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Temperaturwechsel, axiale Vibrationen, Temperaturschocks: Ausgabe 16/2018, 11.10.2018

Für eine schnelle Time-to-Market

Die beschleunigte Zuverlässigkeitsprüfung ist eines der am schnellsten wachsenden Segmente der Prüfindustrie, da es die Produktfreigabe beschleunigt und ausgereifte Produkte auf den Markt bringt. Die am meisten verwendeten Prinzipien für beschleunigte Alterungsprozesse sind schnelle Temperaturübergänge und zufällige axiale Vibrationen. Thermische Zyklen sind Ursache für die meisten Elektronikausfälle, doch auch die relativ geringe Anzahl, die durch Erschütterungsmüdigkeit verursacht wird, kann zu grösseren finanziellen Konsequenzen führen. Die Lösung zur Vermeidung von teuren Design-Iterationen, die von Vibrationsermüdung herrühren, klingt einfach: Früh und oft testen. lote fungieren oft als Wärmeleitung Lote auf der Oberflächenmontage sind einzigartig, da sie sowohl eine elektrische Verbindung als auch ein mechanisch tragendes Element zum Befestigen eines Gehäuses auf der Leiterplatte bereitstellen. Oft fungieren sie auch als kritische Wärmeleitung. Eine isolierte Lötverbindung ist weder zuverlässig noch unzuverlässig; Zuverlässigkeit hat nur Bedeutung im Zusammenhang mit Verbindungen innerhalb oder ausserhalb des Gehäuses auf der Leiterplatte, wenn die PCB-Baugruppe eingesetzt wird. Eine akzeptable Zuverlässigkeit ist die Fähigkeit eines Systems, unter den erwarteten Betriebsbedingungen für einen erwarteten Zeitraum wie erwartet zu funktionieren, ohne die erwartete Ausfallwahrscheinlichkeit zu überschreiten. Die Mehrheit der Ermüdungsausfälle von Lötverbindungen in oberflächenmontierten Baugruppen basiert auf Schäden durch verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten der Materialien, während ein vorzeitiges Versagen aufgrund von Verarbeitungsfehlern und unpräzisem Montieren auftreten kann. Das Coffin-Manson-Modell Das Vorhersagen eines Ermüdungsversagens der Lötverbindung unter Temperaturwechselbeanspruchung war eines der herausfordernden Probleme für das Verpacken und die Montage von Mikroelektronik. Frühe Lötverbindungs-Ermüdungsmodelle wurden, basierend auf experimentellen thermischen Zyklustests unter Verwendung von Dehnungsmessstreifen, entwickelt. Mit zunehmender Miniaturisierung wurden Finite-ElementeAnalysen (FEA) ein beliebterer Ansatz zur Schätzung und Berechnung von Ausdehnungen in PCBA-Baugruppen. Die Coffin-MansonBeziehung ist vielleicht die bekannteste und am weitesten verbreitete Methode zur Zuverlässigkeitsabschätzung. Dabei unterliegt die Abschätzung der Feststellung, dass Temperaturwechsel sich lebensdauermindernd auf elektrische Bauteile auswirken. Der Lebensdauertest nach Coffin-Manson versucht dabei die Anzahl der Zyklen zum Erreichen eines Fehlerkriteriums festzustellen. Dabei werden Bauteile so stark beansprucht, dass es zur plastischen Verformung kommt.

Thermische Zyklen sind Ursache für die meisten Elektronikausfälle, doch auch die relativ geringe Anzahl, die durch Erschütterungsmüdigkeit verursacht wird, kann zu grösseren finanziellen Konsequenzen führen. Die Lösung zur Vermeidung von teuren Design-Iterationen, die von Vibrationsermüdung herrühren, klingt einfach: Früh und oft testen.

Lote fungieren oft als Wärmeleitung
Lote auf der Oberflächenmontage sind einzigartig, da sie sowohl eine elektrische Verbindung als auch ein mechanisch tragendes Element zum Befestigen eines Gehäuses auf der Leiterplatte bereitstellen. Oft fungieren sie auch als kritische Wärmeleitung. Eine isolierte Lötverbindung ist weder zuverlässig noch unzuverlässig; Zuverlässigkeit hat nur Bedeutung im Zusammenhang mit Verbindungen innerhalb oder ausserhalb des Gehäuses auf der Leiterplatte, wenn die PCB-Baugruppe eingesetzt wird. Eine akzeptable Zuverlässigkeit ist die Fähigkeit eines Systems, unter den erwarteten Betriebsbedingungen für einen erwarteten Zeitraum wie erwartet zu funktionieren, ohne die erwartete Ausfallwahrscheinlichkeit zu überschreiten. Die Mehrheit der Ermüdungsausfälle von Lötverbindungen in oberflächenmontierten Baugruppen basiert auf Schäden durch verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten der Materialien, während ein vorzeitiges Versagen aufgrund von Verarbeitungsfehlern und unpräzisem Montieren auftreten kann.

Das Coffin-Manson-Modell
Das Vorhersagen eines Ermüdungsversagens der Lötverbindung unter Temperaturwechselbeanspruchung war eines der herausfordernden Probleme für das Verpacken und die Montage von Mikroelektronik. Frühe Lötverbindungs-Ermüdungsmodelle wurden, basierend auf experimentellen thermischen Zyklustests unter Verwendung von Dehnungsmessstreifen, entwickelt. Mit zunehmender Miniaturisierung wurden Finite-ElementeAnalysen (FEA) ein beliebterer Ansatz zur Schätzung und Berechnung von Ausdehnungen in PCBA-Baugruppen. Die Coffin-MansonBeziehung ist vielleicht die bekannteste und am weitesten verbreitete Methode zur Zuverlässigkeitsabschätzung. Dabei unterliegt die Abschätzung der Feststellung, dass Temperaturwechsel sich lebensdauermindernd auf elektrische Bauteile auswirken. Der Lebensdauertest nach Coffin-Manson versucht dabei die Anzahl der Zyklen zum Erreichen eines Fehlerkriteriums festzustellen. Dabei werden Bauteile so stark beansprucht, dass es zur plastischen Verformung kommt.

IPC und IEC sorgen für die massgeblichen Richtlinien
Ausserdem werden mechanische Tests gemäss internationalen Spezifikationen durchgeführt, die von der Handels- und Standardisierungsorganisation, IPC, und dem Normungsgremium für Elektrotechnik, IEC, verfasst werden, um auf die steigende Nachfrage nach offiziellen Testrichtlinien zu reagieren.
Um einige Referenzen zu erhalten, wird die IPC-SM-785 häufig zur Vorhersage der Lebensdauer und Zuverlässigkeit von SMTKomponenten verwendet. Darüber hinaus gelangt die IEC 60068 für die Integration von mechanischen Tests zur Produktqualifizierung zur Anwendung.

Salzsprüh-Testkammern und Klimawechsel-Prüfgeräte
Die SC/KWT-Serie von Salzsprüh-Testkammern und Klimawechsel-Prüfgeräten ermöglicht selektive und reproduzierbare, beschleunigte Korrosionsprüfungen, die den Anforderungen der relevanten nationalen und internationalen Normen wie DIN, ISO, ASTM, DEF, MIL-STD usw. entsprechen.
Eine Salzlösung wird in die Testkammer unter Verwendung des Venturi-Prinzips durch eine Düse, die sich an der Oberseite des Testraums befindet, gesprüht. Die benötigte Druckluft wird in einem Druckbefeuchter erwärmt und vor dem Eintritt in den Prüfraum mit Feuchtigkeit gesättigt. Die Solelösung in dem Venturi-Düsenzuführungsbehälter wird durch eine umlaufende Versorgung auf konstantem Niveau gehalten. Die Erwärmung in der Prüfkammer gewährleistet eine gleichmässige Temperaturkonditionierung auf die erforderliche Solltemperatur. Die erzeugte Kondensation wird durch einen Bodenablauf abgeleitet, und die Atmosphäre der Korrosionsprüfkammer wird durch eine Abzugsöffnung entlüftet.

Temperatur- und Klimaprüfschränke
Funktion und Lebensdauer von Systemen oder Komponenten werden durch diverse klimatische Bedingungen während Transport, Lagerung oder Nutzung beeinflusst. Die Widerstandsfähigkeit von Material oder Verpackung gegen Umwelteinflüsse wird immer wichtiger. Das Verhalten von chemischen Substanzen unter verschiedenen klimatischen Bedingungen und die einfache Frage – wird die Klebeverbindung halten – sind bedeutend. Freistehende Temperatur- und Klimatestkammern sind ideal für grössere Prüfkörper. Die Kammern enthalten ein patentiertes Klima- und Temperaturkonditionierungssystem, das hinsichtlich Bedienbarkeit, Leistung und Ausstattung Massstäbe setzt. Die Kammern haben 600 l Inhalt und arbeiten in einem Temperaturbereich von –45 bis +180°C. Sie überzeugen durch folgende Eigenschaften:
■ zuverlässige Testwerte auch bei hohen Umgebungstemperaturen
■ optimale Temperaturverteilung durch aerodynamische Luftströmung
■ hohe Luftzirkulationsraten für gleichmässige Temperatur- und Feuchtigkeitsverteilung im Prüfraum
■ Einhaltung modernster Teststandards durch erhöhte Befeuchtungsleistung
■ leicht zugängliche Wassertank- und Versorgungsanschlüsse
■ geringer Geräuschpegel
Die Prüfzyklen werden nach Kundenvorgaben gemacht. Langzeittests in Klimaprüfschränken sind die schnellste Methode, um die Produktqualität zu optimieren und zu sichern.

Temperaturschock-Testkammern für extreme Temperaturzyklen
Die Anwendung schneller Temperaturzyklen ist die effektivste Methode, um vorzeitige Ausfälle von Produkten in der Produktionsphase zu verursachen. In den Kammern lassen sich alle Temperaturen simulieren, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie vorkommen – zwischen –80 und +220°C.
Bei Eignungsprüfungen an Werkstoffen und Bauteilen führen Untersuchungen bei hohen und niedrigen Temperaturen nicht immer zu befriedigenden Ergebnissen. Für die Bewertung der Zuverlässigkeit von Materialien und Komponenten bietet eine zusätzliche Belastung durch schnelle Temperaturänderungen oft bessere Ergebnisse.

Latente Fehler in einem Produkt bewusst hervorrufen
Environmental Stress Screening (ESS) ist ein Prozess, der latente Fehler in einem Produkt hervorruft, bevor es die Fabrik verlässt. Daher wird ESS immer angewendet, wenn die Zuverlässigkeit eines Produkts verbessert werden muss. Neben der Temperaturbeanspruchung führen extrem schnelle Temperaturwechselbeanspruchungen im Bereich von –80 bis +220°C zu einer extrem hohen mechanischen Beanspruchung der Prüfkörper. Wenn elektronische Bauteile diesem starken Temperaturwechsel ausgesetzt sind, werden Schwachstellen schnell sichtbar. «

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Lorenzo Magnoli vom Engineering: «Der Temperatur- und Klimaprüfschrank hat ein Volumen von 600 l»


Im Temperaturschockschrank lassen sich Temperaturzyklen von –80 bis +220°C durchführen


Die SC/KWT-Serie von Salzsprühtestkammern erlaubt selektive, beschleunigte Korrosionsprüfungen