CC BY
83
УДК 629.78+621.382.049.77
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЭЛЕКТРОННЫХ УЗЛОВ
© 2016 А.В. Иванов, М.Н. Пиганов
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
Статья поступила в редакцию 08.11.2016
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.
Ключевые слова: электронный узел, паяное соединение, припой, качество, надёжность, усталостная прочность, модели надежности, программа расчета, сравнительная оценка.
ВВЕДЕНИЕ
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 свинец-содержащими так и бессвинцовыми припоями.-
Пайка представляет собой соединение монтажного проводника или вывода электро-радиоизделия (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
Иванов Андрей Васильевич, аспирант кафедры конструирования и технологии электронных систем и устройств. E-mail: kipres@ssau.ru
Пиганов Михаил Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры конструирования и технологии электронных систем и устройств. E-mail: piganov@ssau.ru
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 паики 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:
Nf( 50%) = -•
2Е
AD
(1)
где m - усталостный коэффициент;
ef - коэффициент пластического усталостного разрушения, равен 0,325 для почти эвтектических оловянных припоев;
DD - размах циклической нагрузки;
Nf (50%) - среднее значение циклов работы до отказа.
Показатель m определяется из выражения:
^ = 0,042 + 6 • 10-4 • TSJ - 1,74 • 10-2 • ln (l + 3°), (2)
где Tsj - 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:
rF • DNP • ACTE • ATI
AD =
AD =
(133 psi)-A-h
где F - технический параметр, ~1,0;
К - диагональная жесткость вывода на изгиб;
А - 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:
— = Х ( \ Т^ - 4 • [Тс + Тс,о + Т5 + Т5,0),
где Тс, Т8 - максимальные за цикл температуры компонента и подложки соответственно;
Тс0, Т80 - минимальные за цикл температуры компонента и подложки соответственно.
А величину АТе предложено определять следующим образом:
АТе =
СТЕс ■ (Тс - Тс,0) - СТЕ3 ■ (Ts - TSi0)
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;
ДСТЕ - разность коэффициентов ТКЛР; ДТ - отклонение температуры в течение цикла;
h - высота паяного соединения, а для компонентов с выводами по следующей формуле:
У- К- (БЫР ■ АСТЕ ■ АТ)21
СТЕс - CTES
Она заменяет ДТ 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:
где C0 - характеризует связь между усталостным процессом и количеством циклов до отказа;
Cj - 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 °С; чем короче время t0 , 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 (СТЕ) 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 h L K A CTE
(мм) (мм) (мм) (Н/мм) (мм2) (ppm/°C)
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 Tso (оС) Ts (оС) Tco (оС) Tc (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 / С0 с1 С2 to CTE (ррщ/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 отказа 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 Ротк общ (%) Ротк мест (%) Ротк 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
тестовой задачи подтвердило эффективность программы расчета показателей надежности системы компонент-припой-печатная плата.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. 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.
2. 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.
3. ЮрковН.К. Технология радиоэлектронных средств. Пенза: Изд-во ПГУ. 2012. 640 с.
Таблица 10. Вероятность отказа системы (расчетные значения)
i Компонент Ротк общ (%) Ротк мест (%) Ротк 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
4. Руководящие указания по ускоренным методам испытаний на надёжность паяных соединений технологии поверхностного монтажа: IPC-SM-785, - Association Connecting Electronics Industries. 1992. 44 с.
5. Парфенов А.Н. Введение в теорию прочности паяных соединений // Технологии в электронной промышленности. 2008. №2. С.46-52.
6. Кузнецов О.А., Погалов А.И. Прочность паяных соединений. М.: Машиностроение, 1987. 112 с.
7. Engelmaier W. How to Estimate Solder Joint Reliability, Part 1 // Global SMT & Packaging. September 2007. Vol. 7. No. 9. pp. 60-64.
8. WildR.N. Some Fatigue Properties of Solders and Solder Joints // IBM Tech. Rep. 73Z000421. January 1973.
9. Engelmaier W. How to Estimate Solder Joint Reliability, Part 2 // Global SMT & Packaging. October 2007. Vol. 7. No. 10. pp. 64-66.
10. 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.
11. Engelmaier W. Model for Solder Joint Reliability Estimation - A Proposal // Global SMT & Packaging. September 2009. Vol. 9. No 9.
12. Павлов Н.И. Исследование ресурса прочности паяных соединений электронных модулей, выполненных по совмещённой технологии (оловян-но- свинцовой и бессвинцовой ). Автореф. дис. ... канд техн. наук. М.: МАИ. 2012. 16 с.
UALITY CONTROL OF SOLDER CONNECTIONS OF ELECTRONIC ASSEMBLIES
© 2016 A.V. Ivanov, M.N. Piganov
Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov
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.
Keywords: electronic assembly, solder connection, solder, quality, reliability, fatigue strength, reliability models, calculation program, comparative evaluation.
Andrey Ivanov, Post-Graduate Student at the Design and Technology of Electronic Systems and Devices Department. E-mail: kipres@ssau.ru
Mikhail Piganov, Doctor of Technical Science, Professor at the Design and Technology ofElectronic Systems and Devices Department. E-mail: piganov@ssau.ru
