Dr. Gert Vogel, A&D CD CC SQA E, Amberg. Fehleranalyse an Baugruppen, Fallstudie: Elektrische Durchschläge in Innenlagen von FR4 Leiterplatten

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1 Dr. Gert Vogel,, Fehleranalyse an Baugruppen, Fallstudie: Elektrische Durchschläge in Innenlagen von FR4 Leiterplatten!!!!! Dr. Gert Vogel, Folie 1

2 : Auftreten des s:! Überlast-Tests zur Freigabe eines neuen Geräts (Baugruppe vergossen)! Gewählte Bedingungen des Tests: - worst case Umgebungstemperatur (87 C) - worst case Spannung (260 V DC) - Geräte dicht gepackt! Ausfälle traten nach Tagen bis Wochen auf " elektrische Durchschläge in der Baugruppe Dr. Gert Vogel, Folie 2

3 :! Verschiedenste Bauteile sind durchgebrannt.! Die Vergussmasse ist aufgeplatzt. Durch eine Reihe von n konnte der Fehler eingegrenzt werden: # Elektrische Durchschläge zwischen einer Durchkontaktierung und der Masse-Innenlage Dr. Gert Vogel, Folie 3

4 : Masse-Innenlage Durchkontaktierung Abstand Durchkontaktierung zu Masse-Innenlage: 0,3 mm Dr. Gert Vogel, Folie 4

5 an Baugruppen: Ein Wechsel der Vergussmasse hatte großen Einfluss auf die Zeitdauer bis zum Auftreten des Fehlers. Fehler tritt aber auch auf bei unvergossenen Baugruppen Vergrößerung des Abstands zwischen Masse-Innenlage und Durchkontaktierung von 0,3 mm auf 1,0 mm beseitigt den Fehler. " muss bei Leiterplatte liegen! Weitere mit blanken Leiterplatten: Verwendung eines Hochwiderstandsmessgeräts (Teraohmmeter) der Fa. HP a) zur Widerstandsmessung b) als Spannungsquelle mit Strombegrenzung (500 V / 0,5-5 ma) Dr. Gert Vogel, Folie 5

6 Thermische Lagerung von LP mit angelegten 500 V DC Dr. Gert Vogel, Folie 6

7 Thermische Lagerung von LP mit angelegten 500 V DC 130 C $ keine Ausfälle 135 C $ Ausfall nach 14 Stunden 145 C $ Ausfall nach 2 Stunden Lokalisierung des Ausfallorts mit Infrarot-Kamera: Dr. Gert Vogel, Folie 7

8 metallographische Schliffe: Durchschlags-Kanal Einbeulung der Kupfer-Hülle der Durchkontaktierung Dr. Gert Vogel, Folie 8

9 Masse-Innenlage Durchkontaktierung Durchschlagskanal Verlauf in der Ebene der Innenlage Dr. Gert Vogel, Folie 9

10 Widerstand steigt beim Tempern bei 130 C stark an (1 ½ Größenordnungen von auf ) Was geschieht bei stufenweisem Tempern? C 140 C 160 C 10 8 # Kein elektrischer Durchschlag mehr, selbst bei 160 C! Dr. Gert Vogel, Folie 10

11 Tempern der Leiterplatten ist nicht praktikabel. Was geschieht bei 1 mm Abstand? Wie verhält sich eine Leiterplatte mit höherer Glasübergangstemperatur? (FR4: ca. 135 C $ FR5: ca. 160 C) FR4: 1 mm FR5: 1 mm FR5: 0,3 mm FR4: 0,3 mm Dr. Gert Vogel, Folie 11

12 Problemlösung: a) Die Verwendung von FR5 beseitigt das Problem. b) Unter Beibehaltung von FR4: Vergrößerung des Abstands zwischen Durchkontaktierung und Masse-Innenlage beseitigt das Problem gleichfalls. ( und ist billiger!) Langzeitverhalten: Nachdem das Harz der Leiterplatte ausgehärtet ist, tritt kein Fehler mehr auf! Offene Fragen: Warum verhält sich die vergossene Baugruppe schon bei nur 87 C Umgebungstemperatur so? Dr. Gert Vogel, Folie 12

13 Leistungsbauteil Masse-Innenlage # Die starke Wärmeentwicklung des Leistungsbauteils heizt vor allem die darunter liegende Masse-Innenlage auf. # Um die Durchkontaktierung herum befindet sich damit eine Zone mit deutlich geringerem Isolationswiderstand. Dr. Gert Vogel, Folie 13

14 n: Der Isolationswiderstand des Leiterplattenharzes fällt bei erhöhten Temperaturen um mehrere Größenordnungen ab. Das Harz von Leiterplatten ist bei Lieferung noch nicht ganz ausgehärtet. Hier ist der Isolationswiderstand noch zusätzlich ca. 1 ½ Größenordnungen kleiner. Beim Aushärten laufen chemische Prozesse ab, die Ladungsträger freisetzen. Die Metallisierung in einer Bohrung ist nicht glatt, sondern bildet neben den Glasfaser-Bündeln Spitzen aus, die eine Erhöhung der elektrischen Feldstärke zur Folge haben. Lokal können so Ströme im ma-bereich fließen, die eine Verkohlung des Harzes zur Folge haben. Die hohe Temperatur des Harzes neben den Durchkontaktierungen wird erzeugt durch Wärme, die von Leistungsbauteilen nach unten in die Masse-Lage eingebracht wird. Dr. Gert Vogel, Folie 14

15 : # Bei n unter thermischer Grenzbelastung fielen vergossene Baugruppen durch elektrische Durchschläge in den FR4-Leiterplatten aus. # Ursache dafür war ein Übermaß an Wärme, die durch Leistungsbauteile in die Masse-Innenlage eingebracht wurde. # Der Isolationswiderstand des Harzes in Kontakt mit der heißen Innenlage sinkt um einige Größenordnungen. Durch chemische Umwandlungen im Harz (Aushärten) werden zusätzlich Ladungsträger freigesetzt. # Durch Vergrößerung des Abstands zu den Dukos von 0,3 auf 1,0 mm konnte der Fehler beseitigt werden. Zudem wurden die Leistungsbauteile versetzt. # Auch der Einsatz von FR5 statt FR4 wäre eine Lösungsmöglichkeit gewesen. Dr. Gert Vogel, Folie 15