IST Interconnect Stress Test Zuverlässigkeitstest an Leiterplatten Technologietag Eltroplan Endingen, 7.- 8. April 2011 Hermann Reischer/Polar Instruments GmbH
Was ist Zuverlässigkeit? Zuverlässigkeit ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Produkt die beabsichtigte Funktion uve ss g e st d e W sc e c e, dass e odu t d e beabs c t gte u t o für einen angegebenen Zeitraum unter definierten Bedingungen erfüllt.
Zukünftige Anforderungen an die Leiterplatte: Bleifrei-Lötprozesse: Löttemperaturen > 260 C Hot Air Levelling 6-fach Rework Hohe Zuverlässigkeit: Medizintechnik Luft/Raumfahrt Rüstung Automotive/Bahnbereich
Testmethoden: Temperaturwechseltest (TWT) Prüfling wird wechselweise in zwei Klimakammern mit 40 C und +125 C eingefahren, 500 1500 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-TM6502626 TM650.2.6.26
Vergleich IST Interconnect Stress Test vs. Klimakammer 175 150 Tem mperature, Degrees C 125 100 75 50 25 0-25 -50-75 Cycles/Hr IST - 12 A/A - 1 L/L - 2 0 20 40 60 80 100 120 t, min IST A/A 1000 Zyklen: IST ~ 4 Tage, Klimakammer ~ 42 Tage
IST Testcoupon:
IST Testcoupon: Heizkreis Meßkreis Heizkreis Meßkreis - Die Temperaturverteilung erfolgt vom Heizkreis auf den Meßkreis - Es fließt nur Meßstrom durch die Durchkontaktierungen kti des Meßkreises - Kupferlagen unterstützen eine gleichförmige Temperaturverteilung - Durchkontaktierungs-Raster bestimmt die Temperaturdifferenz zwischen Heiz- und Meßkreis - zusätzlicher Superheat-Kreis möglich für noch homogenere Temperaturverteilung
IST Testcoupon:
Widerstandserhöhung durch therm. Belastung: RESISTANCE DEGRADATION OF THE PTH INTERCONNECT 50 40 RESISTA NCE DEGR ADATION IN MILLIOHM MS 30 20 10 0-10 Tempern ANNEALING Ermüdung FATIGUE Fortschreitende Rissbildung CRACK PROPAGATION Zunehmende Schädigung ACCELERATION PTH INTERCONNECT FAILING Hülsen-Totalausfall gesunde Durchkontaktierung POST INTERCONNECT 1 16 31 46 61 76 91 106 121 136 151 166 181 196 211 226 241 256 271 286 301 316 331 346 361 376 391 PTH CRACK INITIATION Erste Mikro-Risse Dehnungsausgleich STRAIN RELIEF IST CYCLES Typisches Abbruchkriterium nach IPC: 10% Widerstandserhöhung
IST-HC System: 8-Kanal Couponaufnahme
Coupondaten 8-Kanal-Darstellung :
Temperaturverläufe an 8 Coupons:
Fhl Fehlerlokalisierung lklii mit itif Infrarotkamera:
Fehlermodi:
Temperatur-Ausdehnungsverhalten:
Bleifrei-Lötprozess:
Heiz- und Abkühlzyklus in Leiterplatte:
Hülsenrisse:
Typische Fehlerbilder - Hülsenrisse: - Kupferhülse wird in Längsrichtung gedehnt - Riss in der Wand der Durchkontaktierung - Rascher Schädigungsfortschritt - meist große Rissbreite - Unterbrochen bei Raumtemperatur
Innenlagenabrisse:
Typische Fehlerbilder - Innenlagenabrisse: - Rascher Schädigungsfortschritt - meist große Rissbreite - Unterbrochen bei Raumtemperatur
Mikrovia-Targetpad-Abrisse:
Mikrovia-Targetpad-Abrisse: - - Schädigung meist erst ab 190 C - Abriss vom Capture Pad bei Kontraktion (Abkühlung)
Typische Mikrovia-Schädigungsbilder: - Target-Pad Abriss - Abriss Capture Pad - Microvia Corner Cracks
Corner Cracks :
Typische Corner-Crack-Schädigungsbilder: C - Riss im 90 Knie - häufiger bei Bleifrei-Technologie - mech. Belastung wird an Oberfläche gedrängt - typisch kleine Risse
Delamination
Dl Delaminationstest: t t Prüfung auf Delamination über Kapazitätsmessung Testpunkte in IST Coupon integriert Vergleich Kapazität vor und nach IST Test
Dl Delaminationstest: t t GP40001A - Coupon 9-1X @ 260C Supplier "A" Capacitanc ce (pico farads) 430 410 390 370 350 330 1X As Rec 310 290 3-5 5-7 7-9 9-11 11-13 13-14 14-16 16-18 18-20 20-22 22-24 Cap layer segment Absolute Kapazitätswerte vor und nach IST Test itance (pico farads) Delta Capaci 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 7-9 9-11 11-13 13-14 14-15 15-16 16-18 18-20 20-22 22-24 24-26 Cap layer segment 5X 6X 7X Relative Kapazitätsänderung durch IST Test
DELAM-Tester: PC-gesteuerte Auswertung der Kapazitätsänderung Testpunkte in IST Coupon integriert
Einflussgrößen auf Zyklenfestigkeit: Temperatur Bohrlochdurchmesser Leiterplattendicke Ausdehnungskoeffizient des Basismaterials (CTE) Kupferdicke in der Hülse Abstand der Bohrungen (Raster) Verteilung der Druckkräfte abhängig vom Bohrlochdurchmesser
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
Vielen Dank! Polar Instruments GmbH A-4865 Nussdorf am Attersee Aichereben 16 hermann.reischer@polarinstruments.eu www.polarinstruments.com/de Tel. +43 7666 20041-0 0 Fax +43 7666 20041-20