СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №2/2016

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 64 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2016 Паяные соединения поверхностного монтажа В статье рассмотрена модель для оценки усталостной долговечности паяных соединений поверхностного монтажа, которую возможно применять как на стадии проектирования приборов РЭА, так и в процессе производства и эксплуатации. Сергей Алексеев (Санкт-Петербург) Известно, что сборку и монтаж высо- кокачественных электронных модулей для отрасли приборостроения с повы- шенной надёжностью и повторяемо- стью образцов продукции может обе- спечить только автоматизированная технология поверхностного монта- жа (АТПМ). Отличительной особен- ностью АТПМ является снижение влия- ния человеческого фактора. Но нельзя забывать, что надёжность (усталост- ная долговечность) паяных соеди- нений (ПС) поверхностного монта- жа в приборостроении закладывает- ся на стадии проектирования (выбор материалов, ЭКБ, значение их коэф- фициента термического расширения (КТР) и так далее), а также обеспечива- ется технологией изготовления [1–5]. Методы обеспечения высокого уров- ня надёжности РЭА на этапах произ- водства и эксплуатации общеизвестны и заключаются в строжайшем соблю- дении требуемой технологии изготов- ления, проведении технологических прогонов и тренировок комплектую- щих изделий, наличии отлаженного системного контроля и мониторинга работоспособности состояния систе- мы. В то же время зачастую без долж- ного внимания остаётся обеспечение высокого уровня надёжности на этапе разработки радиоэлектронной аппа- ратуры [6–8]. В процессе разработки изделия необходимо спрогнозировать его работоспособность на заданный срок с известным уровнем отказов. Это воз- можно сделать либо проведя ускорен- ные испытания на старение, эквива- лентные заданному сроку эксплуата- ции, либо проведя математическое моделирование с учётом указанных параметров. Проведение ускорен- ных испытаний на старение выпол- няют для проверки работоспособ- ности блока в целом, при заданном сроке эксплуатации. Однако после подобных испытаний использовать- ся по назначению изделие уже не может [3, 9]. Для реального производ- ства проводить испытания на старе- ние, имитирующие срок службы всех изделий, невозможно. Требуется мате- матическая модель, которая, учитывая основные влияющие факторы форми- рования паяного соединения, позво- лит дать оценку надёжности такого соединения. Н АДЁЖНОСТНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ЖЁСТКИХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ За рубежом надёжностное проек- тирование занимает особое место, а проблемами надёжности занима- ются такие организации, как «Центр перспективного проектирования жиз- ненного цикла изделий при Мэриленд- ском университете США» (The Center for Advanced Life Cycle Engineering – CALCE), Sandia National Laboratories, CirVibe Inc., DfR Solutions, Electronics Packaging Solutions International Inc. и другие. Каждая из этих компаний занимается расчётом надёжности пая- ных соединений в изделиях заказчи- ков, в том числе и для жёстких условий эксплуатации. В России надёжност- ное проектирование пока не получи- ло широкого применения среди раз- работчиков РЭА для использования в жёстких условиях эксплуатации. В первую очередь это связано с отсут- ствием актуальной нормативно-техни- ческой документации (НТД) по про- гнозированию и оценке усталостной долговечности паяных соединений поверхностного монтажа. В настоя- щее время оценить надёжность паяно- го соединения и электронного модуля с помощью расчётов можно только по справочнику «Надёжность электрора- диоизделий» [8]. Однако по справоч- нику при расчёте паяного соединения учитывается только пайка электрора- диоизделий (ЭРИ) волной, ручная пай- ка ЭРИ с накруткой и без неё, а значе- ний базовой интенсивности отказов для паяных соединений поверхност- ного монтажа нет. Поэтому актуальной проблемой в настоящее время является прогнозирование работоспособности РЭА на заданный срок на этапе проек- тирования, в том числе это относит- ся и к паяным соединениям поверх- ностного монтажа. Решением указан- ной проблемы является проведение ускоренных испытаний на старение, эквивалентные заданному сроку экс- плуатации, либо проведение математи- ческого моделирования с учётом ука- занных параметров. В работе [5] впервые обосновано и показано применение математиче- ской модели на основе χ 2 – распреде- ления для прогнозирования показате- лей надёжности паяных соединений поверхностного монтажа. Необхо- димо отметить, что для реализации такого подхода необходимо одновре- менное проведение испытаний, а это увеличивает затраты на временны ′ е и производственные ресурсы. Модель Энгельмайера-Уайльда для прогнози- рования усталостной долговечности паяных соединений поверхностного монтажа не имеет этих недостатков. Данная модель учитывает достаточно большой ряд характеристик, описыва- ющих большинство критичных факто- ров, сильно влияющих на формирова- ние паяных соединений, в том числе с учётомфизического механизма фор- мирования отказа [3–5] и позволяет на этапе проектирования выявить наибо- лее уязвимые паяные соединения без проведения дополнительных испыта- ний на старение. Факторами, которые необходимо учитывать при проектировании изде- лий, в том числе для жёстких условий эксплуатации, являются геометриче- ские размеры паяного соединения или его эффективная площадь, раз- меры компонента, материал основа- ния печатной платы (ПП), финишное покрытие ПП, материал компонента,