Паяные соединения поверхностного монтажа

Известно, что сборку и монтаж высококачественных электронных модулей для отрасли приборостроения с повышенной надёжностью и повторяемостью образцов продукции может обеспечить только автоматизированная технология поверхностного монтажа (АТПМ). Отличительной особен-ностью АТПМ является снижение влияния человеческого фактора. Но нельзя забывать, что надёжность (усталостная долговечность) паяных соединений (ПС) поверхностного монтажа в приборостроении закладывается на стадии проектирования (выбор материалов, ЭКБ, значение их коэффициента термического расширения (КТР) и так далее), а также обеспечивается технологией изготовления [1–5]. Методы обеспечения высокого уровня надёжности РЭА на этапах производства и эксплуатации общеизвестны и заключаются в строжайшем соблюдении требуемой технологии изготовления, проведении технологических прогонов и тренировок комплектующих изделий, наличии отлаженного системного контроля и мониторинга работоспособности состояния системы. В то же время зачастую без должного внимания остаётся обеспечение высокого уровня надёжности на этапе разработки радиоэлектронной аппаратуры [6–8].

В процессе разработки изделия необходимо спрогнозировать его работоспособность на заданный срок с известным уровнем отказов. Это возможно сделать либо проведя ускоренные испытания на старение, эквивалентные заданному сроку эксплуатации, либо проведя математическое моделирование с учётом указанных параметров. Проведение ускоренных испытаний на старение выполняют для проверки работоспособности блока в целом, при заданном сроке эксплуатации. Однако после подобных испытаний использоваться по назначению изделие уже не может [3, 9]. Для реального производства проводить испытания на старение, имитирующие срок службы всех изделий, невозможно. Требуется математическая модель, которая, учитывая основные влияющие факторы формирования паяного соединения, позволит дать оценку надёжности такого соединения.

Надёжностное проектирование паяных соединений для использования в жёстких условиях эксплуатации

За рубежом надёжностное проектирование занимает особое место, а проблемами надёжности занимаются такие организации, как «Центр перспективного проектирования жизненного цикла изделий при Мэрилендском университете США» (The Center for Advanced Life Cycle Engineering – CALCE), Sandia National Laboratories, CirVibe Inc., DfR Solutions, Electronics Packaging Solutions International Inc. и другие. Каждая из этих компаний занимается расчётом надёжности паяных соединений в изделиях заказчиков, в том числе и для жёстких условий эксплуатации. В России надёжностное проектирование пока не получило широкого применения среди разработчиков РЭА для использования в жёстких условиях эксплуатации. В первую очередь это связано с отсутствием актуальной нормативно-технической документации (НТД) по прогнозированию и оценке усталостной долговечности паяных соединений поверхностного монтажа. В настоящее время оценить надёжность паяного соединения и электронного модуля с помощью расчётов можно только по справочнику «Надёжность электрорадиоизделий» [8]. Однако по справочнику при расчёте паяного соединения учитывается только пайка электрорадиоизделий (ЭРИ) волной, ручная пайка ЭРИ с накруткой и без неё, а значений базовой интенсивности отказов для паяных соединений поверхностного монтажа нет. Поэтому актуальной проблемой в настоящее время является прогнозирование работоспособности РЭА на заданный срок на этапе проектирования, в том числе это относится и к паяным соединениям поверхностного монтажа. Решением указанной проблемы является проведение ускоренных испытаний на старение, эквивалентные заданному сроку эксплуатации, либо проведение математического моделирования с учётом указанных параметров.

В работе [5] впервые обосновано и показано применение математической модели на основе c² – распределения для прогнозирования показателей надёжности паяных соединений поверхностного монтажа. Необходимо отметить, что для реализации такого подхода необходимо одновременное проведение испытаний, а это увеличивает затраты на временны¢е и производственные ресурсы. Модель Энгельмайера-Уайльда для прогнозирования усталостной долговечности паяных соединений поверхностного монтажа не имеет этих недостатков. Данная модель учитывает достаточно большой ряд характеристик, описывающих большинство критичных факторов, сильно влияющих на формирование паяных соединений, в том числе с учётом физического механизма формирования отказа [3–5] и позволяет на этапе проектирования выявить наиболее уязвимые паяные соединения без проведения дополнительных испытаний на старение.

Факторами, которые необходимо учитывать при проектировании изделий, в том числе для жёстких условий эксплуатации, являются геометрические размеры паяного соединения или его эффективная площадь, размеры компонента, материал основания печатной платы (ПП), финишное покрытие ПП, материал компонента, финишное покрытие выводов компонента, тип и температура плавления припоя, средняя температура паяного соединения, термопрофиль оплавления.

Порядок расчёта величин усталостной долговечности паяных соединений представлен на примере исходных данных для космической аппаратуры с учётом диапазона рабочих температур в пределах +10…+70°С и 16 циклами в сутки (длительность одного цикла составляет 90 минут).

Прогнозирование величин усталостной долговечности паяных соединений начинается с расчёта значения показателя усталостной пластичности с, который приведён в работах [3–5, 9] и зависит от температуры и времени, компенсирует неполную релаксацию напряжений и вычисляется по формуле:

где T – средняя циклическая температура паяного соединения в градусах Цельсия, t – полупериод временнóго цикла в минутах. Остальные параметры приведены в таблице 1.

Следующим шагом необходимо рассчитать циклические усталостные повреждения (DD) в поверхностно монтируемых жёстких безвыводных паяных соединениях, в которых напряжения в припое превышают предел его текучести, по формуле [5]:

где F – эмпирический фактор «неидеальности», показывающий отклонения реальных паяных соединений от идеализированной математической модели и учитывающий вторичные и часто трудноописываемые эффекты, такие как коробление, хрупкие интерметаллические соединения, богатые свинцом приграничные слои, а также различия в расширениях материалов на границе раздела и другие – имеет значение от 0,7 до 1,2 (для безвыводных паяных соединений). Необходимо отметить, что компоненты с шариковыми или столбиковыми выводами считаются безвыводными паяными соединениями вследствие отсутствия гибких выводов; L_D – максимальное расстояние между паяными соединениями в компоненте, измеряемое от центра компонента (нейтральной точки) до края вывода, мм; Δα (ΔКТР) – абсолютная разница в коэффициентах теплового расширения компонента (α_С) и платы (α_ПП), 1/°С; ΔT_e – эквивалентный циклический диапазон температуры, учитывающий эффекты рассеяния мощности в компоненте и внешние изменения температуры, °С (в нашем случае она составляет 100°С); h – высота паяного соединения, мм.

Результаты расчётов циклических усталостных повреждений (L_D) для безвыводных паяных соединений представлены в таблице 2.

Значение циклического повреждения выводного соединения (ΔD_вывод.) определяется соотношением [5]:

где K_D – «диагональная» изгибная жёсткость свободного (неприпаянного) вывода компонента (варьируется от 9 до 90 Н/мм); А – эффективная площадь паяного соединения, мм²; М – коэффициент масштабирования, М = 919 кПа. Параметры Δα, F, ΔT_e, h, L_D описаны в уравнении (2).

Результаты расчётов циклических усталостных повреждений (ΔD) для выводных паяных соединений представлены в таблице 3.

Указанные параметры определяют собой физические причины отказа и задают тем самым среднюю наработку на отказ. Видно, что с целью повышения надёжности (долговечности) ПС в процессе проектирования высоконадёжных электронных модулей (ЭМ) на печатных платах, собираемых по технологии поверхностного монтажа, необходимо осуществить оптимальный выбор конструктивных параметров проектируемого ЭМ, обеспечивающих минимизацию уровня напряжения и, соответственно, величин пластической деформации, возникающих в припое ПС в процессе температурного расширения и взаимодействия компонента и подложки, на которую он припаян.

Для прогнозирования количества циклов N_0,5, при наработке на отказ половины паяных соединений поверхностного монтажа каждого типа, имеем [3–5, 9]:

где ε = 0,325 – коэффициент усталостного повреждения, с – степенной показатель усталостной пластичности, вычисляемый по формуле (1), ΔD – циклическое повреждение для каждого компонента.

Результаты прогнозирования количества циклов N_0,5 представлены в таб-лице 4.

Рассчитаем минимальное количество циклов N₁ до первого отказа при допустимой максимальной вероятности отказа γ = 0,1 по формуле [10]:

где β – параметр формы Вейбулла (при прогнозировании безвыводных компонентов β = 4, выводных – β = 2).

Результаты прогнозирования минимального количества циклов без отказов при максимальной вероятности отказа приведены в таблице 4.

Из таблицы 4 видно, что в первую очередь в процессе испытаний откажут паяные соединения поверхностного монтажа следующих компонентов: SR1206, QFN16 и LBGA1225.

По результатам прогнозирования минимального количества циклов до первого отказа, в первую очередь откажут паяные соединения следующих компонентов поверхностного монтажа: SR1206, QFN16, LBGA1225 и TSSOP64.

Перечень компонентов сохранился за исключением добавления компонента TSSOP64, что связано с геометрическими размерами корпуса (L_D), а также с применением в расчётах приблизительно-ориентировочных значений КТР и параметра K_D. Для более точного прогноза необходимо определять реальные значения КТР каждого компонента и ПП, а также методом конечного моделирования определять параметр K_D для каждого выводного компонента.

Такая разница в значениях объясняется влиянием локальной системы компонент–припой–ПП, связанной с разницей коэффициентов термических расширений (КТР). Поэтому при проектировании электронных модулей необходимо в первую очередь учитывать выбор компонентов по конструктивному признаку с учётом физико-химических параметров (КТР, размер, гибкость выводов и т. д.) для снижения влияния системы компонент–припой–ПП с учётом дальнейшего режима хранения или эксплуатации данного модуля.

Таким образом, прогнозирование усталостной долговечности паяных соединений поверхностного монтажа на основе модели Энгельмайера-Уайльда с использованием распределения Вейбулла позволяет математически оценить вклад каждого компонента в надёжность электронного модуля, в том числе ещё на этапе проектирования, и выявить те компоненты, которые её снижают.

Необходимо отметить, что основным методом, который позволяет установить реальный уровень надёжности приборов РЭА, является одновременный анализ испытаний и теоретических данных расчёта усталостной долговечности паяных соединений поверхностного монтажа.

Важно также понимать, что потенциальная надёжность паяных соединений и электронного модуля в целом закладывается в процессе проектирования, а реализуется в процессе производства после отработки и полной оптимизации параметров технологии сборки и монтажа, в том числе дозированного нанесения припойной пасты и температурно-временны¢х режимов пайки.

В заключение можно рекомендовать применять надёжностное проектирование на основе модели Энгельмайера-Уайльда всем предприятиям-разработчикам РЭА для жёстких условий эксплуатации.

Литература

1. Иванов Н.Н., Ивин В.Д., Алексеев С.А. Исследование надёжности бессвинцовых и ком-бинированных паяных соединений в условиях жёстких воздействующих факто-ров. Часть 1. Цели, объекты, программа и методика сравнительных ускоренных испытаний. Анализ результатов испытаний. Вопросы радиоэлектроники. 2009. Сер. ОТ. Вып. 4. С. 85–102.
2. Иванов Н.Н., Ивин В.Д., Алексеев С.А. Исследование надёжности бессвинцовых и комбинированных паяных соединений в условиях жёстких воздействующих факто-ров. Часть 2. Анализ результатов испытаний, оценка надёжности ПС по результатам сравнительных испытаний. Выводы и ре-комендации. Вопросы радиоэлектроники. 2009. Сер. ОТ. Вып. 4. С. 103–114.
3. IPC-SM-785 USA. Руководство по ускоренным испытаниям на надёжность паяных соединений поверхностного монтажа.
4. Engelmaier W. Wear-Out System Reliability with Multiple Components and Load Levels. Global SMT & Packaging. 2008. July. Vol. 8. №7. Pp. 30–39.
5. IPC-D-279. Руководство по проектированию надёжных модулей на печатных платах, собираемых по технологии поверхностного монтажа.
6. Шавловский И.В., Иванов Н.Н., Ивин В.Д., Алексеев С.А. Оценка показателей надёжности паяных соединений при поверхностном монтаже. Сборник научных трудов аспирантов, соискателей и студентов магистерской подготовки ОАО «Авангард». 2011. Выпуск 3. ОАО «Авангард». СПб. С. 242–249.
7. Иванов Н.Н., Ивин В.Д., Шавловский И.В., Дзюбаненко С.В., Ледовских И.А., Алексеев С.А., Глебко А.С., Петров Е.В., Фёдоров С.С. Комбинированная пайка компонентов BGA с бессвинцовыми шариковыми выводами. Сборник научных трудов аспирантов, соискателей и студентов магистерской подготовки ОАО «Авангард». 2010. Выпуск 2. ОАО «Авангард». СПб. Аграф+. С. 32–46.
8. Надёжность электрорадиоизделий. РД В 319.01.20-98. Надёжность ЭРИ ИП. Справочники, разработанные 22 ЦНИИИ МО при участии РНИИ «Электронстандарт» и АО «Стандартэлектро». Версия АСРН 2006.
9. IPC-9701A USA. Методы испытаний для определения характеристик паяных соединений и требования к проведению испытаний.
10. Иванов Н.Н., Ивин В.Д., Алексеев С.А., Фёдоров С.С. Применение электрорадиоиз-делий иностранного производства в бессвинцовом исполнении в космической аппаратуре. Сборник научных трудов аспирантов, соискателей и студентов магистерской подготовки ОАО «Авангард». 2012. Выпуск 4. ОАО «Авангард». СПб. С. 68–77.