IST Interconnect Stress Test Zuverlässigkeitstest an Leiterplatten. Hermann Reischer/Polar Instruments GmbH

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Margarete Lang
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1 IST Interconnect Stress Test Zuverlässigkeitstest an Leiterplatten Hermann Reischer/Polar Instruments GmbH

2 Was ist Zuverlässigkeit? Zuverlässigkeit ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Produkt die beabsichtigte Funktion für einen angegebenen Zeitraum unter definierten Bedingungen erfüllt.

3 Zukünftige Anforderungen an die Leiterplatte: Bleifrei-Lötprozesse: Löttemperaturen > 260 C Hot Air Levelling 6-fach Rework Hohe Zuverlässigkeit: Medizintechnik Luft/Raumfahrt Rüstung Automotive/Bahnbereich

4 Testmethoden: Temperaturwechseltest (TWT) Prüfling wird wechselweise in zwei Klimakammern mit 40 C und +125 C eingefahren, Zyklen. IST Interconnect Stress Test - Spezieller Testcoupon mit Durchkontaktierungen, elektrische Aufheizung des Coupons auf 150 C für 3 Minuten, Abkühlung auf Raumtemperatur in 2 Minuten IPC-TM

5 Vergleich IST Interconnect Stress Test vs. Klimakammer Temperature, Degrees C Cycles/Hr IST - 12 A/A - 1 L/L t, min IST A/A 1000 Zyklen: IST ~ 4 Tage, Klimakammer ~ 42 Tage

6 IST Testcoupon:

unterstützen eine gleichförmige Temperaturverteilung - Durchkontaktierungs-Raster bestimmt die

7 IST Testcoupon: Heizkreis Meßkreis Heizkreis Meßkreis - Die Temperaturverteilung erfolgt vom Heizkreis auf den Meßkreis - Es fließt nur Meßstrom durch die Durchkontaktierungen des Meßkreises - Kupferlagen unterstützen eine gleichförmige Temperaturverteilung - Durchkontaktierungs-Raster bestimmt die Temperaturdifferenz zwischen Heiz- und Meßkreis - zusätzlicher Superheat-Kreis möglich für noch homogenere Temperaturverteilung

8 IST Testcoupon:

9 Widerstandserhöhung durch therm. Belastung: RESISTANCE DEGRADATION OF THE PTH INTERCONNECT RESISTANCE DEGRADATION IN MILLIOHMS Tempern ANNEALING Ermüdung FATIGUE PTH CRACK INITIATION Erste Mikro-Risse Fortschreitende Rissbildung CRACK PROPAGATION Zunehmende Schädigung ACCELERATION Dehnungsausgleich STRAIN RELIEF IST CYCLES PTH INTERCONNECT FAILING Hülsen-Totalausfall gesunde Durchkontaktierung POST INTERCONNECT Typisches Abbruchkriterium nach IPC: 10% Widerstandserhöhung

10 IST-HC System: 8-Kanal Couponaufnahme

11 Coupondaten 8-Kanal-Darstellung :

12 Temperaturverläufe an 8 Coupons:

13 Fehlerlokalisierung mit Infrarotkamera:

14 Fehlermodi:

15 Temperatur-Ausdehnungsverhalten:

16 Bleifrei-Lötprozess:

17 Heiz- und Abkühlzyklus in Leiterplatte:

18 Hülsenrisse:

19 Typische Fehlerbilder - Hülsenrisse: - Kupferhülse wird in Längsrichtung gedehnt - Riss in der Wand der Durchkontaktierung - Rascher Schädigungsfortschritt - meist große Rissbreite - Unterbrochen bei Raumtemperatur

20 Innenlagenabrisse:

21 Typische Fehlerbilder - Innenlagenabrisse: - Rascher Schädigungsfortschritt - meist große Rissbreite - Unterbrochen bei Raumtemperatur

22 Mikrovia-Targetpad-Abrisse:

23 Mikrovia-Targetpad-Abrisse: - - Schädigung meist erst ab 190 C - Abriss vom Capture Pad bei Kontraktion (Abkühlung)

24 Typische Mikrovia-Schädigungsbilder: - Target-Pad Abriss - Abriss Capture Pad - Microvia Corner Cracks

25 Corner Cracks :

26 Typische Corner-Crack-Schädigungsbilder: - Riss im 90 Knie - häufiger bei Bleifrei-Technologie - mech. Belastung wird an Oberfläche gedrängt - typisch kleine Risse

27 Delamination

28 Delaminationstest: Prüfung auf Delamination über Kapazitätsmessung Testpunkte in IST Coupon integriert Vergleich Kapazität vor und nach IST Test

Delaminationstest: GP40001A - Coupon 9-1X @ 260C Supplier "A" Capacitance (pico farads) 430 410 390 370 350 330 1X As Rec 310

Delta Capacitance (pico farads) 40 35 30 25 20 15 10 5 0-5 -10 GP40002A - Coupon 3-10 - 5X Thru 7X @260C Supplier "B" 3-5 5-7

29 Delaminationstest: GP40001A - Coupon 260C Supplier "A" Capacitance (pico farads) X As Rec Cap layer segment Absolute Kapazitätswerte vor und nach IST Test Delta Capacitance (pico farads) GP40002A - Coupon X Thru Supplier "B" Cap layer segment 5X 6X 7X Relative Kapazitätsänderung durch IST Test

30 DELAM-Tester: PC-gesteuerte Auswertung der Kapazitätsänderung Testpunkte in IST Coupon integriert

31 Einflussgrößen auf Zyklenfestigkeit: Temperatur Bohrlochdurchmesser Leiterplattendicke Ausdehnungskoeffizient des Basismaterials (CTE) Kupferdicke in der Hülse Abstand der Bohrungen (Raster) Verteilung der Druckkräfte abhängig vom Bohrlochdurchmesser

32 Lösungsansätze: Hauptursache für Schädigung ist CTE 1 Fehlanpassung zwischen Basismaterial und Kupferhülse: CTE von Standard FR4 bis Tg 2 = 70 ppm/k CTE von Standard FR4 über Tg 2 = 280 ppm/k CTE von Kupfer = 16 ppm/k Basismaterialien mit geringem CTE (Füllstoffe) Basismaterialien mit hohem Tg-Wert Optimales Verhältnis Kupferdicke in Bohrung/Bohrdurchmesser/LP-Dicke 1 CTE = Coefficient of Thermal Expansion (Temperaturausdehnungskoeffizient) 2 Tg = Glaspunkt; Temperatur bei der Duroplast-Kunststoff zu fließen beginnt und eine nicht reversible Strukturveränderung zeigt

33 IST Referenzen Europa: Atotech Dyconex (3 Systeme) GS Swiss PCB Airbus ESA Invotec UK Graphic PLC Würth Tesat

34 Vielen Dank! Polar Instruments GmbH A-4865 Nussdorf am Attersee Aichereben 16 Tel Fax

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