Z V E

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Klimasicherheit von elektronischen Baugruppen

Mallorca 2007

Dipl. Ing. Karl RingZVE des Fraunhofer IZM

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Umwelt-Beanspruchungen

Klimatische Beanspruchungen

Elektrische Beanspruchungen

Mechanische Beanspruchungen

Chemische Beanspruchungen

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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

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Beanspruchungen aus dem Einsatz

Salzsprühtest

Schwingungsprüfung

Feuchte-Wärme, zyklisch

Hochtemperatur-Umgebung

Mechanischer Schock

Temperaturwechsel

Feuchte-Wärme konstant

und alles noch beliebig gemixt

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Klima•Feuchtelagerung

•Betauung

Migration durch Betauung während des BMW-Tests

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GrundlagenBegriffe:Feuchtegradx Wassergehalt des Gemisches je kg trockener Luftxs Dampfgehalt bei Sättigung

relative Feuchtigkeit ps Sättigungsdruck des Dampfes bei gegebener Temp.

üblich in der Meteorologie

nur geringe Unterschiede zwischen ψ

und ϕ

sxx=ψ

)()(

tptp

s=ϕ

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Feuchtegrad im Klimatest

Beispiel: Klima beim Prüfen von Flußmittelrückständen

Kammertemperatur: 85°C

Feuchte: 85%

xs 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:

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Feuchte im Klimaschrank

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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

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Beispiel einerTaupunkttabelle

40°C, 95% Feuchte

Taupunkttemp.: 38,05°C

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Wasseraufnahme der Luft

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KlimalagerungVerschiedene „Glaubensgrundsätze“Flussmittelqualifizierung 85°C/85% FeuchteBaugruppen teilweise auch 85°C/85% Feuchtevermindert auch 40°C/92% Feuchte in Werksnormen zu finden

500h Feuchtelagerung ist nicht immer sinnvoll

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Klimalagerung Flussmittel

Testen von Flussmittelrückständennach EN 61190-1-1

oder nach

US-Norm J-STD-004

Forderung: min. 100 MOhmgemessen bei -100V nach 96h und168h im Klima 85°C/85% Feuchte

Abstand Kammstruktur 0,5mm beginnende Dendritenbildung

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Flussmittelqualifizierung

Qualitative Halogene Quantitative

Halogene

Bedingungen für das Bestehen der 100MOhm SIR Forderung8,10

Flußmittel Kupfer Spiegel Silber Chromat Spot Test Korrosion2,6 SIR=Oberflächenwiderstand

Klasse1 Test2,3(Cl, Br)2,4 (F)2 (Cl, Br, F)5

L0 Kein bestanden7 bestanden7 0,0% Keine Beide gereinigt und

L1 Durchbruch bestanden7 bestanden7 <0,15% Korrosion ungereinigt9,10

M0 Weniger als 50% bestanden7 bestanden7 0,0% Geringe gereinigt8 oder

M1 Durchbruch nicht bestanden11 nicht bestanden11 0,5 - 2,0% Korrosion ungereinigt9,10

H0 mehr als 50% bestanden7 bestanden7 0,0% erhebliche Gereinigt

H1 Durchbruch nicht bestanden11 nicht bestanden11 >2,0% Korrosion

Klasseneinteilung von Flussmitteln nach EN 61190-1-1

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Baugruppe bei Feuchtebelastung

Bei Verwendung von Flussmittel Klasse L dürfen keine unzulässigen Leckströme auftretenMigrationsbildung ist nicht möglichAusnahme:die Norm hat eine „Lücke“ bei nicht thermisch beanspruchten Flussmittelrückständenz.B. Selektivlöten oder Wellenlötflussmittel als Hilfsmittel beim Handlöten

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Kritische Rückstände

gealtertes Flussmittelnach speziellem ZVE – SIR-Test

deutliche Korrosion

Feldausfälle

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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

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Das Ergebnis

Deutliche Migrationsbildungdurch Betauung der Test-Struktur bei angelegterSpannung von 15V DC

Baugruppe: nur Cu –kein Finish

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Ergebnis WiderstandsmessungMessausrüstungOben: WiderstandsmessgerätUnten: Messwerterfassung

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Ergebnis Widerstandsmessung

bis ca. 120sec. kleiner als 200KOhm

Prüfling hat bei 120 sec.Taupunkt überschritten

Unruhiges Signal

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Betauung an der realen Baugruppe

Der Lötstopplack ist keinSchutz bei Betauung(zu dünn an den Kanten)

„Kurvenmigration“

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Betauungstests

• BMW BetauungstestTemperaturrampe mehrfach durchfahren

• IPC TM 650 Testmethod Temperaturzyklen bei konstanter Feuchte

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BMW- Test

Prinzip:Klimakammer wird nur durchWasserbad aufgeheizt, dadurchsehr hohe Feuchtigkeit (bis 100%)

Prüfling ist immer etwas kälter als die Kammerluft – dadurch sicheres Betauen

Problem: Betaungsquantität istmasseabhängig

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24Ring

BMW- Test

Beispiel Vötsch VCVmit modifiziertem EPROM

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BMW- Test

•Prüfung in Einbaulage•ohne Gehäuse•periodische Funktionstests•5 Zyklen müssen durchlaufen werden

ohne Schutzlack – Bestehen unmöglichmit Schutzlack – Bestehen möglich

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BMW- Test

trotz Lackierung

geringe Schichtdicke des Lackes

Abhilfe: Dicke Lackschicht

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27Ring

BMW Test

Migration tritt nicht systematisch auf

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IPC Method 2.6.3 Condensing

20 Zyklen 25°C -65°C bei 85%-93% rel. Feuchte (160h)

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29Ring

IPC Method 2.6.3 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

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30Ring

ZVE Betauungstest

M 1500 UFAMegohmmeter

100V

To PC

IPC B-24 Testboard+ Betauung+online Messung des Widerstandes

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31Ring

ZVE Betauungstest

TeststructureHeat Transfer Compound

Thermoelectric cooling element

Heat Sink

Cold

Environment: 50°C, 60% rel. Humidity

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32Ring

ZVE Betauungstest

kontinuierliche BetauungSchräge zum Wasserablaufsehr gut geeignet zur Qualifikation vonSchutzlacken

Erfahrung gesammeltin einen ESA-Projekt

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33Ring

ZVE Betauungstest

SIR - uncoated sample(bare copper)

1,0E+00

1,0E+01

1,0E+02

1,0E+03

1,0E+04

1,0E+05

1,0E+06

0 5 10 15 20 25 30

Time [sec]

Res

ista

nce

[MO

hm]

ungeschützer PrüflingLebensdauer 20s

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34Ring

ZVE Betauungstest

SIR HPA (Electrolube) 1x sprayed

1,0E+00

1,0E+01

1,0E+02

1,0E+03

1,0E+04

1,0E+05

1,0E+06

0 200 400 600 800

Time [min]

Res

ista

nce

[MO

hm]

manche Lacke haben eine geringeSchutzwirkung

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35Ring

ZVE Betauungstest

SIR SCC3 DCA (Silicone)(min. 149 µm thickness)

1,0E+00

1,0E+01

1,0E+02

1,0E+03

1,0E+04

1,0E+05

1,0E+06

1,0E+07

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Time [min]

Res

ista

nce

[MO

hm]

manche sind besser

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36Ring

ZVE Betauungstest

Silikone bilden Wasserblasen unter der Schicht

SIR MAPSIL 213(min. 130 µm)

1,0E+00

1,0E+01

1,0E+02

1,0E+03

1,0E+04

1,0E+05

1,0E+06

0 500 1000 1500 2000 2500

Time [min]

Res

ista

nce

[MO

hm]

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37Ring

Zusammenfassung

• Unterscheidung Feuchte – Betauung• bei Betauung Schutzlackierung erforderlich• Schutzlacke haben nur eine begrenzte

Schutzwirkung• Testmethoden vorhanden und erprobt• tatsächliche Feldbelastung meist unbekannt

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38Ring

Manchmal reicht aber auch ein falsches Etikettzur Korrosion bei Feuchte + Spannung

Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!