CC BY
237
УДК 681.3
Макаров О.Ю., Слинчук С.А., Суслова О.Е., Турецкий А.В.
Воронежский государственный технический университет, Россия, Воронеж
СРЕДСТВА ИНЖЕНЕРНОГО АНАЛИЗА МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Аннотация. В статье рассматриваются средства и методы анализа многослойных печатных плат на механические характеристики. Представлены возможности современных средств моделирования и инженерного анализа.
Ключевые слова: многослойная печатная плата, механические характеристики, надежность.
Современные радиоэлектронные средства отличаются, как правило, высокой сложностью и способностью работать в тяжелых условиях эксплуатации, что накладывает отпечаток на конструкцию и методы проектирования. При создании практически на всех этапах широко применяется машинное моделирование и компьютерный инженерный анализ.
Одним из основных несущих конструкций радиоэлектронного средства является печатная плата, обеспечивающая механическое и электрическое соединение электронных компонентов. В сложных устройствах платы, как правило, многослойные. Многослойная печатная плата представляет собой довольно сложную конструкцию, состоящую из большого числа отдельных элементов, соединенных между собой. Часто это высокотехнологичное изделие, позволяющее обеспечить высокую плотность упаковки компонентов. В связи с постоянной тенденцией к уменьшению габаритов уменьшается также ширина проводников и диаметры переходных отверстий. Меньше также толщина фольги, по сравнению с традиционными односторонними и двухсторонними платами. Все это позволяет значительно сократить размеры печатного узла. Однако такие платы также обладают и недостатками, одними из которых являются низкая ремонтопригодность и большая подверженность механическим нагрузкам. Так как внутри платы существует множество металлизированных отверстий, соединенных между собой, то при механических деформациях или температурных воздействиях выход какого либо из них из строя (потеря контакта) приводит к потере работоспособности всей платы а, следовательно, и устройства.
При создании радиоэлектронного устройства опытный образец на конечных этапах проектирования обязательно подвергают широкомасштабным испытаниям на климатические и механические воздействия. Выявленные недостатки устраняют, что требует иногда серьезной переработки конструкции. Целесообразнее заранее, на этапе проектирования методами компьютерного моделирования осуществлять анализ печатных плат на механические воздействия. Тогда количество доработок можно существенно уменьшить.
Подобные решения предлагались в [1], только применительно к исследованиям характеристик радиоэлектронных модулей. Рассмотрим существующие средства анализа печатных плат на механические характеристики.
Разрушение межслойного отверстия внутри печатной платы происходит в результате растрескивания и расслоения металлизации из-за термомеханических напряжений. Из-за нагрева и различных коэффициентов термического линейного расширения материалов, составляющих плату (стеклотекстолит, медь, припой) появляются циклические напряжения на место контакта. В работе [2] печатные платы подвергались циклическому температурному воздействию и термоудару, а затем анализировались межслойные отверстия с помощью микроскопа.
При этом получены следующие выводы [2]:
1. Отказ металлизированных отверстий происходит главным образом из-за растрескивания краев. Это можно подтверждается термоциклированием и термоударом.
2. Растрескивание краев в большой степени зависит от растрескивания припоя и надежность межслойных отверстий можно повысить, предотвратив растрескивание.
3. Экспериментально подтверждено, что чем больше разница температур испытания и чем выше скорость изменения температуры, тем быстрее разрушается межслойное отверстие.
Однако в работе предполагается дальнейшая статистическая наработка результатов для выявления строгих закономерностей, подлежащих математическому описанию.
Разрабатываются также методики тестирования прочности соединения мелких компонентов с контактными площадками платы [3] , пригодные для использования в экспресс диагностике при выходном контроле радиоэлектронных модулей.
Эта методика предполагает использование стандартного стенда «Кондор 150-3», в котором используется резец для сдвига компонентов, припаянных на тестовую печатную плату под различными углами. В работе [3] приводятся конструкции, позволяющие оснастить установку средствами технического зрения для определения картин отслоения припоя и появления дефектов. В дальнейшем предполагается это использовать при автоматическом определении надежности монтажа электронных компонентов средствами неразрушающего контроля. Такие средства также можно использовать после испытания в климатической камере и на вибростенде.
Рассмотрим также современные компьютерные средства инженерного анализа, позволяющие осуществлять моделирование механических и температурных воздействий.
Для анализа процессов теплообмена может быть использован пакет ANSYS Icepak, представляющий собой специализированную программу из семейства ANSYS. ANSYS Icepak использует в своем составе усовершенствованный решатель с автоматическим генератором сеток. Пакет включает в себя также библиотеки стандартных электронных компонентов со сведениями о геометрических размерах, свойствах материала, параметрах сетки и граничных условиях. Данный программный продукт позволяет рассчитывать все виды теплообмена: теплопроводность, конвекция, теплообмен излучением.
Возможно выполнение расчетов как для стационарного, так и для нестационарного потока.
Для моделирования механических характеристик применяется ANSYS Mechanical™, позволяющий решить множество задач механики деформируемого твёрдого тела или получить сопряжённое решение задачи механики с решением задач других областей физики, например, теплопереноса или электромагнетизма.
Возможности продукта следующие.
Прочностной анализ:
- статический;
- устойчивость (линейная, нелинейная);
- динамический: (анализ переходных процессов, модальный анализ, гармонический отклик, спек-
тральный отклик, случайные вибрации).
Тепловой анализ:
- стационарный;
- переходный;
- тепловые модели (проводимость, конвекция, излучение, радиация в виде коэффициентов матрицы, фазовый переход, характеризуемый энтальпией).
Междисциплинарный анализ:
- акустический/прочностной;
- термический/прочностной;
- тепловой/электрический;
- тепловой/электрический/ прочностной;
- пьезоэлектрический;
- пьезорезистивный;
- взаимодействие конструкции с текучей средой;
- универсальный модуль расчета связанных полей.
Стоит отметить, что вместе с широкими возможностями программы ANSYS обладают весьма большой стоимостью и сложностью в адаптации к реальным конструкциям. Обычному инженеру- проектировщику РЭС подчас сложно освоить эти программные продукты.
При проектировании РЭС также широко применяются программы пакета Creo Parametric (бывший PRO Engineer).
Creo Mechanica обладает следующими возможностями:
- статический анализ для расчёта напряжений и перемещений, включая контактные нелинейные задачи;
- модальный анализ для незакреплённой и закреплённой модели;
- возможности расчёта на устойчивость позволяют определить критическую для конструкции нагрузку;
- анализ стационарной теплопередачи для оценки воздействия на модель постоянной тепловой нагрузки и граничных условий.
Кроме того, конструкторы могут самостоятельно выполнять комплексный прочностной и тепловой анализ, где результаты теплового анализа используются в качестве нагрузки для ^атического анализа.
Имеются следующие возможности конструкторского анализа и нахождения оптимального решения:
- взаимодействие с модулем Creo Mechanism Dynamics Option для получения данных о нагрузках на элементы механизма;
- расчёт локальной и глобальной чувствительности, который позволяет инженеру оценить воздействие отдельных изменений на состояние конструкции в целом;
- целевая комплексная оптимизация, которая обеспечивает наилучший профиль модели, т.е. совокупность таких характеристик проектирования, как размеры модели и значения параметров;
- взаимодействие с модулем Creo Behavioral Modeling, где есть расширенные функции оптимизации, как, например, планирование эксперимента.
Анализируя приведенные программные пакеты можно сказать, что они имеют достаточно широкие возможности по моделированию тепловых и механических характеристик конструкций. Однако в них отсутствуют приложения, предназначенные для анализа надежности многослойных печатных плат. Следовательно, целесообразно создание методики инженерного анализа механических характеристик многослойных печатных плат с применением современных пакетов конструкторского проектирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. И.А. Лозовой, А.В. Турецкий Методика анализа радиоэлектронных модулей на механическую прочность. М.: Радиотехника №3, 2013 С. 85-88
2. Князев А., Борисенков С. Испытания надежности печатных плат при помощи термоциклирова-ния и термоудара. Технологии в электронной промышленности, № 1, 2008 С. 21-24
3. Дирк Шаде (Dirk Schade), Уве Папе (Uwe Pape), Йенс Кокот (Jens Kokott), Вальдемар Каммрат (Waldemar Kammrath), Михаэль Дост (Michael Dost) Мультифункциональная испытательная установка для автоматизированного определения механической прочности конструкций Технологии в электронной промышленности, № 6, 2009 С. 40-44
