Study of interactions between a surface protection polymer and materials used in Bosch Car Multimedia products

Abstract

In the automotive sector, the progressive evolution of technology leads to cars with more and complex electronics. Therefore, it is required to develop electronic systems reliable and safe for the customer. For these reasons, electronic circuits may be protected from the environment, specifically from humidity, to avoid failure. A common solution used to increase printed circuit board assemblies (PCBAs) reliability to humidity is the application of a surface protection polymer known as conformal coating. This dissertation main goal is to assess the materials interactions between a conformal coating, two different solder pastes and underfill, under humidity conditions. By the analysis of the results, it was possible to assess if the tested materials are compatibles and can be used together in a product. Considering the materials used, the influence of two thermal profiles (Low and Mid) was studied regarding both solder pastes, concluding that both provided equal behaviour to the PCBAs. Furthermore, the selected coating was thermally characterized by thermal analysis methods. It was possible to acknowledge that the solvent evaporation process occurs bellow room temperature and it continues until 120-150ºC where all organic solvents present volatilized experiencing a weight loss of approximately 70%. The remaining weight corresponds to the polyacrylate that starts to decompose above 260°C until 420°C and a weight loss of 100% is reached. Furthermore, all materials in study were thermally analysed under process conditions to characterize their main heat transitions and weight losses. The material interactions were evaluated by simultaneous thermal analysis (STA) by replicating production conditions. To have an in-deep overview of the interface, sectional cuts were performed on the crucibles that contained the material combinations studied in STA. It was possible to conclude that the materials are compatible since no adverse reactions were observed. In addition, material interactions and reliability against humidity were evaluated by characterization of the modified IPC-B-52 test vehicle concerning electrochemical migration (ECM) as the main failure mode related to humidity. It was possible to conclude that the material systems under study were compatible and robust against humidity since surface insulations resistance (SIR) failure was only caused by FODs (foreign object debris). Ion chromatography (IC) test results shown that all PCBAs were up to standard Bosch limits, however the reference samples showed high values of weak organic acids (WOA). Resistivity of solvent extraction (ROSE) test was used as a tool for process control only defining the qualitative value of ionic contamination for a specific system and conditions.

No setor automóvel, tem-se verificado uma evolução progressiva da tecnologia levando à produção de automóveis com maior complexidade eletrónica. Sendo assim, é necessário desenvolver sistemas eletrónicos confiáveis e seguros para o cliente. Por esta razão os dispositivos eletrónicos precisam de ser protegidos das condições ambientais em especial de ambientes húmidos de modo a evitar a falha. Uma solução atualmente utilizada para aumentar a fiabilidade das montagens de placas de circuito impresso (PCBA) e a sua robustez à humidade é a aplicação de um polímero protetor da superfície conhecido como Conformal Coating. O principal objetivo desta dissertação é avaliar as interações entre o Conformal Coating, duas pastas de solda diferentes e Underfill, perante condições de humidade. Através dos resultados obtidos foi possível avaliar se os materiais testados eram compatíveis e se podiam ser usados em conjunto em produtos. Considerando os materiais utilizados, foi estudada a influência de dois perfis de reflow (Low e Mid) para duas pastas de solda, concluindo que ambos os perfis proporcionaram comportamento semelhantes aos PCBAs. Além disso, o revestimento selecionado foi caracterizado termicamente através de métodos de análise térmica. Foi possível constatar que o processo de evaporação de solvente ocorre abaixo da temperatura ambiente e continua até 120-150ºC onde todo o solvente orgânico volatiza havendo uma perda de massa de 70%. Os restantes 30% correspondem ao poliacrilato que começa a degradar acima de 260°C até 420°C onde atinge uma perda de massa de 100%. Além disso, os materiais em estudo foram analisados termicamente em condições de processo para caracterizar as suas principais transições de calor e perdas de massa. As interações entre materiais foram estudadas através da análise térmica simultânea (STA) replicando as condições de processamento. De modo a verificar as interações na interface foram realizados cortes seccionais nos cadinhos que continham as combinações de materiais estudados no STA. Foi possível concluir que os materiais são compatíveis, uma vez que não foram observadas reações adversas. Além disso, as interações e a fiabilidade dos materiais foram avaliadas pela caracterização do veículo de teste IPC-B-52 considerando a migração eletroquímica (ECM) como o principal modo de falha em condições de humidade. Foi possível concluir que os sistemas de materiais em estudo eram compatíveis e robustos à humidade, uma vez que a falha da resistência do isolamento da superfície (SIR) foi causada apenas por FODs (detritos de objetos estranhos). Os resultados do teste de cromatografia iónica (IC) mostraram que todos os PCBAs estavam dentro dos limites da Bosch, no entanto, as amostras de referência tinham valores elevados de ácidos orgânicos fracos (WOA). O teste de resistividade de extração do solvente (ROSE) foi usado como uma ferramenta para controlo do processo, definindo apenas o valor qualitativo da contaminação iónica para um sistema em condições específicas.