図1.ワイヤ-ボンディング アセンブリでは、硬質エポキシ ポッティングにより、ボンド ワイヤ ループ全体に横方向に硬化収縮応力がかかります。応力はボンドヒール - ワイヤの最も弱い断面 - - に集中し、最初のテスト時ではなく、複数の熱サイクル後に破損が発生します。
この仕様では、難燃性エポキシ封止材を使用することが求められていました。-剛性、高弾性率のシステムが選択されました。{{3}よく特性評価され、UL リストに登録され、Tg と絶縁耐力が文書化されています。-エンジニアリングチームは材料の選択に自信を持っていました。生産開始から 6 か月後、返品されたユニットにワイヤ ボンドの障害が発生し始めます。すべてのユニットが返品されたわけではありません - 特定の日付範囲からの出荷の約 3%。断面分析では、かかと部でボンド ワイヤの破断が示されていますが、過電流や機械的衝撃の証拠はありません。-ワイヤーの冶金は正常です。ダイアタッチは無傷です。入荷した材料の接着引っ張り強度は仕様の範囲内でした。
故障解析チェックリスト - にないため調査で見つからなかったのは、- の破損がボンド ループのヒールで発生したことです。これは、硬質エポキシが硬化してワイヤの周りで収縮し、収縮するにつれてループが横方向に引っ張られ、ワイヤ断面が FAB ボンドからワイヤ本体に移行するヒール部分に正確に応力が集中したためです。-素材のメーカーを間違えたわけではありません。それは間違った係数でした。
ポッティングアセンブリにおけるはんだ接合およびワイヤボンドの疲労故障のほとんどは、接合ではなく封止材によって発生します。封止材は応力を加えます。ジョイントの形状、合金、またはワイヤの直径を変更しても、ジョイントの外部にある応力源には対処できません。
硬化中の硬質エポキシの作用
2 成分エポキシ系が混合され、電子部品を含むキャビティに注入されると、硬化固体を生成する架橋反応によって体積収縮も生じます。-ほとんどの硬質エポキシ ポッティング システムでは、線形収縮は 0.2 ～ 1.0% の範囲になります。絶対的に、30 mm の硬化部分にわたる 0.5% の線収縮は、150 μm の収縮を意味します。この収縮は、埋め込まれたコンポーネントとキャビティ壁によって制限され、これらは動きません。樹脂は自由には収縮できません - 濡れたすべての表面への接着によって保持されます。その結果、応力場が硬化体全体に分散され、コンポーネントのリード線、ワイヤボンド、デバイスの角、ポッティング-と-の接合部分など、最も硬い部分に応力がピークになります。
硬質で高弾性率のシステム (Shore D 75-95) では、硬化ポリマーはこの応力を緩和するために大きく変形することができません。硬化中に設定された応力場は、ロックイン荷重として硬化パーツ内に残ります。-。すべての埋め込みコンポーネントとポッティングと接触するすべてのインターフェースは、使用負荷前、熱サイクル前、振動前に、硬化した封止材 - からの持続的な静的ストレスを受けます。
この応力の大きさは、収縮の大きさ、硬化したエポキシの弾性率、基板とコンポーネントの弾性率、および形状によって異なります。 - スルーホールや SMT コンポーネントを備えた回路基板上の一般的なリジッド ポッティング システムの場合、はんだ接合界面の硬化収縮応力は 5 ～ 15 MPa - に達する可能性があり、接合部の極限引張強度を大幅に下回りますが、使用荷重と組み合わせると疲労寿命が低下するのに十分です。
熱サイクルの増幅
硬化収縮応力は静荷重です。熱サイクルは動的負荷です。使用中、硬化温度から温度が変動するたびに、エポキシの CTE が隣接する材料の CTE と異なるすべての界面に追加の応力が発生します。サイクルごとの応力振幅は、CTE の不一致、温度変動の大きさ、材料の剛性によって異なります。
FR{5}}4 PCB（-面内で CTE 約 14～18 ppm/度、- 面外で約 60～80 ppm/度）、銅リードフレーム（CTE ～ 17 ppm/度）、セラミック コンデンサ本体（CTE ～ 7～10 ppm/度)、およびアルミニウム製エンクロージャ (CTE ~23 ppm/度) では、各界面での CTE の不一致により、温度が変化するたびにせん断応力が発生します。硬い封止材では、このせん断応力は封止材の変形によって軽減することができず、荷重経路内の最も弱い界面に伝達されます。
最も弱い界面はアセンブリの形状によって異なります。ワイヤ-モジュールでは、通常、ボンド ヒールまたは 2 番目のボンド (ウェッジ ボンド) です。ファインピッチ SMT アセンブリでは、コンポーネント位置の最も角にあるはんだ接合部であり、中立点からの偏心が最も大きくなります。{4}}混合金属材料を使用したコイルまたは変圧器アセンブリでは、エポキシ-と-ハウジングの境界面で、充填材、ワイヤ、エンクロージャ間の CTE の不一致により最大のせん断が発生します。
硬化収縮静的応力と周期的熱応力の複合効果によって、ジョイントの疲労寿命が決まります。硬化収縮応力項により、平均応力レベルが上昇します。熱サイクル項は周期的な振幅を提供します。どちらも亀裂の発生に寄与します。亀裂の伝播速度は両方の項に依存します。
障害タイムラインが誤認を引き起こす理由
硬質エポキシ ポッティングによる応力伝達障害は、硬化直後には発生しません。{0}}亀裂発生サイクル数は、幾何学的形状と材料の関数である結合応力振幅に依存します。一般的なアセンブリでは、使用中に 100 ～ 500 回の熱サイクルを行った後、または数か月から 1 年間継続的に振動にさらされた後に故障が発生します。このタイムラインは一貫した誤認を引き起こします。
初期テスト時- アセンブリはすべての電気検査、ハイポット、目視検査に合格しています。-硬化収縮応力は存在しますが、亀裂開始閾値を下回っています。障害は検出されません。
初期のフィールド使用時- アセンブリは正常に機能します。蓄積された熱サイクルは亀裂発生閾値に達していません。障害は検出されません。
勤続 3 ～ 12 か月時点- 個の障害が発生し始めます。調査は、封止材ではなく、故障したコンポーネントまたは接合部に焦点を当てます。故障しなかったワイヤは無傷であるため、返品されたユニットのワイヤ ボンドのプル強度は、到着した仕様を満たしている可能性があります。- 故障したワイヤの統計母集団はすでに故障したユニット内にあります。
故障解析中- の断面-には、ボンドヒールまたははんだ接合界面での亀裂が見られます。調査では、これは冶金疲労によるものであると考えられており、これは技術的に正確です - 疲労亀裂の伝播が最終的な破損モードでした - が、根本原因である剛性封止材からの応力振幅の上昇が省略されています。
根本原因を正しく特定するには、故障率および亀裂の位置パターンを、ポット形状の計算された応力場から予想されるものと比較する必要があります。予測可能な高応力位置（ワイヤ-ボンディングモジュールのボンドヒール、SMTアレイのコーナーコンポーネント、ポッティングコイルのリード出口）で発生する亀裂は、ランダムな位置-ではなく母集団-全体に均一に分布しており、封止材内の系統的な応力源と一致します。
低弾性率の封止材の違い
ショア A 80～90 で伸びが約 140% の半柔軟エポキシは、組み込まれたコンポーネントに応力を伝達するのではなく、変形することで硬化収縮と熱サイクル応力に応答します。- Shore A 80 材料の弾性率は、Shore D 80 - よりも約 2 桁低くなります。これは、同じ力が加えられた場合にゴムバンドとスチールロッドが異なる反応をするのと同じです。ゴムバンドが変形してしまいます。スチールロッドが力を伝達します。
低弾性率の封止材が硬化して収縮すると、その剛性が大きな応力場に耐えるには不十分であるため、埋め込まれた界面に高い応力を生成できません。{0}}収縮が発生しますが、樹脂は収縮荷重を隣接するコンポーネントに伝達するのではなく、収縮に合わせて変形します。硬化した部品の残留応力状態は、同じ収縮率の剛体システムよりも大幅に低くなります。
熱サイクル中、低弾性率システムは変形して、エポキシと埋め込まれた材料の間の CTE の動きの差に対応します。{0}封止材が基板に抵抗するのではなく基板と一緒に移動するため、界面でのせん断応力が減少します。 CTE の不一致は依然として存在します - 材料は変化していません - しかし、不一致から生じる応力は接合部に伝達されるのではなく、封止材の変形によって吸収されます。
これは、セミフレキシブル システムを指定するためのエンジニアリングの基礎です。-セミフレキシブルシステムによってアセンブリが強化されるわけではありません。-それは、セミフレキシブル システムが応力源としての封止材を除去し、ポッティング コンパウンドから追加の負荷がかかることなく、アセンブリが設計された負荷条件下で動作できるようにすることです。
図2。硬いエポキシは硬化収縮に適応するように変形できません - 応力は荷重経路の最も弱い界面に伝わります。代わりに、最大 140% の伸びを持つ半柔軟なシステムが変形し、接合部の形状を変えることなく応力源としての封止材を除去します。
低弾性率のトレードオフ-: セミフレキシブルではできないこと-
セミフレキシブル システムを応力緩和に効果的にする特性は、機械的剛性、構造的サポート、または強力な熱性能を必要とする用途には不向きにする特性と同じです。-
持続的な機械的負荷下での寸法安定性。Shore A 80 ～ 90 は、持続的な圧縮荷重またはせん断荷重を受けるとクリープします。ポッティング アセンブリがプレスフィット ピン、持続的な力を加える押さえブラケット、または挿入力をポッティング領域に伝えるコネクタによって機械的に拘束されている場合、セミフレキシブル マトリックスは時間の経過とともに変形します。-耐荷重用途には剛性エポキシが必要です。-
熱伝導率。セミフレキシブル システム-の熱伝導率は、標準的な硬質ポッティング コンパウンド - と同じ範囲で、通常は 0.5 ～ 0.7 W/m·K です。設計でポッティング層が電力放散コンポーネントから冷却面に熱を伝導する必要がある場合、-この伝導率レベルのセミフレキシブル システムでは意味のある熱改善は得られません。-熱伝導性の高い剛性システム (1.0 ～ 1.5 W/m・K) が必要です。
厚いセクションの動作。-半柔軟なシステムを応力緩和に有効にする伸び特性には、室温での硬化に必要な触媒レベルが高くなるほど反応が速くなるため、厚い注入物の中心での単位体積当たりの発熱量が高くなります。-深い部分に大量に注入すると、局所的な過熱を引き起こすのに十分な発熱が発生する可能性があります。セクションの厚さと注入量は、製造前に検証する必要があります。
使用温度の上限でクリープが発生します。使用温度の上限（一般的なセミフレキシブル システムの場合は 100 度）近くで動作する Shore A 80 ～ 90 システムは、同じ温度でのリジッド システムよりも高いクリープ速度を示します。-熱負荷下での寸法精度が必要な用途では、剛性の高い高-システムを使用する必要があります。
封止材の弾性率が選択基準となる適用条件
次の組み立て条件は、応力伝達メカニズムが故障リスクを支配しており、絶縁耐力、熱伝導率、または Tg - ではなく封止材の弾性率 - が材料の選択を決定する必要があることを示しています。-
ワイヤボンディングされたモジュール（金または銅のワイヤ、ボールまたはウェッジボンド）は硬質ポッティングコンパウンドに封入されており、熱サイクルや振動下でも動作します。
ファインピッチ SMT アセンブリ（0.5 mm 以上のピッチ）には、異なる CTE を持つ複数のコンポーネント タイプが含まれます。- セラミック受動素子、ポリマー パッケージ、金属ボディ インダクタが同じポッティング領域内にあります。-
薄い、支持されていないセクションを備えた PCB、または剛性ポッティングで囲まれたフレキシブル基板 - では、基板とポッティングの間の剛性差により、硬化中に高い界面応力が発生します。
フェライト コア アセンブリ（トランス、インダクタ、コモンモード チョーク）。フェライト本体の CTE（約 10 ppm/度）が周囲のエポキシの CTE（約 50～70 ppm/度）と大きく異なります。-
累積的な周期負荷が主な故障原因となる、継続的な振動環境 (自動車、産業用モーター ドライブ、屋外設備) でのアセンブリ。
過去の故障履歴に、特定の過大応力イベントではなく熱サイクル数と相関する亀裂、断続的な開口、または層間剥離が見られるアセンブリ。
デフォルトではなく設計上の決定としての係数の選択
ほとんどの B2B 調達ワークフローにおけるエポキシ ポッティング コンパウンドの標準選択プロセスは、難燃性評価 (UL 94 V-0) から始まり、絶縁耐力に進み、その後、硬化スケジュールと Tg を評価します。弾性率と伸びは TDS の最後にリストされることが多く、最初の選択で重み付けされることはほとんどありません。この順序は、一連のコンプライアンス要件を反映しています。つまり、炎定格は法的に義務付けられており、絶縁耐力は測定可能であり、弾性率はほとんどの機器規格に含まれていません。
その結果、弾性率を問う選択ゲートがなかったため、機械的に敏感な構造を持つアセンブリは日常的に剛性の高い高弾性率の化合物で埋め込まれることになります。{0}}仕様はコンプライアンスレビューに合格しています。フィールドに障害が表示されます。調査は選考プロセスに戻りません。
正しいアプローチは、ポッティングコンパウンドの選択が行われる前に、初期設計段階 - に機械的応力解析を追加することです。 「硬化中および使用中に、この封止材はアセンブリにどのようなストレスを与えますか?」という質問です。最初のフィールドが返された後ではなく、材料を指定する前に回答する必要があります。
これには、候補化合物のおおよその収縮、硬化したシステムの弾性率、基板とコンポーネントの CTE、およびポッティング部分の形状を知る必要があります。これらはいずれも有限要素解析を必要としません。-材料の選択が最終的に決定される前に、材料特性と形状からの一次推定があれば、応力伝達が支配的な破損メカニズムである可能性が高いかどうかを判断するのに十分です。-
ストレスに敏感なアセンブリのポッティング用関連製品-
E759/H759 は、2 成分のセミフレキシブル エポキシ ポッティング コンパウンドであり、ショア A 80 ～ 90、破断点伸び率約 140% を備えています。{{3}最小厚さ 1.58 ～ 1.74 mm で UL File E120665 に基づいて UL 94 V-0 認定を受けています。使用温度範囲は -30 度から +100 度です。混合比は重量で 100:30 です。ポットライフは、25 度で 60 g の質量で約 60 分です。硬化は室温 (25 度で 7 日間) または加速加熱 (50 ～ 60 度 × 2 時間 + 80 度 × 2 時間) によって行われます。
これは、主なリスクが機械的応力伝達 - ワイヤボンド疲労、はんだ接合部の亀裂、CTE-不一致剥離、または振動による破壊-である場合に適しています。これは、耐荷重-構造ポッティング、高熱-フラックス-熱管理、または寸法公差のためにショア D 剛性を必要とするアセンブリには適していません。選択は、アプリケーションの実際の熱サイクル プロファイルに基づいて、代表的な試験片で検証する必要があります。
→ 🔗E759/H759 製品ページ - 技術データ、UL 認証、アプリケーションノート
エンジニアリングに関する重要な質問
現在のアセンブリで応力伝達が発生しているかどうかを推定するにはどうすればよいですか?
-一次推定は、ポッティング コンパウンドの収縮 (TDS から、通常は % 線形収縮としてリストされます)、硬化システムの弾性率 (ショア D と相関します。- ショア D 80 はおよそ 1,500 ～ 2,500 MPa の引張弾性率に相当します)、およびポッティング セクションの形状から行うことができます。剛性の埋め込まれた界面における応力はおよそ E × ε です。ここで、E はエポキシの弾性率、ε は拘束された収縮ひずみです。結果の値がはんだ接合部またはワイヤボンドの疲労限界のかなりの部分を占める場合、応力伝達が発生している可能性があります。これは大まかな推定値です - 形状と荷重経路の詳細は実際の応力に大きく影響します - が、材料の選択を最終的に決定する前に、メカニズムが詳細な分析または実験による検証を必要とするかどうかを特定します。
現在アセンブリに硬質エポキシが使用されており、応力伝達と一致するフィールド破損履歴がある場合、セミフレキシブル代替品の正しい評価順序は何ですか?{0}}
まず、返品されたユニットの断面分析を通じて故障メカニズムを確認します。-亀裂の発生位置、亀裂の伝播経路、熱サイクル数との相関関係を確認します。{1}次に、同じ形状と硬化スケジュールでセミフレキシブル候補を使用して実際のアセンブリの試験片を作成し、現場で観察されたのと同じ故障範囲をカバーするサイクル数まで加速熱サイクルを実行します (通常、現場で故障が最初に発生したサイクル数の 2 ～ 5 倍)。硬い試験片と半柔軟な試験片の間で破損率と亀裂の発生位置を比較します。-このプロセスには、熱サイクル装置の可用性に応じて 4 ～ 8 週間かかりますが、材料変更を決定するための信頼できる唯一の基準です。データシートの比較だけでは、この障害メカニズムに対するサービス内の動作を予測することはできません。-
弾性率が低いシステムは、剛性の高いシステムよりも環境保護効果が低くなりますか?{0}
Shore A 80-90 のセミ-フレキシブル システムは、環境保護機能 - を維持し、湿気の侵入を防ぎアセンブリを密閉し、電気絶縁を提供し、UL 94 V-0 の難燃性能を満たしています。機械的剛性が提供されていないため、- 持続的な圧縮荷重がかかると変形します。非-耐荷重-用途での環境保護には、Shore A 80～90 が適切です。重要な比較は、ショア D からショア A への弾性率の減少が、アセンブリが使用中に受ける特定の機械的負荷に関連しているかどうかであり、セミフレキシブル システムが抽象的な意味で「保護が少ない」かどうかではありません。
次のステップ - Fong Yong Chemical に問い合わせる
