СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №2/2016

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 65 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2016 финишное покрытие выводов компо- нента, тип и температура плавления припоя, средняя температура паяно- го соединения, термопрофиль оплав- ления. Порядок расчёта величин усталост- ной долговечности паяных соедине- ний представлен на примере исходных данных для космической аппаратуры с учётом диапазона рабочих темпера- тур в пределах +10…+70°С и 16 цикла- ми в сутки (длительность одного цик- ла составляет 90 минут). Прогнозирование величин усталост- ной долговечности паяных соединений начинается с расчёта значения пока- зателя усталостной пластичности с, который приведён в работах [3–5, 9] и зависит от температуры и време- ни, компенсирует неполную релакса- цию напряжений и вычисляется по формуле: , (1) где T – средняя циклическая температу- ра паяного соединения в градусах Цель- сия, t – полупериод временно ′ го цикла в минутах. Остальные параметры при- ведены в таблице 1. Следующим шагом необходимо рассчитать циклические усталостные повреждения ( Δ D) в поверхностно мон- тируемых жёстких безвыводных пая- ных соединениях, в которых напря- жения в припое превышают предел его текучести, по формуле [5]: , (2) где F – эмпирический фактор «неиде- альности», показывающий отклонения реальных паяных соединений от идеа- лизированной математической моде- ли и учитывающий вторичные и часто трудноописываемые эффекты, такие как коробление, хрупкие интерметал- лические соединения, богатые свинцом приграничные слои, а также различия в расширениях материалов на грани- це раздела и другие – имеет значение от 0,7 до 1,2 (для безвыводных паяных соединений). Необходимо отметить, что компоненты с шариковыми или столбиковыми выводами считаются безвыводными паяными соединения- ми вследствие отсутствия гибких выво- дов; L D – максимальное расстояние меж- ду паяными соединениями в компонен- те, измеряемое от центра компонента (нейтральной точки) до края выво- да, мм; Δα ( Δ КТР) – абсолютная разни- ца в коэффициентах теплового расши- рения компонента ( α С ) и платы ( α ПП ), 1/ ° С; Δ T e – эквивалентный циклический диапазон температуры, учитывающий эффекты рассеяния мощности в ком- поненте и внешние изменения темпе- ратуры, °С (в нашем случае она состав- ляет 100°С); h – высота паяного соеди- нения, мм. Результаты расчётов циклических усталостных повреждений (L D ) для без- выводных паяных соединений пред- ставлены в таблице 2. Значение циклического повреждения выводного соединения ( Δ D вывод. ) опре- деляется соотношением [5]: , (3) где K D – «диагональная» изгибная жёсткость свободного (неприпаян- ного) вывода компонента (варьиру- ется от 9 до 90 Н/мм); А – эффектив- ная площадь паяного соединения, мм 2 ; М – коэффициент масштабирования, М = 919 кПа. Параметры Δα , F, Δ T e , h, L D описаны в уравнении (2). Результаты расчётов циклических усталостных повреждений ( Δ D) для выводных паяных соединений пред- ставлены в таблице 3. Указанные параметры определяют собой физические причины отказа и задают тем самым среднюю наработ- ку на отказ. Видно, что с целью повы- шения надёжности (долговечности) ПС в процессе проектирования высо- конадёжных электронных модулей (ЭМ) на печатных платах, собирае- мых по технологии поверхностного монтажа, необходимо осуществить оптимальный выбор конструктивных параметров проектируемого ЭМ, обе- спечивающих минимизацию уровня напряжения и, соответственно, вели- чин пластической деформации, возни- кающих в припое ПС в процессе тем- пературного расширения и взаимо- действия компонента и подложки, на которую он припаян. Таблица 1. Параметры модели усталости паяных соединений Припой Параметры модели SnPb С 0 С 1 , (°С) –1 С 2 t 0 , мин 0,442 6 × 10 –4 1,74 × 10 –2 360 Таблица 2. Исходные данные и результаты расчётов циклических усталостных повреждений для безвыводных паяных соединений поверхностного монтажа Компоненты Параметры LBGA1225T1,27 LBGA144 SR0402 SR0603 SR1206 QFN16 F 1 1 0,7 0,7 0,7 1 h, мм 0,60 0,45 0,075 0,075 0,075 0,075 L D , мм 30,47 9,19 0,55 0,85 1,65 2,12 α С , 1/°С 0,000016 0,000014 0,000008 0,000008 0,00001 0,000014 α ПП , 1/°С 0,000018 0,000018 0,000018 0,000018 0,000018 0,000018 Δα , 1/°С 0,000002 0,000004 0,00001 0,00001 0,000008 0,000004 Δ T e , °С 100 100 100 100 100 100 Δ D безвывод. 0,01016 0,00817 0,00513 0,00793 0,01232 0,01131 Таблица 3. Исходные данные и результаты расчётов циклических усталостных повреждений для выводных паяных соединений Компоненты Параметры LQFP48 SSOP28 TSSOP64 F 1 1 1 K D , Н/мм 9 9 9 А, мм 2 0,132 0,225 0,132 h, мм 0,075 0,075 0,075 L D , мм 6 6 10 α С , 1/°С 0,000014 0,0000145 0,000014 α ПП , 1/°С 0,000018 0,000018 0,000018 Δα , 1/°С 0,000004 0,0000035 0,000004 Δ T e , °С 100 100 100 Δ D вывод. 0,0043624 0,003343 0,008903