1. Nứt gãy mối hàn
Mối hàn là một trong những vị trí dễ chịu ảnh hưởng sau nhiều chu kỳ thay đổi nhiệt độ, đặc biệt ở linh kiện dán SMD và các linh kiện dạng BGA.
Khi nhiệt độ tăng, bo mạch, chân linh kiện và vật liệu hàn giãn nở. Lúc nhiệt độ giảm, chúng lại co lại. Tuy nhiên, mỗi vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau nên không phải mọi bộ phận đều thay đổi kích thước theo cùng một mức độ.
Sự chênh lệch này tạo ra lực kéo và lực cắt lặp đi lặp lại tại mối hàn. Ban đầu, mối hàn có thể xuất hiện các vết nứt nhỏ. Sau nhiều chu kỳ, vết nứt lan rộng khiến kết nối điện suy giảm hoặc bị đứt hoàn toàn.
Một số lỗi thường gặp gồm:
+ Linh kiện hoạt động chập chờn
+ Mất kết nối tại một số thời điểm
+ Điện trở tiếp xúc tăng
+ Mối hàn bị nứt hoặc đứt
+ Phát sinh chập mạch trong trường hợp các phần dẫn điện tiếp xúc ngoài ý muốn
Với BGA, vấn đề còn khó phát hiện hơn do các bóng hàn nằm bên dưới thân linh kiện. Một sản phẩm có thể vượt qua kiểm tra ban đầu nhưng phát sinh lỗi sau nhiều chu kỳ nhiệt trong quá trình sử dụng.
2. Tách lớp bên trong PCB
Bo mạch in không phải là một khối vật liệu đồng nhất. PCB thường gồm nhiều lớp đồng, sợi thủy tinh, nhựa epoxy và các lớp cách điện được ép lại với nhau.
Khi trải qua thay đổi nhiệt độ đột ngột, các lớp này có thể giãn nở và co ngót khác nhau. Nếu ứng suất tích tụ vượt quá khả năng liên kết giữa các lớp, hiện tượng delamination có thể xuất hiện.
Sự tách lớp có thể làm:
+ Giảm liên kết giữa các lớp PCB
+ Hình thành khoảng rỗng bên trong bo mạch
+ Làm suy yếu các đường dẫn điện
+ Gây hư hỏng các via xuyên qua nhiều lớp mạch
+ Tạo điều kiện cho hơi ẩm xâm nhập sâu hơn vào cấu trúc PCB
Vấn đề này đáng chú ý ở các bo mạch nhiều lớp, nơi một lỗi xảy ra bên trong có thể không dễ phát hiện bằng quan sát bên ngoài.
3. Nứt vỏ linh kiện
Vỏ bảo vệ của IC, tụ điện, điện trở và nhiều linh kiện khác có thể được làm từ nhựa, gốm hoặc thủy tinh. Những vật liệu này có phản ứng khác nhau trước sự thay đổi nhiệt độ.
Sốc nhiệt có thể tạo ra các vết nứt trên vỏ linh kiện. Vết nứt ban đầu đôi khi rất nhỏ và chưa khiến linh kiện ngừng hoạt động ngay lập tức. Tuy nhiên, nó có thể mở đường cho hơi ẩm và các tác nhân môi trường xâm nhập vào bên trong.
Theo thời gian, điều này có thể kéo theo:
+ Ăn mòn các cấu trúc dẫn điện
+ Suy giảm lớp bảo vệ bên trong
+ Rò điện
+ Thay đổi đặc tính điện
+ Hỏng linh kiện
Với các linh kiện được đóng gói kín, khả năng chống lại sự xâm nhập của hơi ẩm là một phần quan trọng trong độ bền lâu dài. Vì vậy, các vết nứt nhỏ do ứng suất nhiệt vẫn có thể trở thành nguyên nhân gây lỗi về sau.
4. Đứt liên kết dây bên trong linh kiện
Bên trong nhiều vi mạch, các sợi dây dẫn cực nhỏ kết nối chip bán dẫn với các chân bên ngoài của linh kiện. Đây là các liên kết có kích thước rất nhỏ nhưng phải chịu tác động của sự giãn nở và co ngót trong mỗi chu kỳ nhiệt.
Sự chênh lệch chuyển động giữa dây dẫn, chip bán dẫn và phần vỏ bao quanh có thể tạo ra ứng suất tại các điểm liên kết. Sau nhiều lần thay đổi nhiệt độ, dây có thể bị:
+ Đứt
+ Bung khỏi điểm liên kết
+ Suy giảm khả năng dẫn điện
Loại hư hỏng này thường không thể phát hiện bằng cách kiểm tra ngoại quan thông thường. Linh kiện có thể trông hoàn toàn bình thường nhưng không còn hoạt động ổn định do liên kết bên trong đã bị ảnh hưởng.
5. Bong tróc lớp phủ và vật liệu liên kết
Sốc nhiệt cũng có thể làm suy giảm các lớp vật liệu được sử dụng để bảo vệ hoặc liên kết linh kiện.
Một số ví dụ gồm:
+ Lớp phủ bảo vệ trên PCB bị bong hoặc nứt
+ Keo liên kết giữa các bộ phận bị suy giảm
+ Vật liệu tản nhiệt bị tách khỏi bề mặt tiếp xúc
+ Lớp đóng gói bị rạn nứt
Nguyên nhân thường liên quan đến sự khác biệt về độ giãn nở giữa vật liệu liên kết và các bề mặt mà nó bám vào. Mỗi lần nhiệt độ thay đổi, hai vật liệu có thể dịch chuyển với mức độ khác nhau, tạo ra lực kéo lặp lại tại vùng tiếp xúc. Nếu lớp keo hoặc lớp phủ bị bong, khả năng bảo vệ, cách điện hoặc truyền nhiệt của linh kiện cũng có thể bị ảnh hưởng.
6. Thay đổi thông số điện và suy giảm hiệu suất
Không phải mọi ảnh hưởng của sốc nhiệt đều dẫn đến một vết nứt hoặc hư hỏng có thể nhìn thấy. Một số linh kiện vẫn hoạt động nhưng thông số đã thay đổi so với ban đầu.
Ví dụ, sự thay đổi nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến:
+ Tần số dao động của tinh thể thạch anh
+ Điện áp tham chiếu
+ Giá trị điện trở
+ Điện dung
+ Dòng rò
+ Đặc tính của các linh kiện bán dẫn
Sau nhiều chu kỳ nhiệt, một số thông số có thể bị drift, tức dịch chuyển dần khỏi giá trị ban đầu. Trong các thiết bị yêu cầu độ ổn định cao, một sai lệch nhỏ cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng vận hành.
Đây là lý do một linh kiện không nhất thiết phải hỏng hoàn toàn mới được xem là không đạt yêu cầu. Nếu thông số đã vượt ra ngoài giới hạn cho phép, sản phẩm vẫn có thể bị loại dù bên ngoài không xuất hiện dấu hiệu hư hỏng rõ ràng.
7. Vì sao sốc nhiệt có thể làm lỗi xuất hiện sau một thời gian?
Một chu kỳ nhiệt đơn lẻ chưa chắc đã tạo ra hư hỏng ngay lập tức. Nhiều lỗi hình thành theo quá trình tích lũy.
Mỗi lần sản phẩm chuyển từ nhiệt độ thấp sang cao hoặc ngược lại, các bộ phận bên trong lại chịu thêm một lần giãn nở và co ngót. Ứng suất có thể tập trung tại những vị trí yếu như:
+ Mối hàn
+ Góc linh kiện
+ Điểm nối giữa hai vật liệu
+ Via trên PCB
+ Điểm liên kết dây
+ Vùng tiếp xúc giữa lớp phủ và bề mặt nền
Sau nhiều chu kỳ, các vết nứt nhỏ hoặc vùng liên kết suy yếu có thể phát triển đến mức gây ra lỗi rõ ràng.
Đó cũng là lý do thử nghiệm sốc nhiệt thường được sử dụng để đẩy nhanh quá trình này trong điều kiện được kiểm soát. Thay vì chờ sản phẩm hỏng sau thời gian dài sử dụng ngoài thực tế, nhà sản xuất có thể đưa mẫu thử qua các chu kỳ nhiệt được xác định trước để đánh giá khả năng chịu đựng của linh kiện và cấu trúc sản phẩm.
Có thể phát hiện hư hỏng do sốc nhiệt bằng cách nào?
Phương pháp kiểm tra sẽ tùy thuộc vào loại linh kiện và dạng lỗi cần tìm. Một số hướng đánh giá thường được kết hợp gồm:
- Kiểm tra ngoại quan để phát hiện nứt, bong tách hoặc biến dạng
- Đo thông số điện trước và sau thử nghiệm
- Kiểm tra tính liên tục của mạch
- Kiểm tra mối hàn
- Chụp X-quang với các kết cấu khó quan sát
- Phân tích mặt cắt khi cần xác định vị trí phá hủy bên trong
Thông thường, mẫu thử được đo thông số ban đầu, đưa qua các chu kỳ nhiệt theo điều kiện đã xác định, sau đó kiểm tra lại để xem có thay đổi nào xuất hiện hay không.
Muốn tái tạo nhanh sự chuyển đổi giữa các môi trường nhiệt độ khác nhau, phòng thử nghiệm thường sử dụng buồng thử sốc nhiệt. Thiết bị cho phép đưa mẫu thử qua các vùng nhiệt độ khác nhau theo chu kỳ được kiểm soát, từ đó đánh giá khả năng chịu đựng của linh kiện trước các biến động nhiệt lặp lại.
Buồng thử sốc nhiệt KOMEG được sử dụng để tạo ra các điều kiện thay đổi nhiệt độ nhanh giữa các vùng nhiệt độ khác nhau. Tùy yêu cầu thử nghiệm, doanh nghiệp có thể lựa chọn các model với dải nhiệt độ và dung tích khác nhau, chẳng hạn:
KTS-72A: dải nhiệt độ từ -40°C đến +150°C, dung tích 72L
KTS-100A: dải nhiệt độ từ -40°C đến +150°C, dung tích 100L
KTS-200A: dải nhiệt độ từ -40°C đến +150°C, dung tích 200L
KTS-252A: dải nhiệt độ từ -40°C đến +150°C, dung tích 252L
KTS-300A: dải nhiệt độ từ -40°C đến +150°C, dung tích 300L
KTS-480A: dải nhiệt độ từ -40°C đến +150°C, dung tích 480L
KTS-72B và KTS-100B: dải nhiệt độ từ -55°C đến +150°C
Kết luận
Sốc nhiệt có thể gây ra nhiều dạng hư hỏng khác nhau, từ nứt mối hàn, tách lớp PCB, nứt vỏ linh kiện, đứt dây liên kết cho đến bong lớp phủ và thay đổi thông số điện. Điểm đáng chú ý là các lỗi này không phải lúc nào cũng xuất hiện ngay sau lần thay đổi nhiệt độ đầu tiên.
Những sản phẩm phải làm việc trong môi trường có nhiệt độ biến động mạnh, thử nghiệm sốc nhiệt giúp phát hiện sớm các điểm yếu liên quan đến vật liệu, kết cấu và liên kết bên trong linh kiện. Từ kết quả thử nghiệm, nhà sản xuất có thể đánh giá khả năng chịu đựng của sản phẩm trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt hoặc sử dụng thực tế.