CC BY
3УДК 621.37.39
Относительная статистическая оценка технологической неоднородности механических характеристик печатных плат
Крылов В.П.*, Пронин Т.Ю.**
Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и
Николая Григорьевича Столетовых, ул. Горького, 87, Владимир, 600000, Россия *e-mail: v_p_krylov@vlsu.ru * *e-mail: pronin_t_y@list.ru
Статья поступила 20.03.2019
Аннотация
Применение печатных плат в электронных блоках беспилотных космических аппаратов, обрабатывающих радиосигналы, связано с ужесточением требований к стабильности механических характеристик. В статье предложена методика относительной статистической оценки неоднородности механических характеристик печатных плат на фоне измерительных погрешностей. Приведены результаты экспериментальных исследований отношения среднеквадратичных отклонений технологических погрешностей и погрешностей измерений для эквивалентных значений модуля упругости и коэффициента механических потерь на партии печатных плат. Сделан вывод о существовании стабильного технологического разброса модуля упругости и характере зависимости технологического разброса коэффициента механических потерь после групповой пайки в печи конвективного нагрева. Даны рекомендации по использованию полученных результатов при
испытаниях вибропрочности электронных устройств беспилотных космических
аппаратов, применяемых для обработки радиосигналов.
Ключевые слова: платы печатные, характеристики механические, технологическая погрешность, погрешность измерений, статистическая оценка.
Введение
Применение печатных плат (1111) в конструкциях электронных блоков космических аппаратов (КА), обрабатывающих радиосигналы, для монтажа электронных компонентов, обеспечивает сокращение сроков разработки и удешевление конструкций КА при обеспечении тактико-технических характеристик. Использование конверсионных средств выведения беспилотных КА на заданную орбиту обеспечивает надежный старт и снижение стоимости пуска ценой роста механических нагрузок на элементы конструкции КА [1-4]. Проблема обеспечения механической прочности (в первую очередь, вибропрочности) особенно актуальна при разработке моноблоков третьего уровня кооперации, поскольку технические требования к ним в части механических воздействий на этапе выведения на орбиту разработчиком КА (первый уровень кооперации) или отдельного модуля (второй уровень кооперации) задаются, как правило, «с запасом», который далеко не всегда можно обеспечить в рамках имеющихся экономических и технологических ограничений [5-8].
Компьютерные расчеты (виртуальные испытания) и физическое
моделирование (испытания на вибростенде) с использованием конструктивно -подобных моделей (когда дорогостоящие электронные компоненты на плате заменяют муляжами) позволяют прогнозировать вибропрочность через регистрацию виброусилений на резонансных частотах в заданном диапазоне 5 - 2000 Гц при наличии достоверной информации о возможных технологических разбросах механических характеристик печатных плат.
Изготовители фольгированных диэлектриков (ламинатов), как правило, не имеют на выходном контроле средств измерения механических параметров, влияющих на собственные частоты резонанса (модуль упругости) и виброусиление (демпфирование) на этих частотах [9]. Вместе с тем при изготовлении печатных плат, особенно многослойных, часто применяемых при разработке радиотехники, существуют предпосылки для технологического разброса указанных параметров [10-13]. В основном эти предпосылки обусловлены нестационарным характером процесса полимеризации связующих компонентов [14-16], который в ряде случаев может продолжаться и после изготовления платы, например, при хранении, транспортировке, пайке или ремонтной замене отдельных компонентов [17] в процессе предполетной отладки аппаратуры КА, предназначенной для обработки радиосигналов. Таким образом, экспериментальная оценка технологических разбросов механических характеристик печатных плат и ламинатов является актуальной задачей .
Постановка задачи, принятые допущения и модели
Для практического определения модуля упругости и коэффициента демпфирования печатной платы (ламината) можно использовать современные методы параметрической идентификации, основанные на решении обратных некорректных задач по результатам экспериментальных исследований поведения печатных плат в области механических резонансов и конечно-элементного компьютерного моделирования с учетом способа крепления плат на основании стола вибростенда [18-20]. Классический подход к оценке точности таких косвенных измерений, основанный на сравнении с эталонами, в данном случае неприемлем ввиду отсутствия эталонов. Однако для практики входного контроля ламинатов и печатных плат в первом приближении необходимо оценить возможность разрешающей способности таких измерений на фоне погрешностей измерений. Если принять допущение о случайном характере погрешностей косвенных измерений и технологических погрешностей изготовления в части механических параметров, то можно использовать относительную статистическую оценку технологической неоднородности механических характеристик печатных плат в виде отношения среднеквадратичных отклонений указанных погрешностей, которая положительно зарекомендовала себя в задачах оценки технологической однородности производственных партий электронной компонентной базы [21]. Предлагаемый подход основан на использовании раздела математической статистики, именуемого в разных первоисточниках факторным анализом [22] или симметричной схемой действия факторов [23]. Рабочая модель [21] предполагает
формирование случайного отклонения АХ параметра изделия от среднего значения в виде суммы технологической АТ и измерительной АИ погрешностей. Если считать погрешность измерений случайной и контроль партии изделий провести дважды, то коэффициент г парной линейной корреляции результатов первого контроля {X1} с результатами второго (повторного) контроля {Х2} определится соотношением [21]
где аТ, аИ - среднеквадратичные отклонения соответственно технологической и измерительной погрешностей. Соотношение (1) можно также интерпретировать как статистическую разрешающую способность средства контроля параметра X, которая определена на партии изделий и позволяет сделать вывод о возможности или невозможности ранжирования изделий по параметру X. Если принять допущение о постоянстве оИ, то можно косвенно оценить поведение аТ после того или иного внешнего воздействия на партию изделий (температура, радиация и пр.). Достаточно лишь повторить две серии измерений и воспользоваться формулой (1).
В качестве параметра X использованы усредненные модуль упругости и коэффициент демпфирования материала печатной платы. Усредненный модуль упругости E определяется в результате обработки экспериментальных результатов в программе SolidWorks Simulation [24,25]. Исходными данными служат размеры, масса и способ крепления образца, а также экспериментально определенная частота первого резонанса. При этом принято допущение об однородности материала платы, то есть реальная плата с рисунком металлизации и сквозными металлизированными отверстиями считается однородной пластиной прямоугольной формы с
(1)
четырехточечным (по углам) закреплением на столе вибростенда. Эквивалентный
коэффициент механических потерь (КМП) характеризует демпфирующие свойства
материала платы и определяется как величина, обратная добротности (отношение
частоты резонанса к полосе частот на уровне 0,707 от амплитуды резонанса)
КМП = Лf/f. (2)
Подготовка и проведение эксперимента
Экспериментальные исследования по определению частотных характеристик образцов печатных плат выполнены на вибрационном стенде модели i220 фирмы IMV с компьютеризованной системой управления и измерений виброускорений в диапазоне синусоидальных воздействий с частотой 5 ... 2000 Гц. Образцы двухсторонних и многослойных печатных плат на стеклоэпоксидной основе от разных изготовителей в количестве 12 шт. были любезно предоставлены фирмой «Петрокоммерц» и доработаны в АО «Концерн «Автоматика» до размеров 130 х 60 мм с отверстиями для крепления на специально разработанном и изготовленном приспособлении, которое, в свою очередь крепится на столе вибростенда двумя винтами. Образцы отличаются толщиной платы от 1,4 мм до 3,4 мм и эквивалентной
3 3
плотностью от 1,861 г/см до 2,327 г/см . Массу образцов измеряли с помощью рычажных весов Fienwaage AF48.
Для исключения погрешностей измерений приспособление было проверено на отсутствие собственных резонансов в диапазоне 5-2000 Гц. На рис. 1 слева приведена 3D-модель приспособления с закрепленными на нем 3D-моделями
печатной платы с винтами крепления и 3D-моделью вибродатчика, а справа -
фотография смонтированного на столе вибростенда приспособления с одной из
печатных плат и датчиком модели 4393 фирмы «Вше! & Юаег» массой 2,4 грамма.
Рис. 1. 3D-модель и фото приспособления с платой и вибродатчиком.
Экспериментальное определение частотных характеристик образцов печатных плат производилось в режиме синусоидальной вибрации в диапазоне 5-2000 Гц с ускорением 2g в течение 3 минут для каждого образца при температуре окружающей среды +25°С. Крепление образцов плат к приспособлению выполнено 4-мя винтами М3 с моментом затяжки 0,7Нм. Две сессии измерений проводились в течение одного дня с перерывом 1 час. Датчик виброускорений (см. рис.1) установлен на клей «Циакрин» с выдержкой 30 с перед проведением каждого эксперимента.
Экспериментальные результаты: обработка и обсуждение
Резонансные явления на первой резонансной частоте наблюдались в интервале от 230 Гц до 720 Гц в зависимости от образца. Одновременно регистрировалась полоса пропускания на уровне 0,707 от максимума виброускорения. На рис.2 изображено рабочее окно программы SolidWorks Simulation в режиме моделирования первого резонанса. Измерения (2 серии по 12 экспериментов в каждой) выполнялись трижды: до и после термообработки в печи конвективного оплавления, а также спустя примерно 6 месяцев хранения при комнатной температуре.
Рис.2. Рабочее окно программы SolidWorks Simulation В результате обработки экспериментальных данных было получено отношение оТ / аИ = 14,60 для эквивалентного модуля упругости E. После термической обработки плат в печи конвективного оплавления (имитация пайки)
отношение оТ/ аИ = 14,04. С учетом разброса выборочного значения коэффициента
парной линейной корреляции, обусловленного конечным объемом выборки, можно
считать это соотношение практически постоянным и сделать вывод об отсутствии
влияния термического воздействия при пайке на технологический разброс
эквивалентного модуля упругости. Аналогичная картина наблюдалась после 6
месяцев хранения.
В отличие от эквивалентного модуля упругости эквивалентный коэффициент механических потерь, который в исходном состоянии характеризуется отношением оТ / аИ = 3,10, заметно меняется под влиянием термообработки (аТ / аИ = 5,51), восстанавливаясь в процессе хранения практически до исходных величин оТ / аИ = 3,47. Отсюда следует практическая рекомендация о выдержке собранных ячеек после пайки в течение определенного времени до проведения испытаний на вибропрочность во избежание ошибок, обусловленных изменением демпфирующих свойств.
Выводы
1. Предложена и экспериментально апробирована методика относительной статистической оценки технологических разбросов эквивалентных механических характеристик печатных плат для использования в задачах компьютерного моделирования вибропропрочности конструкций электронных средств беспилотных космических аппаратов, обрабатывающих радиосигналы.
2. Установлено существование различимой технологической неоднородности
эквивалентного модуля упругости, которая не меняется после термообработки в печи конвективного оплавления и при хранении.
3. Технологический разброс эквивалентного коэффициента механических потерь менее различим на фоне погрешностей измерений, однако заметно возрастает после прохождения платой рабочего термопрофиля конвейерной печи конвективного нагрева и с течением времени восстанавливается до первоначальных значений. Для уточнения необходимого времени выдержки смонтированных плат до проведения испытаний на вибропрочность необходимы дополнительные исследования.
Авторы выражают благодарность фирме «Петрокоммерц» и лично руководителю технологической службы С.А. Савенко за консультации и
предоставленные образцы печатных плат. Экспериментальные исследования выполнены при финансовой поддержке АО «Концерн «Автоматика» в рамках хоздоговорных НИОКР с Владимирским
государственным университетом.
Библиографический список
1. Безмозгий И.М., Казакова О.И., Софинский А.Н., Чернягин А.Г. Отработка вибропрочности автоматического космического аппарата дистанционного зондирования земли // Космическая техника и технологии. 2014. № 4 (7). С.31 - 41.
2. Софинский А.Н. Система отработки вибропрочности // Космическая техника и
технологии. 2016. № 1 (12). С. 12 - 21.
3. Орлов С.А. Нормирование и отработка бортовой аппаратуры космических аппаратов на механические воздействия // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. 2013. № 1 (47). С. 125 - 129.
4. Veprik A.M. Vibration Protection of Critical Components of Electronic Equipment in Harsh Environmental Conditions // Journal of Sound and Vibration, 2003, no. 259 (1), pp. 161 - 175.
5. Шалумов А.С., Малютин Н.В., Кофанов Ю.Н. и др. Автоматизированная система АСОНИКА для проектирования высоконадежных радиоэлектронных средств на принципах CALS-технологий. - М.: Энергоатомиздат, 2007. Т. 1. - 368 с.
6. Калинцев В.И., Лихачев М.В., Усаков В.И. Полиструктурный подход в нисходящем проектировании аэрокосмической техники // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2016. Т. 1. № 12. С. 363 - 365.
7. Лихачев М.В. Методика нисходящего проектирования космического аппарата // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. 2015. Т. 16. № 2. С. 423 - 429.
8. Кофанов Ю.Н., Новиков Е.С., Шалумов А.С. Информационная технология моделирования механических процессов в конструкциях радиоэлектронных средств. - М.: Радио и связь, 2000. - 160 с.
9. Платы печатные. Методы испытаний физических параметров. ГОСТ Р 55744-2013
Национальный стандарт РФ. ОКС 31.180. - М.: Изд-во стандартов, 2014. - 43 с.
10. Медведев А., Можаров В., Мылов Г. Печатные платы: современное состояние базовых материалов. Печатный монтаж // Приложение к журналу «Электроника: НТБ». 2011. № 5. С. 148 - 162.
11. Медведев А. Технология производства печатных плат. - М.: Техносфера, 2005. -358 с.
12. Мылов Г.В., Медведев А.М., Семенов П.В., Дрожжин И.В. Производство гибких и гибко-жестких печатных плат. - М.: Горячая линия - Телеком, 2016. - 268 с.
13. Медведев А.М. Печатные платы: конструкции и материалы. - М.: Техносфера, 2004. - 302 с.
14. Можаров В.А. Математическая модель зависимости усадки стеклотекстолита от его конструкционных параметров // Труды МАИ. 2013. № 65. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=40666
15. Можаров В.А., Шуман К.В. Адаптация техпроцесса подготовки производства печатных плат высокого класса точности под заданные параметры геометрической стабильности базового материала // Труды МАИ. 2012. № 50. URL: http: //trudymai .ru/published.php?ID=28828
16. Глебов И.В., Котенко В.Д. Способ автоматического управления вакуумной технологией изготовления препрегов // Труды МАИ. 2015. № 83. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=62329
17. Медведев А.М. Сборка и монтаж электронных устройств. - М.: Техносфера,
2007. - 256 с.
18. Соловьев Д.Б., Шалумов А.С., Першин Е.О. Моделирование механических процессов в шкафах радиоэлектронных средств в подсистеме АСОНИКА-М и идентификация физико-механических параметров модели // Наукоемкие технологии. 2011. № 11. С. 25 - 31.
19. Nanahara T., Yamashita K., Inoue T. Identification of System Characteristics of a Power System with Time Series Data-Identification of Frequency Fluctuation Characteristics of a Small-Scale Isolated System // Transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan, 2004, vol. 124, no. 1, pp. 23 - 31.
20. Katsikadelis J.T. System identification by the analog equation method // Boundary Elements XVII Transaction: Modelling and Simulation, Wessex: Institute of Technology, 1995, vol. 10, pp. 512 - 524.
21. Крылов В.П. Определение разрешающей способности процессорных средств входного контроля элементной базы техники связи // Техника средств связи. 1992. № 4. С. 139 - 143.
22. Харман Г. Современный факторный анализ. - М.: Статистика, 1972. - 486 с.
23. Лукомский Я.И. Теория корреляции и ее применение к анализу производства. -М.: Госстатиздат, 1961. - 388 с.
24. Алямовский А.А. Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation. - М.: ДМК Пресс, 2010. - 345 с.
25. Мартюшев С.Г., Дементьев А.А. Трехмерное моделирование внешних
механических воздействий на приборы и устройства в SolidWorks Simulation //
Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им.
академика М.Ф. Решетнева. 2018. Т. 19. № 1. С. 82 - 97.
