PCB设计的热冲击可(kě)靠性测试

2020-07-15

让任何东西在很(hěn)短的时间内加热到高温，它可(kě)能(néng)会失效。電(diàn)子设备也是如此，可(kě)能(néng)需要在非常热的环境中生存。更重要的是极端温度之间的缓慢和快速循环，这给元件和PCB本身的结构带来了极大的压力。如果您可(kě)以将電(diàn)路板设计為(wèi)承受热冲击和应力，则電(diàn)路板的使用(yòng)寿命可(kě)能(néng)会更長(cháng)。

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

什么是热冲击可(kě)靠性测试？

热冲击可(kě)靠性测试从概念上讲是简单的测试：在短时间内将電(diàn)路板置于极端温度下，然后测试人员确定電(diàn)路板是否由于这种极端温度变化而发生故障。显然，“极端温度变化”一词可(kě)能(néng)有(yǒu)任何含义，而符合電(diàn)路板故障的条件取决于设计要求和控制产品的标准。IPC已根据MIL-STD标准指定了用(yòng)于热冲击测试和可(kě)靠性的通用(yòng)标准。

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

IPC-TM-650 2.6.7热冲击测试

此测试基于与MIL-STD测试类似的方法来进行热可(kě)靠性测试。试验中的最高温度设定為(wèi)低于层压材料的Tg。具體(tǐ)来说，IPC D试样应承受-55°C到最低以下温度的热冲击：Tg-10°C，回流温度– 25°C或210°C。这涵盖了大多(duō)数中等和高Tg层压板，以及商(shāng)业或工业产品的最典型操作条件。

MIL-STD-202G热冲击测试

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

 

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

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

是什么决定热可(kě)靠性？

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

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

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

通孔断裂：应力集中在通孔中的位置取决于纵横比和几何形状（通孔与盲孔）

分(fēn)层：发生分(fēn)层时，导體(tǐ)和基板在极端变形下会分(fēn)离。

您可(kě)以通过以下几种方法来防止由于热冲击而导致的故障：

紧密匹配的CTE值：您的导體(tǐ)，焊料和基底材料的CTE值应尽可(kě)能(néng)相似。

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

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