5+1 Fragen zum Temperaturwechseltest

Die Zuverlässigkeit von Leiterplatten wird von vielen Faktoren beeinflusst. In der Automobilbranche, in der Luft- und Raumfahrt oder auch in der Industrie können die Umgebungstemperaturen von Leiterplatten zwischen -40° und +180°Celcius schwanken. Um ermitteln zu können, wie zuverlässig elektronische Baugruppen unter diesen Bedingungen agieren, lassen sich Leiterplatten einem Temperaturwechseltest – auch Temperaturschocktest genannt – unterziehen.

Umweltfaktoren der Leiterplatte in einem Kuchendiagramm
Neben der technischen Sauberkeit, Vibrationen, Staub oder Feuchtigkeit spielen Kälte und Hitze eine große Rolle.

Auf dem pcb-blog.com beantworten wir fünf häufig gestellte Fragen rund um unsere Testmethode und zeigen Ihnen, wie der Einfluss von Temperaturschwankungen reduziert werden kann.

Wozu dient der Temperaturwechseltest?

Elektronische Geräte, die in der Automobilbranche, in der Luft- und Raumfahrt oder auch in der Industrie zum Einsatz kommen, müssen teilweise sehr starken Temperaturschwankungen standhalten.

Temperaturschwankungen, die in verschiedenen Branchen auf die Leiterplatte wirken, in einem Säulendiagramm
Temperaturschwankungen in der Umgebung von Leiterplatten nach Branche und Einsatzgebiet

Für die darin verbauten Leiterplatten bedeutet das, dass sie ihre funktionalen Eigenschaften als Bauteilträger und elektrisches Leitersystem auch unter thermischer Belastung beibehalten müssen. Dies lässt sich mittels Temperaturwechseltest simulieren, welcher dazu dient, das Alterungsverhalten von Leiterplatten bei schnell wechselnden Temperaturen zu überprüfen.

Was zeichnet einen Temperaturwechseltest aus?

Der Temperaturwechseltest wird oft als End-of-Life-Test ausgeführt, d.h. er wird beendet, sobald alle geprüften Teile ausgefallen sind. Im Anschluss daran werden die erhaltenen Daten üblicherweise einer Weibull-Versagensanalyse unterzogen und anhand der charakteristischen Parameter Lebensdauer, Formfaktor und ausfallfreie Zeit bewertet. Soll ein bestimmtes Ausfallkriterium auf Einhaltung geprüft werden, spricht man von „Success Run“. Das heißt, dass alle geprüften Teile erst nach einem zeitlichen Limit ausfallen dürfen.

Wie läuft ein Temperaturwechseltest ab?

Bei den von der KSG-Gruppe durchgeführten Temperaturwechseltests werden die Prüflinge in einem Prüfkorb eingebaut, welcher zyklisch in eine Kaltkammer und eine Warmkammer gefahren wird.

Temperaturwechselschrank im KSG-Qualitätslabor mit Warm- und Kaltkammer

Typische Durchführungsbedingungen sind:

  • Kaltkammer: -40°C
  • Warmkammer: +125°C
  • Temperierung pro Kammer: 25 min
  • Wechselzeit zwischen Kammern: < 30 s
  • Anzahl Zyklen: 1.000

Die Auswertung der Tests kann bei realen Schaltungen visuell oder mittels Schliffprüfung erfolgen. Sehr viel effizienter ist die Anwendung der Widerstandsprüfung. Dafür ist es notwendig, geeignete Testlayouts zu etablieren und passende Ausfallkriterien zu definieren.

Welche Fehlerarten werden mittels Temperaturwechseltest geprüft?

Beim Temperaturwechseltest wird schwerpunktmäßig auf folgende Fehlerarten geprüft:

  • Rissbildung in der Kupferhülse von Durchgangsbohrungen und großen Sacklochbohrungen
  • Abriss der Innenlagenanbindungen von Durchgangs- und Sacklochbohrungen
    • Versagen der Innenlagenanbindung von LASER-Vias am Zielpad
    • Rissbildung in Lötstoppmasken  
    • Delamination von Verbundaufbauten

Was ist die Hauptursache des Versagens von Leiterplatten im Temperaturwechseltest?

Eine Leiterplatte besteht üblicherweise aus Kupfer, Epoxidharz und Glasfasermatten – Materialien, die sich in ihren Eigenschaften wie Festigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizient voneinander unterscheiden. Das bedeutet, dass es bei einer Temperaturerhöhung zu unterschiedlichen Materialausdehnungen kommt, wodurch inhomogene Spannungsfelder entstehen. Diese wiederum können lokale Spannungserhöhungen und damit Rissbildungen hervorrufen. Breiten sich diese Risse aus, so führt dies zu elektrischen Unterbrechungen und damit zum Ausfall der Leiterplatte.

Wie lässt sich eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit bei Leiterplatten erreichen?

Um eine hohen Temperaturwechselbeständigkeit bei Platinen zu erzielen, sollten folgende Haupteinflüsse berücksichtigt werden:

  • Eine geringe Voralterung durch geringen Impact beim Lagern und Bestücken,
  • eine geringe Ausdehnung des Lagenverbundes in z-Richtung,
  • der Einsatz von Basismaterialien mit möglichst geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten vor allem in z-Richtung,
  • eine hohe Schichtdicke der Kupferhülsen in Bohrungen,
  • einen möglichst großen Bohrdurchmesser und eine gleichmäßige Verteilung,
  • eine hohe Fertigungsqualität des Leiterplattenaufbaus.
Übersicht der Haupteinflussfaktoren für die Temperaturwechselbeständigkeit der Leiterplatte

Sie haben weitere Fragen? Weitere Informationen zum Temperaturwechseltest finden Sie in unserem XPERTS Online-Seminar „Auf die Schichtung kommt es an: Leiterplatten im Temperaturwechseltest“ mit Dr. Swantje Frühauf und Holger Bönitz. Zur jederzeit verfügbaren On-Demand-Version können Sie sich hier anmelden

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