CC BY
35
УДК 621.382
Наседкин А.В., Быков А.П., Андросов С.В., Пиганов М.Н,
ФГБОУ ВО «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева» (Самарский университет), Самара, Россия
АНАЛИЗ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДЕФЕКТОВ НА ПЕЧАТНЫХ УЗЛАХ ПРИ ЗАМЕНЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Введение
Надежность и качество радиоэлектронной аппаратуры и ее структурных составляющих по большей части зависит от производственно-технологических факторов и производственной культуры предприятия [1].
Изменение технологического процесса в части изменения того или иного участвующего в нем оборудования (особенно, если меняется сам принцип его работы) может вносить определённую нестабильность. Когда эта нестабильность носит технологический характер, вопрос почти всегда можно решить за достаточно короткое время путем отработки тех или иных параметров технологического процесса, вносящих наибольший вклад в девиацию выходных результатов. Однако иногда изменение затрагивает конструктивные решения, что усложняет задачу, так как на первоначальном этапе не всегда можно обратить на это внимание, а до изменения технологии конструктив мог себя хорошо зарекомендовать.
Дефекты на печатных узлах
При смене трафаретного принтера для нанесения паяльной пасты на бестрафаретный принтер капле-струйного принципа действия на печатных узлах стали возникать следующие дефекты:
недостаточное количество паяльной пасты, которая собиралась у основания чип-компонента, оставляя несмоченной контактную площадку, при этом высота галтели была меньше требуемой по IРС-61ОБ [2] (рис.1, 2) .
Рисунок 1 - Неполная галтель, вид сверху
Рисунок 2 - Неполная галтель, вид сбоку
Припой на контактной площадке до основания чипа имел зернистую структуру (рис.3).
Рентген показал наличие пустот под чип-компонентом, однако в самой галтеле припоя пустоты отсутствовали (рис.4).
В качестве предполагаемых причин возникновения дефекта методом экспертных оценок [3] были предложено следующее:
Окисление поверхности контактной площадки и выводов чип-компонентов.
Ошибки в выборе стратегии нанесения паяльной пасты.
Рисунок 3 - Пример зернистости припоя
1
Рисунок 4 - Рентгеновское изображение чип-компонента с зернистой галтелью
Некачественная паяльная паста.
Ошибки в формировании термопрофиля.
Выявление причин возникновения дефектов
1. Испытание на паяемость
а) проверка паяемости чип-компонентов.
Проведено испытание на паяемость чип-компонентов по методике, изложенной в Приложении А АФЕК.005.900-2010 [4], для чего с помощью паяльника были облужены контактные поверхности 3-х чипов припоем ПрвКр ПОС-61 с флюсом ФКСп (предварительно чипы подогревались на нагревательном столе до Т=(100±5)°С), Тж.п.= (245±5)°С, ^уж=(2-3)с.
При осмотре с помощью микроскопа Mantis-Elite (4х) выявлено неполное покрытие припоем контактных поверхностей (менее 95% площади).
После восстановления паяемости чип-конденсаторов типа К10-17в согласно АФЕК.005.900-2010 п.7.1.6 промывкой в спирот-бензиновой смеси проведены повторные испытания на паяемость.
Результат - сплошное покрытие припоем не менее 95% контактных поверхностей.
б) проверка паяемости технологической печатной платы.
Для проверки паяемости платы на контактные площадки была нанесена паяльная паста с последующим оплавлением в парофазной печи VP6000.
Результат - неполное покрытие припоем контактных площадок, но не менее 2/3 площади, что допускается согласно п.3.10 ОСТ 92-1042-98 [5].
в) определение влияния дополнительного лужения контактных площадок печатной платы.
На все контактные площадки печатной платы была нанесена паяльная паста (стратегия 100% Pad, 80% Vol ) и оплавлена в парофазной печи VP6000. После этого была вновь нанесена паяльная паста (стратегия 100% Pad, 100% Vol), установлены чип-конденсаторы, затем печатный узел был оплавлен.
Результат - несколько увеличена площадь покрытия припоем контактных площадок, множественные мелкие поры в паяном соединении, крупные шарики припоя около корпусов чипов.
Оплавление паяльной пасты на ремонтном центре 1К/РЬ650Д (инфракрасный нагрев).
Результат - полное смачивание припоем контактных площадок, меньшее количество пор.
2. Определение оптимальной дозы нанесения паяльной пасты
ЭРИ в пределах контактных площадок, множественные шарики припоя;
- во всех группах (кроме 3-х чипов с отсутствием паяного соединения) видна галтель припоя, но наилучший результат в группе 3 (100% Pad, 100% Vol);
- замечание к паяным соединениям - присутствуют множественные мелкие поры, поверхность припоя матовая, припой не полностью покрывает контактные площадки печатной платы.
На технологической плате было выбрано 4 группы контактных площадок по 6 чип-компонентов в каждой.
Стратегия нанесения: Pad, 80% Vol.
Pad, 90% Vol.
Pad, 100% Vol.
группа группа группа группа
100% 100% 100% 100%
Pad, 130% Vol.
Результат - по качеству нанесения замечаний нет, поверхность припоя ровная, без перемычек и излишнего растекания.
К каждой группе (кроме 4-ой) установлены 2 чипа после отмывки, 3 чипа без отмывки, 1 чип после отмывки с облуженными контактными поверхностями (Рис.5).
В 4 группе установлены чипы без предварительной отмывки.
Замечаний по качеству установки нет.
По результатам внешнего осмотра после оплавления:
- в 1 группе (100% Pad, 80% Vol) не припаян 1 облуженный чип-конденсатор;
- в 4 группе (100% Pad, 130% Vol) отсутствует смачиваемость припоем 2-х чипов из 6, смещение
Рисунок 5 - Распределение чипов в каждой группе
3. Анализ паяльной пасты
Проведен повторный входной контроль паяльной пасты по следующим параметрам: контроль усадки, контроль разбрызгивания при оплавлении, контроль на отсутствие перемычек.
Результат - дефекты не обнаружены, паяльная паста пригодна к использованию.
4. Анализ термопрофиля
На технологической плате были закреплены четыре термопары, произведен контроль термопрофиля в парофазной печи УР6000 (рис. 6).
Рисунок 6 - Термопрофиль парфазной печи VP6000
Результат: термопрофиль несколько отличается производителем паяльной
от рекомендованного пасты:
Скорость нарастания температуры: 120°С), Т=210 с, У=0,45 вместо 1°С/с.
Время предварительного нагрева: 170°С), Т=30 с, рекомендовано (30... 90 Время оплавления (выше 190°С
(25°С
(12 0°С с.
_ t=100 с вместо
С вместо (205... 220) 4)
ми-
(25-45) с.
Пиковая температура: 228
°С.
Общее время пайки: 6 минут вместо (3. нут.
Несмотря на некоторые отличия термопрофиля от рекомендованного производителем, следует понимать, что данные рекомендации приведены для пайки в инфракрасных или конвекционных печах. Оплавление в печи парофазного нагрева несет в себе некоторые отличия, которые в данном случае не могли привести к подобного рода замечаниям.
После тщательного анализа результатов было принято решение о рассмотрении влияния размеров контактных площадок, которые на данном конкретном печатном узле были несколько большими, чем это рекомендует стандарт 1РС-7351В, но при этом не выходящие за пределы требований отечественных стандартов для печатной платы 3-го класса точности (рис.7).
Для определения влияния габаритных размеров контактных площадок была изготовлена печатная плата с учетом требований 1РС-7351В [6].
Для оценки влияния геометрических размеров контактных площадок на качество паяных соединений был произведен монтаж конденсаторов К10-17в (25 шт.) на посадочные места вновь спроектированной печатной платы (далее тестовая плата).
После оплавления по результатам визуального контроля замечаний к качеству паяных соединений конденсаторов К10-17в на тестовой плате нет, поверхность припоя гладкая, блестящая.
Контактные площадки штатной платы
Контактные площадки по IPC-7351B
Рисунок 7 - Сравнение габаритов контактных площадок штатной и вновь спроектированной по 1РС-7351А печатной платы
Выводы
Исходя из полученных результатов можно сделать вывод, что наличие «зернистой» пайки на контактных площадках исследуемой платы (изготовленной по 3-му классу точности согласно ГОСТ 23752-79 [7]) проявляется из-за того, что соотношение размера контактной площадки и размера вывода конденсатора превосходит аналогичные соотношения для других компонентов, установленных
на данной ячейке и ячейках изготовленных по 5 классу точности. На основании изложенного, можно дать следующие рекомендации к проектированию печатных плат: контактные площадки должны быть максимально малого размера, но обеспечивающие формирование качественной галтели припоя. Рекомендуется проектировать контактные площадки с учетом требований 1РС-7351Б.
ЛИТЕРАТУРА
1. Власова А.М., Андреев П.Г., Наумова И.Ю. Надежность и качество радиоэлектронной аппаратуры // Труды Международного симпозиума "Надежность и качество". - Пенза, 2016. Т.1. С. 313-314.
2. IPC-610D.
3. Тюлевин С.В., Пиганов М.Н. Экспертные оценки в управлении качеством электронных средств: учеб. пособие. - Самара: Изд-во СГАУ. - 119 с.
4. АФЕК.005.900-2010.
5. ОСТ 92-1042-98. Радиоэлектронная аппаратура и приборы. Технические требования и требования безопасности к типовым технологическим операциям сборки и монтажа блоков и узлов на печатных платах.
6. IPC-7 351B.
7. ГОСТ 23752-7 9. Платы печатные. Общие технические условия.
УДК 621.382 Станов Р.О.
ФГБОУ ВО «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева» (Самарский университет), Самара, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЗНАКОВ, ВИДОВ, ПРИЧИН И МЕХАНИЗМОВ ОТКАЗОВ МИКРОСХЕМ, ВЫПОЛНЕННЫХ ПО КМОП-ТЕХНОЛОГИИ
В данной статье приведены результаты анализа видов отказов интегральных микросхем, выполненных по КМОП-технологии. Приведена методика исследования отказов. Описаны дефекты структуры и возможные причины возникновения отказов. Все данные систематизированы в виде таблиц
Ключевые слова:
Микросхема, отказ, виды отказов, причины отказов, дефект, КМОП-технология, анализ, систематизация
Надёжность ИМС, как и любого технического устройства, закладывается на этапе проектирования, конструирования и обеспечивается на этапе изготовления. Таким образом, очевидно, что разработчику уже на самых ранних этапах необходимо закладывать требуемые параметры с целью безотказного и бесперебойного функционирования изделия. Количественное определение этих параметров - важнейшая задача. Более того, надёжность микросхем, как и любого другого изделия, в решающей степени зависит от правильной постановки, организации, методики и технологии контроля, измерений, испытаний и в целом от уровня метрологического обеспечения производства [1]. Очевидно, что чем на более раннем этапе определяются параметры, имеющие тенденцию к раннему выходу за установленные пределы, тем меньше временных, финансовых и организационных ресурсов требуется для корректировки. Установлено, что для решения такой задачи необходимо исследование различных видов отказов, их признаков, причин и механизмов. Автор [2] отмечает, что оптимальным подходом к проблеме надёжности ИМС является совместное использование физического метода исследования причин и механизмов отказов и статистического метода получения интенсивности отказов.
Цель работы - анализ и систематизация информации по отказам КМОП микросхем для бортовой аппаратуры.
В общем случае отказом изделия называют событие, заключающееся в полной потере работоспо-
собности изделия, либо уходе одного или нескольких параметров за допустимые по техническим условиям нормы [3]. Более того, природа отказов может быть различна. На основе работ [1, 3, 4] сформирована наиболее полная и полезная для исследователя классификация видов отказов интегральных микросхем (ИМС), приведенная в таблице 1.
Стоит отметить, что с 1970-х годов наблюдается тенденция уменьшения количества внезапных отказов ИМС в сторону увеличения постепенных отказов, которые представляют особую важность для исследователя [2]. Очевидно, необходимо изучать природу возникновения таких отказов, а именно механизмы, процессы, эффекты, происходящие в ИМС. Особую сложность представляет исследование ИМС специального назначения (СН), предназначенных для использования в бортовой аппаратуре космических аппаратов (БА КА).
Исследование отказов обычно проводят в 2 этапа: первичный и вторичный анализ отказов [2]. Задачи первичного анализа заключаются:
- в установлении признаков отказа ИМС (установление различий параметров работоспособной и отказавшей ИМС);
- в определении вида отказа ИМС;
- в локализации места отказа;
- в определении вида отказа элемента ИМС;
- в установлении причин отказа, т.е. событий, предшествовавших отказу;
- в разработке рекомендаций по определению выявленных причин отказа.
