Исследование ресурса прочности паяных соединений электронных модулей, выполненных по совмещенной технологии: оловянно-свинцовой и бессвинцовой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.14, кандидат технических наук Павлов, Николай Иванович

• Павлов, Николай Иванович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Павлов, Николай Иванович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Технологический процесс пайки, его особенности и 13 критерии с точки зрения надежности

1.1. Теоретические основы технологических процессов пайки. 14 Интерметаллические соединения и их свойства

1.2. Бессвинцовая технология. Тенденции, преимущества и 17 недостатки.

1.3. Паянное соединение. Составляющие и их характеристики

1.3.1. Припой и его характеристики

1.3.2. Финишное покрытие печатной платы

1.3.3. Финишное покрытие компонента

1.3.4. Материалы и структура ПП и ЭРИ

1.3.5. СистемаПП-припой-ЭРИ

1.4. Оловянные усы

1.5. Оловянная чума

1.6. Выводы

Глава 2. Математическая модель расчета надежности паяных соединений

2.1. Ускоренные испытания на старение. Усталостные напряжения 45 и закон Аррениуса

2.2. Характеристики и параметры, которые требуется учесть при 48 математическом моделировании

2.3. Уравнение Энгельмайера-Уайльда

2.4. Алгоритм расчета надежности паянных соединений 55 электронного модуля

2.5. Выводы

Глава 3. Теоретические основы технологических процессов пайки 58 для решения поставленных задач

3.1. Этапы конвекционной пайки. Термопрофиль, его построение и 58 контроль

3.2. Конвекционные печи оплавления. Достигаемые параметры и 60 характеристики

3.3. Снятие температурного профиля. Правила и рекомендации

3.4. Проведенный ОАО «Авангард» ОКР «Свинец-А». Результаты и 69 рекомендации

3.5. Основы надежности и технологических процессов пайки для 77 номенклатуры новых типов ЭРИ

3.6. Выводы

Глава 4. Практическая работа по исследованию надежности паянных соединений в объеме проведения квалификационных испытаний

4.1. Техническое задание на проведение монтажа и испытаний. 81 Результаты испытаний

4.1.1. Объект испытаний

4.1.2. Монтаж ЭРИ и контроль качества монтажа

4.1.3. Критерии и контролируемые параметры паяных соединений

4.1.4. Результаты, полученные в объеме ТЗ

4.2. Результаты подробного анализа полученных результатов с 88 учетом поставленных задач.

4.3. Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование ресурса прочности паяных соединений электронных модулей, выполненных по совмещенной технологии: оловянно-свинцовой и бессвинцовой»

Актуальность работы

Вся современная техника имеет «электронную начинку», основой которой в большинстве случаев является электронный узел, выполненный на печатной плате с паяными электронными компонентами. Для техники ответственного назначения (специального, военного, аэрокосмического, медицинского и других назначений) одной из базовых характеристик является надежность функционирования. Задача любого производства -изготовить изделия с заданным уровнем надежности, обеспечив этот уровень специальной технологией изготовления. Задача конструкторов и разработчиков - технологически обеспечить надежность изделия в приемлемых условиях производства.

Учитывая сложившуюся в последние десятилетия неизбежную зависимость отечественной электроники от зарубежной элементной базы, российские предприятия вынуждены принимать во внимание технологические особенности элементов, печатных плат (1111) и некоторых других составляющих паяного соединения при производстве изделий ответственного назначения. В 2006 году за рубежом вступила в силу Директива RoHS, по которой вся массовая продукция электроники должна изготавливаться по бессвинцовой технологии [1]. Это крутое изменение технологии пайки обуславливается соображениями экологической безопасности производства и утилизации отработанных продуктов массового потребления [2]. Тем не менее, Директива RoHS не рекомендует переход на бессвинцовые технологии изделий ответственного назначения, оставляя для них традиционные технологии пайки оловянно-свинцовыми припоями. Для этой доли рынка рекомендуется заключать договора с производителями компонентов по производству партий компонентов применительно к условиям традиционной технологии пайки. За рубежом, где массовое производство электроники имеет большие объемы, доля компонентов для спецтехники составляет всего 3%. Производителям компонентов не выгодно перестраивать свое производство под такие малые объемы продукции [3]. Поэтому они изготавливают компоненты, пригодные для обеих технологий, где это возможно. Тем не менее, часть многовыводных компонентов с матрицей выводов (например, ВОА-корпуса) имеют свою специфику, не позволяющую такую универсальность применения технологий пайки. Эти компоненты изготавливают по спецзаказу применительно к требованиям традиционных технологий пайки оловянно-свинцовыми припоями. Однако для отечественной электроники это совершенно невозможно, так как в любом договоре на спецпоставку компонентов срабатывает механизм эмбарго - производитель компонентов требует чётко определить, для каких целей они в дальнейшем будут использованы. В подавляющем большинстве случаев отечественные производители вынуждены использовать компоненты промышленного исполнения, предназначенные для пайки по бессвинцовым технологиям. Вместе с тем, в отечественных разработках используются и отечественные компоненты, доля которых составляет от 10 до 30 %. Эти компоненты производятся применительно к традиционной оловянно-свинцовой технологии пайки [4].

В результате производство электронных изделий специального назначения сталкивается с проблемой, по которой на одном печатном узле находятся электронные компоненты, предназначенные для разных технологий пайки, отличающихся в первую очередь разными температурными режимами пайки. В связи с этим встаёт вопрос о совместимости режимов пайки разнородных компонентов в одном печатном узле в сочетании с технологическим обеспечением надежности аппаратуры специального назначения [5].

Исходя из сложности монтируемого устройства а также из требований смешанной технологии, требующей пайку бессвинцовых компонентов проводить по бессвинцовым температурным профилям, возникает сложная задача монтажа. Требуется гарантированно провести качественную пайку, обладающую высокой надежностью, не повредив ни монтажное основание, ни сам компонент. Приходится учитывать, что все элементы паяного соединения имеют различные коэффициенты температурного расширения, по разному реагируют на градиенты нарастания и спада температур [6].

Требуется не просто обеспечить качественную пайку, но и гарантировать её надежность на весь срок эксплуатации изделия. В связи с небольшим сроком внедрения бессвинцовой и смешанной технологии большого опыта и статистики по поведению пайки с течением времени нет (к примеру, на оловянно-свинцовое паяное соединения гарантированный срок службы - 15 лет) [7,8]. Проводимые экспериментальные работы позволяют провести эквивалентный пересчет влияющих параметров в соответствии с уравнением Аррениуса и провести ускоренные испытания на старение имитирующие такой срок службы. Для реального производства проводить такие испытания на все изделия невозможно. Требуется математическая модель, которая, учитывая основные влияющие факторы формирования паяного соединения, позволит дать оценку надежности такого соединения

9].

В диссертационной работе рассматриваются возможные подходы к решению проблемы совместимости технологий пайки с оценкой уровня надежности паяных соединений. Этим обусловлена ее актуальность для отечественного производства электронных изделий специального назначения.

В России этой проблемой занимался коллективы специалистов ОАО «Авангард» (Иванов H.H., Ивин В.Д.), ВНИИА им. H.JI. Духова (Егоров Л.Н.), ЗАО Предприятие Остек (Ефремов A.A., Нисан A.B. и др.), ОАО «Спарта», ряд предприятий в инициативном порядке в объеме собственных производств (ОАО «НИЦЭВТ», ФГУП НИИ «Аргон», ЗАО КБ «НАВИС», ЗАО НТЦ «Модуль», КБ Корунд-М и д.р.).

Из исследований в этой области за рубежом можно выделить работы проф. М. Новоттника (Ростокский Университет, Германия), Вернера

Энгельмайера (Werner Engelmaier, независимый эксперт, США), JIapc Гуннар Кланг (Lars-Gunnar Klang, независимый эксперт, Норвегия).

Цель и задачи работы

Основной целью диссертационной работы явилась разработка технологии пайки электронных компонентов на печатной плате, отличающейся технологическим обеспечением высокого уровня надежности электронных модулей (печатных узлов) аппаратуры специального назначения.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Проведен анализ технологических принципов создания смешанной технологии пайки разнородных электронных компонентов за единый цикл нагрева;

2. Предложена технология пайки разнородных компонентов;

3. Проведена экспериментальная отработка предложенной технологии и подтверждена ее состоятельность;

4. Проведен анализ математической модели Уайлда-Энгельмайера для расчета надежности паяных соединений, направленный на определение ее достаточности для паяных соединений, выполненных по смешанной технологии пайки разнородных компонентов;

5. Определен перечень дополнительных факторов, которые необходимо учесть в модели Уайлда-Энгельмайера для ее уточнения;

6. Предложены изменения в модели Уайлда-Энгельмайера для прогнозирования надежности паяных соединений, выполненных по смешанной технологии пайки;

7. Проведен ряд испытаний, подтвердивших надежность полученных паяных соединений и соответствие их прочности модернизированной математической модели Уайлда-Энгельмайера.

Объекты и методы исследований

Объектом исследований явились экспериментальные печатные платы, на которые был произведен монтаж компонентов с последующим проведением испытаний и контроля паяных соединений. Методологическую основу диссертационной работы составляют общенаучные методы познания, такие как научная абстракция, анализ и синтез, системный и структурный подходы, а также математическое моделирование. В исследовании применялись методы математического анализа, предметно-логического и структурно-функционального анализа.

Научная новизна работы

1. Дополнена технология пайки электронных модулей, учитывающая разнородность электронных компонентов.

2. Дополнена и уточнена известная модель расчета надежности паяных соединений Уайлда-Энгельмайера, позволяющая учитывать не только тип припоя, финишных покрытий компонентов и ГШ, но также температуру, длительность проведения пайки, геометрические размеры паяного соединения и другие влияющие характеристики.

3. Проведен систематический анализ конструктивных и технологических особенностей изготовления электронных изделий по смешанной технологии, результаты которого включены в созданную модель.

4. Подтверждена состоятельность созданной математической модели для прогноза надежности паяных соединений, выполненных по смешанной технологии.

5. Впервые оценен положительный результат применения смешанной технологии при монтаже не только на автоматизированных линиях, но и при применении ручного монтажа в комбинации с автоматизированной пайкой.

Полученные в процессе исследования результаты, разработанный теоретический и методологический аппарат вносят определенный вклад в изучение и прогнозирование надежности паяных соединений.

Степень достоверности полученных результатов основывается на проведенном комплексном анализе результатов теоретических данных и экспериментального исследования. Сформулированные в диссертации научные положения, выводы и рекомендации обоснованы теоретическими решениями и экспериментальными данными и не противоречат известным положениям.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Технология пайки разнородных компонентов в составе одного электронного модуля - смешанная технология пайки «бессвинцовых компонентов» оловянно-свинцовыми припоями.

2. Уточненная и дополненная математическая модель прогнозирования надежности паяных соединений, выполненных по смешанной технологии.

3. Результаты испытаний, подтвердивших состоятельность разработанной технологии пайки и состоятельность математической модели прогнозирования надежности паяных соединений, выполненных по смешанной технологии.

Практическая ценность работы

В диссертационной работе показана возможность проведения монтажа электронных модулей (печатных узлов) для специальной техники по смешанной технологии. На основе имеющихся практических работ проведена оценка требуемых изменений технологических параметров процессов пайка и монтажа, контроля и диагностики при переходе на смешанную технологию.

Содержащиеся в диссертационной работе теоретические модели позволяют на этапах проектирования и отработки изделий производить математическое моделирование надежности паяных соединений модулей без проведения дополнительных испытаний на старение. Это позволяет значительно сокращать как время оценки (по сравнению с проведением натурных испытаний), так и ресурсы на проведение испытаний (одним из базовых преимуществ является отсутствие в необходимости изготовлении дополнительного изделия для проведения натурных испытаний).

Реализация и внедрение результатов работы

Результаты выполненной работы используются в ЗАО НТЦ «Модуль» г. Москва, при проектировании изделий (для оценки предполагаемой надежности, сроков службы изделий) а так же при технологической подготовке изделий к запуску в производство и непосредственно при производстве изделий. Указанные рекомендации используются технологами и монтажниками при проведении операций монтажа ответственных изделий специальной техники.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались автором и обсуждались на международном семинаре «Исследование ресурса прочности паяных соединений», проходившем в г. Росток (Германия) в мае 2010 года; Научно-практической конференции студентов и молодых ученых МАИ «Инновации в авиации и космонавтике-2010», публиковались в сборнике «Актуальные достижения европейской науки» номер тома 42.

Публикации. Тема и содержание диссертации отражены в 8 научных работах (статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ - 4, статей в журналах - 2, статей в научных сборниках - 2).

Личный вклад автора заключается в постановке целей и задач исследования, дополнению имеющихся алгоритмов моделирования и математической модели расчета надежности паяного соединения. Автором предложены технологические приемы и режимы монтажа смешанных паяных соединений. Проведены экспериментальные работы по монтажу ЭРИ, контролю паяных соединений и анализу полученных результатов. Обсуждение и анализ полученных теоретических и экспериментальных результатов проводились совместно с научным руководителем. Основные выводы по проведенной работе сформулированы автором.

Диссертация состоит из 4 глав. Первая глава посвящена общему обзору паяных соединений. Подробно разобраны технологические аспекты и проблемы, возникающие при переходе от бессвинцовой к смешанной технологии.

Во второй главе в соответствии с целью диссертационного исследования дана математическая модель расчета надежности паяных соединений. Рассмотрены входные и выходные параметры модели.

В третьей главе дано общее описание технологического процесса при переходе на смешанную технологию. Конкретизированы и описаны решения проблем, касающихся конкретных технологических параметров (термопрофилирование, применение многономенклатурной базы ЭРИ, конвекционных печей оплавления и д.р.).

В четвертой главе рассмотрена проведенная экспериментальная работа, её исходные данные, параметры и критерии. Так же рассмотрены полученные результаты и проведен их общий анализ.

Заключение диссертации по теме «Технология приборостроения», Павлов, Николай Иванович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Развита математическая модель анализа надежности паяных соединений Уайлда-Энгельмайера. Предложены измененные весовые коэффициенты температуры и времени пайки, вида припоя и оценки циклического повреждения, позволяющие рассчитывать надежность смешанных паяных соединений для штыревого и поверхностного монтажа. Данные коэффициенты отличаются от использовавшихся ранее в модели для свинцовосодержащей пайки и предложенной недавно модели для бессвинцовой технологии. Модель построена на анализе имеющегося опыта и наработки имеющихся изделий. Разработанная модель адекватно оценивает надежность смешанных паяных соединений с учетом применения автоматизированного и ручного монтажа.

2. Выполнен анализ конструктивных и технологических особенностей изделий, различных видов элементной базы. На основе анализа в процесс технологической подготовки производства внесены переходы обязательного термопрофилирования. Показано, что при использовании бессвинцовых элементов температурный профиль пайки должен разрабатываться как для бессвинцовой технологии с учетом применения компонентов в малых корпусах с ограниченными градиентами нарастания и спада температур. В техпроцесс требуется закладывать не только предварительную сушку ПП и ЭРИ, но и выдержку смонтированных изделий в течение не менее 50 минут после процесса оплавления для минимизации термомеханических напряжений. Опробование измененной технологии проведено в экспериментальной работе.

3. Проведено сравнение и анализ доступных материалов, исходя из имеющихся данных составлен перечень испытаний, выполнены экспериментальные работы. В соответствии с законом Аррениуса проведены ускоренные испытания на старение с заданным сроком эксплуатации изделия не менее 15 лет, а также последующие неразрушающие и разрушающие контроли. Нетиповыми испытаниями, которым были подвергнуты образцы, являются термовакуумные испытания. Все испытания и все типы контролей подтвердили надежность смешанного паяного соединения по предложенной технологии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Павлов, Николай Иванович, 2012 год

1. Бессвинцовая пайка в подробностях / А. Ивасык и др. Chip news Украина, №5(45). 2005. С. 24-29.

2. Лонгфорд Э. На пути к бессвицовой автомобильной электронике // Производство электроники: технологии, оборудование, материалы. № 1, 2008. С. 11-13.

3. Григорьев В. Бессвинцовая технология теребование времени или прихоть законодателей от экологии? // Технологии и Материалы. №6, 2001.С. 43-47.

4. Андрющенко М. Бессвинцовая пайка. Альтернативные сплавы // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. № 5. 2004. С. 47-49.

5. Медведев А. Бессвинцовые технологии монтажной пайки. Что нас ожидает? // Электронные компоненты. № 11. 2004. С. 29-34.

6. Филор У., Цабель К. (перевод Новиков А.). Надежность процесса для бессвинцовой технологии // Технологии в электронной промышленности. № 4. 2007. С. 56-58.

7. Парфенов А. Введение в теорию прочности паяных соединений // Технологии в электронной промышленности. №2. 2008. С. 26-32

8. Парфенов А. Введение в теорию прочности паяных соединений // Технологии в электронной промышленности. №3. 2008. С. 20-24.

9. Ши К., Брайн С. Бессвинцовая сборка первые результаты // Производство электроники: технологии, оборудование, материалы. №5. 2007. С. 31-36.

10. Кузнецов O.A., Погалов А. И. Прочность паяных соединений. М.: Машиностроение, 1987. 112 с.

11. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. М.: Издательство Металлургия, 1970. Т.1. 1487 с.

12. Dirnfeld S.F., Ramon J.J. Microstructure Investigation of Copper-tin Intermetallics and the Influence of Layer Thickness on Shear Strength // Welding Research Supplement. New York. 1990. P. 373-377.

13. Shang Yangeng, Sun Daqian, Lang Bo. Effects of intermetallic compounds on the properties of Sn-Ag-Cu Lead-free solder joints // Journal of Jilin University / Engineering and Technology Edition. 2006. №6. P. 846-850.

14. IPC-7095B Проектирование и внедрение процессов сборки с применением BGA. Перевод на русский язык, редакция №11. 2008. 150 с.

15. Kang S.K., Lauro P., Shih Da-Y. Evaluation of thermal fatigue life and failure mechanisms if Sn-Ag-Cu solder joints with reduced Ag contents // Electronic components and technology conference. 2004. P. 661-667.

16. Fatigue properties of Sn3.5AgO.7Cu solder joints and effects of Pb-contamination / Oliver J., Nylen M., Rod O., Markou C. Journal of SMT 2002. Vol.15. Issue 4. P. 23-29.

17. Валентинова M. Электроника, «дружественная» окружающей среде // Проблемы и решения. Электроника: наука, технология, бизнес. 2004. №5. С. 50-52.18. http://eurlex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CELEX:32002L0096:en:NQT (дата обращения 18.02.2012)

18. Rae A. The costs of going green // Circuits assembly. 2003. July. P. 22-25.

19. DIRECTIVE 2011/65/EU of the European Parliament and of the council, Official Journal of the European Union. EU. 2011. P. 88-110.

20. Лещенко M. RoHS и Lead-free испытание для производителя, дистрибутора, заказчика//Радиокомпоненты. 2006. № 3. С. 12-13.

21. Пивненко В. Практическое применение технологии бессвинцового монтажа изделий электроники // Радиокомпоненты. 2006. № . С. 6-7.

22. Schneider A., Arora S., Mo В. Temperature selection for wave soldering with Lesd-free alloys // Circuit assembly. 2001. May. P. 46-51.

23. Pang John H.L., Xiong B.S., Low T.H.Creep and fatigue characterization of Lead free 95.5Sn-3.8Ag-0.7Cu solder // Electronic components and technology conference. 2004. P. 1333-1337.

24. Петрунин И.Е. Краткий справочник паяльщика. М.: Машиностроение, 1991.224 с.

25. Гафт С.К. Международный семинар // Проблемы бессвинцовых технологий производства электроники. М., 2007. 99 с.

26. Лэй, Фэн. Исследование технологического процесса пайки бессвинцовыми припоями с целью повышения надежности электронной аппаратуры: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.11.14. Москва, 2008. 18 с.

27. ГОСТ 21931-76 Припой оловянно-свинцовый в изделиях. М., 1998. 10 с.

28. Семинар PCB-technology. Проектирование многослойных печатных плат высокой сложности. М., 18.12.2007. 101 с.

29. Борисенко Б.Б. Особенности монтажа электронных компонентов по технологии Lead-free (Pb-free) // Радиокомпоненты. 2006. № 3. С. 14-18.

30. Медведев А. Технологическое обеспечение надежности электронной аппаратуры // Производство электроники: технологии, оборудование, материалы. 2006. № 8. С. 1-4.

31. Медведев А. Технологическое обеспечение надежности паяных соединений в печатных платах / Технологии в электронной промышленности, 2005. №6. С. 74-77.

32. Семинар PCB-technology. Проектирование многослойных печатных плат с BGA-компонентами. М., 28.03.2007. 62 с.

33. ГОСТ PB 5998-002-2009 Платы печатные военного назначения. Общие технические требования. М., 2010. 18 с.

34. Семинар PCB-technology. Проектирование многослойных печатных плат высокой сложности. М., 15.12.2006. 84 с.

35. Нинг-Ченг Ли. Технология пайки оплавлением, поиск и устранение дефектов: поверхностный монтаж, BGA, CSP и FLIP CHIP технологии. M.: Изд-во Технологии, 2006. 391 с.

36. Zhao J, Miyashita Y, Mutoh Y. Fatigue crack growth behavior of 96.5Sn-3.5Ag lead-free solder // Int J Fatigue, 2004. №23. P. 723-731.49,50