы в растворе, температура раствора вне допустимого диапазона или превышение уровня отбеливателя. Относительно прямые стенки отверстия и отсутствие частиц в конкрециях, по-видимому, указали на две последние причины как на основную причину. Наличие узелков покрытия может отрицательно сказаться на высокой надежности. Гальванические узлы создают на стенке гальванического покрытия участки с высокой нагрузкой и могут сократить срок службы при изменении температуры. Целевое условие для узелков в IPCA-600 — отсутствие признаков узелков.

Однако приемлемым условием для всех классов продукции (1, 2 и 3) является то, что наличие конкреций не должно приводить к тому, что минимальный диаметр отверстия меньше минимального значения спецификации. Таким образом, технически контрактный производитель плат не нарушал IPC-A-600, даже если они не соответствовали целевому условию.

Поскольку наблюдения за качеством ПТГ не выявили окончательной первопричины, фокус исследования сместился на свойства материала печатной платы FR-4.Если свойства платы не соответствуют ожидаемым или если панель не полностью затвердела, это может создать напряжения, достаточные для неожиданного растрескивания номинального ПТГ.

Процент отверждения и свойства материала ламината FR-4 были измерены с помощью дифференциального сканирующего калориметра (DSC) (Perkin Elmer Pyris-1) и термомеханического анализатора (TMA) (Perkin Elmer TMA-7). состоящий из нескольких раз накатывания образца платы от комнатной температуры до 200 ° C и обратно, не показал гистерезисного поведения, что позволяет предположить, что плита полностью затвердела.Результаты испытаний ТМА показаны на рисунке 10. Температура стеклования, Tg, оказалась равной 155 ° C, что выше исходной спецификации 150 ° C. Коэффициент теплового расширения вне плоскости, CTE, составлял 70 ppm. вполне в пределах ожидаемого диапазона 60-90 ppm стандартных печатных плат FR-4.

Физика моделирования отказов

Отсутствие убедительных доказательств традиционных методов анализа отказов потребовало использования подхода, основанного на физике отказов (PoF).Методология PoF подчеркивает понимание первопричины отказов путем анализа того, почему, где и как происходят отказы, и использования полученной информации для прогнозирования или предотвращения проявления потенциальных отказов в эксплуатационном жизненном цикле продукта. В случае усталости ствола из ПТГ это включает использование анализа напряженно-деформированного состояния и моделей повреждений для прогнозирования характеристик сквозного отверстия с металлическим покрытием во время термоциклирования.

Модель, использованная в этом анализе на основе PoF, была основана на работе, выполненной Бхандаркаром [5] и Йодером [6].Модель использует одномерное упруго-пластическое приближение для прогнозирования напряжений и деформаций в цилиндре ПТН. Общая деформация внутри цилиндра ПТГ описывается как

где α — коэффициент теплового расширения, ∆T — диапазон температур окружающей среды, E — модуль Юнга, A — эффективная площадь, L — толщина слоя печатной платы, а m — общее количество слоев печатной платы. .

где L0 — общая толщина печатной платы.Рассчитанный диапазон деформации затем включается в уравнение Коффина-Мейсона для прогнозирования времени до отказа,

где ∆ε — диапазон деформации, σf — коэффициент усталостной прочности, σo — среднее напряжение в покрытии из ПТГ, E — модуль покрытия, Nf — количество циклов до разрушения, b — показатель усталостной прочности, εf — коэффициент усталостной пластичности, c — показатель усталостной пластичности.

Ключевым аспектом модели является то, что производственные дефекты, такие как перечисленные в предыдущем разделе, не моделируются явно, а моделируются с помощью коэффициента качества покрытия.Таким образом, ключевой вопрос при определении того, был ли отказ связан с конструкцией или технологическим процессом, заключался в том, чтобы вывести коэффициент качества из результатов испытаний и сравнить его с результатами, приведенными в литературе. Это сообщит заказчику, если характеристики покрытия, даже если они визуально соответствуют, ниже отраслевых стандартов. Соответствующие геометрические параметры, материалы и параметры испытаний, перечисленные в таблице 1, были введены в модель.

Результирующий коэффициент качества был определен равным 0.48. Затем существующие данные о термоциклировании ПТГ были взяты из литературы, и для каждого набора результатов испытаний был рассчитан коэффициент качества. Результаты представлены в таблице 2.

Использование коэффициента качества позволяет проводить прямое сравнение между различными ускоренными испытаниями на долговечность, даже если геометрия или параметры испытаний отличаются. Сравнение характеристик продукта клиента с поведением при утомлении от ПТГ на основе литературы, по-видимому, показывает, что качество ПТГ было недостаточным.Если бы коэффициент качества был 0,75, приблизительное среднее значение для пяти точек данных в таблице 2, количество циклов до отказа, как ожидается, было бы ближе к 900 циклам. Эти характеристики были бы в пределах спецификации заказчика — 500 циклов до отказа.

Корректирующее действие

В результате использования модели отказа на основе PoF, ранний срок службы PTH был определен как производственная проблема, скорее всего, из-за недостаточной пластичности покрытия или предела текучести.Эти значения покрытия невозможно количественно оценить с помощью традиционного анализа отказов, но можно косвенно оценить с помощью соответствующих инструментов на основе PoF. В результате этого исследования заказчику было рекомендовано установить минимальные требования к пластичности и прочности на разрыв для плакированной меди. Механические испытания меди с гальваническим покрытием могут быть основаны на IPC-TM-650 2.4.18.1, Прочность на растяжение и удлинение, Внутреннее покрытие. В качестве эталона IPC-TR-579 считает 30% номинальной пластичностью и 40 000 фунтов на квадратный дюйм как номинальной прочностью на растяжение.

Дополнительным преимуществом использования подхода модели отказа было то, что заказчик мог количественно оценить эффективность потенциальных корректирующих действий. Было предложено три корректирующих действия. Первое — уменьшить толщину доски. Этот редизайн должен привести к минимальным изменениям стоимости и иметь минимальное влияние на другие аспекты дизайна. Изделие заказчика — десятислойная доска. При толщине 2,03 мм это приводит к средней толщине ламината / препрега примерно 185 мкм.Высокотехнологичные плиты обычно изготавливаются из ламината / препрега толщиной 100 микрон. Уменьшение средней толщины до 150 микрон (6 мил) уменьшит общую толщину плиты примерно до 1,81 мм.

Альтернативным изменением конструкции было определение более толстого покрытия. Как обсуждалось ранее, толщина покрытия составляла 35 микрон. Может быть указано более толстое покрытие, например, 50 микрон. Последним потенциальным действием было изменение материала доски. Текущая плата представляла собой эпоксидную смолу FR-4 с измеренным КТР вне плоскости примерно 70 ppm.Polyclad (PCL-FR-226 и PCL-FR-250) и Nelco (4000-6 и 4000-7) заявляют, что они производят ламинат с низким КТР вне плоскости, при этом Polyclad публикует значение 50 ppm.

Модель отказа смогла определить, что при текущем факторе качества первые два предложенных изменения по отдельности привели бы к увеличению времени до отказа примерно на 35%. Этих изменений будет недостаточно для выполнения требования 500 циклов испытаний. Однако модель отказа предсказывала, что использование материала плиты CTE с низким коэффициентом расширения приведет к увеличению времени до отказа на 900%.

Использование СКВИД-микроскопии для выявления утечек в печатных платах

Хотя отказы из-за электрических разрывов могут потребовать инновационных методов для определения их первопричины, относительно легко определить место отказа с помощью серии электрических измерений. Электрические шорты гораздо более проблематичны. Помимо того, что их труднее определить, поскольку они могут быть расположены на гораздо более широкой территории, их прерывистое поведение может привести к остановке прогресса.

Микроскопия сверхпроводящего квантового интерференционного устройства (SQUID) — это принципиально новый метод, который использует обнаружение магнитных полей для изображения путей тока в электронных устройствах. Этот метод оказался успешным в неразрушающем определении местоположения слабых токов утечки, даже когда место отказа находилось между плоскостью питания и заземлением (примерно эквивалентно обнаружению иголки в стоге сена). Использование низкого напряжения и слабого тока значительно превосходит тепловизионное изображение, которое часто приводит к невосполнимому повреждению места отказа и маскированию истинной первопричины отказа.

В этом тематическом исследовании заказчик испытывал возгорание 20-слойной печатной платы после примерно 1000-4000 часов работы в контролируемой среде внутри помещения. Высокие токи на плате привели к серьезным повреждениям, эффективно препятствуя первоначальной идентификации места отказа, механизма отказа или первопричины.

Идентификация механизма отказа

Тщательный подход к анализу отказов, включающий определение режима отказа, места отказа и механизма отказа, был использован для выявления первопричины возгорания.Виды отказа, идентифицированные с помощью горения, — это короткое замыкание или чрезмерный нагрев. Перечень механизмов отказа, которые могут вызвать возгорание и обугливание печатной платы, приведен в таблице 3.

Все сбои полей изначально произошли в полностью заполненных сборках. Хотя это подразумевало, что исходное место отказа могло быть на уровне компонентов, ускоренные тесты на голых платах продемонстрировали короткое замыкание между питанием и землей. Предполагая, что ускоренные тесты запускают те же механизмы отказа, что и в полевых условиях, результаты показали, что основная причина была внутренней для платы, а не связана с отказом компонента.Как видно из Таблицы 3, это сузило дальнейшее исследование до электрического перенапряжения (EOS), электрохимической миграции (ECM) и образования проводящей нити (CFF)

Электрическое перенапряжение (Обзор)

Электрическое перенапряжение (EOS) — это передача заряда между двумя телами, которая непосредственно приводит к повреждению или отказу. EOS может быть результатом высокого напряжения или большого тока. На уровне платы высокое напряжение может вызвать электрический пробой. Сильный ток может вызвать резистивный нагрев, который приведет к быстрому повышению температуры.

Электрический пробой

Существует четыре возможных механизма отказа, связанных с инициированием электрической дуги через диэлектрический материал или сквозь него: накопление пыли, пробой воздуха, перекрытие поверхности и разрушение диэлектрика. Путь образования дуги в первую очередь различает четыре механизма отказа.

Накопление пыли происходит, когда пыль, притягиваемая электрическим полем постоянного тока (DC), пронизывает соседние проводники. Поглощение влаги пылью со временем может привести к утечке тока и, в конечном итоге, к короткому замыканию.

Воздушный пробой — это состояние, при котором электрическая дуга охватывает воздушный зазор между двумя проводниками. При эксплуатации печатных плат значения прочности на пробой на воздухе часто не используются при определении расстояния между внешними проводниками. Это связано с тем, что электрические короткие замыкания между внешними проводниками обычно возникают из-за перекрытия поверхности при напряжении поля ниже прочности на пробой в воздухе.

Поверхностный пробой — это электрический пробой по поверхности печатной платы между двумя проводниками.Пробой возникает на стыке проводника (дорожка, площадка, металлическое сквозное отверстие (PTH)), изолятора (ламинат) и газа (воздуха или вакуума) и может вызвать или не вызвать необратимое повреждение. Когда путь проводимости через поверхность установлен, может произойти деградация материала, уменьшающая срок службы изоляционных свойств печатной платы. Фактическое значение электрического поля, необходимого для перекрытия поверхности, может сильно варьироваться и зависит от гладкости и чистоты поверхности платы, а также от других параметров тестирования.В опубликованной литературе указаны значения в диапазоне от 2 до 8 кВ / мм.

Разрушение диэлектрика — это электрический пробой в твердом изоляторе между двумя проводниками, который часто сопровождается видимым проколом и разложением изоляционного материала. Все материалы разрушаются при некотором уровне приложенного градиента напряжения. Этот уровень может варьироваться в зависимости от материала (толщина и качество образца) и факторов окружающей среды (температура и влажность). Возникновение диэлектрического разрушения зависит от направления электрической дуги.Электрическая прочность и пробой диэлектрика — это значения напряжения электрического поля, которое приводит к разрушению диэлектрика. Электрическая прочность измеряется перпендикулярно направлению ламинирования. Диэлектрическая прочность имеет тенденцию быть очень высокой и вряд ли будет основным механизмом отказа, поскольку IPC-2221 обеспечивает относительно высокий коэффициент безопасности (см. Таблицу 4). Напряжение электрического поля, необходимое для пробоя диэлектрика, которое измеряется параллельно направлению ламинирования, имеет тенденцию быть намного ниже, поскольку поверхность раздела волокно / смола обеспечивает удобный путь для электрического разряда.

Сильноточный / резистивный нагрев

Чрезмерный ток может привести к значительному повышению температуры металлических проводников. Этот процесс может привести к тепловому разгоне, поскольку повышение температуры приведет к увеличению сопротивления, что приведет к еще большему повышению температуры. Сильный ток может возникать из-за короткого замыкания (низкая площадь поперечного сечения означает высокое сопротивление) или из-за скачков тока в линии электропередачи.

Электрические перенапряжения (анализ)

Из-за низкого напряжения в поле, 3.3 В постоянного тока, накопление пыли, пробой воздуха и перекрытие поверхности считались механизмами отказа маловероятными.

Внутренний диэлектрический отказ платы также считается маловероятным. Схема платы разработана в соответствии с IPC-2221. Как видно из Таблицы 4, межслойная и внутрислойная пробивная прочность обеспечивает достаточный запас прочности, превышающий максимальное напряжение электрического поля, рекомендованное отраслевыми спецификациями.

Резистивный нагрев был потенциальным риском из-за высокого тока, 30 ампер, присутствующего на плате.Согласно IPC2221, повышение температуры ∆T для внутренней трассы описывается как

ln (∆T) = 1,82 • [ln (I) + 4,20 — 0,74 ln (A)]

где I — ток, а A — площадь поперечного сечения. Учитывая возможность того, что ток в 30 ампер был отведен на дорожку сигнала весом 1 унцию, результирующее повышение температуры составит

ln (∆T) = 1,82 • [ln (30) + 4,20 — 0,74 ln (1,34 • 4)] = 740o C

Этой температуры более чем достаточно для начала горения и обугливания печатной платы.Однако поведение режима отказа, зависящее от времени, от 1000 до 4000 часов использования, делает маловероятным ошибочную конструкцию. Неправильная конструкция как основная причина должна немедленно привести к отказу, за исключением случаев, когда тестовое покрытие было недостаточным, а сложность платы была такой, что некоторые цепи использовались только спорадически во время работы.

Кроме того, результаты ускоренного тестирования голых плат показали, что резистивный нагрев не может быть механизмом отказа, вызывающим возгорание. Ток, подаваемый при ускоренном испытании, не превышал 1 А.Повышение температуры в сигнальной дорожке из-за тока в 1 ампер будет примерно на 2 ° C, что намного ниже температуры, необходимой для возникновения воспламенения.

Рост дендритов

Процесс роста дендритов требует влажности, ионных примесей и напряжения смещения / электрического поля. Источники ионных примесей разнообразны и могут включать флюсы, остатки паяльной пасты, отложения гальванических или травильных растворов, плохо полимеризованную паяльную маску и неправильные процедуры обращения.

Доски с ростом дендритов будут иметь тенденцию демонстрировать резкие падения сопротивления большой амплитуды.Кроме того, если уровень загрязнения достаточно высок, рост дендритов может происходить почти мгновенно. Оба этих поведения при сбоях имитируют поведение отказов, наблюдаемое на отказавших платах. Однако, как и в случае с EOS, данные, полученные в ходе ускоренного тестирования и анализа отказов, показали, что рост дендритов был маловероятной первопричиной. На голых платах, которые были тщательно очищены перед ускоренным тестированием, наблюдалось значительное снижение сопротивления между плоскостями питания и земли. Удаление слоев 1 и 20 вместе с соответствующими паяльными масками во время анализа отказов не привело к увеличению сопротивления между питанием и землей.

Образование проводящей нити (CFF)

Многослойные органические ламинаты, используемые в печатных монтажных платах, могут вызвать короткое замыкание между двумя смещенными проводниками из-за роста проводящих нитей. Это явление, называемое образованием токопроводящей нити (CFF), представляет собой электрохимический процесс, который включает перенос, обычно ионным путем, металла через неметаллическую среду или через нее под действием приложенного электрического поля. Рост металлических нитей зависит от температуры, влажности, напряжения, материалов ламината, производственных процессов, а также геометрии и расстояния между проводниками.

CFF обычно включает более сильные электрические поля, чем ECM, и не требует повторного осаждения металла на катоде. Существует два традиционных пути для CFF: расслоение по границе раздела эпоксидная смола / стекловолокно и полые волокна. Расслоение на границе раздела смола / волокно может быть результатом дефектов производственного процесса, значительных изменений температуры во время работы, таких как термоциклирование или тепловой удар, циклическое изменение влажности или среда с высокой влажностью. Полые волокна возникают из-за примесей в расплаве стекла.Полые стеклянные волокна увеличивают вероятность отказа между близкими проводниками, поскольку капилляр обеспечивает удобный путь для образования проводящих нитей. CFF также может быть ускорен из-за впитывания меди. Интенсивное сверление может привести к чрезмерному повреждению и расслоению, в результате чего раствор медного покрытия может проникнуть внутрь печатной платы. Это может уменьшить расстояние между проводниками и, следовательно, время, необходимое для отказа CFF.

Ускоренное тестирование на голых платах привело к падению сопротивления изоляции с десятков гигаом до менее десяти Ом в течение 48 часов.Это не ожидаемое поведение для традиционного формирования токопроводящей нити. Модель CALCE [15] предсказывает время отказа приблизительно 7500 часов для 5 милов PTH при 50 ° C / 85% относительной влажности и 7,5 вольт. При тестировании плат, изготовленных из ламината Matshuita, поставщик автомобилей измерял сопротивление изоляции в мегаомах только после 2000 часов при 85 ° C / 85% относительной влажности при 10 вольт. Sun Microsystems не испытывала сопротивления изоляции в мегаомах до тех пор, пока не прошло 500 часов при 65 ° C / 85% относительной влажности при 100 вольт [15].

CFF состоит из формирования пути, растворения и миграции. Формирование пути, как правило, ограничивает скорость. Быстрое время до отказа голых плат во время ускоренного тестирования свидетельствует о том, что образование траектории уже произошло.

Основываясь на методическом обзоре механизмов потенциальных отказов, анализе конструкции и ускоренных испытаниях, традиционные механизмы отказов и их первопричины, похоже, не обеспечивают адекватного объяснения наблюдаемого поведения отказов.

Анализ отказов

Для разрешения требуется фактическая физическая идентификация места сбоя. К сожалению, этому препятствовала большая площадь, покрытая плоскостями питания и заземления, что делало идентификацию места отказа с помощью функционального или параметрического тестирования практически невозможным. Визуальный осмотр был затруднен также из-за отсутствия контролируемой зоны ожога. Высокая температура стеклования (Tg) диэлектрического материала, 180 ° C, сделала его относительно устойчивым к высоким температурам.Температура, необходимая для воспламенения материала, была настолько высокой, что приводил к тепловому неуправлению. Эффект был двойным: вышедшие из строя платы либо не имели видимого обугливания, либо имели серьезные обгоревшие участки платы, при этом любые доказательства первопричины были уничтожены. В любом случае физический объект, вызывающий короткое замыкание, был скрыт.

Такое поведение также препятствовало использованию тепловизора, поскольку энергия, необходимая для рассеивания достаточного количества тепла, также имела тенденцию приводить к повреждению места отказа.Первоначальным решением было изменение процедуры, используемой для выявления очень маленьких пустот, которые перекрывают многослойные керамические конденсаторы (MLCC) и вызывают утечку тока. Сопротивление между выводом питания и заземлением контролировалось, когда плата была разделена на секции. Используя бинарный подход, потенциальное место отказа было сужено до относительно небольшой площади. Этот участок очень медленно шлифовали и полировали до тех пор, пока не наблюдали изменение сопротивления. В этот момент в поперечном сечении наблюдались крупные угловатые частицы.

У этого первоначального подхода было две проблемы. Во-первых, учитывая размер платы и соответствующие внутренние плоскости питания и заземления, время, необходимое для поиска короткого замыкания, отнимало много времени. Кроме того, визуальное наблюдение не могло окончательно определить, были ли эти частицы причиной проводящего пути между источником питания и землей, особенно с учетом отсутствия обнаруживаемой проводящей нити. Более быстрое и окончательное определение короткого замыкания потребовало использования СКВИД-микроскопии.

SQUID Microscopy

Сканирующий микроскоп SQUID — это чувствительная система магнитной визуализации в ближнем поле. Этот микроскоп может отображать скрытые токопроводящие провода, измеряя магнитные поля, создаваемые токами, или его можно использовать для изображения полей, создаваемых магнитными материалами. Путем отображения тока в интегральной схеме или корпусе можно локализовать короткие замыкания и проверить конструкции, чтобы гарантировать, что заряд течет там, где ожидается. Используемый СКВИД-микроскоп Neocera MAGMA-C10 использует высокотемпературный СКВИД с чувствительностью 20 пикотесла, что в два миллиона раз меньше, чем магнитное поле Земли.Микроскоп предназначен для охлаждения высокотемпературного СКВИДа ниже 80 К и в вакууме, в то время как тестируемое устройство (ИУ) находится при комнатной температуре и на воздухе. Уникальный дизайн MAGMA-C10 также позволяет размещать SQUID на расстоянии 50 мкм от исследуемой области. Несмотря на то, что СКВИД не находится в магнитоэкранированной среде, его чувствительность достаточно высока, чтобы отображать токи до 600 нА на рабочем расстоянии 100 мм с усреднением 30 мс.

Магнитное поле, создаваемое образцом, можно отобразить путем растрирования образца в непосредственной близости от СКВИДа.Если образец содержит постоянное магнитное поле, как во многих массивах наземных решеток и выводных рамок, микроскоп отобразит это постоянное или «постоянное» магнитное поле. Кроме того, электрические токи в устройстве создают магнитные поля. Наличие короткого замыкания в электрической части обычно проявляется как очень сильная концентрация напряженности магнитного поля, при этом поле направлено в противоположные стороны по обе стороны от короткого замыкания.

Во время бесконтактной визуализации образцов при комнатной температуре в воздухе система достигает необработанного, необработанного пространственного разрешения, равного расстоянию, отделяющему датчик от тока, или эффективному размеру датчика (~ 30 микрон для стандартного наконечника СКВИДа) , в зависимости от того, что больше.Однако для наилучшего определения короткого замыкания в скрытом слое можно использовать метод обратной эволюции с быстрым преобразованием Фурье (БПФ) для преобразования изображения магнитного поля в эквивалентную карту тока в интегральной схеме или печатной плате. Полученную карту токов затем можно сравнить со схемой, чтобы определить место повреждения. С помощью этой постобработки магнитного изображения и низкого уровня шума, присутствующего в изображениях SQUID, можно повысить пространственное разрешение в 5 или более раз по сравнению с ограниченным в ближнем поле магнитным изображением.Это повышенное разрешение описывает, насколько хорошо сканирующий СКВИД-микроскоп может определять пути тока в образце. Выходные данные системы отображаются в виде искусственного цвета изображения напряженности магнитного поля или плотности тока (после обработки) в зависимости от положения на образце.

Результаты выполнения СКВИД-микроскопии на закороченной плате показаны на рисунке 11. Ярко-желтая область на текущей карте соответствует области наивысшей плотности тока. Это типичный пример сужения токопроводящей дорожки, что часто является явным признаком короткого замыкания.Поперечное сечение платы было выполнено в этом месте на основе изображения SQUID.

Результаты поперечного сечения показаны на рисунке 12. Наблюдается большая угловатая частица, перекрывающая диэлектрик между плоскостями питания и земли. Косвенные свидетельства, в том числе налипание меди на плоскости питания и заземления и почернение окружающего диэлектрического материала, убедительно свидетельствовали о том, что частица была причиной падения внутреннего сопротивления.Окончательные результаты были получены с помощью SQUID-визуализации поперечного сечения

Изображения SQUID показаны на рис. 13. Результаты ясно демонстрируют, что через частицу протекает ток, что позволяет подтвердить, что идентифицированная частица является местом короткого замыкания. Однако одно только мостовое соединение не может объяснить сбой в электросети. Это потому, что угловой характер частицы предполагает, что она электрически изолирующая. Скорее всего, потребовался дополнительный механизм, известный как электрохимическая миграция (ЕСМ).

Электрохимическая миграция

Электрохимическая миграция (ECM), также известная как электромиграция металла (MEM), рост дендритов, образование проводящей нити (CFF) и рост проводящей анодной нити (CAF), представляет собой перераспределение металла в результате направленной электрохимии. Электрохимическая миграция на или в печатных платах (PWB) может привести к коротким замыканиям, что приведет к отказу цепи. Традиционная электрохимическая миграция включает четыре этапа: формирование пути, электрорастворение, миграцию ионов и электроосаждение, а также три требования: ионы (обычно галогениды), вода и смещение.

Для этого механизма отказа предполагалось два образования путей. Первой возможностью было растрескивание частиц, возможно, во время производства ламината или штабелирования картона. Если такая трещина возникнет, она, скорее всего, будет проходить перпендикулярно направлению прессования, обеспечивая открытый путь для миграции волокна между слоями 10 и 11. Вторая возможность заключалась в том, что межфазная прочность между частицей и эпоксидной матрицей была плохой. , что приводит к частичному расслоению при оплавлении, изменении температуры или влажности.

Минимальные требования для электрического растворения — электрическое поле и полярная жидкость, такая как вода [17]. Величина электрического поля должна быть такой, чтобы анодная электромагнитная сила (ЭДС) превышала стандартный электродный потенциал самого внешнего материала анода, который составляет 0,34 В для меди.

В присутствии влаги в воде, прилегающей к аноду, протекает следующая электрохимическая реакция:

2 часа 30 минут → O2 ↑ + 4H + + 4e —

Повышенная концентрация H + снижает pH воды ниже 7.0, что делает материал анода чувствительным к растворению электродов. В случае меди это может выглядеть как

Cu → Cu + + e — или Cu → Cu ++ + 2e —

Если электролит состоит только из воды, Cu ++ будет преобладающим ионом металла. Если присутствует хлорид-ион Cl, образование иона CuCl- приведет к тому, что Cu + будет преобладающим ионом металла. Следовательно, присутствие галогенидов не требуется для индуцирования растворения меди в электродвигателях.

Миграция ионов

Электрическое поле приводит в движение ионную миграцию.Это заставляет положительные ионы перемещаться вдоль силовых линий от анода к катоду через путь переноса ионов, обеспечиваемый водной средой. Электроны перемещаются от анода к катоду по пути переноса ионов, обеспечиваемому проводкой к источнику смещения и через него.

Электроосаждение

Когда ионы достигают катода, происходят следующие электрохимические реакции:

4h30 + 4e — → 2h3 ↑ + 4OH —

Cu + + e — → Cu или Cu ++ + 2e — → Cu

Поскольку катодное электроосаждение в значительной степени регулируется диффузией, его скорость зависит от концентрации ионов металла в водной среде.Производство гидроксильных ионов (ОН) на катоде может снизить скорость электроосаждения за счет объединения ионов металлов с гидроксильными ионами с образованием гидроксидов. Эти гидроксиды удаляют ионы металлов из водной среды путем частичного осаждения.

Таким образом, скорость ЕСМ коррелирует с произведением растворимости гидроксида иона металла. Ионные загрязнения, такие как Cl -, могут еще больше изменить скорость ECM, образуя альтернативные пути реакции и образуя дополнительные ионные частицы, такие как CuCl в случае меди и Cl.

Галогениды (Теория)

Предыдущие исследования показали присутствие солей хлорида меди во время исследования предполагаемых нарушений образования токопроводящей нити (CFF). Исследования дисперсии рентгеновских лучей на CFF, проводимые AT&T, всегда показывали, что медь связана с проводящими нитями, а иногда и присутствует либо сера, либо хлор [18]. При исследовании потенциального инцидента CFF, IBM выполнила лазерную масс-спектроскопию (LMS) на участке вокруг полого стекловолокна в эпоксидной смоле FR-4 [19].LMS обнаружила положительные ионы натрия и меди и отрицательные ионы бромхлорированной меди. После проведения плазменного травления для удаления нескольких молекулярных слоев материала LMS идентифицировала положительные ионы калия и меди, а также отрицательные ионы хлора и хлорида меди.

Измерения с использованием энергодисперсионной спектроскопии (EDS) предполагаемых проводящих нитей показали, что материал в основном состоит из меди с хлором или бромом, определенным в качестве другого основного компонента. Электронографические исследования, проведенные на аналогичных проводящих нитях, показали микроструктуру, сравнимую с 2CuCl2-5Cu (OH) 2-h3O [20]

Как объяснено выше, присутствие галогенидов не требуется ни на одной из стадий электрохимической миграции (ЕСМ).Классический пример — резистивные шорты из мигрированного золота (MGRS). Исследователи обнаружили, что присутствие хлоридов приводит к образованию дендритных волокон, но снижение сопротивления изоляции все же происходит, когда галогениды отсутствуют. Галогениды могут снизить пороговое значение влажности, необходимое для возникновения ECM. Это может привести к средам, в которых ECM происходит только в присутствии галогенидов, таких как печатные платы, в контролируемых офисных условиях.

Если присутствуют галогениды, они допускают параллельную химическую реакцию, которая может увеличить скорость ECM и, следовательно, уменьшить время до отказа.Другие исследования показали, что присутствие негалогенидных материалов, таких как гликоль, также может значительно ускорить возникновение ECM; однако, как и галогениды, гликоль в первую очередь является ускорителем и не требуется для возникновения ECM.

Галогениды (Источники)

Хлорид может присутствовать в небольших количествах в стекловолокне, используемом для усиления эпоксидной матрицы печатной платы. Это связано с тем, что хлорид является обычным побочным продуктом при производстве стекла. Наиболее распространенным источником хлоридов в печатных платах является процесс травления.Преобладающие химические соединения, используемые в процессе травления, включают щелочной аммиак, хлорид меди, пероксидно-серную кислоту, персульфаты и хлорид железа. Три из них, щелочной аммиак (хлорид аммония), хлорид меди и хлорид железа, содержат ионы хлора, которые могут абсорбироваться или захватываться печатной платой. Иногда в состав персульфатов входит хлорид ртути, тогда как пероксидно-серные кислоты не содержат хлоридов.

Другие источники хлорида в процессах изготовления плит включают очистку и обезжиривание ламинатов соляной кислотой и хлорированными растворителями5, хлористый метилен в качестве растворителя в процессе удаления жидкого фоторезиста, соляную кислоту в качестве нейтрализатора в процессе травления и сопротивления, хлорит натрия в ванне с оксидом, гипохлорит натрия в перманганате калия (химическая медь), хлориды палладия в качестве катализатора (химическая медь), соли от контакта с людьми и очистка недеионизированной водой.Источником также могут быть флюсы с хлоридом в качестве активатора. Большинство источников бромида, включая паяльные маски, маркировочные краски и флюсы, в которых в качестве активатора используется бромид, являются поверхностными процессами. Эпоксидная матрица также может быть источником бромидов из химического состава антипиренов. IPC-TR-476A (ссылка) утверждает, что бромид в эпоксидной смоле может диффундировать к поверхности, скорее всего, во время высокотемпературного процесса, такого как пайка.

Галогениды (измерения)

Хотя галогениды не являются критичными для инициирования механизмов отказа ECM или CFF, присутствие галогенидов значительно ускоряет процесс, и его можно ожидать, учитывая высокую скорость, с которой произошли отказы.

В настоящее время существуют две спецификации для измерения содержания галогенидов в печатных монтажных платах. Проект документа «Белая книга МПК по безгалогенным материалам, используемым для печатных плат и сборок» (ссылка) ссылается на ASTMD-1847 (ссылка) в качестве метода испытаний для измерения общего содержания галогенидов в эпоксидных смолах. Этот метод испытаний не использовался, потому что общая концентрация должна включать галогениды, которые были прочно связаны с эпоксидной матрицей. Не ожидается, что эти неподвижные ионы будут реагировать с медью с образованием солей меди, которые приводят к образованию проводящей нити.Вместо этого содержание экстрагируемых ионов измерялось на основе руководящих принципов испытаний, определенных в стандарте MIL-STD-883, метод 5011 (ссылка).

Первый шаг — обеспечить исключительную чистоту экспериментальной установки. Колбы для экстракции готовили путем заливки 20 мл азотной кислоты и равного количества деионизированной воды и перемешивания раствора. После перемешивания раствору давали постоять в течение 15 минут, а затем колбы промывали деионизированной водой десять раз. Затем колбы снабжали конденсаторами и кипятили с обратным холодильником в течение примерно 24 часов.Кипяченую воду сливали, а колбы наполняли свежей деионизированной водой. Воду кипятили несколько часов или до тех пор, пока не испарится 2/3 воды. Затем колбам давали высохнуть на воздухе в перевернутом виде.

Перед экстракцией образцы подготавливают путем разрезания на 3 грамма измеренных размеров для использования в расчетах объема. Образцы, измеренные по длине, высоте и толщине, добавляли в экстракционные колбы объемом 250 мл, подвергнутые процессу очистки, описанному выше. В каждую колбу добавляли 150 г ± 0,01 г деионизированной воды с сопротивлением не менее 18 МОм.Подготовленную колбу кипятили с обратным холодильником 60,0 ± 1 час. После охлаждения раствора до комнатной температуры экстракты были проанализированы путем введения раствора экстракта в порт инжектора ионного хроматографа Dionex600. Хроматограф калибровали с использованием стандартных растворов хлорида и бромида 0,5 ч. / Млн, 1,0 ч. / Млн и 1,5 ч. / Млн.

Три платы и два ламината подвергали ионной хроматографии. Одна из плат была использована в качестве эталонного образца. Из каждой доски вырезаны образцы одинакового объема.Особое внимание было уделено тому, чтобы пила была чистой, охлаждалась и смазывалась деионизированной водой. Для работы с образцом использовали перчатки без пудры. Маска припоя была удалена шлифовкой. Удаление паяльной маски было необходимо, поскольку поверхностные источники загрязнения, например, от паяльной маски, в этом отчете не рассматривались. Затем подготовленные образцы промывали водой с сопротивлением 18 МОм, чтобы предотвратить любое поверхностное загрязнение колб для экстракции. Для трех образцов печатных плат растворы экстрактов анализировали дважды.Для ламинатов без покрытия экстрактные растворы анализировали один раз.

Результаты для образцов печатных плат показаны в таблице 4. Концентрации ионов в экстракте могут быть преобразованы в экстрагируемые концентрации путем умножения на объем деионизированной воды в конце кипячения с обратным холодильником (W) и деления на объем твердого вещества ( V).

Концентрация твердого вещества = концентрация экстракта x (W / V)

Например, расчетный объем образца, вырезанного из одной доски, составляет 718 мм3.Измеренная концентрация хлорида в растворе экстракта составила 0,335 ч. / Млн. Объем раствора экстракта 108 мл. Следовательно, концентрация извлекаемых хлоридов в этой доске рассчитывается как

cCl = 0,335 частей на миллион × (0,108 литров ÷ 0,000718 литров) = 50,3 частей на миллион

Концентрации экстрагируемых хлорид- и бромид-ионов были рассчитаны в соответствии с приведенной выше формулой и показаны в таблице 5.

Обсуждение

Эпоксидные смолы могут содержать измеримые уровни хлора, такие как саппонируемые, гидролизуемые и фиксированные хлориды.Дополнительные галогены добавляются в ламинат через клеящее вещество, смачивающие агенты, отвердители и ускорители смол. Результаты ионной хроматографии показали, что содержание экстрагируемого галогенида в основном ламинате было очень низким. Вместо этого источником галогенидов, обнаруженных в печатных платах, были процессы изготовления и сборки плат. Источники хлоридов в процессе изготовления картона обсуждались ранее.

В настоящее время нет спецификаций относительно общего количества галогенидов в печатных платах и ​​общего количества экстрагируемых галогенидов.Что касается экологических проблем, как Соединенные Штаты, так и Япония рассматривают предложения, которые ограничат уровни хлоридов до 1200 частей на миллион, а уровни бромидов — до 900 частей на миллион. Что касается экстрагируемых уровней, то единственным эквивалентом может быть опыт применения эпоксидных формовочных смесей (ЭМС) в индустрии электронных упаковок. До того, как уровни экстрагируемых хлоридов были увязаны с долговременной производительностью, EMC имели уровни экстрагируемых хлоридов примерно от 40 до 170 ppm. Из-за улучшений в выборе сырья и производственного процесса текущий уровень упал до 0.От 1 до 10 частей на миллион. Таким образом, исходя из опыта работы с ЭМС, при наличии прохода и достаточного количества влаги количество хлоридов в ламинатах будет достаточным для ускорения процессов, основанных на ECM.

Влажность

Исследования Аугиса [18] указали на зависящий от напряжения порог влажности, ниже которого не должно происходить CFF. Для офисных условий это напряжение превышает 60 вольт6. Позднее это открытие было подтверждено Рудрой [15]. Однако в этих исследованиях предполагался традиционный путь CFF, который представляет собой расслоение между эпоксидной смолой и стекловолокном.

Коррозия

Есть некоторые свидетельства того, что наблюдаемые частицы были реактивными даже без наличия смещения напряжения. При визуальном осмотре печатных монтажных плат на поверхности были обнаружены небольшие изменения цвета (см. Рисунок 14). Поперечные сечения определили, что присутствие частиц соответствовало этим изменениям цвета. Казалось, что частицы атакуют оксидную связь, что приводит к локальному расслоению. Наиболее вероятным коррозионным элементом, который привел к расслоению оксидов, является соляная кислота (HCl).Присутствие экстрагируемых хлоридов и конденсация влаги часто могут приводить к образованию HCl.

Заключение

В заключение, на основе обзора потенциальных механизмов отказа, измерения соответствующих параметров и результатов СКВИД-микроскопии, процесс электрохимической миграции вокруг или сквозь частицы был определен как наиболее вероятная первопричина короткого замыкания между источниками питания. и земля. Фактических свидетельств наличия проводящего пути не наблюдалось.Это не удивительно. Расчет толщины проводника, предполагающий, что проводник представляет собой медную пластину и что размер частицы составляет около 2 мил на стороне, показывает, что толщина проводника, вероятно, составляет от 2 до 5 нанометров. Этот расчет объясняет, почему проводник не был виден оптически. Даже если прогноз сопротивления, как и для меди, был чрезмерно большим, увеличение сопротивления на три порядка все равно привело бы только к толщине проводника от 2 до 5 микрон.

Ионная хроматография и ускоренное тестирование в исследованиях роста дендритов

Уже давно предполагалось, что высокая частота обнаруженных проблем (NTF) в полевых возвратах маскирует присутствие загрязняющих веществ, которые вызывают образование очень хрупких дендритов.Новое понимание ограничений традиционных подходов с использованием эквивалентов NaCl и применение температуры и времени для проверки источников загрязнения от печатной платы сыграло важную роль, позволив ряду компаний реализовать эффективные корректирующие действия.

Анализ отказов

Клиент запросил помощь в определении основной причины большого количества возвратов по гарантии. Их первоначальные попытки разочаровали большой процент возвратов, превышающий 50%, который был признан как «проблема не обнаружена» (NTF).

Наиболее частые причины NTF в электронике:

Программное обеспечение / Прошивка

Разъемы разъемные

Усталость / расслоение межсоединений

Электрохимическая миграция

В качестве промышленного контроллера единственным источником программного обеспечения было 2000 строк микропрограмм, запрограммированных в микропроцессор. Заказчик провел тщательную проверку, и никаких потенциальных неисправностей или неисправностей выявлено не было. Все разъемные разъемы на плате были покрыты оловом разъемами с высоким контактным усилием, ранее пригодными для использования в автомобилях.Дополнительная проверка прочности разъема была подтверждена ускоренными испытаниями на ресурс. Большинство отказов происходило в относительно контролируемой среде в течение шести недель работы. Для данной конструкции и условий эксплуатации этот период работы считался слишком коротким, чтобы вызвать усталость / расслоение паяных соединений на плате.

В результате этого первоначального обзора исследование продолжилось с более узким фокусом на доказательствах электрохимической миграции.Лучшая практика анализа отказов — это использовать систематический подход, прогрессирующий от наименее разрушительного к наиболее разрушительному до тех пор, пока не будет окончательно определена основная причина. Первым шагом часто является определение электрических характеристик, но это бесполезное измерение для продукта NTF. Поэтому анализ отказов перешел к визуальному осмотру.

Для данной конструкции и при условии равномерного распределения загрязняющих веществ основной движущей силой электрохимической миграции (ЕСМ), также известной как рост дендритов, является напряженность электрического поля между проводниками.Поэтому визуальный осмотр был сосредоточен на участках платы с высоким напряжением и мелким шагом. Результаты визуального осмотра показаны на Рисунке 15. Рост дендритов между контактными площадками на вставляемом микропроцессоре наблюдался с помощью оптической микроскопии.

Хотя механизм отказа был окончательно идентифицирован, корректирующие действия не могут быть реализованы до тех пор, пока не будут определены основные причины. Для ECM это заключается в определении источника загрязнения.

Загрязнение может появиться на любом этапе производственного процесса.Наиболее критическим загрязнением является присутствие ионных остатков, поскольку они обеспечивают электролит, необходимый для роста дендритов. Наиболее подходящим методом определения ионных остатков является использование ионной хроматографии.

Ионная хроматография

Хроматографический процесс можно определить как разделение, основанное на скорости движения через среду. В случае высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) это включает пропускание жидкости или подвижной фазы через колонку или неподвижную фазу и отслеживание адсорбции и десорбции различных фаз или растворенных веществ в жидкой среде.Ионная хроматография — это подмножество ВЭЖХ, где материал колонки выбирается по его разрешению ионных молекул, таких как анионы, катионы или слабые органические кислоты (WOAs)

Для идентификации загрязнения заказчик предоставил по три платы для каждого из семи этапов производственного процесса:

• Этап процесса 1 Голая печатная плата
• Этап 2 После вставки сквозного отверстия / перед SMT
• Шаг 3 после SMT
• Этап процесса 4 После ручного введения и завивки
• Этап 5 Перед защитным покрытием
• Этап процесса 6 После защитного покрытия / до введения шпильки
• Этап процесса 7 После окончательной проверки

Методика измерения ионных остатков была основана на IPC-TM-650, 2.3.28, Ионный анализ печатных плат (метод ионной хроматографии). Первостепенное значение имеет предотвращение внесения каких-либо дополнительных ионных примесей в процессе анализа. В связи с этим необходимо постоянно носить виниловые перчатки для чистых помещений с содержанием хлорида менее 3 ppm, а все химические устройства очищать деионизированной водой высокой чистоты (класс 18 МОм).

Платы помещают в термосвариваемые пакеты из полиэфирной пленки KAPAK и погружают в экстракционный раствор изопропанола (IPA) 75/25 (IPA) и деионизированной воды высокой чистоты.При приготовлении раствора экстракта критически важно, чтобы деионизированная вода была «свежей» (приготовленной в течение последних 48 часов), IPA был высокой чистоты, а объем раствора был достаточно большим, чтобы покрыть картон. IPC TM-650 2.3.25.1 рекомендует от 0,8 до 3 мл экстракционного раствора на каждый квадратный сантиметр поверхности платы.

Пакеты запаивают и помещают в водяную баню при 80ºC на один час. Небольшой прокол в мешке служит предохранительным клапаном. Пакеты снимают с водяной бани и записывают конечный объем раствора.Чрезмерная потеря раствора может привести к ошибочным уровням ионов.

Из-за некоторого первоначального анализа, анализ IC был сосредоточен на обнаружении хлорида (Cl -) и бромида (Br -). Хлорид и бромид являются частью семейства галогенидов, которые химически активны из-за расположения их электронных оболочек. Хлорид и бромид считаются двумя наиболее важными загрязнителями для обнаружения из-за их склонности к реакции и их обычного использования в промышленных процессах. В результате несколько промышленных и государственных спецификаций, подробно описанных в таблице 6, рекомендуют максимальные уровни загрязнения хлоридом и бромидом для печатных узлов

IC чувствителен к калибровке, поэтому хроматограф был подвергнут калибровке по трем точкам с использованием 0.5 ppm, 1 ppm и 1,5 ppm стандартные растворы хлорида и бромида. После калибровки раствор экстракта из каждого образца платы вводили в колонку, используя элюент 1,8 мМ карбонат натрия / 1,7 мМ бикарбонат натрия. Пример выходных данных показан на рисунке 16. Область под пиками показывает концентрацию. Затем можно рассчитать микрограммы ионов на квадратный дюйм площади платы по формуле, приведенной ниже:

Наличие компонентов учитывается добавлением дополнительных 10% к общей площади поверхности платы.

Результаты

Результаты IC показаны на рисунке 17. Поступающие неизолированные платы от производителя плат показали повышенные уровни хлорид- и бромид-ионов, примерно 5 и 12 микрограмм / квадратный дюйм, соответственно. Эти значения нарушают некоторые, но не все спецификации, перечисленные в таблице 6. Уровни загрязнения оставались относительно постоянными до тех пор, пока не было нанесено защитное покрытие, которое состоит из отверждения ультрафиолетом (УФ), которое может повысить температуру платы до 80 ° C.После конформного покрытия уровни бромида увеличились до 20-25 микрограммов / квадратный дюйм.

Эти повышенные уровни бромида превысили все рекомендованные максимальные значения, указанные в таблице 6. Хотя поставщик картона получил требование отреагировать на относительно высокие уровни хлоридов и бромидов на чистом картоне, дальнейшее расследование было сосредоточено на источнике повышенного уровня бромида после нанесение конформного покрытия.

Ускоренное тестирование

Потенциальным источником повышенного уровня бромида было либо конформное покрытие, либо приложение температуры к голой плате.Ионная хроматография компонентов конформного покрытия не обнаружила хлоридов или бромидов. Чтобы изучить влияние температуры, 12 плат без покрытия были подвергнуты ускоренному тестированию при 55 ° C, 70 ° C или 85 ° C. Образцы были удалены через 15, 60, 150 и 240 минут и подвергнуты ионной хроматографии. Результаты показаны на Рисунке 18

Уровни бромида могут сильно варьироваться в зависимости от времени и температуры воздействия. Через 15 минут при всех температурах: 55 ° C, 70 ° C и 85 ° C уровень бромида немного повысился.Это может указывать на то, что поверхностное загрязнение, оставшееся за счет адгезии, высвободилось за счет увеличения энергии, доступной при более высоких температурах. Через час уровень бромида упал, причем величина снижения частично зависела от температуры. Это может означать улетучивание поверхностного загрязнения, что соответствует измерениям после 15 минут воздействия. То есть загрязнение было слабо связано с поверхностью. Таким образом, первоначальное воздействие приводит к высвобождению дополнительного загрязнения, но дополнительное время может привести к потере этого слабо связанного загрязнения.

Через 2,5 и 4 часа уровень брома снова становится высоким. Из этого поведения можно сделать два важных вывода. Во-первых, это означает, что загрязнения на основе бромида, вероятно, диффундируют к поверхности либо из паяльной маски, либо из ламината. Во-вторых, это предполагает, что повышенные уровни бромида, показанные на рисунке 17, были вызваны загрязнителями, присутствующими от производителя платы, а не введением загрязняющих веществ во время процесса конформного покрытия.

Корректирующее действие

Часто представления этих результатов достаточно, чтобы начать обсуждение с поставщиком соответствующих действий по исправлению и удалению этих ускорителей отказов из будущего продукта.Однако в этом случае поставщик ответил своими собственными результатами ионной хроматографии, заявив, что отбор проб чистых плат на их предприятии привел к тому, что значения бромидов и хлоридов находятся в пределах отраслевых спецификаций.

Производитель печатных плат сообщил об уровнях хлорида и бромида примерно 0,6 мкг / дюйм2, при испытании, проведенном в соответствии с IPC TM-650 2.3.28 (ссылка). Однако когда фактические измеренные значения PPM были введены в формулу, описанную ранее, было определено, что объем экстракции составлял 45 мл для 11.Панель размером 8 на 8,8 дюйма. Этого было сочтено недостаточным для полного погружения голой платы, особенно с учетом рекомендуемого объема экстракции 550–2000 мл раствора в соответствии с IPC TM-650 2.3.25.1 (ссылка). Использование недостаточного объема экстракции, скорее всего, привело к обнаружению низких уровней ионов.

После того, как подходы к испытаниям были унифицированы и результаты IC были сопоставлены, было определено, что производитель печатных плат использовал загрязненную городскую воду для мытья плат перед нанесением паяльной маски.Это привело к улавливанию бромид-ионов, которые диффундировали к поверхности во время применения повышенных температур, таких как те, которые наблюдаются в процессе отверждения конформного покрытия.

Заключение

Как показано в трех тематических исследованиях, стандартные методы и инструменты, используемые в традиционном анализе первопричин, могут привести к неверным или неубедительным выводам при применении к сбоям в текущем поколении печатных плат. Аналитик отказов должен использовать новейшие методы, особенно в отношении общих механизмов отказа PTH, CFF и отказа ECM, чтобы обеспечить ценность для клиента или потребителя.Эти методы в области моделирования PoF, текущего картирования и обнаружения загрязнения полезны, потому что они не интуитивно понятны. То есть предоставляют информацию, которую невозможно обнаружить с помощью простой физической характеристики. Без окончательного определения первопричины корректирующие действия не могут быть реализованы, а непомерно высокая стоимость гарантийного возврата и ремонта может нанести ущерб будущей жизнеспособности клиента.

Список литературы

1. S.B. Ли, А.Кац и К. Хиллман, Понятия терминологии качества и надежности прямо, IEEE CMPT-A, 21, 521-23 (1998)
2. A. Dasgupta и V. Rammppan, Моделирование влияния качества изготовления на надежность переходных отверстий, Trans. ASME — J. Elec. Пак., 117, 141-146 (1995)
3. А. Огумджими, С. МакГрегор, М. Печт и Дж. Эванс, Влияние изменчивости процесса производства и проектирования на усталостную долговечность переходных отверстий HDI, J. Electr. Мануфактура, 5, 11-119 (1995)
4. A. Prabhu, et.др., Анализ термомеханической усталости переходных отверстий HDI, Proc. ИНТЕРПАК, 187-216 (1995)
5. S. Bhandarkar, et. al. Влияние выбранных проектных переменных на распределение термомеханических напряжений в металлизированных конструкциях со сквозными отверстиями, Пер. ASME — J. Elec. Pack., 114, 8-13 (1992)
6. Д. Йодер, С. Бхандаркар и А. Дасгупта, Экспериментальное и аналитическое исследование арамидных ОСА — Часть 2, Обзор МПК, 20-27 (1993)
7. Технический отчет IPC, Круговая оценка надежности сквозных отверстий малого диаметра в печатных платах, IPC-TR-579 (1988)
8. В.Коста, Э. Эрнандес, Ф. Лехлейтер и М. Бремонд, Электрические характеристики подложек MCM-D и MCM-SL HDI для высокопроизводительных телекоммуникационных приложений, Proc. Евро. Микро. Пакет. Интер. Симп., 275-80 (2000)
9. D.C. Lai, G. Sure, Разработка и квалификация печатных плат высокой сложности, Proc. ПанПак, 39-44 (2000)
10. Д. Гоял, Х. Азими, К.П. Чонг и М.Дж. Лии, Надежность металлических сквозных отверстий с высоким соотношением сторон (PTH) для усовершенствованных корпусов печатных плат (PCB), Proc. ИРПС, 129-35 (1997).
11. Т. Кобаяси и С. Хаясида, Исследование по моделированию надежности при разрушении сквозного растрескивания в термически усиленном ламинате PBGA, Proc. ECTC, 1658-60 (2000)
12. Дж. Сметана, Надежность металлизации сквозных отверстий с помощью высокотемпературной бессвинцовой пайки, The Board Authority, 4, 50-64 (2002)
13. Стандарт приемлемости IPC, приемлемость печатных плат, IPC-A-600F (1999)
14. Polyclad, ламинат / препрег Polyclad Марка PCLFR-226 IPC-4101 Обозначение в листе спецификаций, (2001)
15. Б.Рудра, М. Печт и Д. Дженнингс, Оценка времени до разрушения из-за образования проводящих волокон в многослойных органических ламинатах, IEEE CPMT-B, 17, 269-276 (1994)
16. K. Sauter, Оценка влияния конструкции печатной платы, производственного процесса и ламината на сопротивление CAF; CircuiTree, 10-19 (2002)
17. G. Harsanyi и G. Inzelt, Сравнение мигрирующих резистивных способностей к короткому образованию проводящих систем, применяемых в передовых системах межсоединений; Микро. Rel., 41, 229-237 (2001).
18. J. Augis, et. др., Порог влажности для токопроводящих анодных волокон в печатных монтажных платах из эпоксидного стекла, Proc. 3-й Интер. SAMPE Elec. Конф., 1023-1030 (1989)
19. Семинар по передовым технологиям образования проводящих волокон в печатных платах и ​​MCM-L; Центр исследования электронной упаковки CALCE, Мэрилендский университет, Колледж-Парк, Мэриленд 20742; 12 и 13 января 1995 г.
20. W. Ready et. др., Микроструктура токопроводящих анодных нитей, образованных во время ускоренного тестирования печатных монтажных плат, Circuit World, 21, 5-10 (1995).
21. Э. Бумиллер, М. Пехт и К. Хиллман, Влияние электрического поля и загрязнения хлоридом на электрохимическую миграцию, IEEE CPMT, представленный для публикации
22. Д. Паулс, Остатки в печатных платах и ​​сборках, Circuit World, 27, 32-41 (2000)
23. Главный производитель бытовой техники, Спецификация чистоты сборки печатной платы, май 2003 г.
24. Национальный центр защиты окружающей среды (NDCEE), «Протокол совместных испытаний CC-P-1-1 для проверки альтернатив свинецсодержащим поверхностям, для разработки руководств по использованию конформных покрытий и для аттестации конформных покрытий с низким содержанием летучих органических соединений. Покрытия », Контракт №DAAA21-93-C-0046, Джонстаун, Пенсильвания, июнь 1999 г.
25. IPC, «Квалификация и технические характеристики жестких печатных плат», IPC-6012A -AM, раздел 3.10.1, Нортбрук, Иллинойс, июль 2000 г.
26. IPC, «Требования к паяным электрическим и электронным узлам», J-STD-001C, раздел 8.36, Нортбрук, Иллинойс, март 2000 г.
27. Министерство обороны, «Узлы схемных плат, жесткие, гибкие и жесткие, гибкие», MIL-STD-28809B, раздел 3.6.5.1, май 1988 г.
28. «Справочник по химии и физике — 80-е издание», CRC Press, New York, NY, 1999, стр.