Традиционные методы анализа отказов в печатных узлах включают электрическое тестирование, визуальный контроль и рентгеновский анализ. Однако в случае более сложных механизмов отказов, когда невозможно быстро установить определяющий дефект, необходим анализ физики отказов, использующий более дорогие средства.
Основанная на физике отказов модель прогнозирования надежности позволяет с большой эффективностью идентифицировать основные отказы, например в сквозных металлизированных отверстиях (СМО) печатных плат.
Одна из категорий отказов в ПП – изнашивание – обусловлена накоплением постоянно увеличивающегося повреждения, превышающего стойкость материала. Наиболее распространенный механизм изнашивания в ПП – это периферическая усталость СМО, известная также как растрескивание проводящего покрытия на стенке СМО. Периферическая усталость возникает из-за разницы в температурных коэффициентах расширения (ТКЕ) медного покрытия и печатной платы.
Технологические дефекты в СМО
Большинство случаев растрескивания проводящего покрытия стенки СМО определяется наличием технологических дефектов. Это происходит в основном потому, что большая часть электронной продукции, такая как потребительская, коммерческая и промышленная, используется в относительно благоприятных условиях, где температурные колебания минимизированы или управляются. Преобладание технологических дефектов, которые ведут к растрескиванию СМО, возникает во время технологического процесса изготовления ПП. Они включают вытравливание ямок, выпячивание стеклянных волокон, недостаточную толщину покрытия, изгиб покрытия и его пористость.
Вытравливание ямок является результатом остатков травителя, оставшегося на поверхности стенок СМО. Основной источник остатков травителя – это химикаты, используемые при снятии внешнего слоя.
Выпячивание стекловолокон в стенки отверстий влияет на толщину покрытия и, следовательно, может содействовать растрескиванию отверстия. Выпячивание происходит из-за непостоянства управления процессом при сверлении отверстий и подготовки отверстий или применения тонкого медного покрытия.
Недостаточная толщина покрытия возникает либо из-за недостаточного тока или времени осаждения в гальванической ванне, либо из-за малой рассеивающей способности электролита. Малая рассеивающая способность электролита вызывает неровность покрытия стенки со снижением толщины при высоких аспектовых отношениях (более 4:1).
Изгиб покрытия может снизить срок службы СМО за счет концентрации напряжения. Изгиб возникает из-за неровного сверления или плохой подготовки отверстия. Неровное сверление может быть вызвано плохим слоистым материалом, изношенными сверлами, неоткалиброванным или неотремонтированным сверлильным оборудованием или неоптимизированным сверлильным процессом. Плохая подготовка отверстия часто обязана чрезмерному удалению эпоксидной смолы. Пористость покрытия часто связана с присутствием воздушных пузырьков на поверхности основания ПП, которые вызываются прохождением воздуха в фильтрующую систему.
Растущее число растрескиваний стенок СМО невозможно быстро идентифицировать как дефекты, и поэтому требуется ряд исследований, которые будут связаны с совершенствованиями в управлении технологическим процессом и проектировании ПП с более высоким аспектовым отношением СМО.
Традиционный анализ отказов
При этих исследованиях предполагается наличие повреждения СМО. ПП приблизительной проблемной площади разрезается на секции, которые помещаются в отверждаемую при комнатной температуре эпоксидную смолу. Секции ПП последовательно заземляются с последующим полированием керамической суспензией. Затем на оптическом микроскопе исследуются изображения их поперечного сечения.
Никаких крупных дефектов или нарушений в этом случае не наблюдалось. Единственными аномалиями были наросты на покрытии СМО (рис.1). Наросты на стенках были обнаружены на всех исследуемых СМО. Основные причины наростов – плохое сверление, наличие частиц в растворах, отклонение температуры растворов от нормы или избыток блескообразователя.
Наличие наростов на покрытии может нанести большой урон надежности, создавая области с высоким напряжением и снижая срок службы при термоциклировании. Приемлемые условия для всех классов продукции требуют, чтобы наросты не приводили к снижению диаметра отверстия ниже допустимого. Когда исследование качества СМО не обеспечивает установления основных причин, центр изучения сдвигается к свойствам материала плат FR-4.
Моделирование на основе физики отказов
Отсутствие очевидной ясности при традиционном анализе отказов вызывает необходимость в использовании метода, основанного на физике отказов. Этот метод акцентирует внимание на понимании основной причины отказов благодаря анализу: почему, где и как происходят отказы. Получаемая информация используется для прогнозирования или предотвращения потенциальных отказов в течение эксплуатации продукции. В случае разрушения стенок СМО используется анализ напряжения и модели повреждения для прогнозирования характеристик СМО в течение термоциклирования.
Применяемая в этом анализе модель основана на модели, выведенной в IPC-TR-579, и значения напряжения в стенке СМО основываются на превышении предела упругости меди. Для учета несовершенства медных стенок СМО, содержащих потенциальные дефекты, используются калибрационные константы: коэффициент распределения напряжения Kd и индекс качества KQ. При практических расчетах предполагается, что Kd равен 2,5, а KQ – от 0 до 10. В результате эффективное значение напряжения в стенке СМО составляет
..............
ажнейшим свойством модели является то, что технологические дефекты детально не входят в нее, но моделируются с помощью индекса качества покрытия. Следовательно, ключевой вопрос, обусловлен ли отказ конструкцией или технологическим процессом, должен решаться с помощью индекса качества, получаемого на основе результатов испытаний и сравнения их с литературными данными. В такую модель для 10-слойной платы были введены существенные параметры геометрии, материала и тестирования ПП:
* Расстояние между СМО 20 мм
* Диаметр отверстия СМО 0,33 мм
* Диаметр контактной площадки 0,65 мм
* Толщина покрытия 0,035 мм
* Прочность покрытия на разрыв 120 ГПа
* ТКР покрытия 17·10-6
* Толщина платы 2,03 мм
* Прочность ПП на разрыв 5,7 ГПа
* ТКР платы 70·10-6
* Число температурных циклов в день 48
* Максимальная температура 105°С
* Минимальная температура -42°С
* Наработка до отказа 324 цикла
Определенный в результате индекс качества равен 4,8. Затем из литературы были взяты данные по термоциклированию СМО и вычислен индекс качества для каждого комплекта тестовых результатов (см. таблицу).
Использование индекса качества позволяет проводить прямое сравнение различных ускоренных испытаний на долговечность, даже когда геометрические и тестовые параметры неодинаковы. Если индекс равен 7,5 – приблизительно средний показатель для пяти данных в таблице, число циклов до отказа составляет 900, что превышает стандартное значение 500 циклов.
Корректирующие действия
Благодаря использованию модели на основе физики отказов было установлено, что ранний ресурс СМО представляет технологическую задачу, вероятней всего, из-за недостаточной пластичности покрытия. Недавно была продемонстрирована прямая корреляция твердости по Кнупу (микротвердости) с пластичностью и хрупкостью покрытия СМО. Из графика на рис.2 видно, что покрытия с микротвердостью выше 150 имеют низкую пластичность и пониженную наработку до отказа.
Дополнительным преимуществом использования модели отказов является количественная эффективность потенциальных корректирующих действий. Были предложены три действия, первое из которых состоит в снижении толщины ПП. Такая реконструкция вызовет минимальные по стоимости изменения и окажет минимальное действие на остальные стороны конструкции. Как уже отмечалось, продукция представляет 10-слойную ПП с толщиной 2,03 мм, в которой средняя толщина препрега равна приблизительно 185 мкм. Известно, что высокотехнологичные ПП изготавливаются с толщиной препрегов 100 мкм, и, снижая толщину препрега в исследуемой ПП до 150 мкм, можно снизить полную толщину платы до 1,81 мкм.
Другой способ реконструкции состоит в утолщении покрытия СМО, имеющего 35 мкм. Его толщину можно увеличить до 50 мкм. Третье потенциальное действие заключается в изменении основания ПП. Исследуемая плата использует FR-4 c ТКР, равным 70·10-6. Сегодня в условиях бессвинцового процесса расплавления многие изготовители ламинатов предлагают основания с низким ТКР – от 35 до 50·10-6.
Модель отказов позволяет установить, что при текущем значении индекса качества каждый из первых двух предлагаемых изменений приведет к повышению наработки до отказа приблизительно на 35%, а применение оснований ПП с малым ТКР – к еще большему ее повышению.
Одна из категорий отказов в ПП – изнашивание – обусловлена накоплением постоянно увеличивающегося повреждения, превышающего стойкость материала. Наиболее распространенный механизм изнашивания в ПП – это периферическая усталость СМО, известная также как растрескивание проводящего покрытия на стенке СМО. Периферическая усталость возникает из-за разницы в температурных коэффициентах расширения (ТКЕ) медного покрытия и печатной платы.
Технологические дефекты в СМО
Большинство случаев растрескивания проводящего покрытия стенки СМО определяется наличием технологических дефектов. Это происходит в основном потому, что большая часть электронной продукции, такая как потребительская, коммерческая и промышленная, используется в относительно благоприятных условиях, где температурные колебания минимизированы или управляются. Преобладание технологических дефектов, которые ведут к растрескиванию СМО, возникает во время технологического процесса изготовления ПП. Они включают вытравливание ямок, выпячивание стеклянных волокон, недостаточную толщину покрытия, изгиб покрытия и его пористость.
Вытравливание ямок является результатом остатков травителя, оставшегося на поверхности стенок СМО. Основной источник остатков травителя – это химикаты, используемые при снятии внешнего слоя.
Выпячивание стекловолокон в стенки отверстий влияет на толщину покрытия и, следовательно, может содействовать растрескиванию отверстия. Выпячивание происходит из-за непостоянства управления процессом при сверлении отверстий и подготовки отверстий или применения тонкого медного покрытия.
Недостаточная толщина покрытия возникает либо из-за недостаточного тока или времени осаждения в гальванической ванне, либо из-за малой рассеивающей способности электролита. Малая рассеивающая способность электролита вызывает неровность покрытия стенки со снижением толщины при высоких аспектовых отношениях (более 4:1).
Изгиб покрытия может снизить срок службы СМО за счет концентрации напряжения. Изгиб возникает из-за неровного сверления или плохой подготовки отверстия. Неровное сверление может быть вызвано плохим слоистым материалом, изношенными сверлами, неоткалиброванным или неотремонтированным сверлильным оборудованием или неоптимизированным сверлильным процессом. Плохая подготовка отверстия часто обязана чрезмерному удалению эпоксидной смолы. Пористость покрытия часто связана с присутствием воздушных пузырьков на поверхности основания ПП, которые вызываются прохождением воздуха в фильтрующую систему.
Растущее число растрескиваний стенок СМО невозможно быстро идентифицировать как дефекты, и поэтому требуется ряд исследований, которые будут связаны с совершенствованиями в управлении технологическим процессом и проектировании ПП с более высоким аспектовым отношением СМО.
Традиционный анализ отказов
При этих исследованиях предполагается наличие повреждения СМО. ПП приблизительной проблемной площади разрезается на секции, которые помещаются в отверждаемую при комнатной температуре эпоксидную смолу. Секции ПП последовательно заземляются с последующим полированием керамической суспензией. Затем на оптическом микроскопе исследуются изображения их поперечного сечения.
Никаких крупных дефектов или нарушений в этом случае не наблюдалось. Единственными аномалиями были наросты на покрытии СМО (рис.1). Наросты на стенках были обнаружены на всех исследуемых СМО. Основные причины наростов – плохое сверление, наличие частиц в растворах, отклонение температуры растворов от нормы или избыток блескообразователя.
Наличие наростов на покрытии может нанести большой урон надежности, создавая области с высоким напряжением и снижая срок службы при термоциклировании. Приемлемые условия для всех классов продукции требуют, чтобы наросты не приводили к снижению диаметра отверстия ниже допустимого. Когда исследование качества СМО не обеспечивает установления основных причин, центр изучения сдвигается к свойствам материала плат FR-4.
Моделирование на основе физики отказов
Отсутствие очевидной ясности при традиционном анализе отказов вызывает необходимость в использовании метода, основанного на физике отказов. Этот метод акцентирует внимание на понимании основной причины отказов благодаря анализу: почему, где и как происходят отказы. Получаемая информация используется для прогнозирования или предотвращения потенциальных отказов в течение эксплуатации продукции. В случае разрушения стенок СМО используется анализ напряжения и модели повреждения для прогнозирования характеристик СМО в течение термоциклирования.
Применяемая в этом анализе модель основана на модели, выведенной в IPC-TR-579, и значения напряжения в стенке СМО основываются на превышении предела упругости меди. Для учета несовершенства медных стенок СМО, содержащих потенциальные дефекты, используются калибрационные константы: коэффициент распределения напряжения Kd и индекс качества KQ. При практических расчетах предполагается, что Kd равен 2,5, а KQ – от 0 до 10. В результате эффективное значение напряжения в стенке СМО составляет
..............
ажнейшим свойством модели является то, что технологические дефекты детально не входят в нее, но моделируются с помощью индекса качества покрытия. Следовательно, ключевой вопрос, обусловлен ли отказ конструкцией или технологическим процессом, должен решаться с помощью индекса качества, получаемого на основе результатов испытаний и сравнения их с литературными данными. В такую модель для 10-слойной платы были введены существенные параметры геометрии, материала и тестирования ПП:
* Расстояние между СМО 20 мм
* Диаметр отверстия СМО 0,33 мм
* Диаметр контактной площадки 0,65 мм
* Толщина покрытия 0,035 мм
* Прочность покрытия на разрыв 120 ГПа
* ТКР покрытия 17·10-6
* Толщина платы 2,03 мм
* Прочность ПП на разрыв 5,7 ГПа
* ТКР платы 70·10-6
* Число температурных циклов в день 48
* Максимальная температура 105°С
* Минимальная температура -42°С
* Наработка до отказа 324 цикла
Определенный в результате индекс качества равен 4,8. Затем из литературы были взяты данные по термоциклированию СМО и вычислен индекс качества для каждого комплекта тестовых результатов (см. таблицу).
Использование индекса качества позволяет проводить прямое сравнение различных ускоренных испытаний на долговечность, даже когда геометрические и тестовые параметры неодинаковы. Если индекс равен 7,5 – приблизительно средний показатель для пяти данных в таблице, число циклов до отказа составляет 900, что превышает стандартное значение 500 циклов.
Корректирующие действия
Благодаря использованию модели на основе физики отказов было установлено, что ранний ресурс СМО представляет технологическую задачу, вероятней всего, из-за недостаточной пластичности покрытия. Недавно была продемонстрирована прямая корреляция твердости по Кнупу (микротвердости) с пластичностью и хрупкостью покрытия СМО. Из графика на рис.2 видно, что покрытия с микротвердостью выше 150 имеют низкую пластичность и пониженную наработку до отказа.
Дополнительным преимуществом использования модели отказов является количественная эффективность потенциальных корректирующих действий. Были предложены три действия, первое из которых состоит в снижении толщины ПП. Такая реконструкция вызовет минимальные по стоимости изменения и окажет минимальное действие на остальные стороны конструкции. Как уже отмечалось, продукция представляет 10-слойную ПП с толщиной 2,03 мм, в которой средняя толщина препрега равна приблизительно 185 мкм. Известно, что высокотехнологичные ПП изготавливаются с толщиной препрегов 100 мкм, и, снижая толщину препрега в исследуемой ПП до 150 мкм, можно снизить полную толщину платы до 1,81 мкм.
Другой способ реконструкции состоит в утолщении покрытия СМО, имеющего 35 мкм. Его толщину можно увеличить до 50 мкм. Третье потенциальное действие заключается в изменении основания ПП. Исследуемая плата использует FR-4 c ТКР, равным 70·10-6. Сегодня в условиях бессвинцового процесса расплавления многие изготовители ламинатов предлагают основания с низким ТКР – от 35 до 50·10-6.
Модель отказов позволяет установить, что при текущем значении индекса качества каждый из первых двух предлагаемых изменений приведет к повышению наработки до отказа приблизительно на 35%, а применение оснований ПП с малым ТКР – к еще большему ее повышению.
Отзывы читателей
