Технологическое обеспечение надежности электронной аппаратуры

Когда хотят сказать о долговременной добротности каких-либо изделий, говорят об их качестве и надежности.

Следует заметить, что термины «качество» и «надежность» употребляются вместе, чтобы подчеркнуть существующую между ними взаимосвязь.

Качество изделия в общем случае определяется как его соответствие требованиям технической документации в момент проведения контроля и испытаний. Надежность характеризует способность изделия отвечать заданным требованиям в процессе эксплуатации. В известном смысле проблема надежности фактически представляет собой проблему качества. Тем не менее, вполне возможен случай, когда результаты, полученные в процессе приемо-сдаточных испытаний, находятся в пределах, установленных требованиями технических условий, то есть, вполне соответствуют требованиям системы обеспечения качества, и, в то же время, данное изделие может иметь скрытые дефекты, в конечном итоге приводящие к преждевременным отказам аппаратуры. Поэтому эксплуатационные показатели надежности печатного монтажа могут отличаться от показателей, получаемых при испытаниях на соответствие требованиям технических условий. Следовательно, задача оценки качества изделий состоит также и в использовании методов и средств, позволяющих распознавать и выделять элементы межсоединений, которые не соответствуют определенным критериям надежности.

ВВЕДЕНИЕ

Задачи теории и практики надежности могут решаться двумя методами. Первый основан на изучении статистических закономерностей поведения объекта как совокупности составляющих его элементов, по отношению к которым поведение ее отдельных элементов является случайным.
При этом с точки зрения оценки надежности все разнообразие состояний объекта сводится к двум состояниям: исправному и неисправному. Эти состояния описываются функциями надежности, получаемыми статистическими методами.
Второй метод, который как раз относится к технологической области, основан на физико-химическом подходе к обеспечению надежности технических объектов, состоящем в выявлении слабых звеньев (неоднородностей структуры) и изучении процессов их деградации в функции «неоднородность – нагрузка». Эти свойства и процессы описываются зависимостями, отражающими физико-химические закономерности возникновения отказов. Основываясь на этих закономерностях, можно предупредить появление брака.
Физико-химические процессы, приводящие к отказам межсоединений, очень сложны; природа их исследована недостаточно. Как правило, число факторов, которые необходимо учитывать при исследовании закономерностей постепенных и внезапных отказов, очень велико. Эффективность же способов обеспечения заданной надежности межсоединений при проектировании, изготовлении и эксплуатации определяется уровнем знаний всего комплекса факторов, влияющих на надежность.
Очевидно, что существенным фактором обеспечения надежности элементов межсоединений является правильно организованный контроль качественного состояния, чему способствует обеспечение контролепригодности на этапе проектирования.

Рациональное построение систем выявления причин и предвестников отказов, оптимальное использование полученной информации об отказах для управления качеством изделий при производстве и их состоянием в процессе эксплуатации позволяют вскрывать и использовать имеющиеся резервы повышения надежности электронной аппаратуры.

В зарубежной практике уже сложились правила совместной поэтапной работы конструктора и технолога:
– обеспечение технологичности — Design for Manufacturability (DfM);
– обеспечение сборки — Design for Assembly (DfA);
– обеспечение контролепригодности — Design for Testability (DfT);
– и, наконец, обеспечение надежности — Design for Reliability (DfR).

Требования к этим процессам взаимодействия всех служб предприятия при проектировании и изготовлении электроники изложены в зарубежных стандартах, в частности, в IPC-A-620, ANSI/J-STD-001, IPC-SM-785, IPCD- 279 [1-4]. Конечно, можно и должно ориентироваться и на наши стандарты оценки качества, в частности, на «ГОСТ 23752. Платы печатные. Общие технические условия». Но необходимость в дополнительных мерах говорит о том, что стандартная оценка качества электронных изделий необходима, но недостаточна. Требуются дополнительные усилия, направленные на обеспечение надежности на этапах проектирования и производства. Возможности новых технологий простираются не только на обеспечение больших плотностей межсоединений, но и на надежность электронных изделий. Надежность паек становится все более важной проблемой с уменьшением элементов присоединения компонентов поверхностного монтажа типа TSOP, BGA, CGA, MCM (многокристальные модули), СОВ (кристалл на плате) и т.д. Надежность металлизированных сквозных и глухих отверстий (PTV) также становится более критичной с уменьшением их диаметров. Разработки и поставки на рынок новых материалов и их комбинаций, особенно тех, что имеют уменьшенные значения коэффициентов теплового расширения во всех направлениях, специально направлены на решение этих задач. Другая проблема надежности — электрическая изоляция в уменьшающихся зазорах между элементами соединений — требует для своего решения ужесточения требований к очистке поверхностей и поддержания этой чистоты в среде чистых производственных помещений.

ПАЯНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

МЕХАНИЗМЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ И ОТКАЗА

Надежность электронных изделий целиком и полностью зависит как от надежности компонентов, так и от надежности механических, тепловых и электрических межсоединений между этими компонентами. Отдельное паяное соединение само по себе ни надежно, ни ненадежно; его надежность оценивается только в контексте выполнения роли соединения присоединительных элементов электронных компонентов с печатной платой. Таким образом, в соединении участвуют три элемента: контактная площадка печатной платы (в частности, покрытие под пайку), галтель пайки и присоединительная поверхность компонента (в частности, вывод). 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.

Структура паяных соединений

Пайка — абсолютно не гомогенная структура. Паяные соединения состоят из множества достаточно различных материалов:
1) покрытие контактных площадок печатной платы под пайку;
2) один или более интерметаллических составов — твердых растворов олова (Sn) с металлом печатной платы (медью);
3) промежуточный слой между слоем-интерметаллоидом и припоем со стороны платы;
4) припой, имеющий определенную 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.
Структура зерна припоя, как правило, не стабильна 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. По мере роста зерна увеличиваются межкристаллитные прослойки, в которые отторгаются 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. 1).

Усталостные разрушения часто провоцируются термомеханическими нагрузками, вызванными значительными различиями в коэффициентах термического расширения материалов подложки и компонентов. Циклические напряжения сдвига, возникающие, например, при включении и выключении аппаратуры, вызывают укрупнение зерна припоя и его ослабление. Поскольку межкристаллитные прослойки и вакансии, образующие поры и микротрещины, формируются из посторонних для припоя элементов, надежность паяных соединений прямо связана с загрязнениями припоя: собственных и растворяющихся в припое покрытиях плат и компонентов (см. рис. 2).

Неблагоприятное сочетание материалов по КТР

Термомеханические нагрузки на пайках возникают при наличии различий в коэффициентах термического расширения (КТР) сочленяемых материалов из-за тепловыделений на активных компонентах, вызывающих тепловые градиенты, приходящиеся на пайки. Для оценки значимости термомеханических напряжений используют три параметра: различия в КТР сопрягаемых материалов (Da), перегрев (DТ) и расстояние между точками сопряжения (LD), как показано на рисунке 3.

Локальное несоответствие КТР

Местное (локальное) несоответствие КТР относится к разнице тепловых расширений припоя в зоне пайки и материала корпуса электронного компонента или печатной платы.
Последствия от локальных различий КТР слабее воздействуют на паяную галтель из-за небольших расстояний, на которых они действуют. Но с ними приходится считаться, когда различия в КТР становятся значительными.

РАЗЛИЧИЯ ВО ВНУТРЕННИХ РАСШИРЕНИЯХ

Внутренние расширения возникают при ликвациях (фазовых расслоениях) припоя, богатых содержанием олова или свинца. Эта разница в КТР может достигать 6•10^–6°C^–1. Внутреннее тепловое расширение действует на дистанции, соизмеримой с размером зерна припоя, и поэтому является намного меньше, чем даже локальные несоответствия КТР.
Разрушения паяных соединений Отказы паек компонентов к монтажной подложке воспринимаются как полное разрушение паяного соединения. Учитывая, что обычно паяное соединение испытывает напряжение сдвига в тангенциальном (см. рис. 4), а не в нормальном направлении, механическое разрушение паяного соединения не обязательно сопровождается сразу электрическим отказом. Электрическая цепь сначала воспринимает механическое разрушение как мерцающий контакт, как случайное возникновение при короткой продолжительности (меньше одной микросекунды) высокого сопротивления межсоединения во время механических или термических воздействий (чаще, вибрации или термоциклов).
С практической точки зрения отказ пайки определен как первое наблюдение такого случая. Однако лучше было бы диагностировать паяные соединения так, чтобы можно было бы своевременно обнаружить и предупредить накапливающиеся усталостные явления.

ДИАГНОСТИКА НАДЕЖНОСТИ

Моделирование усталостных разрушений

Экспериментально установлено [5, 6], что для расчета наработки на отказ паек поверхностно монтируемых компонентов можно привлечь уравнение Коффина-Мэнсона (Coffin-Manson), применимое для прогнозирования малоцикловых усталостных разрушений, но выведенное для распространенных конструкционных металлов. Энгельмайер (Engelmaier) использовал это уравнение для расчета надежности паек применительно к их пластическим деформациям (за пределами упругих деформаций). Это позволило характеризовать надежность паяных соединений устойчивостью к определенному количеству термоциклов или знакопеременным механическим нагрузкам N_f[7]:

где

— коэффициент пластического усталостного разрушения, равный для ПОС61 0,325 (для других сплавов этот коэффициент явно другой);

— размах циклической нагрузки.
Чтобы представить меру внешних воздействий, которые могут вызвать усталостные напряжения, в таблице 1 показаны различные условия эксплуатации аппаратуры различного назначения. Из приведенных в этой таблице сведений можно увидеть, откуда формируются исходные данные для расчетов теплового поведения паек в циклах нагрева и охлаждения в функции температуры и времени, чтобы рассчитать динамику процесса накопления усталостных ослаблений.
В расчетах нужно учитывать и еще одну особенность припоев, состоящую в их особой пластичности, то есть, они могут деформироваться под действием возникающих напряжений.
Релаксация ослабляет эти напряжения. Но при обратном цикле нагрузки релаксированные соединения получают еще больший размах деформаций. Экспонента 1/с в уравнении (1) с учетом релаксационных явлений имеет вид:

где

— средний температурный размах термоциклов; t_D — время полуцикла в минутах.
Продолжительность полуцикла зависит от циклической частоты и формы циклов и устанавливается на время, доступное для процессов релаксации напряжений.

Для типичных условий эксплуатации электронной аппаратуры (

в пределах от 0 до 100°C и t_D — от 15 до 720 минут) экспонента (–1/c) располагается в диапазоне между 2,0 и 2,6.
Уравнения (1) и (2) дают общее представление о зависимостях временных накоплений усталостных разрушений от количества и размаха термоциклов применительно к реологическим свойствам припоев в пластической области деформаций.
Конечно, эти деформации вызваны различиями в КТР и за счет релаксационных явлений имеют гистерезис. Гистерезисные формы деформаций паяных соединений при циклических термических нагрузках были экспериментально получены в [8].
моделирование разрушений Оценка циклически накапливающего усталостного разрушения — не прямая задача. Выражение (1) широко используется для объяснения общих закономерностей усталостных разрушений. Но более актуально использовать простые формы расчетов, исключающие элементы второго порядка и использующие простые коэффициенты, полученные эмпирическим путем.
Такие выражения были получены [9] и после широкой апробации планируются к использованию в стандартах МЭК. Размах циклических нагрузок, вызывающий пластическую деформацию паяных соединений безвыводных компонентов, означающую наступление малоцикловых усталостных разрушений, описывается выражением:

Для пайки выводов, имеющих возможность демпфировать нагрузки на пайки:

Уравнения (3) и (4) содержат конструкционные характеристики паяных соединений, имеющих первостепенное влияние на надежность поверхностного монтажа:
— А — минимальная площадь пайки вывода компонента;
— F — эмпирический «неидеальный» коэффициент, показывающий отклонение реального паяного соединения от идеального и учитывающий такие несовершенства, как коробление, неидеальные формы паек, различные расстояния между присоединительными элементами, наличие ломких интерметаллоидов, ликваций из-за обогащения припоя свинцом, неуверенность в точности формул (1)-(4). Коэффициент F принимает значения от 1,0 до 1,5 для шариковых выводов, от 0,7 до 1,2 — для безвыводных компонентов, и l — для компонентов с выводами;
— h — высота пайки, обычно ее принимают за S от высоты нанесенной через трафарет паяльной пасты;
— K_D — «диагональная» изгибная жесткость свободных от пайки выводов;
— L_D — максимальное расстояние между присоединительными элементами;
— T_C и T_S — установившаяся температура компонента и подложки (обычно, TС > TS) в процессе пайки или работы аппаратуры;
— T_C,0 и T_S,0 — установившаяся температура компонента и подложки во время пребывания аппаратуры при низких температурах (аппаратура выключена);

— среднециклическая температура;
— a_C и a_S — КТР компонента и подложки;
—

— потенциально разрушающее усталостное напряжение с учетом полной релаксации;

размах температурного цикла для компонента;

размах температурного цикла для монтажной подложки;

абсолютная величина температурного расширения с учетом дополнительной температуры перегрева компонентов за счет рассеиваемой мощности;

абсолютная разница в коэффициентах температурного расширения (КТР) компонента и монтажной подложки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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.
В последующих публикациях будут показаны подробности расчетов надежности паяных соединений в зависимости от конструкционных и технологических факторов.

Литература
1. IPC-A-620. Acceptability of Electronic Assemblies with Surface Mount Technologies, for overall workmanship.
2. ANSW-STD-00l. Requirements for Soldered Electrical and Electronic Assemblies.
3. IPC-SM-785. Guidelines for Accelerated Reliability Testing of Surface Mount Solder Attachments.
4. IPC-D-279. Design Guidelines for Reliable Surface Mount Technology Printed Board Assemblies.
5. Engelmaier W. Effects of Power Cycling on Leadless Chip Carrier Mounting Reliability and Technology. Procedings of International Electronics Packaging Conference (IEPS)//San Diego, CA, November 1982.
6. Engelmaier W., Attarwala A.I. Surface-Mount Attachment Reliability of Chip-Leaded Ceramic Chip Carriers on FR-4 Circuit Boards//IEEE Trans. Components, Hybrids and Manufacturing Technology. Vol. CHMT-12, № 2, June 1989.
7. 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.
8. Wilcox J.R., Subrahmanyan R., Li C.-Y. Thermal Stresses and Inelastic Deformation of Solder Joints//Proceedings of 2nd ASM Int. Materials and Processing Congress, ASM, 1989.
9. Engelmaier W. Surface Mount Solder Joint Long-Term Reliability: Design, Testing, Prediction//Soldering&Surface Mount Technology. Vol. 1, February 2004; flso in IPC Technical Paper IPC-TP-797. The Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits, Lincolnwood, IL, January 2005.