Zuverlässigkeitstest, der wiederholt hohe und tiefe Temperaturen aufbringt, um die Ermüdung von Lötstellen sowie Risse oder Delamination im Gehäuse zu bewerten, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnung der Materialien entstehen.
Japanische Bezeichnung: 温度サイクル試験
„Temperaturwechseltest“ kommt in 4 Übungsfragen aus 2 Themen vor, z. B. Zuverlässigkeit, Gehäuse und Montage.
Fachgebiet: Zuverlässigkeit
Ein Halbleitergehäuse besteht aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten: dem Silizium-Die, der Pressmasse, dem Leadframe oder Substrat, dem Lot und der Leiterplatte. Der Koeffizient von Silizium ist mit etwa 3 ppm/K klein, während sich Leiterplatte und Lot um ein Mehrfaches stärker ausdehnen; jede Temperaturänderung wird so zu einer Dehnung an Verbindungen und Grenzflächen. Jede einzelne Dehnung ist klein, doch die Wiederholung treibt die Materialermüdung voran, bis Risse entstehen. Der Temperaturwechseltest drängt diese Wiederholung in kurze Zeit zusammen und ermittelt, nach wie vielen Zyklen ein Ausfall auftritt.
Die Teile werden in einer Luftkammer zyklisch belastet und jeweils eine festgelegte Zeit bei der hohen und der tiefen Temperatur gehalten. In JEDEC-Standards (der Reihe JESD22) sind Temperaturbereiche wie −55 bis 125 °C oder −65 bis 150 °C typische Bedingungen, mit Hunderten bis Tausenden von Zyklen. Die Kfz-Norm AEC-Q100 verwendet Bedingungen, die von der Temperaturklasse abhängen. Neben Tests auf Bauteilebene, nach denen Gehäuse und interne Verbindungen untersucht werden, gibt es Tests auf Leiterplattenebene, die Teile auf eine Leiterplatte montieren und die Zyklen bis zum Ausfall der Lötstellen zählen.
Ein typischer Ausfall ist ein Ermüdungsriss in einer Lötstelle; bei einem BGA fallen Kugeln nahe den Gehäuseecken meist zuerst aus. Im Gehäuse treten Risse an den per Drahtbonden hergestellten Verbindungen oder an der Drahtferse, Delamination zwischen Pressmasse und Die oder Leadframe sowie Risse im Die oder in der Passivierungsschicht auf. Tests auf Leiterplattenebene erkennen Unterbrechungen, indem sie den Widerstand einer Daisy-Chain überwachen, die viele Verbindungen in Reihe schaltet. Delamination wird mit akustischer Rastermikroskopie und interne Risse mit Querschliffen geprüft.
Thermoschocktests bringen schnellere Temperaturänderungen auf als der Temperaturwechseltest, indem die Proben rasch zwischen heißen und kalten Kammern bewegt oder in Flüssigkeiten getaucht werden. Lastwechseltests (Power Cycling) erwärmen Bauelemente durch Stromfluss statt von außen und wiederholen Ein-Aus-Zyklen; sie sind für die Bewertung von Leistungsmodulen wichtig. Um aus Temperaturwechselergebnissen die Lebensdauer im Feld abzuschätzen, wird die Coffin-Manson-Beziehung verwendet, nach der die Zyklenzahl bis zum Ausfall umgekehrt proportional zu einer Potenz des Temperaturhubs ist. Für Lot soll der Wert des Exponenten bei etwa 2 liegen, sodass eine Halbierung des Temperaturhubs die Zyklenlebensdauer etwa vervierfacht.
Antwort: B. Risse in Lötstellen und Gehäusen durch Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien
Beim Temperaturwechseltest werden hohe und tiefe Temperaturen, z. B. −55 bis 125 °C, einige hundert bis einige tausend Mal wiederholt angelegt. Da Chip (etwa 3 ppm/K), Platine, Vergussmasse und Lot unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, entstehen bei jeder Temperaturänderung Verformungen, die zu Ermüdungsbruch der Lötstellen sowie Rissen und Ablösungen im Gehäuse führen. Der Zusammenhang zwischen Lebensdauer und Temperaturhub wird durch die Coffin-Manson-Regel beschrieben. Soft Errors und Refresh-Fehler werden in anderen Tests bewertet.
Beide wechseln zwischen hohen und tiefen Temperaturen, doch der Thermoschocktest bringt abruptere Änderungen auf, etwa indem Proben zwischen Flüssigkeitsbädern bewegt werden. Der Temperaturwechseltest ändert die Temperatur in Luft, hält jedes Extrem eine festgelegte Zeit und bewertet hauptsächlich die Ermüdung von Verbindungen durch Wiederholung.
Typisch sind zum Beispiel −55 bis 125 °C oder −65 bis 150 °C. Bereich und Zyklenzahl hängen vom anzuwendenden Standard, der Temperaturklasse des Produkts und davon ab, ob einzelne Bauteile oder auf Leiterplatten montierte Teile getestet werden.
Die Coffin-Manson-Beziehung liefert einen Beschleunigungsfaktor aus dem Verhältnis der Temperaturhübe im Test und im Feld. Für Lot soll der Wert des Exponenten bei etwa 2 liegen, und in der Praxis werden Modelle verwendet, die auch Unterschiede in der mittleren Temperatur und in den Zyklen pro Tag berücksichtigen.
Beim Temperaturwechseltest werden hohe und tiefe Temperaturen, z.
Welcher Ausfall wird mit dem Temperaturwechseltest hauptsäc…Bei unzureichender Aushärtung kommt es bei Reflow- und Temperaturwechseltests leicht zu Ablösungen und Rissen.
Was ist der Hauptzweck, ein mit Harz vergossenes Gehäuse an…Der Temperaturwechseltest bewertet Verbindungsermüdung, der Falltest die Stoßfestigkeit.
Welcher typische Zuverlässigkeitstest bewertet Lebensdauer …Sie dient dazu, aus Ergebnissen strenger Temperaturwechseltests die Lebensdauer in der milderen realen Einsatzumgebung abzuschätzen.
Welches Modell beschreibt die Ermüdungslebensdauer von Lötv…Refresh HTOL (Hochtemperatur-Betriebslebensdauertest) AEC-Q100 Arrhenius-Modell Badewannenkurve Elektromigration ESD (elektrostatische Entladung) FIT Hochtemperatur-Lagertest (HTS) Hot-Carrier-Injektion (HCI)