Hohe Luftfeuchtigkeit, Temperaturschwankungen oder gar eine Kombination aus beidem: Leiterplatten sind oftmals ungünstigen Umgebungsbedingungen ausgesetzt, die sich negativ auf die Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen auswirken. Eine geeignete Methode, um die Widerstandsfähigkeit der Komponenten unter solch widrigen Umständen bewerten zu können, ist der SIR-Test nach IPC. Dieser ermöglicht es, durch die Prüfung des Oberflächenwiderstandes (Surface Insulation Resistance) im Feuchte-Wärme-Klima Rückschlüsse auf die technische Sauberkeit und strukturelle Beschaffenheit der Leiterplattenoberfläche zu ziehen.
Gerade Feuchtigkeit kann bei Leiterplatten dazu führen, dass sich schneller Migrationspfade bilden. Die Folge: ein Kurzschluss. Erkennbar ist dies zum Beispiel an der Ausbildung sogenannter Dendriten (s. Bild 1). Dafür sind einerseits Korrosionsprozesse und andererseits die Migration leitfähiger Verunreinigungen auf der Oberfläche verantwortlich. Hier kommt der SIR-Test ins Spiel, denn er eignet sich optimal, um Bestückungsprozesse und Rückstände von Flussmitteln zu überprüfen und die Langzeiteffekte von Oberflächenverunreinigungen zu bewerten.
Durchführung eines SIR-Tests
Der SIR-Test nach IPC zählt neben dem CAF-Test zu den beschleunigten Lebensdauerprüfungen. Das bedeutet, dass Ausfallprozesse forciert werden, um frühzeitig Informationen zur Qualifikation elektronischer Baugruppen unter anspruchsvollen klimatischen Bedingungen zu gewinnen. So wird der SIR-Test bei erhöhten Temperaturen und hohen Feuchtigkeitsgehalten mit Bias-Spannungen an speziell konstruierten Leiterplatten-Testschaltungen durchgeführt, um eine elektrochemische Migration bis zum Ausfall herbeizuführen. Daraufhin folgen eine ausführliche Datenauswertung und Analyse der Ausfallteile.
Wird ein Ausfall detektiert, schließt sich eine visuelle Auswertung an. Dabei gilt es im ersten Schritt, die Daten mit der vorhandenen Prüfstruktur zu korrelieren, um den Ausfall auf der Testleiterplatte zu lokalisieren. Im zweiten Schritt erfolgt eine visuelle Prüfung mittels Lichtmikroskopie oder REM/EDX-Analyse, um Dendriten oder auch Verunreinigungen zu identifizieren.
Am häufigsten wird der SIR-Test als 21-Tage-Test (504 h) mit einer Widerstandsuntergrenze von 500 MOhm als Ausfallkriterium durchgeführt. Die Prüfteile besitzen ein Testlayout typischerweise mit Kammstrukturen und definierten Abständen. Da die gegenüberliegenden Leiterzüge auf gegensätzlichem Potenzial liegen, entsteht ein definiertes elektrisches Feld, in dem eine gerichtete Migration der positiv oder negativ geladenen Ionen stattfindet. Diese Diffusion führt wiederum zur Ausbildung eines leitfähigen Pfades und letztlich zum Kurzschluss.
Typische Testbedingungen eines SIR-Tests:
- Temperatur: 40 °C
- Relative Feuchte 92 %
- Biasspannung: 10-100V
- Testdauer: 96-504 h
Unbestückte Leiterplatten prüfen
Unbestückte Leiterplatten haben eine Träger- und Verdrahtungsfunktion. Das Sauberkeitsniveau einer unbestückten Leiterplatte ist demzufolge ausschlaggebend für die Sauberkeit der Baugruppe.
Mit der Zuverlässigkeitsprüfung an einer unbestückten Leiterplatte können statistisch abgesicherte Ausfallrate-Parameter experimentell ermittelt werden und in Berechnungsmodelle für die Zuverlässigkeit von Baugruppen einfließen. Darüber hinaus ermöglichen SIR-Tests eine herstellungsbezogene Bewertung des Sauberkeitsniveaus sowie eine Trennung von Verunreinigungsursachen aus der Leiterplattenherstellung und aus der Weiterverarbeitung.
Kurzschlüsse vermeiden
Die Ursachen für Kurzschlüsse im SIR-Test nach IPC können vielfältig sein. Um eine gute Beständigkeit gegen den Ausfall durch Oberflächeneffekte zu erreichen, sollten die folgenden Haupteinflussfaktoren genau kontrolliert werden:
- Prozessrückstände in Form von leitfähigen Verunreinigungen
- Layoutversatz, der zur Verkürzung von Isolationsabständen führt
- Prozessrückstände in Form von Partikeln, die Abstände verkürzen
- Handling (Fingerschweiß)
- Wasserqualität beim Endreinigen
- Kavernen auf Oberfläche (z.B. Freistellungsbereiche), in denen sich Rückstände sammeln können
Text: Frau Dr. Swantje Frühauf; KSG GmbH
