Klimasicherheit von elektronischen Baugruppen

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1 Klimasicherheit von elektronischen Baugruppen Mallorca 2007 Dipl. Ing. Karl ZVE des Fraunhofer IZM 1

2 Umwelt-Beanspruchungen Klimatische Beanspruchungen Elektrische Beanspruchungen Mechanische Beanspruchungen Chemische Beanspruchungen 2

3 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit Testen von Baugruppen zur Sicherstellung der Funktionalität unter worst case Bedingungen Daraus resultierend sollte der worst case bekannt sein ist aber nicht immer darum ist unser Labor auch gut ausgelastet 3

4 Beanspruchungen aus dem Einsatz Feuchte-Wärme konstant Schwingungsprüfung Feuchte-Wärme, zyklisch Mechanischer Schock Salzsprühtest Temperaturwechsel und alles noch beliebig gemixt Hochtemperatur-Umgebung 4

5 Klima Feuchtelagerung Betauung Migration durch Betauung während des BMW-Tests 5

6 Grundlagen Begriffe: Feuchtegrad x Wassergehalt des Gemisches je kg trockener Luft x s Dampfgehalt bei Sättigung ψ = x x s relative Feuchtigkeit p s Sättigungsdruck des Dampfes bei gegebener Temp. üblich in der Meteorologie ϕ = p( t ) p s ( t ) nur geringe Unterschiede zwischen ψ und ϕ 6

7 Feuchtegrad im Klimatest Beispiel: Klima beim Prüfen von Flußmittelrückständen Kammertemperatur: 85 C Feuchte: 85% x s bei 85 C = 852,10 g Wasser je kg trockener Luft bei 85% sind 724,28 g Wasser je kg trockern Luft vorhanden Taupunkt bei 85 C: 7

8 Feuchte im Klimaschrank 8

9 Merkmale der Klimalagerung keine Betauung, wenn Prüfling + Kammer gemeinsam hochgeheizt werden hygroskopische Stoffe (z.b. Salze) reichern sich mit Wasser an Korrosion hält sich ohne Präsenz von aggressiven Medien noch in Grenzen Prüfling kann ebenfalls Wasser aufnehmen FR 4 0,2 0,5% abhängig von der Dicke an elektronischen Baugruppen meist keine Korrosionsmerkmale wenn keine Spannung angelegt ist 9

10 Beispiel einer Taupunkttabelle 40 C, 95% Feuchte Taupunkttemp.: 38,05 C 10

11 Wasseraufnahme der Luft 11

12 Klimalagerung Verschiedene Glaubensgrundsätze Flussmittelqualifizierung 85 C/85% Feuchte Baugruppen teilweise auch 85 C/85% Feuchte vermindert auch 40 C/92% Feuchte in Werksnormen zu finden 500h Feuchtelagerung ist nicht immer sinnvoll 12

13 Klimalagerung Flussmittel Testen von Flussmittelrückständen nach EN oder nach US-Norm J-STD-004 Forderung: min. 100 MOhm gemessen bei -100V nach 96h und 168h im Klima 85 C/85% Feuchte Abstand Kammstruktur 0,5mm beginnende Dendritenbildung 13

14 Flussmittelqualifizierung Klasseneinteilung von Flussmitteln nach EN Qualitative Halogene Quantitative Halogene Bedingungen für das Bestehen der 100MOhm SIR Forderung 8,10 Flußmittel Kupfer Spiegel Silber Chromat Spot Test Korrosion 2,6 SIR=Oberflächenwiderstand Klasse 1 Test 2,3 (Cl, Br) 2,4 (F) 2 (Cl, Br, F) 5 L0 Kein bestanden 7 bestanden 7 0,0% Keine Beide gereinigt und L1 Durchbruch bestanden 7 bestanden 7 <0,15% Korrosion ungereinigt 9,10 M0 Weniger als 50% bestanden 7 bestanden 7 0,0% Geringe gereinigt 8 oder M1 Durchbruch nicht bestanden 11 nicht bestanden 11 0,5-2,0% Korrosion ungereinigt 9,10 H0 mehr als 50% bestanden 7 bestanden 7 0,0% erhebliche Gereinigt H1 Durchbruch nicht bestanden 11 nicht bestanden 11 >2,0% Korrosion 14

15 Baugruppe bei Feuchtebelastung Bei Verwendung von Flussmittel Klasse L dürfen keine unzulässigen Leckströme auftreten Migrationsbildung ist nicht möglich Ausnahme: die Norm hat eine Lücke bei nicht thermisch beanspruchten Flussmittelrückständen z.b. Selektivlöten oder Wellenlötflussmittel als Hilfsmittel beim Handlöten 15

16 Kritische Rückstände gealtertes Flussmittel nach speziellem ZVE SIR-Test deutliche Korrosion Feldausfälle 16

17 Betauung ganz einfach Schrank auf 85 C/85% Feuchte vorheizen Prüfling mit 20 C schnell in Schrank legen Spannung anlegen Anmerkung: Taupunkt-Temperatur bei 85 C = 81 C 17

18 Das Ergebnis Deutliche Migrationsbildung durch Betauung der Test- Struktur bei angelegter Spannung von 15V DC Baugruppe: nur Cu kein Finish 18

19 Ergebnis Widerstandsmessung Messausrüstung Oben: Widerstandsmessgerät Unten: Messwerterfassung 19

20 Ergebnis Widerstandsmessung bis ca. 120sec. kleiner als 200KOhm Prüfling hat bei 120 sec. Taupunkt überschritten Unruhiges Signal 20

21 Betauung an der realen Baugruppe Kurvenmigration Der Lötstopplack ist kein Schutz bei Betauung (zu dünn an den Kanten) 21

22 Betauungstests BMW Betauungstest Temperaturrampe mehrfach durchfahren IPC TM 650 Testmethod Temperaturzyklen bei konstanter Feuchte 22

23 BMW- Test Prinzip: Klimakammer wird nur durch Wasserbad aufgeheizt, dadurch sehr hohe Feuchtigkeit (bis 100%) Prüfling ist immer etwas kälter als die Kammerluft dadurch sicheres Betauen Problem: Betaungsquantität ist masseabhängig 23

24 BMW- Test Beispiel Vötsch VCV mit modifiziertem EPROM 24

25 BMW- Test Prüfung in Einbaulage ohne Gehäuse periodische Funktionstests 5 Zyklen müssen durchlaufen werden ohne Schutzlack Bestehen unmöglich mit Schutzlack Bestehen möglich 25

26 BMW- Test trotz Lackierung geringe Schichtdicke des Lackes Abhilfe: Dicke Lackschicht 26

27 BMW Test Migration tritt nicht systematisch auf 27

28 IPC Method Condensing 20 Zyklen 25 C -65 C bei 85%-93% rel. Feuchte (160h) 28

29 IPC Method Condensing Betauung durch Nacheilen der Prüflingmasse hohe Luftfeuchte zur Verminderung der Differenz zwischen Kammertemperatur und Taupunkt noch stärker Masseabhängig als der BMW-Test bei kleinen Prüflingen tritt nicht sicher Betauung auf 29

30 ZVE Betauungstest 100V IPC B-24 Testboard + Betauung +online Messung des Widerstandes M 1500 UFA Megohmmeter To PC 30

31 ZVE Betauungstest Environment: 50 C, 60% rel. Humidity Heat Transfer Compound Teststructure Thermoelectric cooling element Cold Heat Sink 31

32 ZVE Betauungstest kontinuierliche Betauung Schräge zum Wasserablauf sehr gut geeignet zur Qualifikation von Schutzlacken Erfahrung gesammelt in einen ESA-Projekt 32

33 ZVE Betauungstest ungeschützer Prüfling Lebensdauer 20s SIR - uncoated sample (bare copper) 1,0E+06 1,0E+05 Resistance [MOhm] 1,0E+04 1,0E+03 1,0E+02 1,0E+01 1,0E Time [sec] 33

34 ZVE Betauungstest Resistance [MOhm] 1,0E+06 1,0E+05 1,0E+04 1,0E+03 1,0E+02 1,0E+01 SIR HPA (Electrolube) 1x sprayed manche Lacke haben eine geringe Schutzwirkung 1,0E Time [min] 34

35 ZVE Betauungstest SIR SCC3 DCA (Silicone) (min. 149 µm thickness) manche sind besser 1,0E+07 1,0E+06 Resistance [MOhm] 1,0E+05 1,0E+04 1,0E+03 1,0E+02 1,0E+01 1,0E Time [min] 35

36 ZVE Betauungstest Silikone bilden Wasserblasen unter der Schicht SIR MAPSIL 213 (min. 130 µm) Resistance [MOhm] 1,0E+06 1,0E+05 1,0E+04 1,0E+03 1,0E+02 1,0E+01 1,0E Time [min] 36

37 Zusammenfassung Unterscheidung Feuchte Betauung bei Betauung Schutzlackierung erforderlich Schutzlacke haben nur eine begrenzte Schutzwirkung Testmethoden vorhanden und erprobt tatsächliche Feldbelastung meist unbekannt 37

38 Manchmal reicht aber auch ein falsches Etikett zur Korrosion bei Feuchte + Spannung Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! 38