Оценка качества паяных соединений электронных узлов
Автор: Иванов Андрей Васильевич, Пиганов Михаил Николаевич
Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc
Рубрика: Информатика, вычислительная техника и управление
Статья в выпуске: 4-7 т.18, 2016 года.
Бесплатный доступ
Описаны отказы паяных соединений поверхностного монтажа на многослойных печатных платах. Рассмотрены вопросы усталостной прочности паяных соединений электронных узлов. Проведён анализ моделей качества и надёжности Энгельмайера и математических выражений Уайльда, описывающих усталостные деформации в припоях. Предположена и решена тестовая задача для оценки адекватности моделей надёжности. Получены сравнительные данные результатов расчёта надёжности по программе «Solder-1» с параметрами тестовой задачи.
Электронный узел, паяное соединение, припой, качество, надёжность, усталостная прочность, модели надежности, программа расчета, сравнительная оценка
Короткий адрес: https://sciup.org/148204863
IDR: 148204863
Текст научной статьи Оценка качества паяных соединений электронных узлов
В последние годы увеличилось число аварий из-за отказов бортовых радиотехнических и электронных устройств. Отказы изделий космической промышленности приводят к большим финансовым потерям ввиду невозможности или дороговизны выявления и ремонта отказа, произошедшего на объекте, находящемся в космосе, и даже к смертельным исходам [1].Одной из причин этого является слабая изученность вопросов надежности импортной элементной базы, паяных соединений в условиях комбинированной и смешанной пайки, низкая информативность испытаний, отсутствие необходимого опыта проектирования и производства изделий с такими конструктивно-технологическими вариантами [2].
В современных конструкциях радиотехнических устройств монтаж компонентов производится на многослойные печатные платы с высокой плотностью межсоединений. Технология межсоединений меняется быстрыми темпами. Используются компоненты с разным составом покрытий. Монтаж производится как свинецсодержащими так и бессвинцовыми припоями.
Пайка представляет собой соединение монтажного проводника или вывода электрорадиоизделия (ЭРИ) с контактным элементом (контактной площадкой) расплавленным сплавом (припоем), который, затвердевая, образует паяное соединение. В процессе пайки происходят взаимное растворение и диффузия основного металла и припоя. Структура паяного соединения включает следующие основные элементы: зону
сплавления, диффузионные зоны, прикристал-лизованные слои и основной металл [3].
В настоящее время надежность паяного соединения представляет особую актуальность. Установлено, что надежность паяных соединений поверхностного монтажа определяется областью отказов типа «износ» [4]. Надежность паяного соединения – это способность функционировать в заданных условиях в течение определенного периода времени без превышения заданного уровня интенсивности отказов. Она определяется в первую очередь прочностью паяного соединения.
При механических нагружениях паяное соединение испытывает два вида напряжений: нормальное и касательное. Соответственно существуют два типа разрушения: путем отрыва от действия максимальных нормальных напряжений и путем среза от максимальных касательных напряжений. Различают и две характеристики прочности: сопротивление отрыву и сопротивление срезу. Установлено, что для припоя сопротивление отрыву выше его сопротивления срезу, а сопротивление срезу ниже предела текучести [5]. Прочность паяного соединения зависит от дефектов в его структуре: «холодная пайка»; отсутствие смачивания; эрозия основного металла; газовые и усадочные поры; флюсовые, шлаковые и интерметаллические включения; кристаллизационные, релаксационные и термические трещины; и др. [6].
В связи с этим возникает задача изучения усталостной прочности и оценки надежности паяных соединений на основе различных припоев.
АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ
Усталость припоя – изменение состояния припоя в результате многократного (циклического) деформирования, приводящее его к прогрессирующему разрушению. Если проанализи- ровать процесс разрушения пайки от действия переменных напряжений, то можно выделить две его фазы: образование микротрещины, а затем ее дальнейшее развитие до полного разрушения пайки. Протекание первой фазы связано со структурными особенностями материала, состоянием поверхности и амплитудой цикла. Во второй фазе сохраняют влияние структурные особенности и амплитуда цикла, но вступают в силу новые факторы, такие как размеры и форма пайки и законы распределения напряжений по ее объему.
Первые модели усталостной прочности паяных соединений на основе эвтектических оловянносвинцовых припоев были разработаны Вернером Энгельмайером [7]. Общую модель можно представить следующим образом:
1 2е ‘ т
" / < 50% ) = 2- [ 4T ? J • (1)
где m – усталостный коэффициент;
б ' f - коэффициент пластического усталостного разрушения, равен 0,325 для почти эвтектических оловянных припоев;
Δ D – размах циклической нагрузки;
N f (50%) - среднее значение циклов работы до отказа.
Показатель m определяется из выражения: £ = 0,042 + 6 • 10-4 • T J - 1,74 • 10-2 • Zn (1 + 3^), (2)
где TS J – средний температурный размах термоциклов;
tD – время полуцикла в минутах.
Выражения 1 и 2 основаны на классических результатах исследований Роджера Уайльда (IBM) [8], который использовал изотермические циклы при разных температурах и видах циклов для определения температурной и временной зависимости усталостных деформаций.
Размах циклической нагрузки припоя для безвыводных компонентов Энгельмайер предложил определять по формуле:
AD =
гF•DNP•ACTE•AT
I h .
где F – технический параметр, для компонентов с галтелью ~1,2 ... 0,7, для компонентов без галтели ~1,5 ... 1,0;
DNP – расстояние до нейтральной точки/ плоскости;
ΔCTE – разность коэффициентов ТКЛР;
ΔT – отклонение температуры в течение цикла;
h – высота паяного соединения, а для компонентов с выводами по следующей формуле:
AD = ^
"F • К • (DNP • ACTE • AT)2 (133psi) • A • h
I-
где F – технический параметр, ~1,0;
K – диагональная жесткость вывода на изгиб;
A – эффективная площадь паяного соединения;
h – высота паяного соединения, поскольку она может быть разной, принято считать h=1/2 толщины трафарета;
133psi – 919 кПа.
В работе [9] была предложена формула для определения среднего температурного размаха термоциклов:
tsj = 4^(TC + TC0+TS + TS0^,
где TC , TS – максимальные за цикл температуры компонента и подложки соответственно;
TC,0 , TS,0 – минимальные за цикл температуры компонента и подложки соответственно.
А величину Δ Tе предложено определять следующим образом:
CTEc • (Tc - TCi0) - CTES • (Ts - TSi0
ATe = [•
CTEC - CTES
Она заменяет ΔT для активных компонентов, которые рассеивают мощность из-за разности температур нагретых компонентов и подложки.
В 2008 году впервые была опубликована модель усталостной надёжности для бессвинцовых припоев SAC 405/305 [10]. Затем она была уточнена в [11]. Усталостный показатель текучести было предложено определять по формуле:
l = Co + Ci-TsJ+C2-ln(1+^^),
\ Q где C0 – характеризует связь между усталостным процессом и количеством циклов до отказа;
C1 – поправочный коэффициент, отражающий зависимость температуры от текучести;
C2 – поправочный коэффициент, отражающий зависимость времени от процесса растекания припоя;
t0 – время завершения процесса растекания при температуре около 50 ºС; чем короче время t 0 , тем более незавершенным считается процесс растекания.
Автором [12] эти модели модернизированы. Им скорректированы весовые коэффициенты температуры и времени пайки, вида припоя и оценки циклического повреждения, позволяющие рассчитывать надёжность смешанных паяных соединений для штыревого и поверхностного вариантов как при ручном, так и автоматизированном монтаже.
Однако проведённые нами исследования показали, что экспериментальные результаты оценки надёжности паяных соединений во многих случаях не совпадают с расчётными показателями, полученными по модернизированной модели. В связи с этим возникла необходимость дополнительной оценки исходных моделей усталостной прочности. Для этого была разрабо- тана программа расчёта усталостной прочности «Solder- 1». Для оценки качества программы была решена тестовая задача.
Исходные данные были взяты из [7].
ОПИСАНИЕ ТЕСТОВОЙ ЗАДАЧИ
Целью данной задачи является расчет усталостной надежности пайки для электронной системы с проектным сроком службы 10 лет с одним циклом включения/выключения в день, работающей в условиях, при которых кондиционирование воздуха может не функционировать два раза в год из-за поломок или текущего ремонта. Таким образом, мы получим 3 630 циклов нормальной работы и 20 циклов работы без кондиционирования воздуха. Допустимая вероятность отказа в конце 10-ти летнего срока составляет 0,5 %. Система состоит из пяти 68 выводных микросхем в корпусах PLCC (68 I/O PLLC), четырех 596 выводных микросхем в пластиковых корпусах BGA (596 I/O BGA), тридцати бескорпусных резисторов 1206 (1206 RC), трех бескорпусных конденсаторов 1825 (1825 СС), одного радиочастотного усилителя мощности (RF усилитель) на 10 Вт и одного
144-выводного монтируемого на поверхность разъёма (Разъем). Все элементы смонтированы на поверхности печатной платы FR-4 (ПП).
Эта система иллюстрирует разнообразие (используемых на практике) компонентов. В табл. 1 представлены физические параметры компонентов системы. Необходимо помнить, что для некоторых компонентов получить эти параметры весьма непросто. Технические данные не всегда предоставляют полную информацию, или могут содержать ошибки, а коэффициент теплового расширения (CTE) часто необходимо измерять.
В табл. 2 представлены температурные параметры компонентов системы. Для получения этих параметров с требуемой точностью необходимо провести температурный анализ системы.
В данной задаче используется оловянно-свинцовый припой, параметры модели которого представлены в табл. 3. Параметры режимов испытания приведены в табл. 4.
РЕЗУЛЬТАТЫ РЕШЕНИЯ ТЕСТОВОЙ ЗАДАЧИ
Результаты решения тестовой задачи приведены в табл. 5-10. В них приведены эталонные
Таблица 1. Физические параметры компонентов системы
|
i |
Компонент |
n |
DNP (мм) |
h (мм) |
L (мм) |
K (Н/мм) |
A (мм2) |
СTE (ppm/оС) |
|
1 |
68 I/O PLLC |
5 |
17,1 |
0,076 |
1,52 |
11,7 |
0,39 |
17 |
|
2 |
596 I/O BGA |
4 |
15,9 |
0,572 |
0,001 |
- |
- |
11,4 |
|
3 |
1206 RC |
30 |
1,3 |
0,076 |
0,002 |
- |
- |
9,5 |
|
4 |
1825 CC |
3 |
1,78 |
0,076 |
0,635 |
- |
- |
11,5 |
|
5 |
RF усилитель |
1 |
18,0 |
0,076 |
7,81 |
36 |
30 |
7,8 |
|
6 |
Разъем |
1 |
30,3 |
0,127 |
0,762 |
16,3 |
0,116 |
12,9 |
|
ПП |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
16 |
Таблица 2. Температурные параметры компонентов системы
|
j |
i |
Компонент |
T S0 (оС) |
T S (оС) |
T c0 (оС) |
T c (оС) |
|
1 |
1 |
68 I/O PLLC |
21 |
58 |
21 |
64 |
|
2 |
596 I/O BGA |
21 |
58 |
21 |
64 |
|
|
3 |
1206 RC |
21 |
55 |
21 |
55 |
|
|
4 |
1825 CC |
21 |
55 |
21 |
55 |
|
|
5 |
RF усилитель |
21 |
63 |
21 |
75 |
|
|
6 |
Разъем |
21 |
55 |
21 |
55 |
|
|
2 |
1 |
68 I/O PLLC |
21 |
73 |
21 |
79 |
|
2 |
596 I/O BGA |
21 |
73 |
21 |
79 |
|
|
3 |
1206 RC |
21 |
70 |
21 |
70 |
|
|
4 |
1825 CC |
21 |
70 |
21 |
70 |
|
|
5 |
RF усилитель |
21 |
78 |
21 |
90 |
|
|
6 |
Разъем |
21 |
70 |
21 |
70 |
Таблица 3. Параметры модели оловянно-свинцового припоя
|
Припой |
ε ' f |
с 0 |
с 1 |
с 2 |
t 0 |
СTE (ppm/оС) |
|
SnPb |
0,325 |
0,442 |
6,00e-04 |
-1,74e-02 |
360 |
25.5 |
Таблица 4. Параметры режимов
|
j |
Количество циклов |
Длительность цикла (мин.) |
Описание |
|
1 |
3 630 |
480 |
Штатный режим |
|
2 |
20 |
480 |
Аварийный режим |
Таблица 5. Эталонные значения параметров общего рассогласования
|
j |
i |
Компонент |
dD |
N(50%) |
N(0,5%) |
N/N(x%) |
|
1 |
1 |
68 I/O PLLC |
0,0024 |
114000 |
22100 |
0,1647 |
|
2 |
596 I/O BGA |
0,0059 |
15300 |
2960 |
1,2264 |
|
|
3 |
1206 RC |
0 |
1,00E+11 |
2,00E+10 |
0 |
|
|
4 |
1825 CC |
0,0025 |
108000 |
20900 |
0,1738 |
|
|
5 |
RF усилитель |
0,0003 |
7,00E+06 |
1,00E+06 |
0,0027 |
|
|
6 |
Разъем |
0,0118 |
3490 |
675 |
5,3786 |
|
|
2 |
1 |
68 I/O PLLC |
0,0029 |
6,48E+04 |
1,25E+04 |
0,0815 |
|
2 |
596 I/O BGA |
0,0093 |
5230 |
1010 |
0,012 |
|
|
3 |
1206 RC |
0 |
5,00E+10 |
1,00E+10 |
0 |
|
|
4 |
1825 CC |
0,0036 |
43000 |
8320 |
0,0024 |
|
|
5 |
RF усилитель |
0 |
1,00E+06 |
1,93E+05 |
0,0001 |
|
|
6 |
Разъем |
0,0246 |
646 |
125 |
0,1601 |
Таблица 6. Расчетные значения параметров общего рассогласования
Таблица 7. Эталонные значения параметров местного рассогласования
|
j |
i |
Компонент |
dD |
N(50%) |
N(0,5%) |
N/N(x%) |
|
1 |
1 |
68 I/O PLLC |
0,0032 |
58700 |
11400 |
0,3198 |
|
2 |
596 I/O BGA |
0 |
2,00E+11 |
4,00E+10 |
0 |
|
|
3 |
1206 RC |
0 |
4,00E+10 |
8,00E+09 |
0,00E+00 |
|
|
4 |
1825 CC |
0,0266 |
584 |
113 |
32,1427 |
|
|
5 |
RF усилитель |
0,0809 |
48 |
9 |
391,07 |
|
|
6 |
Разъем |
0,0015 |
319000 |
61700 |
0,0588 |
|
|
2 |
1 |
68 I/O PLLC |
0,0044 |
27300 |
5280 |
0,0038 |
|
2 |
596 I/O BGA |
0 |
8,00E+10 |
2,00E+10 |
0 |
|
|
3 |
1206 RC |
0 |
1,00E+10 |
2,00E+09 |
0,00E+00 |
|
|
4 |
1825 CC |
0,0383 |
245 |
47 |
0,4221 |
|
|
5 |
RF усилитель |
0,1034 |
27 |
5 |
3,8305 |
|
|
6 |
Разъем |
0,0022 |
126000 |
24400 |
0,0008 |
Таблица 8. Расчетные значения параметров местного рассогласования
|
j |
i |
Компонент |
dD |
N(50%) |
N(0,5%) |
N/N(x%) |
|
1 |
1 |
68 I/O PLLC |
0,003195 |
58468 |
11451 |
0,318697 |
|
2 |
596 I/O BGA |
0 |
1,99E+11 |
4,02E+10 |
0 |
|
|
3 |
1206 RC |
0 |
4,00E+10 |
8,03E+9 |
0 |
|
|
4 |
1825 CC |
0,026616 |
585 |
113 |
32,11056 |
|
|
5 |
RF усилитель |
0,080641 |
48 |
8 |
389,9163 |
|
|
6 |
Разъем |
0,001496 |
320499 |
61703 |
0,058947 |
|
|
2 |
1 |
68 I/O PLLC |
0,004412 |
27311 |
5259 |
0,003807 |
|
2 |
596 I/O BGA |
0 |
7,98E+10 |
2,01E+10 |
0 |
|
|
3 |
1206 RC |
0 |
9,98E+9 |
1,99E+9 |
0 |
|
|
4 |
1825 CC |
0,038363 |
245 |
47 |
0,42286 |
|
|
5 |
RF усилитель |
0,103162 |
27 |
5 |
3,846588 |
|
|
6 |
Разъем |
0,0022 |
125760 |
24436 |
0,000801 |
Таблица 9. Вероятность отказа системы (эталонные значения)
|
i |
Компонент |
P отк общ (%) |
P отк мест (%) |
P отк сумм (%) |
|
1 |
68 I/O PLLC |
0,36 |
1,35 |
1,71 |
|
2 |
596 I/O BGA |
0,93 |
0 |
0,93 |
|
3 |
1206 RC |
0 |
0 |
0 |
|
4 |
1825 CC |
0 |
100 |
100 |
|
5 |
RF усилитель |
0 |
100 |
100 |
|
6 |
Разъем |
55 |
0,01 |
55,01 |
|
Система |
56,29 |
100 |
100 |
|
Таблица 10. Вероятность отказа системы (расчетные значения)
|
i |
Компонент |
P отк общ (%) |
P отк мест (%) |
P отк сумм (%) |
|
1 |
68 I/O PLLC |
0,361584 |
1,354455 |
1,716039 |
|
2 |
596 I/O BGA |
0,932 |
0 |
0,932 |
|
3 |
1206 RC |
0 |
0 |
0 |
|
4 |
1825 CC |
0 |
100 |
100 |
|
5 |
RF усилитель |
0 |
100 |
100 |
|
6 |
Разъем |
55,2585 |
0,01 |
55,2685 |
|
Система |
56,55208 |
100 |
100 |
|
UALITY CONTROL OF SOLDER CONNECTIONS OF ELECTRONIC ASSEMBLIES
тестовой задачи подтвердило эффективность программы расчета показателей надежности системы компонент-припой-печатная плата.
Список литературы Оценка качества паяных соединений электронных узлов
- Наседкин А.В., Тюлевин С.В., Пиганов М.Н. Методика производственных испытаний электронных узлов//Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2012. № 7. С.76-84.
- Наседкин А.В. Методика и средства испытаний паяных соединений поверхностно-монтируемых радиоэлектронных средств космических аппаратов в условиях комбинированной пайки. Дис. … канд. техн. наук. Самара: СГАУ. 2015. 178 с.
- Юрков Н.К. Технология радиоэлектронных средств. Пенза: Изд-во ПГУ. 2012. 640 с.
- Руководящие указания по ускоренным методам испытаний на надёжность паяных соединений технологии поверхностного монтажа: IPC-SM-785, -Association Connecting Electronics Industries. 1992. 44 с.
- Парфенов А.Н. Введение в теорию прочности паяных соединений//Технологии в электронной промышленности. 2008. №2. С.46-52.
- Кузнецов О.А., Погалов А.И. Прочность паяных соединений. М.: Машиностроение, 1987. 112 с.
- Engelmaier W. How to Estimate Solder Joint Reliability, Part 1//Global SMT & Packaging. September 2007. Vol. 7. No. 9. pp. 60-64.
- Wild R.N. Some Fatigue Properties of Solders and Solder Joints//IBM Tech. Rep. 73Z000421. January 1973.
- Engelmaier W. How to Estimate Solder Joint Reliability, Part 2//Global SMT & Packaging. October 2007. Vol. 7. No. 10. pp. 64-66.
- Engelmaier W. Creep-Fatigue Model for SAC 405/305 Solder Joint Relibility Estimation -A Proposal//Global SMT & Packaging. December 2008. Vol. 8. No. 12. pp. 46-48.
- Engelmaier W. Model for Solder Joint Reliability Estimation -A Proposal//Global SMT & Packaging. September 2009. Vol. 9. No 9.
- Павлов Н.И. Исследование ресурса прочности паяных соединений электронных модулей, выполненных по совмещённой технологии (оловянно-свинцовой и бессвинцовой). Автореф. дис. … канд техн. наук. М.: МАИ. 2012. 16 с.
