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技術(shù)專題
PCB設(shè)計(jì)的熱沖擊可靠性測試
讓任何東西在很短的時(shí)間內(nèi)加熱到高溫，它可能會(huì)失效。電子設(shè)備也是如此，可能需要在非常熱的環(huán)境中生存。更重要的是極端溫度之間的緩慢和快速循環(huán)，這給元件和PCB本身的結(jié)構(gòu)帶來了極大的壓力。如果您可以將電路板設(shè)計(jì)為承受熱沖擊和應(yīng)力，則電路板的使用壽命可能會(huì)更長。
確保您的電路板可以承受較大的溫度變化，需要了解熱沖擊可靠性測試。通過了解實(shí)際情況下的主要故障點(diǎn)，您的電路板就有可能經(jīng)受住較大的熱沖擊。讓我們看一下故障的主要原因以及在熱沖擊可靠性測試期間出現(xiàn)的最常見的故障點(diǎn)。
什么是熱沖擊可靠性測試？
熱沖擊可靠性測試從概念上講是簡單的測試：在短時(shí)間內(nèi)將電路板置于極端溫度下，然后測試人員確定電路板是否由于這種極端溫度變化而發(fā)生故障。顯然，“極端溫度變化”一詞可能有任何含義，而符合電路板故障的條件取決于設(shè)計(jì)要求和控制產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。IPC已根據(jù)MIL-STD標(biāo)準(zhǔn)指定了用于熱沖擊測試和可靠性的通用標(biāo)準(zhǔn)。
IPC-TM-650 2.6.7標(biāo)準(zhǔn)定義了多種材料的熱沖擊可靠性測試要求。國防用品的另一種標(biāo)準(zhǔn)熱沖擊可靠性測試方法是MIL-STD-202G，方法107。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都指定了由于極端溫度值之間的變化而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)可靠性檢查。這些材料的溫度測試范圍是根據(jù)板基板的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）（IPC-TM-650 2.6.7）或超出標(biāo)準(zhǔn)范圍（MIL-STD-202G）選擇的。
IPC-TM-650 2.6.7熱沖擊測試
此測試基于與MIL-STD測試類似的方法來進(jìn)行熱可靠性測試。試驗(yàn)中的最高溫度設(shè)定為低于層壓材料的Tg。具體來說，IPC D試樣應(yīng)承受-55°C到最低以下溫度的熱沖擊：Tg-10°C，回流溫度– 25°C或210°C。這涵蓋了大多數(shù)中等和高Tg層壓板，以及商業(yè)或工業(yè)產(chǎn)品的最典型操作條件。
MIL-STD-202G熱沖擊測試
本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了使用空對空方法或液對液方法的標(biāo)準(zhǔn)測試。這些方法旨在控制熱量傳遞到被測設(shè)備（DUT）中的速率，并且它們各自具有不同的特性。下表總結(jié)了這兩種方法。
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空對空 |
液對液 |
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DUT在溫度區(qū)域s之間移動(dòng) |
在不同溫度，不同溫度的液體之間難以移動(dòng)DUT |
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對DUT的傳熱率低 |
對DUT的高傳熱率 |
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DUT封閉在一個(gè)籠子中，這會(huì)增加熱質(zhì)量和停留時(shí)間 |
涉及的液體往往易揮發(fā)且昂貴 |
當(dāng)DUT暴露于高溫環(huán)境中時(shí)，它需要在該環(huán)境中繼續(xù)運(yùn)行，以使系統(tǒng)達(dá)到熱平衡。測試指定了停留時(shí)間，該時(shí)間是DUT應(yīng)該保留在環(huán)境中以使其達(dá)到平衡的時(shí)間。由于空氣對空氣的熱傳遞比液體對液體的熱傳遞低，因此空氣對空氣的測試方法將具有更長的停留時(shí)間。停留時(shí)間還取決于被測試系統(tǒng)的質(zhì)量。在兩個(gè)測試中，較重的PCB將有更長的停留時(shí)間。
MIL-STD-202G中的測試范圍分為不同類別。低端測試溫度可低至-65°C，最高可至200°C（用于液-液測試）和500°C（用于空對空測試）。空對空測試在實(shí)際條件下更為典型，尤其是在飛機(jī)或汽車上。但是，它們無法模擬溫度上升非常快的情況，因此，如果在操作過程中存在快速而大的溫度上升的危險(xiǎn)，則液-液測試是更好的選擇。
是什么決定熱可靠性？
無論我們擔(dān)心熱循環(huán)還是熱沖擊，決定熱可靠性的重要參數(shù)是各種板材料的CTE值之間的差異。這包括層壓板，焊料和印刷導(dǎo)體材料。另外，所用導(dǎo)體的延展性影響導(dǎo)體在熱沖擊期間是否會(huì)斷裂。更具延展性的材料可以承受更高的應(yīng)變率，因此可以保持較快的溫度上升。
隨著板溫度的升高，板材料以不同的速率膨脹時(shí)，應(yīng)力會(huì)施加在不同的結(jié)構(gòu)上。由于CTE值不同，熱沖擊會(huì)導(dǎo)致以下形式的故障：
焊錫斷裂：焊球中的拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力趨于集中在焊球的頂部和底部附近，從而導(dǎo)致斷裂，尤其是在異種金屬之間的脆性界面處
通孔斷裂：應(yīng)力集中在通孔中的位置取決于縱橫比和幾何形狀（通孔與盲孔）
分層：發(fā)生分層時(shí)，導(dǎo)體和基板在極端變形下會(huì)分離。
您可以通過以下幾種方法來防止由于熱沖擊而導(dǎo)致的故障：
緊密匹配的CTE值：您的導(dǎo)體，焊料和基底材料的CTE值應(yīng)盡可能相似。
使用高Tg基材材料：當(dāng)基材的Tg值較大時(shí)，基材的CTE值將在較寬的溫度范圍內(nèi)保持較低。
使用導(dǎo)熱系數(shù)高的基板：如果您的電路板將在存在熱沖擊危險(xiǎn)的高溫環(huán)境中運(yùn)行，則使用導(dǎo)熱系數(shù)高的基板（例如，金屬芯或陶瓷）將使熱量迅速散逸并可能散發(fā)較低的平衡溫度。