CC BY
314
УДК 621.791.3
РАЗРУШЕНИЕ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И АНАЛИЗ ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ РАЗРУШЕНИЙ
Лозовой Игорь Александрович, Турецкий Андрей Владимирович
Воронежский государственный технический университет, Россия, Воронеж
e-mail: tav7@mail.ru
394026, Воронеж, ул. Московский пр-т, д.14, тел. (473) 243-77-06
В данной статье произведен обзор основных факторов влияющих на разрушение паяных соединений в электронной аппаратуре, приведены математические выражения для предварительного анализа максимальных механических напряжений, описана функция определения развивающихся дефектов.
Ключевые слова: припой, прочность, дефект, режим, интерметаллид.
Надежность всех электронных изделий зависит, как от надежности компонентов, так и от надежности механических, тепловых и электрических межсоединений между этими компонентами. Отдельное паяное соединение нельзя оценить по надежности; его надежность оценивается только в выполнении роли межсоединения элементов электронных компонентов с печатной платой. Таким образом, в соединении участвуют три элемента: контактная площадка печатной платы, галтель пайки и присоединительная поверхность компонента [1,2]. Характеристики этих трех элементов, участвующих в межсоединении компонента и монтажной подложки, в сочетании с характеристиками внешней среды определяют приемлемую вероятность отказа электронного оборудования, его надежность.
Пайка — абсолютно не гомогенная структура. Паяные соединения состоят из множества различных материалов: 1) покрытие контактных площадок печатной платы под пайку; 2) один или более интерметаллических составов — твердых растворов олова с металлом печатной платы; 3) промежуточный слой между слоем-интерметаллоидом и припоем со стороны платы; 4) припой, имеющий определен-
ную структуру зерна, состоящую по крайней мере из двух фаз: различных размеров кристаллов и межкристаллических прослоек, содержащих различные загрязнения; 5) промежуточный слой между слоем-интерметаллоидом и припоем со стороны компонента; 6) покрытие на поверхности пайки компонента.
Известны факторы, влияющие на надежность и прочность контактной пары, образованной паяным соединением: конструкция контактной пары; технология изготовления контактной пары; подводимая энергия; паяемость соединяемых поверхностей; соединяемые материалы; припой (паста) и флюс; геометрические параметры контактного соединения; давление; способ нагрева; геометрические размеры и соотношение размеров сторон корпуса элемента; соотношение ТКЛР материалов корпуса элемента и МО.
Отказы паяных соединений делятся на внезапные, параметрические и перемежающиеся [3]. По характеру проявления различают следующие отказы: явный обрыв, микроизлом, микроотслоения.
Одним из самых явных фактором, способствующий разрушению паяного соединения, является предельная механическая нагрузка.
При любых видах нагружения материалы испытывают два вида напряжений [4]: нормальные (растягивающие или сжимающие) и касательные (тангенциальные). При осевом растяжении стержня металла или припоя произвольной длины силой F нормальные растягивающие напряжения перпендикулярны поперечному сечению стержня и равны
а = F/S,
а максимальные касательные напряжения направлены под углом 45° к оси растяжения и равны половине нормальных напряжений
т = 0,5а.
При анализе паяных соединений относительные величины напряжений и их направления могут существенно отличаться от случая простого растяжения стержня.
В соответствии с этими двумя видами напряжений существуют и два макроотличных типа разрушения: разрушение путем отрыва от действия максимальных
нормальных напряжений и разрушение путем среза от максимальных касательных напряжений.
Прочность паяного соединения зависит от устойчивости к воздействию механических нагрузок его слабого звена. Таким слабым звеном могут являться в первую очередь дефекты формирования паяного соединения и его поверхности, непропаи, неспаи, общая или локальная эрозия основного металла, а также структурночувствительные дефекты — газовые и усадочные поры, кристаллизационные, релаксационные и термические трещины, прослойки хрупких химических соединений, флюсовые и шлаковые включения.
При расчетной оценке прочности паяных соединений необходимо учитывать сложный характер напряженного состояния под нагрузкой [4]. Примем, что напряжения в шве не превышают предела упругости припоя, чтобы использовать схему анализа клеевых и адгезионных соединений. При этом модуль упругости паяного шва Еі меньше модуля упругости основного металла Е.
В нахлесточных соединениях в результате относительного сдвига соединяемых элементов и искривления под действием изгибающего момента создаются касательные напряжения т и нормальные напряжения oz и оу, неравномерно распределенные по длине и толщине нахлестки. При этом концентрация касательных напряжений тем выше, чем выше отношение Е/Е1. В зоне спая (там, где образуется диффузионная зона, химические соединения и «прикристаллизованный» слой интерме-таллидов) сдвиговые деформации максимальны, и в результате структурной неоднородности, возникающей при кристаллизации, они плохо передаются в толщу паяного шва и практически не релаксируют. Высокая концентрация напряжений приводит к отрыву припоя от основного металла.
При пайке таких соединений особое внимание следует уделять созданию качественного спая, то есть выполнению всех условий надлежащего формирования паяного шва с симметричными и плавными галтелями, поскольку наибольшие значения касательных напряжений q приходятся на край галтели
ap
2
І
1 + ch (alH)
sh (alH)
где
2G b
a = A-------
V E Fd'
Принимая из условий статической равнопрочности
lH = 2t, F = b • t,
получим
al =
8G t_ E d
Коэффициент концентрации напряжений
b
al (1 + ch (al) ^ 2 ^ sh (al)
Рисунок 1 - Паяное соединение внахлестку, нагруженное осевыми силами
Чем меньше отношение G/E, где G — модуль сдвига паяного шва, а E — модуль упругости основного металла, тем меньше коэффициент концентрации и тем более вероятно выравнивание q0 при малых деформациях.
Существенное значение для анализа напряженного состояния имеет способ закрепления компонентов, условия приложения и направление действия внешних сил с учетом внутренних напряжений. Для обеспечения надлежащих условий формирования паяного соединения на плате со стороны технологии необходимо использование эффективного флюса, обеспечение оптимальных технологических зазоров, выполнение установленных режимов пайки, а также дозирование припоя, обеспечивающее образование плавных галтелей с гладкой безусадочной поверхно-
стью.
Так же к одним из самых главных причин разрушения паяного соединения необходимо отнести фактор старения оловянно-свинцовых припоев.
Структура зерна припоя, как правило, нестабильна во времени. Со временем зерно растет, поскольку это уменьшает внутреннюю энергию кристаллической структуры. Этот процесс роста зерна ускоряется с увеличением температуры и при термоциклической нагрузке. Процесс роста зерна — провоцирует накапливающуюся усталость [2]. По мере роста зерна увеличиваются межкристаллитные прослойки, в которые вторгаются чуждые для кристаллов всевозможные загрязнения припоя и вакансии в виде пустот. Из-за этих диффузионных процессов укрупнения кристаллов прочность припоя падает.
После того, как образуется 25% вакантных микропустот, при соответствующих механических нагрузках происходит разрушение паяного соединения по границам зерен. Эти микропустоты превращаются в микротрещины, если их объем достигает 40%. Вакансии микропустот увеличиваются в объеме, микротрещины растут и соединяются в макротрещины, ведущие к полному разрушению паяного соединения (см. рис. 2).
С. Басаран и С. Ян открыли функцию развития дефектов [5] с помощью термодинамической теории. Их уравнение дефектов прогнозирует жизненную усталость припоя.
Рисунок 2 - Описание эффектов накапливающихся дефектов
усталости в структуре паяного соединения;
D = 1 _ e~(De_Df/ NokT / ms)
где D - монотонно возрастающая скалярная переменная дефектов в текущем состоянии, Т - абсолютная температура, N0 - постоянная Авогадро, к - постоянная Больцмана, ms - среднемолекулярное молярное число, р - удельный вес, Оу - тензор
напряжений, dep - приращение тензора пластической деформации, g - распределенный внутренний уровень высокой температуры на единицу массы, q - тензор теплового потока.
Возрастающая зависимость напряжение-деформация, изменяемая дефектами, может быть получена из принципа эквивалентности напряжения
dSj = (1 - D)Cykldeek;,
ds1} - увеличение тензора напряжения; Cm - базовая матрица эластичности; dekl - возрастающий тензор пластичной деформации.
Наиболее существенный вклад этой модели - то, что у нее есть только четыре материальных параметра. Эта модель способна к предсказанию широкого диапазона образцов деформации в монотонном, циклическом, и пластичных режимах. Учитывается зернистая структура паяного соединения и ее изменение в широком диапазоне.
Паяное соединение — сложная металлическая структура, надежность которой существенно зависит от загрязнений припоя, создающих расслоение паек и увеличение зернистости с образованием межкристаллических пустот, переходящих в трещины. Скорость наступления отказов прямо связана с количеством циклических нагрузок, вызывающих усталостные разрушения.
Список использованной литературы
1. Медведев А. Технологическое обеспечение надежности электронной аппаратуры/ Новостной и аналитический портал «Время электроники»
http://www.mssianelectronics.ru/engmeer-r/review/339/doc561.phtml
2. Engelmaier W. Solder Joint Reliability, Accelerated Testing and Result Evaluation//Chapter in Solder Joint Reliability: Theory and Applications, John Lau — Editor, Van Nostrand Reinhold, New York, 1990.
3. Ларин В. П. Технология пайки. Методы исследования процессов пайки и паяных соединений: Учеб. пособие/ СПбГУАП. СПб., 2002. 42 с
4. Парфенов А. Введению в теорию прочности паяных соединений// Технологии в электронной промышленности, №2 2008 с 46-52
5. Basaran C. Damage-Mechanics-Based Constitutive Model for Solder Joints.// Basaran, C., Zhao, Y., Tang, H., Gomez, J./ ASME Journal of Electronic Packaging./ Vol /127, September 2005. ISSN: 1528-9044
THE FRACTURE INITIATION OF SOLDERED JOINTS AND ANALYSIS REASON ORIGIN DESTRUCTION
Lozovoj Igor Aleksandrovich , Turetsky Andrey Vladimirorvich
Voronezh state technical university, Russia, Voronezh e-mail: tav7@mail.ru
In this article performed survey a basic factor influence of destruction soldered joints, has bring mathematical form for preliminary analysis maximal mechanical stresses, described function for adjectives develop defect.
Key words: solder, strength, defect, behavior, intermetallid.
