Vliv teplotního namáhání na vlastnosti desek plošných spojů

Abstract

Disertační práce je věnována studii tepelných pochodů ovlivňujících vlastnosti substrátu desek plošných spojů. Během výroby desek je substrát vystaven tepleným šokům a procesům, jež mohou zhoršit nejen odolnost substrátu, ale například i životnost pájených spojů při tepelném či mechanickém zatěžování desky plošného spoje v reálném provozu. Práce se skládá z rešeršní části zaměřené na technologii desek plošných spojů. Kromě technologie produkce jsou představeny aktuální používané materiály pro jejich výrobu. Dále je nastíněna i budoucnost, kterou by materiály pro substráty mohly ubírat tak, aby byly založené na biologických zdrojích a splňovaly kritéria biodegradability. Případně by byly alespoň vyrobeny z udržitelných zdrojů a byly lehce recyklovatelné. Pozornost u představování materiálů je kladena na tepelné vlastnosti. S ohledem na experimentální činnost je v práci obsažena kapitola zabývající se povrchovými úpravami pájecích plošek a kapitola shrnující dosavadní poznatky týkající se latentního tepla u pájecích slitin. Praktická část je složena ze dvou typů experimentů vyplývajících z vědecko-výzkumné činnosti během doktorského studia. První z nich hodnotí účinky pohlcování či uvolňování latentního tepla na expanzi substrátu v okolí zdroje tepla tedy pájecí slitiny. Konkrétně byl tento jev studován na jedné z nejpoužívanějších slitin při hromadném pájení SAC305. Na účelně navržené testovací destičce byly pomocí termomechanické analýzy sledovány projevy latentního tepla. Měření ukázala nezanedbatelnou náhlou roztažnost substrátu v přilehlém okolí tuhnoucí slitiny. Při tavení slitiny byl dopad pozvolnější projevující se chvilkovým snížením deformace ve vertikálním směru. Na základě experimentálních dat byl vytvořen matematický model umožňující simulaci jevu probíhajícího při chladnutí slitiny. Druhou oblastí výzkumu zaměřujícího se na tepelné vlastnosti substrátů bylo posouzení jejich náchylnosti k výskytu defektu zvaného „pad cratering“ za různých materiálových a zkušebních podmínek. Součástí studie zároveň byl návrh vylepšené metodiky testování. Využití představeného přístupu k diagnostice umožňuje zaměřit se na konkrétní místo oddělení pájecí plošky od substrátu. Místem vzniku trhliny a následného odtržení bylo rozhraní mezi pryskyřicí a skelnou výztuží substrátu. Výsledky celkově poukázaly na vliv typu substrátu než na předchozí tepelné zatížení při testech za běžné okolní teploty. V rámci stejného výzkumu byl rovněž diagnostikován vliv tepelného šoku na termomechanické vlastnosti zvolených substrátů, a to na hodnotu teploty skelného přechodu. Analýzy naznačily negativní dopad rychlého ohřátí substrátu na tento teplotní parametr zejména u nejběžnějšího typu substrátu.

The dissertation thesis deals with thermal circumstances influencing the properties of substrates intended for printed circuit boards. The substrate is exposed to thermal shocks and further treatments that may aggravate the endurance of the substrate, soldering joints lifespan, etc., in the following service life. The thesis is composed of theoretical research that is dedicated to the technology of printed circuit boards. Except for production technology, the current materials are presented. Furthermore, the potential upcoming materials fulfilling the requirements for being biobased and biodegradable or at least being sustainable and easily recyclable are revealed, too. Thermal properties are particularly emphasized. Considering the experimental work, the chapters presenting surface finishes and summarizing existing knowledge regarding the latent heat of solder alloys were included. The experimental part comprises two experiment types according to research work conducted within the doctoral study. The first type evaluates the impact of latent heat on the expansion of the substrate in the surroundings of the heat source, thus solder alloy. Specifically, the phenomenon was assessed by employing one of the most used alloys, SAC305, in the bulk soldering processes. Consequences of latent heat were observed by thermomechanical analysis adopting a purposefully designed specimen. The measurements showed a nonnegligible rapid rise of the dimension of the substrate in the area close to the solidifying solder alloy. During solder melting, the effect was less noticeable. On the dimension change curve, a small and short plateau was detected. A mathematical model applicable to simulating the studied problem during the cooling of the alloy was created based on the experimental observations. The second subject of the research dealing with the thermal properties of the substrates was to investigate their susceptibility to pad cratering occurrence. The assessment was performed under various materials and testing conditions. Concurrently, the study involved a design of enhanced testing methodology. Utilizing the proposed examination approach facilitates focusing on the exact area of soldering pad separation. The crack propagation and pad detachment were located at the resin and glass cloth reinforcement interface. Generally, the results indicated the substrate type as the significant influencing attribute rather than previous thermal history for examining at the ambient temperature. The research also assessed the impact of the thermal shock on the thermomechanical properties with an emphasis on the glass transition temperature of the selected substrates. In particular, the analyses proved the conventional substrate type to be significantly affected regarding the mentioned thermal value.