Leiterplatten (Printed Circuit Boards, PCBs) bilden das Rückgrat praktisch aller elektronischen Anwendungen. Die Verbesserung ihrer Leistung und Zuverlässigkeit ist bei kundenspezifischen Projekten mit Leiterplatten, bei denen kleinere Größen und verbesserte Wartbarkeit zu mehr Funktionalität führen, von größter Bedeutung. Um jedoch Langlebigkeit und konstante Leistung unter verschiedenen Bedingungen sicherzustellen, ist eine detaillierte Analyse erforderlich.

Die thermische Analyse ist ein wichtiges Werkzeug in der Entwicklung von Leiterplatten, mit der das Materialverhalten bei unterschiedlichen Temperaturen überprüft und die Materialstabilität sichergestellt werden kann. Insbesondere im Zusammenhang mit Leiterplatten erweist sich die thermische Analyse als enorm aussagekräftig für die Bewertung der Aushärtungseigenschaften von Beschichtungen und Klebstoffen sowie von Materialien, die für den Schutz vor dem Eindringen von Feuchtigkeit, die zu Korrosion und einer Verschlechterung der Leiterplatte führen kann, von entscheidender Bedeutung sind.

Darüber hinaus stellt die thermische Analyse einen quantitativen Ansatz zum Vergleich der Leistung verschiedener Beschichtungen und zur Beurteilung des Aushärtungsgrads von Materialien von Leiterplatten dar, wodurch die Fertigungseffizienz gesteigert wird. Sie erleichtert auch den Vergleich der Laminat- und Klebstoffleistung über verschiedene Temperaturbereiche hinweg und verringert so das Risiko eines hitze- oder belastungsbedingten Produktversagens. Nicht zuletzt unterstützt die thermische Analyse auch das Recycling von Altprodukten, beispielsweise durch die Untersuchung von Verbundwerkstoffen aus Abfällen von Leiterplatten.¹

Hier werden fünf wichtige thermische Analysetechniken speziell für die Beurteilung von Leiterplatten und ihre zentrale Rolle bei der Verbesserung der Produktleistung und -zuverlässigkeit beleuchtet.

Egal, ob zur Beurteilung von Laminaten oder des Aushärtungsgrads in der frühen Produktentwicklung oder zur Beurteilung der Stabilität des konkreten Endprodukts in späten Produktstadien – diese fünf Techniken und Geräte für die thermische Analyse können den Arbeitsablauf vereinfachen. Im Folgenden sind fünf unverzichtbare Techniken für die thermische Analyse von Leiterplatten beschrieben:

Thermomechanische Analyse

Die thermomechanische Analyse (Thermomechanical Analysis, TMA) eignet sich ideal zur Beobachtung des Materialverhaltens rund um die Glasübergangstemperatur. In der Forschung wurde die thermomechanische Analyse von TA eingesetzt, um Änderungen im Glasübergang von Harzen von Leiterplatten zu verfolgen und diese Änderungen mit Oberflächenbeschaffenheiten und Thermoschock in Zusammenhang zu bringen.²

In einer bestimmten Studie wurde ein System zur thermomechanischen Analyse von TA Instruments verwendet, um zu analysieren, wie sich chemische Modifikationen an einem nichtleitenden Klebeharz auf dessen thermische Eigenschaften im Hinblick auf die Füllstoffdispersion auswirken.³ Dieser Prozess umfasste die Analyse der Wärme-ausdehnungseigenschaften des Materials und die anschließende Verwendung dieser Daten zur Berechnung der Wärmeausdehnungs-koeffizienten und für die Nachverfolgung von Änderungen beim Glasübergang. Mithilfe dieser Analysen konnte festgestellt werden, ob das betreffende Material für bestimmte Temperaturbereiche geeignet ist und ob es aufgrund übermäßiger Ausdehnung wahrscheinlich zu unerwünschten Spannungen in einer Leiterplatte führt.

Thermogravimetrische Analyse

Bei der thermogravimetrischen Analyse(Thermogravimetric analysis, TGA) wird die Masse einer Probe im Zeitverlauf bei Temperaturänderungen gemessen. Eine wichtige Anwendung der thermogravime-trischen Analyse ist die Beurteilung der thermischen Stabilität von Materialien. In einer Studie untersuchte ein Forschungsteam mit seinem System zur thermogravime-trischen Analyse von TA die thermische Stabilität von intrinsisch schwarzen Polyimidfilmen. Polyimidfilme sind für ihre außergewöhnliche Umweltstabilität bekannt und werden in flexiblen Leiterplatten eingesetzt. Das Ziel des Teams bestand darin nachzuweisen, dass ihr Verfahren zur Herstellung von intrinsisch schwarzen Polyimidfilmen die typische hohe thermische Stabilität von Standard-Polyimidfilmen nicht negativ beeinflusst.⁴ Diese Untersuchung veranschaulicht die Effizienz der thermogravimetrischen Analyse bei der Beurteilung der thermischen Eigenschaften von Materialien, einem entscheidenden Faktor bei der Entwicklung von Leiterplatten.

Dynamische Differenzkalorimetrie

Die dynamische Differenzkalorimetrie Differential scanning calorimetry, DSC) ist eine ideale Technik zur Messung des Aushärtungsverhaltens, unabhängig davon, ob der Aushärtungsprozess Erhitzen oder Lichteinwirkung beinhaltet. Bei der dynamischen Differenzkalorimetrie wird die Wärme, die zur Erhöhung der Proben-temperatur erforderlich ist, gemessen, und diese Methode eignet sich daher gut zur Charakterisierung von Eigenschaften wie latenter Übergangswärme, Materialüber-gangstemperaturen und Wärmekapazität.

Dynamische mechanische Analyse

Bei der dynamischen mechanischen Analyse (Dynamic mechanical analysis, DMA) wird analysiert, wie sich eine Materialreaktion als Funktion der Krafteinwirkung und der Temperatur ändert. Eine Anwendung besteht darin, zu beobachten, wie sich das Material als Reaktion auf Belastung und Leiterplatten-vorbereitung verändert. Diese Analyse kann auch mit einer Temperaturerhöhung kombiniert werden, um besser zu verstehen, wie eine Leiterplatte auf Prozesse wie Löten reagiert.⁵

Laser-Flash-Analyse

Die Laser-Flash-Analyse ist eine Methode, die häufig zur Messung der thermischen Diffusionsfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit verwendet wird und für ihre erhebliche experimentelle Einfachheit bekannt ist. Bei dieser Technik wird ein intensiver Lichtblitz, der normalerweise von einer Laser- oder Xenonquelle erzeugt wird, zur Abgabe gepulster Wärme verwendet. Anschließend wird die Diffusion dieser Wärmeenergie durch das Material mit einem Detektor, typischerweise einem Infrarotsensor, quantifiziert. Aus diesen Daten kann die Wärmeleitfähigkeit des Materials berechnet werden.

Die Laser-Flash-Analyse ermöglicht präzise Messungen des Wärmetransports und die Charakterisierung von Leiterplatten. Sie wurde von einer Gruppe von Forschern eingesetzt, um die thermischen Eigenschaften einer Nickel-Titan-Legierung zu untersuchen, die als Phasenwechselmaterial zur Verbesserung des Wärmemanagements von Hochleistungselektronik verwendet wird.⁶

Methoden zur thermischen Analyse können in allen Phasen der Entwicklung von Leiterplatten hilfreich sein, von der Prototyp-Phase bis zum Endprodukt. Bei allen oben genannten Studien wurden die branchen-führenden Geräte für die thermische Analyse von TA Instruments eingesetzt.

Aufgrund ihrer außergewöhnlichen Zuverlässigkeit, Messgenauigkeit sowie benutzerfreundlichen und effizienten Bedienung vertrauen viele Branchenexperten auf die Geräte von TA Instruments. Kontaktieren Sie die Elektronikexperten von TA Instruments, um zu erfahren, wie unser Angebot an hochmodernen Lösungen für die thermische Analyse von Elektronik-komponenten Ihre Produktentwicklung beschleunigen und Ihnen dabei helfen kann, Ihren Kunden noch hochwertigere Produkte anzubieten.