Оценка качества паяных соединений электронных узлов

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   |   УДК: 629.78+621.382.049.77

Quality control of solder connections of electronic assemblies

Failures of solder connections of surface mounting on multilayer printed circuit board were described. The questions of fatigue strength of solder connections were considered. engelmeyer’s models of quality and reliability and wilde’s mathematical models were analyzed. The test task of assessment of the adequacy of reliability model was offered and solved. The comparative data of reliability calculation results on program «Solder-1» with the parameters of the test task was received.

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

j i Компонент dD N(50%) N(0,5%) N/N(x%) 1 1 68 I/O PLLC 0,0024 114364 22045 0,164198 2 596 I/O BGA 0,005897 15251 2963 1,22732 3 1206 RC 0 1,00E+11 2,00E+10 0 4 1825 CC 0,0025 108432 20838 0,174391 5 RF усилитель 0,000299 7028700 1004650 0,002691 6 Разъем 0,011798 3481 677 5,392047 2 1 68 I/O PLLC 0,002893 64994 12463 0,081855 2 596 I/O BGA 0,009277 5243 1006 0,012031 3 1206 RC 0 5E+10 1,00E+10 0 4 1825 CC 0,00359 43212 8324 0,002407 5 RF усилитель 0 1001050 193916 0,000996 6 Разъем 0,024526 647 125 0,159852 и расчетные значения, параметров общего рас- ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ согласования, а также значения вероятности от каза системы. Различие результатов вычисления Проведенный анализ моделей качества и программы и решения составили не более 1%. усталостной надежности паяных соединений Следовательно данная программа может быть показал целесообразность их использования рекомендована для практических целей. для широкой номенклатуры припоев. Решение

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.
Еще
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp