CC BY
78
УДК 621.382.049.77
ОБУЧАЮЩИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПРИ ПРОГНОЗИРОВАНИИ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЭЛЕКТРОННЫХ УЗЛОВ
© 2011 И. Ю. Шумских, С. В. Тюлевин
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет)
Приведена методика обучающего эксперимента при прогнозировании надежности и качества межсоединений электронных узлов на основе новых перспективных паяльных паст. Рассмотрены вопросы контроля информативных и прогнозируемых параметров. Получены экспериментальные данные по уровням этих параметров.
Обучающий эксперимент, прогнозирование, качество и надежность, паяные соединения, паяльные пасты, электронные узлы, испытания.
Введение
Качество и надежность радиоэлектронной аппаратуры зависит от многих факторов, в том числе от качества паяных соединений. Особую остроту вызывает этот вопрос при поверхностном монтаже BGA, NB-BGA, МС-BGA и чип-компонентов с малыми размерами [1]. Следовательно, для достижения высококачественного производства с высоким уровнем выхода годных изделий необходимым условием является повышение надежности паяных соединений выводов компонентов с контактными площадками печатных плат. При этом целесообразно прогнозировать изменение свойств и параметров паяных соединений после монтажа, а также возможность использования аппаратуры по окончании указанного или назначенного срока службы. Для космической аппаратуры наибольшую эффективность дает индивидуальное прогнозирование [2,3]. Наиболее ответственным этапом прогнозирования является обучающий эксперимент [4]. Он определяет точность прогнозной модели и достоверность последующего рабочего прогнозирования.
Обучающий эксперимент - это испытание в заданном режиме определенного количества изделий в течение требуемого времени, обычно равного времени последующего прогнозирования Ц, и определение фактического состояния каждого экземпляра выборки к моменту окончания испытания. Цель
обучающего эксперимента состоит в получении необходимого массива исходных данных, т.е. такого массива, который требуется для последующего обучения [5]. Методические основы обучающего эксперимента для электрорадиоизделий и электронных узлов космических радиоэлектронных средств (РЭС) разработаны слабо. Экспериментатор ориентируется, в основном, на свой опыт и интуицию. В работе [6] предпринята попытка решения этого вопроса. Предложена общая методика обучающего эксперимента, которая включает семь этапов: анализ конструктивнотехнологических особенностей электрорадиоизделий (ЭРИ) и РЭС; разработка или уточнение схем включения для контроля их работоспособности и измерения основных параметров; выбор методов и средств контроля информативных параметров; определение объема выборки; разработка программы исследовательских испытаний; проведение исследовательских испытаний и экспериментов; анализ результатов испытаний и экспериментов. При этом наиболее ответственными являются 5 и 6-ой этапы: «разработка программы исследовательских испытаний» и «проведение исследовательских испытаний и экспериментов». Эти этапы подробно разработаны для микросхем серии 286. Для других типов ЭРИ они разработаны очень слабо, а для печатных узлов и паяных соединений не рассматривались.
Целью данной работы является разработка и апробация методики обучающего эксперимента паяных соединений поверхностно монтируемых узлов космической аппаратуры.
Анализ параметров паяльных паст
Подавляющее количество дефектов возникает на этапе нанесения паяльной пасты. Это значит, что характеристикам используемой паяльной пасты и самому процессу нанесения паяльной пасты необходимо уделять большое внимание [7].
Экспериментальные исследования показали, что перспективными являются паяльные пасты Cobar XF3+ и Indium NC-SMQ92J. Они и были выбраны для обучающего эксперимента.
В качестве информативных параметров были выбраны вязкость, клейкость и кислотное число. Это предварительный выбор. Правильность этого выбора может подтвердить только обучающий эксперимент. В качестве прогнозируемого параметра было выбрано поверхностное сопротивление изоляции полученного паяного соединения.
Обучающий эксперимент
Для проведения обучающего эксперимента необходимо выбрать методы и средства контроля информативных параметров. В связи с тем, что исследуемые пасты поставляются из стран Западной Европы, выберем для контроля методики, приведенные в стандартах IPC-9201, J-STD-008 и Bellcore GR-78-CORE [8].
Контроль вязкости было предложено проводить при температуре 25±50С.
Клейкость пасты - это ее способность удерживать компонент на печатной плате. При этом сила крепления компонентов должна оставаться постоянной в течение некоторого времени. Таким образом, клейкость определяет способность пасты удерживать SMD-компоненты на своих местах после установки их на печатную плату и до пайки. Это свойство является индикатором того, подошло ли к концу время жизни пасты.
Тест клейкости предложено проводить по методу 2.4.44 стандартов IPC-TM-650,
IPC/EIA J-STD-005. Он предусматривает применение стандартного тестера, измеряющего силу, необходимую для сдвига компонента определенного веса с площадки пасты определенного размера (6,3 мм и высоты 0,25 мм). Тестовый пробник двигается со скоростью 2,5±0,5 мм/мин и приводится в соприкосновение с компонентами. При этом в течение 5 секунд к компоненту прикладывается сила 300±30 г. Далее проводится сдвиг компонента с площадки с указанной скоростью и измеряется потребная для этого сила. Производится несколько измерений через определенные промежутки времени после нанесения пасты. Данные представляются в виде графика зависимости усилия сдвига от времени. По графику определяется время, обозначенное как время удержания («tick life» либо «tack time»), по истечении которого сила сдвига уменьшается на 20%. Пиковая сила определяет собой удерживающую способность в граммах и обозначается в характеристиках пасты как «tackiness» либо «tack force» (типичное значение: 30...50 г). Обычно это значение относится к начальной клейкости, измеренной непосредственно после нанесения пасты («initial tackiness»).
Понятие поверхностного сопротивления изоляции определено в стандарте IPC 9201 как «электрическое сопротивление между двумя проводниками, разделенными какими-либо диэлектрическими материалами». Оно базируется на концепции поверхностного сопротивления слоя, но также содержит элементы объемной проводимости, токов утечки через электролитические загрязнители, многослойные диэлектрические материалы, материалы металлизаций и воздух.
Поверхностное сопротивление изоляции рекомендуется определять с помощью SIR-тестов. Такие тесты являются главным способом определения влияния флюсов на коррозионную стойкость печатных узлов. Как уже указывалось, наиболее часто используемые методы тестирования описаны в стандартах J-STD-008 и Bellcore GR-78-CORE. Условия проведения тестов традиционно включают повышенную температуру, влажность, напряжение смещения и использование специальных тестовых плат с гре-
бенчатой структурой проводников. Критерием успешного прохождения теста является достаточно высокое поверхностное сопротивление изоляции и незначительные признаки коррозии или образования дендритов.
Результаты контроля
Результаты контроля информативных параметров и прогнозируемого параметра для двух типов паяльных паст приведены в табл.
1 и 2. Затем проводятся исследовательские испытания паяных соединений. Условия их проведения приведены в табл. 3. Режимы испытаний выбраны с учетом обеспечения максимальной деградации паяных соединений.
______Таблица 1. Параметры пасты СоЬаг XF3+
По результатам испытаний выявляются уровень деградации, виды отказов, их механизмы; определяются факторы, ускоряющие деградацию. По их результатам мы окончательно выбираем информативные параметры, которые будут использованы для построения прогнозной модели. Кроме того, они дают информацию о запасах устойчивости паяных соединений, резервах их качества, недостатках методики испытаний.
Анализ результатов испытаний и проведенных экспериментов будет приведен в следующей работе авторов.
№ п/п Поверхностное сопротивление изоляции, 109 Ом Вязкость, Па-с Клейкость, г Кислотное число, мг КОН
1 1,5 202 112 124
2 0,7 158 96 117
3 1,2 199 110 124
4 1,1 184 106 126
5 0,7 241 91 113
6 2,6 210 112 123
7 0,5 224 114 102
8 2,1 205 112 123
9 1,7 200 111 124
10 1,3 195 109 124
11 1,1 183 106 125
12 1,1 161 100 128
13 0,9 190 106 120
14 2,1 213 112 123
15 1,2 191 107 126
16 1,1 238 100 126
17 2,3 210 112 123
18 2,5 212 113 123
19 0,9 185 106 119
20 2,8 225 114 122
21 2,4 208 112 123
22 0,5 231 116 115
23 2,2 205 111 124
24 1,9 196 110 124
25 2,2 210 112 123
Таблица 1. Окончание
№ п/п Поверхностное сопротивление изоляции, 109 Ом Вязкость, Па-с Клейкость, г Кислотное число, мг КОН
26 0,5 238 117 111
27 1,2 198 111 124
28 2,3 213 112 123
29 1,5 196 109 124
30 0,5 245 90 110
31 0,7 239 95 115
32 1,2 181 105 126
33 0,3 242 92 109
34 1,5 201 112 124
35 1,5 200 112 124
36 0,8 231 104 119
37 1,2 195 109 125
38 2,2 210 112 123
39 0,9 227 105 120
40 2,1 211 112 123
41 0,8 229 104 117
42 0,7 233 102 115
43 1,3 195 108 124
44 2 204 111 123
45 0,5 230 104 113
46 2,2 220 114 122
47 2 215 112 123
48 0,9 229 114 119
49 1,5 199 110 124
50 1 192 105 120
Таблица 2. Параметры пасты Indium NC-SMQ92J
Класс годности Поверхностное сопротивление изоляции, 109 Ом Вязкость, Па-с Клейкость, г Кислотное число, мг КОН
1 1,5 202 112 124
2 0,7 158 96 117
3 1,2 199 110 124
4 1,1 184 106 126
5 0,7 241 91 113
6 2,6 210 112 123
7 0,5 224 114 102
8 2,1 205 112 123
9 1,7 200 111 124
Класс годности Поверхностное сопротивление изоляции, 109 Ом Вязкость, Па-с Клейкость, г Кислотное число, мг КОН
10 1,3 195 109 124
11 1,1 183 106 125
12 3,2 190 36 113
13 2,5 194 37 112
14 0,8 204 42 107
15 3,2 187 36 113
16 2,6 179 35 113
17 0,5 211 45 100
18 3,0 169 35 113
19 3,2 185 36 113
20 3,6 192 37 112
21 0,8 207 43 107
22 3,1 184 36 113
23 0,8 201 41 108
24 3,5 193 37 113
25 2,8 168 35 113
26 3,5 187 36 112
27 0,9 200 40 109
28 2,9 192 37 112
29 0,5 212 46 101
30 0,7 205 44 106
Таблица 3. Состав и режимы операций при входном контроле паяльных паст
№ п/п Наименование операции Оснастка, оборудование, материалы Режимы
1 Подготовка паяльной пасты, измерение вязкости 1. Устройство SPS-1. 2. Спиральный вискозиметр РМ-2А. 3. Паяльная паста. Сушка: ^=(25±5)°С, т=30 мин; V1=30 об/мин; V2=10 об/мин.
2 Контроль усадки 1. Устройство DEK248V. 2. Трафареты IPC-A-20-2 шт. 3. ПП IPC-A-20-2 шт. 4. Термокамера VCL7010. 5. 9346-0020 емкость под спирт. 6. Безворсовые салфетки - 2 шт. 7. Антистатическая тара СО-41 с крышкой СО-41 Lid - 1 шт. 8. Микроскоп Mantis Elite. 9. Х/б перчатки (или антист. перчатки) - 1 пара. 10. Неметаллический шпатель. 1) ^=(25±5)0С, т=20 мин, влажность (50±10)%; 2) ^=(115±5)0С, т=15 мин; 3) ^=(25±5)0С, т=15 мин.
Таблица З. Окончание
№ п/п Наименование операции Оснастка, оборудование, материалы Режимы
З Испытание на образование шариков припоя 1. Подложка из корундового стекла 1ПК1 Щ7.817.000-22 - 4 шт. 2. Рейсфедер - 1 шт. 3. 9З46-0020 ёмкость под спирт. 4. Безворсовые салфетки - 2 шт. 5. Микроскоп Mantis Elite. 6. Антистатическая тара СО-41 с крышкой СО-41 Lid - 1 шт. 7. Термокамера VCL7010. 8. Печь VP6000. 9. Ванна для лужения HAKKO FX-З01. 1) ^=200(230)0С; 2) ЕЖ=100; 3) ^=(25±5)0С, т=4 ча-са±15 мин.
4 Испытание на паяемость (смачиваемость) паяльной пасты 1. ПП IPC-A-21, IPC-A-20 - по 1 шт. 2. Устройство DEK248V. 3. Печь VP6000. 4. Трафарет IPC-A-21, IPC-A-20. 5. Антистатическая тара СО-41 с крышкой СО-41 Lid - 1 шт. 6. Микроскоп Mantis Elite. 7. Неметаллический шпатель. 1) метод 2.4.45 1РС-ТМ-650.
5 Испытание на сопротивление поверхностной изоляции 1. Трафарет IPC-B-25A - 1 шт. 2. ПП IPC-B-25A - 1 шт. 3. 9З46-0020 ёмкость под спирт. 4. Безворсовые салфетки - 2 шт. 5. Антистатическая тара СО-41 с крышкой СО-41 Lid - 1 шт. 6. Устройство DEK248V. 7. Печь VP6000. 8. Тераомметр Е6-1ЗА. 9. Термокамера VCL7010. 10. Неметаллический шпатель. 1) ^=(25±5)0С, т=1 сек; 2) ^=650С, влажность 60%, т=1 час; 3) ^=650С, влажность 98%, т=5 часов; 4) ^=650С, влажность 98%, т=15 часов.
6 Испытание на коррозионное воздействие флюсов 1. Трафарет IPC-B-25A - 1 шт. 2. ПП IPC-B-25A - 1 шт. 3. 9З46-0020 ёмкость под спирт. 4. Безворсовые салфетки - 2 шт. 5. Устройство DEK248V. 6. Термокамера VCL7010. 7. Тераомметр Е6-1ЗА. 8. Неметаллический шпатель. 1) ^=(25±5)0С, т=20 мин; 2) ^=850С, влажность 85%, и=50 В, т=24 часа; 3) ^=850С, влажность 85%, и=50 В, т=96 часов; 4) ^=850С, влажность 85%, и=50 В, т=168 часов.
7 Определение кислотного числа 1. Титрометрический набор. 2. Гидроксид калия. 3. Деионизированная вода. 4. Фенолфталеин. 1) стандарт 1РС.
Библиографический список
1. Медведев, А. М. Технологическое обеспечение надежности межсоединений [Текст] / А. М. Медведев // Технологии в электронной промышленности. - 2005. - № 5. - С. 60-62.
2. Пиганов, М. Н. Прогнозирование надежности радиоэлектронных средств [Текст] / М. Н. Пиганов, С. В. Тюлевин // Научнотехнические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. -2009. - №1 (72). - С. 174-180.
3. Пиганов, М. Н. Индивидуальное прогнозирование показателей качества элементов микросборок [Текст] / М. Н. Пиганов. -Самара: СГАУ, 1999. - 160 с.
4. Пиганов, М. Н. Индивидуальное прогнозирование показателей качества элементов и компонентов микросборок [Текст] / М. Н. Пиганов. - М.: Новые технологии, 2002. - 267 с.
5. Тюлевин, С. В. Структурная модель индивидуального прогнозирования параметров космической аппаратуры [Текст] / С. В.
Тюлевин, М. Н. Пиганов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. - 2008. - № 1. - С. 92-96.
6. Тюлевин, С. В. Методика обучающего эксперимента при индивидуальном прогнозировании показателей качества космических РЭС [Текст] / С. В. Тюлевин, М. Н. Пи-ганов // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер. Все-росс. НТК. - Самара: Изд-во СГАУ, 2008. -С. 239-253.
7. Вестерлакен, Э. Характеристики паяльных паст: что нужно знать? [Текст] / Э. Вестерлакен // SMT эксперт. - 2010. - № 5. -С. 22-33.
8. Шумских, И. Ю. Исследование параметров паяльных паст с целью прогнозирования надежности паяных соединений [Текст] / И. Ю. Шумских // Современные направления теоретических и прикладных исследований - 2011: сборн. научн. тр. - Украина, Одесса: Черноморье. - 2011. - Т.6. -С. 58-64.
TRAINING EXPERIMENT AT FORECASTING OF QUALITY AND RELIABILITY OF SOLDERED JOINTS OF ELECTRONIC ASSEMBLAGES
© 2011 I. Y. Shumskikh1, S. V. Tyulevin2
1Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov (National Research University)
2Samara Space Center
The technique of training experiment is resulted at forecasting of reliability and quality of joints of electronic assemblages on the basis of new perspective soldering pastes. Questions of control of informative and predicted parameters are considered. Experimental data on levels of these parameters are received.
Training experiment, forecasting, quality and reliability, soldered joints, soldering pastes, electronic assemblages,
tests.
Информация об авторах
Шумских Илья Юрьевич, аспирант кафедры конструирования и производства радиоэлектронных средств, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: il815@yandex.ru. Область научных интересов: качество паяных соединений электронных узлов.
Тюлевин Сергей Викторович, доцент кафедры конструирования и производства радиоэлектронных средств, кандидат технических наук, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: kipres@ssau.ru. Область научных интересов: надёжность и качество космических радиоэлектронных средств.
Shumskikh Ilya Yuryevich, post-graduate student of the department of construction and design radio electronic devices, Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov (National Research University). E-mail: il815@yandex.ru. Area of research: reliability and quality of radio electronic devices.
Tyulevin Sergei Viktorovich, assistant professor of design and production of radio-electronic means department, Ph.D., Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolev (National Research University). E-mail: kipres@ssau.ru. Research interests: quality and reliability of space-based radio-electronic means.
