Einfluss von Umweltbedingungen auf die Zuverlässigkeit von Leiterplatten in 5G Baugruppen
Der zunehmende Trend zur Elektrifizierung in der Automobilindustrie erfordert immer leistungsfähigere und kompaktere elektronische Bauelemente. Dabei wird für mmWave-Anwendungen unter anderem die Leiterplattentechnologie eingesetzt. Allerdings sind diese polymerbasierten und faserverstärkten Verbundsysteme anfällig gegenüber verschiedenen Umwelteinflüssen wie Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit und Vibrationen. Diese Umwelteinflüsse können nicht nur zu einer Leistungsabnahme führen, sondern auch erhebliche Zuverlässigkeitsprobleme verursachen. In diesem Beitrag werden experimentelle und simulative Methodenansätze vorgestellt, die die Degradationseffekte durch Oxidation bei erhöhten Temperaturen eines Leiterplattenmaterials für Hochfrequenzanwendungen berücksichtigen. Die Ergebnisse der mechanischen, dielektrischen und optischen Messmethoden aus
Laborversuchen werden zunächst präsentiert. Die PCB-Proben wurden bei drei Temperaturen (125°C, 150°C und 175°C) für Zeiträume zwischen 20 Stunden und 2000 Stunden gelagert. Bei allen Lagertemperaturen und entsprechenden Lagerzeiten wurden Verfärbungen beobachtet, die auf Oxidationsprozesse innerhalb des Materials zurückzuführen sind. Diese Oxidationsprozesse führten auch zu deutlichen Veränderungen der thermomechanischen
Eigenschaften, wie einer Abnahme des CTE (Coefficient of Thermal Expansion) und einer Zunahme des Elastizitätsmoduls, sowie zu einer signifikanten Zunahme des Verformungsverhaltens (Warpage). Auch das dielektrische Verhalten des PCB-Materials wurde durch diese Oxidationsprozesse verändert.
Im Rahmen der Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die ausgewählten Werkstoffkenngrößen genutzt werden können, um die Einflüsse von
Umgebungsbedingungen – in diesem Fall die Temperatur – zur Bewertung des Alterungsverhaltens heranzuziehen. Durch die Kombination dieser Analyseergebnisse können Korrelationen zum Leistungsabfall mit anderen, messbaren Parametern hergestellt werden, wie z.B. eine Farbänderung, Verschiebung der Glasübergangstemperatur oder Verformung.
Mithilfe dieser verschiedenen Datensätze konnte der Alterungsprozess simulativ nachgebildet werden. Anhand der Messergebnisse wurden anschließend kritische Degradationszeiten ermittelt, nach denen signifikante Änderungen der Kennwerte festgestellt wurden. Unterhalb der ermittelten kritischen Zeiten und Dauern wird eine Zone definiert, in der keine Degradation beobachtet werden kann. Diese Zone wird in Anlehnung an Konzepte für Halbleiterkomponenten als sichere Betriebszone (Safe Operation Area - SOA) bezeichnet. Durch Anwendung dieses Ansatzes und mithilfe dieser experimentell abgesicherten Informationen können sichere Betriebsbereiche für zahlreiche PCB-Applikationen dargestellt werden. Zudem erlauben diese Ergebnisse eine Abschätzung der Lebensdauer unter Einfluss verschiedener Umweltbedingungen.
