[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zerstörungsfreien Erkennen einer Bildung von einem oder mehreren leitfähigen Filamenten in einer Leiterkarte gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum zerstörungsfreien Erkennen einer Bildung von einem oder mehreren leitfähigen Filamenten in einer Testgruppe von Leiterkarten gemäss Oberbegriff des Anspruchs 4.
[0002] Leiterkarten bestehen üblicherweise zum überwiegenden Teil aus glasfaserverstärkten Kunstharzen. Die glasfaserverstärkten Kunstharze bilden eine Trägerstruktur auf die planare Leitbahnen aufgebracht werden. Dieser Aufbau wiederholt sich in mehreren, übereinander liegenden Schichten. Zur Verbindung von in unterschiedlichen Schichten angeordneten Leitbahnen werden Kontaktlöcher eingesetzt, die entweder einen Teil der Schichten oder die gesamte Leiterkarte durchstossen.
[0003] Innerhalb einer Leiterkarte kann es zum Wachstum von leitfähigen Filamenten (conductive anodic filament, CAF) kommen. Ein leitfähiges Filament besteht typischerweise aus abgelagerten Metallverbindungen bzw. abgelagertem Metall und seine Länge verkürzt eine verbleibende Strecke von einer ersten Leiterstruktur (z.B. einer Leitbahn, einem Kontaktloch) auf einem ersten elektrischen Potential zu einer zweiten, nächstgelegenen Leiterstruktur auf einem zweiten elektrischen Potential.
[0004] Dies ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Fig. 1zeigt einen Teilausschnitt einer Leiterkarte 4 aus glasfaserverstärktem Kunstharz 3, die eine erste Leitbahn 2 mit Kontaktlöchern 1 auf einem ersten Potential und eine zweite Leitbahn 6 mit Kontaktlöchern 5 auf einem zweiten Potential aufweist. Von der ersten Leitbahn 2 und insbesondere von deren Kontaktlöchern 1 können leitfähige Filamente 7 in Richtung auf die zweite Leitbahn 6 bzw. deren Kontaktlöcher 5 wachsen oder vice versa. Sobald eines der Filamente 7 die zweite Leitbahn 6 oder eines von deren Kontaktlöchern 5 erreicht, führt dies zu einer starken Beeinflussung der Isolation zwischen den beiden durch die Leitbahnen 2, 6 und deren Kontaktlöcher 1, 5 gebildeten Leiterstrukturen, was ein Funktionsversagen der Leiterkarte 4 zur Folge haben kann.
[0005] Die leitfähigen Filamente breiten sich typischerweise, aber nicht ausschliesslich, entlang einzelner Glasfasern oder Glasfaserbündeln aus (vgl. D. J. Lando, J. P. Mitchell, T. L. Welsher, "Conductive Anodic Filaments in Reinforced Polymerie Dielectrics: Formation and Prevention", International Reliability Physics Symposium, 1975, pp. 51-63, K. Rogers, C. Hillmann, M. Pecht, "Conductive Filament Formation Failure in a Printed Circuit Board", Circuit World, Vol. 25, 1999, pp. 6-8, A. Brewin, L. Zou, C. Hunt, "Susceptibility of Glass-Reinforced Epoxy Laminates to Conductive Anodic Filamentation", National Physical Laboratory (NPL) Report MATC(A)155, Sept. 2004, ISSN 14 732 734).
[0006] Das hier als "Filament" bezeichnete Phänomen wird dabei von rein an der Oberfläche einer Leiterkarte auftretenden Phänomenen unterschieden (B. Rudra, M. Pecht, D. Jennings, "Assessing Time-to-Failure due to Conductive Filament Formation in Multilayer Organic Laminates", IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Techniques - Part B, Vol. 17, No. 3, August 1994, pp. 269-276, A. Brewin, L. Zou, C. Hunt, "Susceptibility of Glass-Reinforced Epoxy Laminates to Conductive Anodic Filamentation", National Physical Laboratory (NPL) Report MATC(A)155, Sept. 2004, ISSN 14 732 734). So handelt es sich insbesondere nicht um das rein chemische Anlösen von Leitbahnmetall (so genanntes tarnish creepage) und ebenfalls nicht um so genanntes Whisker-Wachstum, welches primär von mechanischer Belastung hervorgerufen wird.
[0007] Der Bildungs- bzw. Wachstumsmechanismus der leitfähigen Filamente wird als elektrochemische Reaktion verstanden, die über Wasseranteile im Kunstharz und/oder im Besonderen über adsorbierte Wasserschichten auf der Oberfläche der Glasfasern vermittelt wird (B. Rudra, M. Pecht, D. Jennings, "Assessing Time-to-Failure due to Conductive Filament Formation in Multilayer Organic Laminates", IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Techniques - Part B, Vol. 17, No. 3, August 1994, pp. 269-276). Der Bildungs- bzw. Wachstumsmechanismus kann als elektrolytische Korrosion angesehen werden und wird daher durch hohe elektrische Feldstärken begünstigt. Es ist ferner bekannt, dass Bestandteile von chemischen Hilfs- und Funktionsstoffen für die Leiterkartenherstellung die Bildung der Filamente begünstigen können (W. J. Ready, L. J.
Turbini, "A Combination of Hourly Versus Daily Testing Methods for Evaluating the Reliability of Water Soluble Fluxes", IEEE Trans. On Advanced Packaging, Vol. 23, No. 2, May 2000, W. J. Ready, L. J. Turbini, S. R. Stock, B. A. Smith, "Conductive Anodic Filament Enhancement in the Presence of a Polyglycol-Containing Flux", IEEE Reliability Physics Symosium, 1996, pp. 267-273). Unterschiedliche chemische Zusammensetzungen der Kunstharz-Komponente der Leiterkarte können ferner zu einer Beeinflussung der Wachstumsrate der Filamente führen.
[0008] Es wird im Allgemeinen davon ausgegangen, dass es sich bei der Bildung der leitfähigen Filamente im Wesentlichen um einen zweistufigen Prozess handelt: In einer ersten Phase verändert sich die Grenzfläche zwischen den verstärkenden Glasfasern der Leiterkarte und dem die Glasfasern umgebenden Kunstharz. Die Veränderung ist dergestalt, dass die Bindung zwischen Kunstharz und Glasfaser vermindert wird und sich Wasser sowie ionische Reaktionsbestandteile auf der Glasfaseroberfläche als wässrige Lösung anlagern können. Einen Sonderfall bildet hierbei die Anwesenheit hohler Glasfasern im Leiterkartenmaterial. Hohle Glasfasern weisen in ihrem Inneren kein Kunstharz auf. Daher ist bei ihnen die erste Phase gleichsam von vorneherein abgeschlossen (M. Pecht, C. Hillman, K. Rogers, D.
Jennings, "Conductive Filament Formation: A Potential Reliability Issue in Laminated Printed Circuit Cards with Hollow Fibers", IEEE Trans. On Electronics Packaging Manufacturing, Vol. 22, No. 1, Jan. 1999, pp. 80-84, K. Rogers, C. Hillmann, M. Pecht, "Hollow Fibers Can Accelerate Conductive Filament Formation", ASM International Practical Failure Analysis, Vol. 1, Issue 4, August 2001, pp. 57-60). Insbesondere wenn ein Kontaktloch eine solche hohle Glasfaser durchschneidet, ist die Bildung leitfähiger Filamente hoch wahrscheinlich.
[0009] In einer zweiten Phase findet ein Transport von Metall bzw. Metallionen (im Allgemeinen von Kupfersalzen, gegebenenfalls von Kupferkomplexen, bei Kupfer enthaltenden Leitbahnen bzw. Kontaktlöchern) zwischen zwei Punkten unterschiedlichen Potentials statt, beispielsweise zwischen zwei Leitbahnen bzw. deren Kontakt-, löchern. Dieser Metalltransport bewirkt die Bildung des leitfähigen Filaments. Darüber hinaus wirkt ein Gradient des pH-Werts der sich an den Glasfasern anlagernden wässrigen Lösung vermittelnd für den Prozess des Metalltransports (D. J. Lando, J. P. Mitchell, T. L. Welsher, "Conductive Anodic Filaments in Reinforced Polymerie Dielectrics: Formation and Prevention", International Reliability Physics Symposium, 1975, pp. 51-63, B. Rudra, D.
Jennings, "Tutorial Failure-Mechanism Models for Conductive-Filament Formation", IEEE Transactions on Reliability, Vol. 43., No. 3, Sept. 1994, pp. 354-360, A. Brewin, L. Zou, C. Hunt, "Susceptibility of Glass-Reinforced Epoxy Laminates to Conductive Anodic Filamentation", National Physical Laboratory (NPL) Report MATC(A)155, Sept. 2004, ISSN 14 732 734).
[0010] Für das Erkennen von leitfähigen Filamenten in Leiterkarten sind zwar Verfahren bekannt. Die bekannten Verfahren sind bei vertretbarem Aufwand jedoch nicht zerstörungsfrei, d.h. eine zumindest lokale Zerstörung der Leiterkarte ist die Folge.
[0011] Gemäss einem bekannten Verfahren kann das Ereignis detektiert werden, dass ein leitfähiges Filament von einer Leiterstruktur, z.B. einer Leitbahn, auf einem ersten elektrischen Potential zu einer anderen Leiterstruktur auf einem zweiten elektrischen Potential gewachsen ist. Dieses Ereignis macht sich in einem signifikanten Absinken des Isolationswiderstandes zwischen den beiden Leiterstrukturen bemerkbar, was im Allgemeinen zu einer zumindest zeitweisen Störung der Funktion der Leiterkarte führt. Der Isolationswiderstand kann gemessen werden. Messungen des Isolationswiderstandes vor diesem Ereignis geben jedoch keinen sicheren Hinweis auf den Zustand des Filamentwachstums in der Leiterkarte (A. Brewin, L. Zou, C.
Hunt, "Susceptibility of Glass-Reinforced Epoxy Laminates to Conductive Anodic Filamentation", National Physical Laboratory (NPL) Report MATC(A)155, Sept. 2004, ISSN 14 732 734).
[0012] Nach einem anderen bekannten Verfahren kann eine Leiterkarte in geeigneter Weise auf das Vorhandensein von Metallverbindungen ausserhalb der Leiterstrukturen untersucht werden. Hierzu wird ein mechanischer Querschnitt der zu untersuchenden Stelle der Leiterkarte genommen oder es erfolgt ein schichtweises Abtragen des Leiterkartenmaterials. Eine zumindest lokale Zerstörung der Leiterkarte ist die Folge.
[0013] Ferner erlauben spezielle bildgebende Verfahren, wie beispielsweise Infrarot-Mikroskopie oder Transmissions-Mikroskopie, eine Analyse einer Leiterkarte auf das Vorhandensein von leitfähigen Filamenten. Allerdings ist mit der Anwendung dieser bekannten bildgebenden Verfahren in der Regel ein hoher apparativer Aufwand bzw. eine spezielle Präparation der zu untersuchenden Leiterkarte verbunden.
[0014] In der Analysetechnik von Hochspannungs-Systemen ist eine Analysemethode nach der Beurteilung von Teilentladungsverhalten gebräuchlich (JP7005223A, D. König, Y. Narayana Rao (editors), "Partial Discharge in Electrical Power Apparatus", VDE-Verlag, ISBN 3-8007-1760-3, 1993). Die bekannte Analysemethode beruht auf folgendem Prinzip: An Inhomogenitäten eines in dem Gesamtsystem vorliegenden elektrischen Feldes setzen lokale Entladungen (so genannte Teilentladungen), die durch Ionisierung des umgebenden Mediums hervorgerufen werden, bereits unterhalb einer Durchschlagsspannung des Gesamtsystems ein. Diese lokalen (inneren) Entladungen können mittels einer geeigneten Messanordnung erkannt werden.
Für die Detektierung der lokalen Entladungen werden üblicherweise die Messung einer Ladungsänderung aufgrund der Speisung einer Testspannung, akustische Überwachung, die Erfassung emittierter elektromagnetischer Spektren inkl. des sichtbaren und des UV-Licht-Bereichs sowie andere Verfahren eingesetzt. Die hierbei gemessenen Daten werden mit einem vordefinierten Schwellwert (Fehlerschwelle) verglichen. Wird der vordefinierte Schwellwert überschritten, so ist das Gesamtsystem fehlerhaft, d.h. es treten unerwünschte lokale Entladungen auf. Bei einem Überschreiten des vordefinierten Schwellwerts hat das Gesamtsystem also den Teilentladungstest nicht bestanden (DIN VDE 0110 "Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen", 1990).
Die Testspannung steht typischerweise in einem bestimmten Zusammenhang mit der für das Gesamtsystem vorgesehenen Betriebs- bzw. Einsatzspannung. Typischerweise ist die Testspannung ein Vielfaches der Betriebsspannung des Gesamtsystems.
[0015] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum zerstörungsfreien Erkennen einer Bildung von einem oder mehreren leitfähigen Filamenten in einer Leiterkarte bereitzustellen. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum zerstörungsfreien Erkennen einer Bildung von einem oder mehreren leitfähigen Filamenten in einer Testgruppe von Leiterkarten bereitzustellen. Eine Leiterkarte kann auch als Leiterplatte oder Platine bezeichnet werden. Ein leitfähiges Filament wird auch als conductive anodic filament bezeichnet (CAF).
[0016] Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum zerstörungsfreien Erkennen einer Bildung von einem oder mehreren leitfähigen Filamenten in einer Leiterkarte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zum zerstörungsfreien Erkennen einer Bildung von einem oder mehreren leitfähigen Filamenten in einer Testgruppe von Leiterkarten mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.
[0017] Das erfindungsgemässe Verfahren zum zerstörungsfreien Erkennen einer Bildung von einem oder mehreren leitfähigen Filamenten in einer Leiterkarte kennzeichnet sich dadurch aus, dass eine Teilentladungs-Aussetzspannung ermittelt wird und dass die ermittelte Teilentladungs-Aussetzspannung mit einem Schwellwert verglichen wird, wobei die Bildung von einem oder mehreren leitfähigen Filamenten in der Leiterkarte erkannt wird, wenn die Teilentladungs-Aussetzspannung unter dem Schwellwert liegt. Der Schwellwert entspricht vorzugsweise der Teilentladungs-Aussetzspannung einer Vergleichsleiterkarte, die im Wesentlichen frei von leitfähigen Filamenten ist, beispielsweise einer produktionsfrischen bzw. fabrikneuen Leiterkarte.
Besonders bevorzugt entspricht der Schwellwert dem Mittelwert der Teilentladungs-Aussetzspannungen mehrere Vergleichsleiterkarten, die im Wesentlichen frei von leitfähigen Filamenten sind.
[0018] Im Betrieb einer Leiterkarte entsteht im Inneren der Leiterkarte ein elektrisches Feld insbesondere zwischen Leiterstrukturen unterschiedlichen elektrischen Potentials, die durch eine Isolation, nämlich den faserverstärkten Kunstharz, voneinander getrennt sind. Der Einfachheit halber wird von einem elektrischen Feld, das mehrere elektrische Felder im Innern der Leiterkarte umfassen kann, ausgegangen. Infolge des Wachstums von leitfähigen Filamenten im Inneren der Leiterkarte verändert sich dieses elektrische Feld. Die Filamente stellen leitfähige Gebilde dar, welche an ihren Randgebieten eine starke Krümmung, insbesondere Spitzen, aufweisen können und das elektrische Potential der Leiterstruktur (z.B. einer Leitbahn) tragen, von der sie ihren Ausgang nehmen.
Das Vorhandensein derartiger Filamente in der Leiterkarte verursacht starke Inhomogenitäten des in der Leiterkarte vorliegenden elektrischen Feldes. Ferner verkürzt ein Filament den Isolationsabstand zu benachbarten Leiterstrukturen auf abweichendem elektrischem Potential. Hierdurch steigt die elektrische Feldstärke pro Masseinheit angelegter Spannung in der Umgebung des Filaments. Dies wiederum begünstigt das Entstehen von Teilentladungen, sodass die Teilentladungs-Aussetzspannung tendenziell abnimmt. Das heisst, die Teilentladungs-Aussetzspannung ist höher, wenn keine leitfähigen Filamente in der Leiterkarte vorhanden sind, als wenn leitfähige Filamente in der Leiterkarte vorhanden sind. Je grösser dagegen das Wachstum bzw. die Bildung leitfähiger Filamente in der Leiterkarte ist, desto mehr sinkt die Teilentladungs-Aussetzspannung.
[0019] Teilentladungen sind örtliche elektrische Entladungen im Isoliermaterial. Die Teilentladungs-Aussetzspannung ist definiert als die niedrigste an die Leiterkarte angelegte Spannung, bei der im Innern der Leiterkarte noch Teilentladungen beobachtet werden können. Die Teilentladungs-Aussetzspannung kann insbesondere dadurch ermittelt werden, dass eine Testspannung an Eingänge einer Leiterkarte angelegt wird, wobei die Testspannung wertemässig über einer Betriebsspannung der Leiterkarte liegen soll. Dann wird die Testspannung abgesenkt und eine an Ausgängen der Leiterkarte abfallende Messspannung wird auf das Auftreten von Teilentladungen ausgewertet. Typischerweise kann auf das Vorliegen von Teilentladungen geschlossen werden, wenn die Messspannung Impulse bzw. Impulspakete aufweist, wobei von einer sinus- bzw. kosinusförmigen Testspannung ausgegangen wird.
[0020] Um eine Veränderung der Teilentladungs-Aussetzspannung gegenüber anderen Ursachen als der Bildung von leitfähigen Filamenten abzugrenzen, kann das Verhalten einer Testgruppe von Leiterkarten mit dem Verhalten einer Kontrollgruppe von Leiterkarten verglichen werden. Die Kontrollgruppe kann auch als Vergleichsgruppe bezeichnet werden.
[0021] Das erfindungsgemässe Verfahren zum zerstörungsfreien Erkennen einer Bildung von einem oder mehreren leitfähigen Filamenten in einer Testgruppe von Leiterkarten kennzeichnet sich dadurch aus, dass eine Gruppe von Leiterkarten in eine Testgruppe und in eine Kontrollgruppe aufgeteilt wird, Teilentladungs-Aussetzspannungen für die Leiterkarten der Testgruppe und der Kontrollgruppe ermittelt werden und die ermittelten Teilentladungs-Aussetzspannungen der Testgruppe mit den ermittelten Teilentladungs-Aussetzspannungen der Kontrollgruppe verglichen werden, wobei die Bildung leitfähiger Filamente in den Leiterkarten der Testgruppe als umso grösser erkannt wird, je mehr die Teilentladungs-Aussetzspannungen der Testgruppe unterhalb der Teilentladungs-Aussetzspannungen der Kontrollgruppe liegen.
Durch den Vergleich der Teilentladungs-Aussetzspannungen von Testgruppe und Kontrollgruppe kann somit eine Aussage über das Vorhandensein von leitfähigen Filamenten in den Leiterkarten der Testgruppe erhalten werden.
[0022] Vorzugsweise wird die Testgruppe vor der Ermittlung der Teilentladungs-Aussetzspannungen Bedingungen unterworfen, welche die Bildung leitfähiger Filamente begünstigen, während die Kontrollgruppe Bedingungen unterworfen wird, die die Bildung leitfähiger Filamente nicht in dem Masse fördern bzw. weniger begünstigen, als die Bedingungen, denen die Testgruppe unterworfen wird.
[0023] Die erfindungsgemässen Verfahren können zur Sicherung der Qualität von Leiterkarten eingesetzt werden. Sie sind vorteilhafterweise nach der vollständigen Herstellung bzw. Prozessierung von Leiterkarten anwendbar. Ferner haben die erfindungsgemässen Verfahren weder eine vollständige noch eine teilweise Gebrauchsunfähigkeit der Leiterkarten zur Folge. Die erfindungsgemässen Verfahren können zerstörungsfrei, also ohne auch lokale Zerstörung der Leiterkarten, auf Leiterkarten angewandt werden. Ferner kommen die erfindungsgemässen Verfahren ohne mikroskopische chemische oder physikalische Analysen aus, sodass sie einen geringen Aufwand bedingen. Es ist auch vorteilhafterweise keine Präparation bestimmter Querschnitte einer zu untersuchenden Leiterkarte oder eine Materialentnahme aus der Leiterkarte erforderlich.
[0024] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und den anhand der Zeichnungen nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
<tb>Fig. 1 <sep>eine schematische Darstellung eines Teilausschnitts einer Leiterkarte mit leitfähigen Filamenten,
<tb>Fig. 2 <sep>eine Flussdiagrammdarstellung des erfindungsgemässen Verfahrens zum zerstörungsfreien Erkennen einer Bildung von einem oder mehreren leitfähigen Filamenten in einer Leiterkarte und
<tb>Fig. 3 <sep>eine Flussdiagrammdarstellung des erfindungsgemässen Verfahrens zum zerstörungsfreien Erkennen einer Bildung von einem oder mehreren leitfähigen Filamenten in einer Testgruppe von Leiterkarten.
[0025] In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen strukturell bzw. funktionell gleiche bzw. gleichwirkende Komponenten. Die Fig. 1 ist bereits in der Beschreibungseinleitung beschrieben und es wird auf die dortigen Textstellen verwiesen.
[0026] Fig. 2 zeigt eine Flussdiagrammdarstellung des erfinderischen Verfahrens zum zerstörungsfreien Erkennen einer Bildung von einem oder mehreren leitfähigen Filamenten in einer Leiterkarte. In einem ersten Schritt 10 wird bei einer Leiterkarte eine Teilentladungs-Aussetzspannung ermittelt. Die Teilentladungs-Aussetzspannung kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass an die Leiterkarte eine Testspannung angelegt wird, die ein Vielfaches der Betriebsspannung der Leiterkarte beträgt, und dass diese Testspannung abgesenkt wird und eine über die Leiterkarte abfallende Messspannung gemessen und diese Messspannung auf das Auftreten von Teilentladungscharakteristika ausgewertet wird. Solche Teilentladungscharakteristika sind insbesondere Impulspakete. Die Testspannung, bei der gerade noch Teilentladungen bzw.
Teilentladungscharakteristika in der Messspannung beobachtet werden können, entspricht dann der Teilentladungs-Aussetzspannung.
[0027] In einem zweiten Schritt 11 wird die ermittelte Teilentladungs-Aussetzspannung mit einem Schwellwert verglichen, und bei Überschreiten des Schwellwerts kann davon ausgegangen werden, dass kein signifikantes Wachstum von leitfähigen Filamenten vorliegt bzw. dass im Wesentlichen keine leitfähigen Filamente in der Leiterkarte vorhanden sind. Bei Unterschreiten des Schwellwerts kann dahingegen auf die Bildung von leitfähigen Filamenten in der Leiterkarte geschlossen werden.
[0028] Der Schwellwert ist insbesondere durch die Teilentladungs-Aussetzspannung einer Vergleichsleiterkarte gegeben, von der angenommen werden kann, dass sie im Wesentlichen keine leitfähigen Filamente aufweist. Bei der Vergleichskarte kann es sich beispielsweise um eine produktionsfrische bzw. fabrikneue Leiterkarte handeln. Der Schwellwert kann auch durch den Mittelwert der Teilentladungs-Aussetzspannungen mehrerer derartiger Vergleichleiterkarten gegeben sein.
[0029] Fig. 3 zeigt eine Flussdiagrammdarstellung des erfindungsgemässen Verfahrens zum zerstörungsfreien Erkennen einer Bildung von einem oder mehreren leitfähigen Filamenten in einer Testgruppe von Leiterkarten. In einem ersten Schritt 20 wird eine Gruppe von Leiterkarten in eine Testgruppe und in eine Kontrollgruppe aufgeteilt, wobei es sich bei den Leiterkarten bevorzugt um Leiterkarten handelt, die im Wesentlichen frei sind von leitfähigen Filamenten, beispielsweise um produktionsfrische bzw. fabrikneue Leiterkarten.
Für die Aufteilung der Leiterkarten werden vorzugsweise die Teilentladungs-Aussetzspannungen sämtlicher Leiterkarten, insbesondere wie oben beschrieben, ermittelt und die Leiterkarten werden dann dergestalt aufgeteilt, dass die Abweichungen bevorzugt hinsichtlich Mittelwert und/oder Varianz bzw. relativer Streubreite der Teilentladungs-Aussetzspannungen zwischen der Testgruppe und der Kontrollgruppe minimal werden. Die Leiterkarten werden also insbesondere so aufgeteilt, dass die Parameter der Testgruppe und der Kontrollgruppe möglichst wenig voneinander abweichen. Sowohl die Testgruppe als auch die Kontrollgruppe sollen die Gruppe sämtlicher Leiterkarten gleich gut repräsentieren.
[0030] In einem zweiten Schritt 21 wird die Testgruppe Bedingungen unterworfen, die die Bildung leitfähiger Filamente begünstigt. So werden die Leiterkarten der Testgruppe beispielsweise einer relativ hohen Luftfeuchtigkeit und/oder einer hohen Gleichspannungs-Belastung ausgesetzt. Selbstverständlich kann die Testgruppe oder können mehrerer vergleichbare Testgruppen auch ihrer Bestimmung gemäss in Anwendungsumgebungen eingesetzt werden, wobei bei mehreren Testgruppen im weiteren Verlauf des erfindungsgemässen Verfahrens jede der Testgruppen mit der Kontrollgruppe verglichen werden kann.
[0031] Die Kontrollgruppe wird dagegen in Schritt 21 vorzugsweise Bedingungen unterworfen, welche die Bildung leitfähiger Filamente weniger begünstigen, als die Bedingungen, denen die Testgruppe unterworfen wird. So werden die Leiterkarten der Kontrollgruppe beispielsweise in einem trockenen Umfeld bzw. in einer trockenen Umgebung gelagert und/oder bleiben spannungslos, d.h. es wird keine Spannung an die Leiterkarten der Kontrollgruppe angelegt. Vorzugsweise liegt die relative Luftfeuchte in der Umgebung, in der sich die Kontrollgruppe befindet, unterhalb von 30 %.
[0032] In einem nächsten Schritt 22 werden die Teilentladungs-Aussetzspannungen, insbesondere durch Messung wie oben beschrieben, sowohl für die Leiterkarten der Testgruppe als auch für die Leiterkarten der Kontrollgruppe ermittelt. Die Ermittlung der Teilentladungs-Aussetzspannungen kann zu einem bestimmten Zeitpunkt erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung der Teilentladungs-Aussetzspannungen jedoch zu mehreren unterschiedlichen Zeitpunkten, sodass eine grössere Anzahl von Messwerten erhalten wird, was eine genauere Auswertung im nächsten Verfahrensschritt 23 zulässt.
[0033] In dem nächsten Schritt 23 werden die im Schritt 22 ermittelten Teilentladungs-Aussetzspannungen der Testgruppe mit den im Schritt 22 ermittelten Teilentladungs-Aussetzspannungen der Kontrollgruppe verglichen. Die Verringerung der Teilentladungs-Aussetzspannungen innerhalb der Testgruppe gegenüber den Teilentladungs-Aussetzspannungen der Kontrollgruppe ist ein Mass für die Qualität der Isolation in den jeweiligen Leiterkarten der Testgruppe, welches neben anderen Faktoren eine Aussage über die Bildung bzw. das Wachstum leitfähiger Filamente in den Leiterkarten der Testgruppe beinhaltet. Die Bildung bzw. das Wachstum leitfähiger Filamente in den Leiterkarten der Testgruppe wird als umso grösser bzw. ausgeprägter erkannt, je mehr die Teilentladungs-Aussetzspannungen der Testgruppe unterhalb der Teilentladungs-Aussetzspannungen der Kontrollgruppe liegen.
Sind die Teilentladungs-Aussetzspannungen der Testgruppe nicht signifikant gegenüber den Teilentladungs-Aussetzspannungen der Kontrollgruppe abgesunken, so kann daraus gefolgert werden, dass kein relevantes Wachstum bzw. keine relevante Bildung leitfähiger Filamente in den Leiterkarten der Testgruppe vorliegt.
[0034] Die Teilentladungs-Aussetzspannungen der Testgruppe und der Kontrollgruppe können insbesondere dadurch miteinander verglichen werden, dass der Mittelwert der Teilentladungs-Aussetzspannungen der Testgruppe mit dem Mittelwert der Teilentladungs-Aussetzspannungen der Kontrollgruppe verglichen wird, wobei die Bildung leitfähiger Filamente als umso grösser erkannt wird, je mehr der Mittelwert der Teilentladungs-Aussetzspannungen der Testgruppe unterhalb des Mittelwerts der Teilentladungs-Aussetzspannungen der Kontrollgruppe liegt. Hierbei kann für die jeweiligen Zeitpunkte der Ermittlung bzw. Messung der Mittelwert der Teilentladungs-Aussetzspannungen der Testgruppe mit dem Mittelwert der Teilentladungs-Aussetzungen der Kontrollgruppe verglichen werden. Es kann aber auch über sämtliche Zeitpunkte der Ermittlung bzw.
Messung ein Mittelwert für die Testgruppe und ein Mittelwert für die Kontrollgruppe gebildet werden und diese Mittelwerte können dann miteinander verglichen werden.
The invention relates to a method for non-destructive detection of formation of one or more conductive filaments in a printed circuit board according to the preamble of claim 1 and a method for non-destructive detection of formation of one or more conductive filaments in a test group of printed circuit boards according to the preamble of the claim 4th
Printed circuit boards usually consist for the most part of glass fiber reinforced synthetic resins. The glass-fiber-reinforced synthetic resins form a carrier structure onto which planar interconnects are applied. This structure is repeated in several superimposed layers. For connecting interconnects arranged in different layers, contact holes are used which pierce either a part of the layers or the entire printed circuit board.
Within a printed circuit board, it can lead to the growth of conductive filaments (conductive anodic filament, CAF). A conductive filament is typically comprised of deposited metal compounds and its length shortens a remaining distance from a first conductor pattern (e.g., a conductive line, a contact hole) at a first electrical potential to a second, nearest conductor pattern at a second electrical potential.
This is shown schematically in Fig. 1. 1 shows a partial section of a printed circuit board 4 made of glass fiber reinforced synthetic resin 3, which has a first interconnect 2 with contact holes 1 at a first potential and a second interconnect 6 with contact holes 5 at a second potential. Conductive filaments 7 can grow in the direction of the second interconnect 6 or their contact holes 5 or vice versa from the first interconnect 2 and in particular from their contact holes 1. As soon as one of the filaments 7 reaches the second interconnect 6 or one of its contact holes 5, this leads to a strong influence on the insulation between the two conductor structures formed by the interconnects 2, 6 and their contact holes 1, 5, resulting in a functional failure of the printed circuit board 4 May have consequences.
The conductive filaments typically, but not exclusively, propagate along individual glass fibers or fiber bundles (see DJ Lando, JP Mitchell, TL Welsher, "Conductive Anodic Filaments in Reinforced Polymeric Dielectrics: Formation and Prevention", International Reliability Physics Symposium , 1975, pp. 51-63, K. Rogers, C. Hillman, M. Pecht, Conductive Filament Formation Failure in a Printed Circuit Board, Circuit World, Vol. 25, 1999, pp. 6-8, A. Brewin, L. Zou, C. Hunt, "Susceptibility of Glass-Reinforced Epoxy Laminates to Conductive Anodic Filamentation", National Physical Laboratory (NPL) Report MATC (A) 155, Sept. 2004, ISSN 14 732 734).
The phenomenon referred to here as "filament" is distinguished from phenomena occurring purely on the surface of a printed circuit board (B. Rudra, M. Pecht, D. Jennings, "Assessing Time-to-Failure due to Conductive Filament Formation in Multilayer Organic Laminates, IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Techniques - Part B, Vol. 17, No. 3, August 1994, pp. 269-276, A. Brewin, L. Zou, C. Hunt, "Susceptibility of Glass "Reinforced Epoxy Laminates to Conductive Anodic Filamentation", National Physical Laboratory (NPL) Report MATC (A) 155, Sept. 2004, ISSN 14 732 734). In particular, this is not the purely chemical dissolution of metalloid (so-called tarnish creepage) and also not so-called whisker growth, which is primarily caused by mechanical stress.
The growth mechanism of the conductive filaments is understood to be an electrochemical reaction mediated via water fractions in the resin and / or in particular via adsorbed water layers on the surface of the glass fibers (B. Rudra, M. Pecht, D. Jennings , "Assessing Time-to-Failure due to Conductive Filament Formation in Multilayer Organic Laminates", IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Techniques - Part B, Vol. 17, No. 3, August 1994, pp. 269-276). The growth mechanism can be considered as electrolytic corrosion and is therefore favored by high electric field strengths. It is also known that constituents of chemical auxiliaries and functional substances for printed circuit board production may favor the formation of the filaments (W.J. Ready, L.J.
Turbini, "A Combination of Hourly Versus Daily Testing Methods for Evaluating the Reliability of Water Soluble Fluxes", IEEE Trans. On Advanced Packaging, Vol. 2, May 2000, W.J. Ready, L.J. Turbini, S.R. Stock, B.A. Smith, "Conductive Anodic Filament Enhancement in the Presence of a Polyglycol Containing Flux", IEEE Reliability Physics Symosium, 1996, p. 267-273). Different chemical compositions of the resin component of the printed circuit board can also lead to an influence on the growth rate of the filaments.
It is generally believed that the formation of the conductive filaments is essentially a two-step process: in a first phase, the interface between the reinforcing glass fibers of the printed circuit board and the synthetic resin surrounding the glass fibers changes. The change is such that the bond between resin and glass fiber is reduced and water and ionic reactants on the glass fiber surface can accumulate as an aqueous solution. A special case is the presence of hollow glass fibers in the printed circuit board material. Hollow glass fibers have no synthetic resin in their interior. Therefore, the first phase is almost completed from the outset (M. Pecht, C. Hillman, K. Rogers, D.M.
Jennings, "Conductive Filament Formation: A Potential Reliability Issue in Laminated Printed Circuit Cards with Hollow Fibers," IEEE Trans. On Electronics Packaging Manufacturing, Vol. 1, Jan. 1999, pp. 80-84, K. Rogers, C. Hillman, M. Pecht, "Hollow Fibers Can Accelerate Conductive Filament Formation", ASM International Practical Failure Analysis, Vol. 1, Issue 4, August 2001, p. 57-60). In particular, when a contact hole cuts through such hollow glass fiber, the formation of conductive filaments is highly probable.
In a second phase, a transport of metal or metal ions (generally of copper salts, optionally of copper complexes, in copper-containing interconnects or contact holes) takes place between two points of different potential, for example, between two interconnects or their contact, holes. This metal transport causes the formation of the conductive filament. In addition, a gradient of the pH of the aqueous solution attached to the glass fibers acts to mediate the process of metal transport (DJ Lando, JP Mitchell, TL Welsher, "Conductive Anodic Filaments in Reinforced Polymeric Dielectrics: Formation and Prevention", International Reliability Physics Symposium, 1975, pp. 51-63, B. Rudra, D.
Jennings, "Tutorial Failure-Mechanism Models for Conductive-Filament Formation", IEEE Transactions on Reliability, Vol. 3, Sept. 1994, pp. 354-360, A. Brewin, L. Zou, C. Hunt, "Susceptibility of Glass-Reinforced Epoxy Laminates to Conductive Anodic Filamentation", National Physical Laboratory (NPL) Report MATC (A) 155, Sept. 2004, ISSN 14 732 734).
Although methods are known for the detection of conductive filaments in printed circuit boards. However, the known methods are not destructive at a reasonable cost, i. an at least local destruction of the circuit board is the result.
According to a known method, the event can be detected that a conductive filament is separated from a conductor structure, e.g. a conductive line has grown at a first electrical potential to another conductor structure at a second electrical potential. This event manifests itself in a significant decrease in the insulation resistance between the two conductor structures, which generally leads to an at least temporary disruption of the function of the printed circuit board. The insulation resistance can be measured. However, measurements of the insulation resistance prior to this event do not provide any reliable indication of the state of filament growth in the printed circuit board (A. Brewin, L. Zou, C.
Hunt, "Susceptibility of Glass-Reinforced Epoxy Laminates to Conductive Anodic Filamentation", National Physical Laboratory (NPL) Report MATC (A) 155, Sept. 2004, ISSN 14 732 734).
According to another known method, a printed circuit board can be examined in a suitable manner for the presence of metal compounds outside the conductor structures. For this purpose, a mechanical cross section of the point to be examined is taken from the printed circuit board or a layered removal of the printed circuit board material takes place. An at least local destruction of the circuit board is the result.
Furthermore, special imaging techniques, such as infrared microscopy or transmission microscopy, allow analysis of a printed circuit board for the presence of conductive filaments. However, with the application of these known imaging methods usually a high expenditure on equipment or a special preparation of the circuit board to be examined is connected.
In the analysis technique of high-voltage systems, an analysis method according to the judgment of partial discharge behavior is common (JP7005223A, D. König, Y. Narayana Rao (editors), "Partial Discharge in Electrical Power Apparatus", VDE-Verlag, ISBN 3- 8007-1760-3, 1993). The known method of analysis is based on the following principle: local inhomogeneities (so-called partial discharges), which are caused by ionization of the surrounding medium, already occur below a breakdown voltage of the overall system due to inhomogeneities of an electric field present in the overall system. These local (internal) discharges can be detected by means of a suitable measuring arrangement.
For the detection of local discharges usually the measurement of a charge change due to the supply of a test voltage, acoustic monitoring, the detection of emitted electromagnetic spectra incl. The visible and the UV light range and other methods are used. The data measured in this case are compared with a predefined threshold value (error threshold). If the predefined threshold is exceeded, the overall system is faulty, i. there are unwanted local discharges. If the predefined threshold value was exceeded, the entire system did not pass the partial discharge test (DIN VDE 0110 "Insulation coordination for electrical equipment in low-voltage systems", 1990).
The test voltage is typically in a certain connection with the operating or threshold voltage provided for the entire system. Typically, the test voltage is a multiple of the operating voltage of the entire system.
It is an object of the present invention to provide a method for non-destructive detection of formation of one or more conductive filaments in a printed circuit board. It is another object of the present invention to provide a method for non-destructive detection of formation of one or more conductive filaments in a test set of printed circuit boards. A printed circuit board can also be referred to as a printed circuit board or circuit board. A conductive filament is also referred to as conductive anodic filament (CAF).
The object is achieved by a method for non-destructive detection of formation of one or more conductive filaments in a printed circuit board having the features of claim 1 and by a method for non-destructive detection of formation of one or more conductive filaments in a test group of printed circuit boards the features of claim 4 solved.
The inventive method for non-destructive detection of formation of one or more conductive filaments in a printed circuit board is characterized by the fact that a partial discharge Aussetzspannung is determined and that the determined Teilentladungs-Aussetzspannung is compared with a threshold value, wherein the formation of a or more conductive filaments in the printed circuit board is detected when the partial discharge intermittent voltage is below the threshold value. The threshold value preferably corresponds to the partial discharge exposure voltage of a comparison printed circuit board, which is substantially free of conductive filaments, for example a production fresh or virgin printed circuit board.
Particularly preferably, the threshold value corresponds to the mean value of the partial discharge exposure voltages of a plurality of comparison conductor cards, which are substantially free of conductive filaments.
In operation of a printed circuit board is formed in the interior of the printed circuit board, an electric field in particular between conductor structures of different electrical potential, which are separated by an insulation, namely the fiber-reinforced resin. For the sake of simplicity, it is assumed that an electric field, which may comprise a plurality of electric fields in the interior of the printed circuit board. As a result of the growth of conductive filaments inside the circuit board, this electric field changes. The filaments are conductive structures which may have a large curvature, in particular peaks, at their edge regions and carry the electrical potential of the conductor structure (for example a conductive track) from which they originate.
The presence of such filaments in the printed circuit board causes strong inhomogeneities of the electric field present in the printed circuit board. Furthermore, a filament shortens the isolation distance to adjacent conductor structures at a different electrical potential. This increases the electric field strength per unit of applied voltage in the vicinity of the filament. This in turn promotes the formation of partial discharges, so that the partial discharge intermittent voltage tends to decrease. That is, the partial discharge intermittent voltage is higher when there are no conductive filaments in the circuit board than when conductive filaments are present in the circuit board. In contrast, the larger the growth or the formation of conductive filaments in the printed circuit board, the more the partial discharge voltage drops.
Partial discharges are local electrical discharges in the insulating material. The partial discharge suspend voltage is defined as the lowest voltage applied to the printed circuit board at which partial discharges can still be observed inside the printed circuit board. The partial discharge exposure voltage can be determined, in particular, by applying a test voltage to inputs of a printed circuit board, wherein the test voltage should lie above an operating voltage of the printed circuit board in terms of value. Then the test voltage is lowered and a dropping at outputs of the printed circuit card voltage is evaluated for the occurrence of partial discharges. Typically, the presence of partial discharges can be inferred if the measuring voltage comprises pulses or pulse packets, assuming a sinusoidal or cosinusoidal test voltage.
To differentiate a change in the partial discharge suspend voltage from causes other than the formation of conductive filaments, the behavior of a test group of printed circuit boards can be compared with the behavior of a control group of printed circuit boards. The control group can also be referred to as a comparison group.
The inventive method for non-destructive detection of formation of one or more conductive filaments in a test group of printed circuit boards is characterized in that a group of printed circuit boards is divided into a test group and a control group, partial discharge Aussetzspannungen for the printed circuit boards of the test group and the control group are determined and the determined partial discharge Aussetzspannungen the test group are compared with the determined partial discharge Aussetzspannungen the control group, the formation of conductive filaments in the circuit boards of the test group is recognized as the greater the more the partial discharge Aussetzspannungen the test group below the Partial discharge exposure voltages of the control group are.
By comparing the partial discharge Aussetzspannungen of test group and control group thus a statement about the presence of conductive filaments in the circuit boards of the test group can be obtained.
Preferably, before the determination of the partial discharge exposure voltages, the test group is subjected to conditions which favor the formation of conductive filaments, while the control group is subjected to conditions which do not promote the formation of conductive filaments in the bulk or favor less than the conditions, to which the test group is subjected.
The inventive method can be used to secure the quality of printed circuit boards. They are advantageously applicable after the complete production or processing of printed circuit boards. Furthermore, the methods according to the invention result in neither complete nor partial inability of the printed circuit boards. The inventive method can non-destructive, so without local destruction of printed circuit boards, be applied to printed circuit boards. Furthermore, the processes according to the invention do not require microscopic chemical or physical analyzes, so that they require little effort. It is also advantageously no preparation of certain cross-sections of a circuit board to be examined or a material removal from the circuit board required.
Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims and the embodiments illustrated below with reference to the drawings. Show it:
<Tb> FIG. 1 <sep> is a schematic representation of a partial section of a printed circuit board with conductive filaments,
<Tb> FIG. 2 <sep> is a flow chart representation of the inventive method for non-destructive detection of formation of one or more conductive filaments in a printed circuit board and
<Tb> FIG. 3 is a flowchart illustration of the inventive method for nondestructive detection of formation of one or more conductive filaments in a test set of printed circuit boards.
In the figures, like reference numerals designate structurally or functionally the same or equivalent components. Fig. 1 is already described in the introduction and reference is made to the local text passages.
Fig. 2 shows a flow chart representation of the inventive method for nondestructive detection of formation of one or more conductive filaments in a printed circuit board. In a first step 10, a partial discharge intermittent voltage is determined in a printed circuit board. The partial discharge intermittent voltage can be determined, for example, by applying to the printed circuit board a test voltage which is a multiple of the operating voltage of the printed circuit board, and by lowering this test voltage and measuring a measuring voltage drop across the printed circuit board and measuring this voltage on the occurrence of partial discharge characteristics is evaluated. Such partial discharge characteristics are in particular pulse packets. The test voltage at which just partial discharges or
Partial discharge characteristics can be observed in the measurement voltage, then corresponds to the partial discharge Aussetzspannung.
In a second step 11, the determined partial discharge exposure voltage is compared with a threshold value, and when the threshold value is exceeded, it can be assumed that there is no significant growth of conductive filaments or that substantially no conductive filaments are present in the printed circuit board , On the other hand, when the threshold value is undershot, the formation of conductive filaments in the printed circuit board can be concluded.
The threshold value is given in particular by the partial discharge exposure voltage of a comparison printed circuit board, which can be assumed to have essentially no conductive filaments. The comparison card may be, for example, a production-fresh or brand-new printed circuit board. The threshold value may also be given by the mean value of the partial discharge intermittent voltages of several such comparator cards.
Fig. 3 shows a flow chart representation of the inventive method for non-destructive detection of formation of one or more conductive filaments in a test group of printed circuit boards. In a first step 20, a group of circuit boards is divided into a test group and a control group, wherein the circuit boards are preferably printed circuit boards, which are substantially free of conductive filaments, for example, production fresh or brand new printed circuit boards.
For the division of the printed circuit boards, the partial discharge exposure voltages of all printed circuit boards, in particular as described above, are preferably determined and the printed circuit boards are then divided such that the deviations are preferred with regard to mean and / or variance or relative spread of the partial discharge intermittent voltages between the test group and the control group will be minimal. The printed circuit boards are thus in particular divided so that the parameters of the test group and the control group differ as little as possible from one another. Both the test group and the control group should equally well represent the group of all printed circuit boards.
In a second step 21, the test group is subjected to conditions that favors the formation of conductive filaments. Thus, the printed circuit boards of the test group, for example, a relatively high humidity and / or a high DC voltage exposure. It goes without saying that the test group or several comparable test groups can also be used in their intended use in application environments, it being possible to compare each of the test groups with the control group in the further course of the process according to the invention in the case of several test groups.
On the other hand, the control group is preferably subjected to conditions in step 21 which promote the formation of conductive filaments less than the conditions to which the test group is subjected. For example, the printed circuit boards of the control group are stored in a dry environment or in a dry environment and / or remain de-energized, i. no voltage is applied to the printed circuit boards of the control group. Preferably, the relative humidity in the environment in which the control group is located is below 30%.
In a next step 22, the partial discharge Aussetzspannungen, in particular by measurement as described above, determined both for the circuit boards of the test group and for the printed circuit boards of the control group. The determination of the partial discharge Aussetzspannungen can be done at a given time. However, the determination of the partial discharge exposure voltages is preferably carried out at a plurality of different points in time, so that a larger number of measured values is obtained, which allows a more accurate evaluation in the next method step 23.
In the next step 23, the partial discharge intermittent voltages of the test group determined in step 22 are compared with the partial discharge intermittent voltages of the control group determined in step 22. The reduction of the partial discharge susceptible voltages within the test group against the partial discharge susceptible voltages of the control group is a measure of the quality of the insulation in the respective circuit boards of the test group, which among other factors is indicative of the formation or growth of conductive filaments in the circuit boards of the Test group includes. The formation or growth of conductive filaments in the printed circuit boards of the test group is recognized to be greater or more pronounced the more the partial discharge exposure voltages of the test group are below the partial discharge exposure voltages of the control group.
If the partial discharge exposure voltages of the test group have not dropped significantly compared to the partial discharge exposure voltages of the control group, it can be concluded that there is no relevant growth or no relevant formation of conductive filaments in the circuit boards of the test group.
In particular, the partial discharge exposure voltages of the test group and the control group can be compared with each other by comparing the average of the partial discharge exposure voltages of the test group with the average of the partial discharge exposure voltages of the control group, whereby the formation of conductive filaments is recognized to be even greater the more the average of the partial discharge intermittent voltages of the test group is below the mean of the partial discharge intermittent voltages of the control group. In this case, the mean value of the partial discharge exposure voltages of the test group can be compared with the mean value of the partial discharge exposures of the control group for the respective points in time of the determination or measurement. However, it can also be used for all times of the determination or
Measurement can be formed an average for the test group and an average for the control group and these averages can then be compared.