Надёжность паяных соединений часто становится очень неприятной проблемой при разработке электронных систем. На неё влияет множество различных факторов, и каждый из них может значительно сократить срок службы соединений.

Точное выявление и устранение потенциальных причин отказа паяных соединений в процессе проектирования и изготовления может предотвратить ряд сложных проблем и связанные с ними убытки на более поздних этапах жизненного цикла продукта. В этой статье описаны некоторые из наиболее распространённых причин отказа паяных соединений.

1. Нежелательные напряжения, вызванные применением покрытий

Для защиты электронных компонентов от неблагоприятных воздействий внешних факторов часто применяются различные технологии покрытий: заливка (potting), нанесение полимера под корпус (underfill) и покрытие платы тонким слоем (conformal coating) и другие. Однако у полимерных материалов могут быть очень разные термические и физико-механические свойства.

Если свойства материала покрытия не учтены в процессе проектирования, они могут создать сложные условия нагружения, которые отрицательно сказываются на надёжности паяного соединения. Например, когда на сборку наносится покрытие методом погружения, полимер затекает под корпуса компонентов поверхностного монтажа, таких как BGA (ball grid array) и QFN (quad-flat no-leads). Материал покрытия будет расширяться в условиях циклических изменений температуры, приподнимая компоненты с платы, и создавая, таким образом, дополнительные напряжения растяжения в паяных соединениях. При определённых условиях монтажа компонентов и методах нанесения покрытия эти напряжения растяжения могут быть достаточно большими, чтобы оказать существенное влияние на усталостную прочность паяного соединения.

Наиболее важными свойствами, которые следует учитывать при выборе материала покрытия, являются температура стеклования (переход из высокоэластичного состояния в твёрдое стеклообразное), а также модуль упругости и коэффициент линейного теплового расширения для температур как выше, так и ниже температуры стеклования.

Часто проблему вызывают материалы с высокой температурой стеклования и не до конца изученными свойствами. Модуль упругости некоторых полимеров, используемых для заливки электронных компонентов, при охлаждении ниже температуры стеклования может увеличиваться в 20 раз. Если в термоцикле достигаются температуры ниже температуры стеклования такого материала, в припое за время холодной выдержки возникают высокие напряжения и соответствующие деформации ползучести, существенно уменьшающие усталостную долговечность.

В данной статье приведены лишь некоторые примеры сложных условий нагружения, которые могут возникнуть от недопонимания термических и физико-механических свойств материалов покрытия. Ниже представлена запись вебинара, в котором рассмотрены проблемы надёжности, связанные с заливкой и нанесением покрытий.

Запись вебинара о покрытиях и заливках печатных плат (на английском языке)

2. Недооценка температурного цикла

Ещё одной распространённой причиной неожиданного выхода из строя паяного соединения является недооценка параметров температурного цикла, испытываемого электронным прибором. Неожиданные изменения температур в печатной плате и её компонентах могут быть вызваны циклами включения/выключения, воздействием прямых солнечных лучей, перемещением устройства в другие климатические условия и рядом других факторов. Чтобы получить наиболее точные показатели надёжности электронной системы, перед проведением конечноэлементного расчета или квалификации физического продукта необходимо точно определить параметры её температурного цикла.

Команда Ansys Sherlock успешно реализовала метод расчёта усталостной долговечности на основе полуэмпирической энергетической модели Blattau. В рамках этой модели учитывается зависимость долговечности от диапазона температур, времени выдержки и скорости изменения температуры. Если эти параметры не учтены корректно в процессе проектирования или испытаний, это значит, что ключевые факторы, влияющие на надёжность продукта, могут быть упущены из виду.

Кроме того, если сборка содержит заливочные материалы или другие полимеры, то недооценка максимальных и минимальных температур также повышает риск возникновения описанных выше проблем, связанных с переходом полимера через температуру стеклования.

3. Механическое перенапряжение

Отказы, вызванные механическим перенапряжением, возникают, когда паяное соединение испытывает чрезмерную нагрузку во время механического воздействия, такого как удар, падение, тестирование на стенде (ICT – in-circuit testing), разделение печатных плат из групповой заготовки (depaneling), вставка коннектора или установка печатной платы. Отказы от перенапряжения зачастую бывает очень непросто спрогнозировать, а потому и предотвратить. Результаты испытаний на ударную устойчивость показывают, что лучшим подходом является учёт случайного распределения таких отказов.

Отказ, вызванный перенапряжением в паяном соединении, обычно проявляется в виде отслоения контактных площадок или трещины вдоль интерметаллического соединения припоя с контактной площадкой. Отслоение контактных площадок представляет собой трещину в слоистом материале платы, расположенную под медной подложкой паяного соединения. Интерметаллическое соединение – это область, где медная подложка и припой объединяются, образуя соединения Cu3Sn или Cu6Sn5. Это наиболее хрупкая область паяного соединения, поэтому она наиболее подвержена перенапряжениям.

Этот тип отказа обычно характерен для компонентов с мелким шагом выводов (особенно для BGA-компонентов), а также когда используются особенно хрупкие материалы для платы. Отслоение контактных площадок является серьёзной проблемой, поскольку оно часто приводит к появлению трещин в дорожках. В отличие от усталостных трещин, которые обычно развиваются в материале припоя, трещины, вызванные механическим перенапряжением, обычно проходят вдоль интерметаллического соединения.

Поскольку механические нагрузки сильно зависят от граничных условий и геометрии печатной платы, прогнозирование риска механического перенапряжения обычно рекомендуется выполнять при помощи конечноэлементного расчёта. Сложные условия нагружения или форму платы трудно учесть другими методами. Кроме того, конечноэлементные расчёты позволяют количественно определить значения деформаций и искривления платы.

Ниже представлен вебинар, в котором рассмотрены способы уменьшения риска отказов электронных приборов, вызванных ударной нагрузкой.

Запись вебинара об обеспечении надёжности в условиях ударных воздействий (на английском языке)

4. Крепление платы и место монтажа компонентов

Граничные условия, которые следует учитывать при расчёте печатной платы, включают в себя:

• расположение крепёжных отверстий;
• характер крепления к корпусу;
• наличие компонентов двустороннего зеркального монтажа.

Эти конструктивные особенности часто упускаются из виду, а ведь они могут оказать существенное влияние на срок службы паяного соединения. Расположение точек крепления и других ограничений на перемещения платы оказывают значительное влияние на место возникновения и величину относительных деформаций платы в условиях теплового расширения, ударных и вибрационных нагрузок. Увеличение количества точек крепления платы снижает её податливость, но при этом могут возникать дополнительные напряжения, приводящие к преждевременным отказам паяных соединений в близко расположенных компонентах.

Расположение точек крепления также непосредственно влияет на формы колебаний платы, что важно для расчёта отклика на динамические воздействия. Если динамическое поведение платы не исследовано должным образом, чувствительные компоненты могут быть размещены в области высоких нагрузок. Конечноэлементные расчёты являются мощным инструментом для решения этой проблемы, поскольку они легко позволяют инженеру выполнить несколько итераций расчёта и оценить характеристики платы в различных конфигурациях и условиях закрепления.

Ещё одним распространённым граничным условием, влияние которого на срок службы паяного соединения часто недооценивается, является зеркальное расположение компонентов с обеих сторон сборки печатной платы.

Зеркальное расположение компонентов ограничивает деформации платы, делая её более жёсткой, что приводит к дополнительным напряжениям в паяных соединениях. Исследования показывают, что усталостная долговечность в таком случае может уменьшиться в 2..3 раза.

Ниже представлена запись вебинара, в котором рассмотрено влияние этого и других явлений, наблюдаемых в печатных платах, на надёжность паяных соединений.

Запись вебинара о влиянии различных явлений, наблюдаемых в печатных платах, на надёжность паяных соединений (на английском языке)

5. Дефекты пайки

Однако все описанные здесь меры не помогут предотвратить проблемы надёжности паяных соединений, если само их качество желает лучшего. В связи с этим крайне важно пользоваться услугами авторитетного производителя печатных плат, обеспечивающего жёсткий контроль процесса производства.

Существует множество дефектов паяных соединений, которые могут отрицательно сказаться на надёжности. Для того, чтобы обеспечить высокое качество производства, необходимо проводить анализ микрошлифов и визуальный осмотр паяных соединений, прежде чем выпускать электронное устройство в эксплуатацию. Также стоит отметить широко используемые в отрасли стандарты и критерии качества для всех типов паяных соединений, издаваемые ассоциацией предприятий электронной промышленности IPC (Association Connecting Electronics Industries).

Ещё одним полезным инструментом, позволяющим уменьшить риск отказа паяных соединений, является программный продукт Ansys Sherlock. Это программное обеспечение для проектирования электроники на основе расчётов теории надёжности и физики отказов (PoF – physics of failure). Узнать о том, как с его помощью спрогнозировать усталостные напряжения в паяных соединениях, вы можете, ознакомившись с описанием программного продукта Ansys Sherlock: Automated Design Analysis на сайте Ansys, или с материалами вебинара: Introduction to Reliability Physics Analysis (на английском языке).

Источник: www.ansys.soften.com.ua