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技術專題
PCB設計的熱沖擊可靠性測試
讓任何東西在很短的時間內加熱到高溫，它可能會失效。電子設備也是如此，可能需要在非常熱的環境中生存。更重要的是極端溫度之間的緩慢和快速循環，這給元件和PCB本身的結構帶來了極大的壓力。如果您可以將電路板設計為承受熱沖擊和應力，則電路板的使用壽命可能會更長。
確保您的電路板可以承受較大的溫度變化，需要了解熱沖擊可靠性測試。通過了解實際情況下的主要故障點，您的電路板就有可能經受住較大的熱沖擊。讓我們看一下故障的主要原因以及在熱沖擊可靠性測試期間出現的最常見的故障點。
什么是熱沖擊可靠性測試？
熱沖擊可靠性測試從概念上講是簡單的測試：在短時間內將電路板置于極端溫度下，然后測試人員確定電路板是否由于這種極端溫度變化而發生故障。顯然，“極端溫度變化”一詞可能有任何含義，而符合電路板故障的條件取決于設計要求和控制產品的標準。IPC已根據MIL-STD標準指定了用于熱沖擊測試和可靠性的通用標準。
IPC-TM-650 2.6.7標準定義了多種材料的熱沖擊可靠性測試要求。國防用品的另一種標準熱沖擊可靠性測試方法是MIL-STD-202G，方法107。這兩個標準都指定了由于極端溫度值之間的變化而導致的結構可靠性檢查。這些材料的溫度測試范圍是根據板基板的玻璃化轉變溫度（Tg）（IPC-TM-650 2.6.7）或超出標準范圍（MIL-STD-202G）選擇的。
IPC-TM-650 2.6.7熱沖擊測試
此測試基于與MIL-STD測試類似的方法來進行熱可靠性測試。試驗中的最高溫度設定為低于層壓材料的Tg。具體來說，IPC D試樣應承受-55°C到最低以下溫度的熱沖擊：Tg-10°C，回流溫度– 25°C或210°C。這涵蓋了大多數中等和高Tg層壓板，以及商業或工業產品的最典型操作條件。
MIL-STD-202G熱沖擊測試
本標準規定了使用空對空方法或液對液方法的標準測試。這些方法旨在控制熱量傳遞到被測設備（DUT）中的速率，并且它們各自具有不同的特性。下表總結了這兩種方法。
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空對空 |
液對液 |
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DUT在溫度區域s之間移動 |
在不同溫度，不同溫度的液體之間難以移動DUT |
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對DUT的傳熱率低 |
對DUT的高傳熱率 |
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DUT封閉在一個籠子中，這會增加熱質量和停留時間 |
涉及的液體往往易揮發且昂貴 |
當DUT暴露于高溫環境中時，它需要在該環境中繼續運行，以使系統達到熱平衡。測試指定了停留時間，該時間是DUT應該保留在環境中以使其達到平衡的時間。由于空氣對空氣的熱傳遞比液體對液體的熱傳遞低，因此空氣對空氣的測試方法將具有更長的停留時間。停留時間還取決于被測試系統的質量。在兩個測試中，較重的PCB將有更長的停留時間。
MIL-STD-202G中的測試范圍分為不同類別。低端測試溫度可低至-65°C，最高可至200°C（用于液-液測試）和500°C（用于空對空測試）。空對空測試在實際條件下更為典型，尤其是在飛機或汽車上。但是，它們無法模擬溫度上升非常快的情況，因此，如果在操作過程中存在快速而大的溫度上升的危險，則液-液測試是更好的選擇。
是什么決定熱可靠性？
無論我們擔心熱循環還是熱沖擊，決定熱可靠性的重要參數是各種板材料的CTE值之間的差異。這包括層壓板，焊料和印刷導體材料。另外，所用導體的延展性影響導體在熱沖擊期間是否會斷裂。更具延展性的材料可以承受更高的應變率，因此可以保持較快的溫度上升。
隨著板溫度的升高，板材料以不同的速率膨脹時，應力會施加在不同的結構上。由于CTE值不同，熱沖擊會導致以下形式的故障：
焊錫斷裂：焊球中的拉伸應力和剪切應力趨于集中在焊球的頂部和底部附近，從而導致斷裂，尤其是在異種金屬之間的脆性界面處
通孔斷裂：應力集中在通孔中的位置取決于縱橫比和幾何形狀（通孔與盲孔）
分層：發生分層時，導體和基板在極端變形下會分離。
您可以通過以下幾種方法來防止由于熱沖擊而導致的故障：
緊密匹配的CTE值：您的導體，焊料和基底材料的CTE值應盡可能相似。
使用高Tg基材材料：當基材的Tg值較大時，基材的CTE值將在較寬的溫度范圍內保持較低。
使用導熱系數高的基板：如果您的電路板將在存在熱沖擊危險的高溫環境中運行，則使用導熱系數高的基板（例如，金屬芯或陶瓷）將使熱量迅速散逸并可能散發較低的平衡溫度。