Выпуск #2/2011
Л.Егоров
Паяные соединения конструктивно-технологические аспекты обеспечения надежности
Паяные соединения конструктивно-технологические аспекты обеспечения надежности
Просмотры: 1735
Функционально-сложная электронная аппаратура автоматизированных систем управления технологическими процессами содержит десятки и сотни электронных модулей (ЭМ). На печатной плате (ПП) каждого ЭМ размещено 1000 и более компонентов, от простых
резисторов, конденсаторов, диодов, индуктивностей до микросхем высокой степени интеграции в корпусах типа QFP, PLCC, BGA и др. Число паяных соединений (ПС) в таком ЭМ достигает нескольких тысяч. Их надежность, являясь одной из основных оставляющих
надежности всего ЭМ, зависит от множества факторов, начиная с выбора компонентов и материалов при разработке топологии ПП, и реализуется качеством исполнения паяных соединений в процессе сборки модуля.
резисторов, конденсаторов, диодов, индуктивностей до микросхем высокой степени интеграции в корпусах типа QFP, PLCC, BGA и др. Число паяных соединений (ПС) в таком ЭМ достигает нескольких тысяч. Их надежность, являясь одной из основных оставляющих
надежности всего ЭМ, зависит от множества факторов, начиная с выбора компонентов и материалов при разработке топологии ПП, и реализуется качеством исполнения паяных соединений в процессе сборки модуля.
Современный электронный модуль разрабатывается в соответствии с нормативной документацией (НД) и использованием современных САПР. Изготовление и контроль таких ЭМ возможен только на автоматизированном оборудовании. Устаревание, а зачастую и полное отсутствие российской НД по созданию современных ЭМ обусловило необходимость использования опыта, накопленного мировой практикой по данной проблеме. Существенную помощь в создании надежных ЭМ на современном научно-техническом уровне выполняет НД ассоциации IPC, США (рис.1). НД IPC содержит полный комплект документов (стандартов, руководств, рекомендаций, справочников) по всему циклу создания ЭМ: проектирование – изготовление ПП – сборка модулей. Большинство НД IPC имеют статус национальных, т.е. государственных стандартов США (ANSI) и признаны (одобрены) Министерством обороны США (DoD). НД IPC определяет требования к современной компонентной базе, материалам, оборудованию, устанавливает нормы и правила проектирования, изготовления, контроля и приемки, ремонта и доработки печатных плат и модулей.
Согласно НД IPC определяющее значение в обеспечении надежности ПС компонентов поверхностного монтажа имеет соблюдение комплекса требований, норм, правил и процедур при проектировании и изготовлении модулей. Для оценки и прогнозирования эксплуатационной надежности ПС используются методы ускоренных испытаний. Такой подход широко распространен за рубежом и регламентирован руководящим документом [1], в котором сформулирована концепция проектирования надежных модулей на ПП методом поверхностного монтажа, построенная на соблюдении трех основных принципов: технологичности (DfM), контролепригодности (DfT) и надежности (DfR). Ниже подробно рассмотрены элементы такого подхода, реализованные при проектировании и изготовлении ЭМ АСУ ТП, а также достигнутая при этом надежность ПС в условиях реальной эксплуатации ЭМ. Для оценки в первом приближении потенциальной эксплуатационной надежности ПС на этапе проектирования использовался метод сопоставительного анализа данных по надежности ПС, полученных методом ускоренных испытаний, приведенных в Data sheet фирм-изготовителей компонентов. При этом анализ проводился с учетом соответствия условий эксплуатации ЭМ АСУ ТП и условий ускоренных испытаний.
Определение надежности и конструкции ПС. Под надежностью ПС понимается его способность функционировать при заданных условиях эксплуатации в течение определенного периода времени без превышения допустимого уровня отказов. Конструктивно ПС состоит из трех элементов: вывода/контакта компонента, собственно припоя/пасты и контактной площадки ПП. В качестве паяемых покрытий, как выводов/контактов компонентов, так и контактных площадок печатной платы, традиционно используется оплавленный припой из эвтектического сплава олово–свинец с температурой плавления 183°С. То есть паяное соединение – это одинаковая металлургическая система из эвтектического сплава олово–свинец для всех элементов паяного соединения (вывод/контакт компонента, припой и контактная площадка ПП), что предопределяет "металлургическую" надежность паяных соединений.
Надежность ПС на основе эвтектического припоя олово–свинец доказана более чем полувековой мировой практикой предприятиями, производящими электронную аппаратуру. Так, согласно [2], интенсивность отказов ПС эвтектикой олово–свинец составляет λ = 10-13 1/ч.
Факторы, воздействующие на ПС при эксплуатации ЭМ. В процессе эксплуатации ПС подвергаются разным видам воздействий, которые могут привести к появлению преждевременного отказа, если они неправильно спроектированы. Надежность паяных соединений при воздействии механических нагрузок (вибрация и удар) зависит от прочности паяного соединения, определяемой его размером, и обеспечивается в основном конструкцией модуля и аппаратуры (дополнительное крепление компонентов, соответствующее крепление платы, заливка компаундом и т.п.).
Первостепенное значение для долговременной надежности ПС имеет циклическое воздействие температур как со стороны внешней среды, так и при включении и отключении аппаратуры. Во время работы ПС поверхностного монтажа подвергаются многократным циклическим термомеханическим напряжениям из-за различия коэффициентов термического расширения (КТР) компонентов и печатных плат, к которым они припаяны. В первом приближении термомеханические напряжения, возникающие в ПС поверхностного монтажа, пропорциональны линейным размерам компонента, разности КТР "корпус компонента–ПП" и разности температур "компонент–ПП".
Для эвтектического припоя олово–свинец свойственно явление ползучести с релаксацией напряжения, которое происходит при температуре выше 20°С, в то время как при температуре ниже 20°С припой выдерживает долговременные нагрузки, работая в области упругих деформаций, как и другие металлы. Чем больше температура ПС превышает 20°С и/или выше уровень термомеханических напряжений, тем в большей мере проявляется ползучесть припоя. Многократные термомеханические напряжения вызывают упруго-пластичные деформации в ПС, которые в результате приводят к усталостному повреждению паяного соединения [1].
Надежность ПС компонентов поверхностного монтажа обеспечивается надежностным проектированием и последующим технологическим процессом монтажа компонентов, который должен обеспечить надлежащее качество ПС [3, 4]. Понимание надежности и механизмов повреждения ПС поверхностного монтажа является первым шагом в конструировании и обеспечении надежности электронного модуля.
Обеспечение надежности паяных соединений на этапе проектирования. При проектировании схем и топологии ПП основное влияние на технологичность, контролепригодность и надежность ЭМ оказывают выбор компонентов и качество материалов, используемых для сборки.
Выбор компонентов. При выборе типа компонента, кроме его функциональных возможностей и способности работать в требуемых условиях эксплуатации, немаловажное значение имеет тип корпуса, форма его выводов и материал финишного покрытия выводов, что предопределяет контролепригодность, качество и металлургию ПС, а значит и его надежность.
В ЭМ АСУ ТП использованы двухконтактные безвыводные компоненты прямоугольной и цилиндрической формы, имеющие металлизированные/металлические контактные поверхности на торцах компонента, которые припаиваются к контактным площадкам ПП. Эти ПС достаточно жесткие, КТР компонентов (стекло, керамика (5,1–7,4) 10-6 1/°С) отличается от КТР ПП (стеклотекстолит (14–20)·10-6 1/°С), поэтому для снижения термомеханических напряжений в ПС длина компонентов ограничена фирмами-изготовителями до 5,5 мм. Кроме того, контактные площадки ПП под пайку таких компонентов имеют развитую поверхность, т.е. надежность их увеличивается.
Компоненты с большим количеством выводов и большими размерами имеют выводы в форме "крыло чайки" и J-образные. Они обладают податливостью (compliant) и обеспечивают большую надежность, разгружая ПС от термомеханических напряжений, обусловленных разницей КТР корпуса компонента и ПП.
Прочность ПС зависит от их площади. Большая поверхность ПС снижает величину термомеханических напряжений и повышает их надежность. Поэтому при проектировании топологии ПП для определения посадочных мест (рисунка контактных площадок) под конкретный компонент, а также взаимного расположения и ориентации компонентов, из-за отсутствия отечественных НД, использовался стандарт IPC [5], а затем его последующие актуализированные версии
[6, 7] в сочетании с программой [8] для автоматического получения рисунка контактных площадок по габаритным размерам компонента.
Эта программа позволяет определить размеры рисунка контактных площадок ПП под выводы/контакты компонента, исходя из размеров компонента (формы, размеров и допусков контактов/выводов компонента) с учетом допусков на выполнение проводящего рисунка ПП, а также точности оборудования для размещения компонентов на ПП. Требования к качеству ПС (по внешнему виду, размерам, расположению контактов/выводов компонентов относительно контактных площадок ПП), влияющие на надежность паяных соединений, установлены в конструкторской документации в соответствии со стандартом [9].
Оценка потенциальной надежности ПС. Применение импортных компонентов уже на этапе их выбора позволяет оценить ожидаемую надежность ПС. Сведения по надежности ПС, приводимые в технических данных фирм-изготовителей компонентов, полезны для сопоставительного сравнения и прогнозирования в первом приближении эксплуатационной надежности ПС. Стандартом [10] регламентированы требования и методы ускоренных испытаний для оценки надежности ПС при эксплуатации. Этот стандарт устанавливает требования по режимам термоциклирования в зависимости от условий эксплуатации аппаратуры и продолжительность испытаний по количеству термоциклов. Из пяти режимов ускоренных испытаний на термоциклирование, установленных стандартом [10], интерес представляет следующий: диапазон температур от 0 до 100°С, два цикла в час, количество циклов до 6000. Выбор указанного диапазона температур обусловлен температурным режимом эксплуатации ЭМ АСУ ТП: от 10 до 40°С.
Эти ускоренные испытания на надежность ПС проводятся фирмами-изготовителями компонентов на тестовых образцах корпусов компонентов, а их результаты приводятся в data sheet. Например, по данным фирмы Altera [11], при испытаниях на термоциклирование (температура от 0 до 100°С) компонентов в пластмассовых корпусах (35х35 мм) с жесткими выводами (шариковые контакты корпуса BGA), припаянными на печатную плату припоем на основе сплава олово–свинец, после 5000 циклов отказов не наблюдалось.
В первом приближении можно предположить, что надежность ПС компонентов с аналогичными или меньшими линейными размерами корпусов с податливыми (compliant) выводами (в форме «крыло чайки» и J-образными), демпфирующими термомеханические напряжения в ПС, а также при существенно меньшем перепаде температур при эксплуатации (10 до 40°С) будет не хуже надежности ПС компонентов с жесткими выводами фирмы Altera. Проведение такого сравнительного анализа для оценки надежности ПС имеет значительные преимущества перед ускоренными испытаниями, для которых требуются большие временные и финансовые затраты.
Выбор материалов для монтажа. Немаловажное значение на потенциальную надежность ПС оказывает качество материалов, используемых при монтаже. В КД на ЭМ АСУ ТП введены и использованы при пайке импортные припойные пасты и припои электронного класса, а также флюсы, удовлетворяющие требованиям стандартов [12, 13].
Обеспечение качества/надежности ПС при изготовлении модулей. Обеспечение качества ПС при изготовлении ЭМ реализуется строгим соблюдением режимов технологического процесса, а также последовательным выполнением комплекса контрольных процедур и проверок, которые являются как составной частью конкретной операции процесса сборки, так и самостоятельными операциями, сопровождающими сборку модулей.
Контрольные проверки и процедуры проводятся с целью обеспечить качество ПС, установленное в КД, и не допустить в готовом модуле явных и скрытых дефектов ПС. Перед началом сборки выполнялась проверка паяемости поверхностей выводов/контактов компонентов на соответствие требованиям стандарта [14], финишного покрытия (оплавленный сплав олово–свинец) ПП на соответствие требованиям стандарта [15]. Технологические параметры припойной пасты как материала, имеющего ограниченный срок хранения, контролировались на соответствие требованиям стандарта [16].
В процессе сборки выполнялись следующие контрольные процедуры:
контроль качества нанесения припойной пасты;
совмещение выводов/контактов компонентов с контактными площадками ПП при их размещении на плате, а также после пайки оплавлением припойной пасты – на соответствие требованиям [17];
температурные профили процессов пайки оплавлением и волной на соответствие требованиям [18];
визуальный контроль качества ПС по стандарту [19];
внутрисхемный контроль;
функциональный контроль ЭМ АСУ ТП при повышенной температуре.
Последние два вида контроля являются эффективными методами выявления скрытых дефектов ПС.
Выполнение вышеуказанных норм и правил проектирования в сочетании с комплексом контрольных процедур, сопровождающих процесс изготовления, обеспечило получение паяных соединений, по своему качеству удовлетворяющих требованиям КД.
О надежности ПС компонентов с бессвинцовыми покрытиями выводов. Введение в действие (2006) в странах Евросоюза, США, Китая директивы RoHS [20, 21] о запрете использования в электронной аппаратуре шести вредных веществ, в частности свинца, вынудило фирмы-изготовители компонентов изменить традиционное оплавленное покрытие выводов на основе сплава олово–свинец на другие покрытия, не содержащие свинец.
Директива распространяется в основном на бытовую аппаратуру и не затрагивает стационарной электронной аппаратуры промышленного назначения и, тем более, электронной аппаратуры военного, космического применения, систем жизнеобеспечения. Компоненты с различными видами бессвинцовых покрытий выводов классифицированы стандартом [22] по составу металлических покрытий на семь категорий. Большинство поверхностно-монтируемых компонентов с этими покрытиями выводов/контактов, кроме корпусов типа BGA, совместимы с традиционной технологией пайки эвтектическим припоем олово–свинец (так называемая обратная совместимость – backward compatibility). Важными технологическими показателями, оказывающими влияние на надежность паяных соединений, являются металлургия соединения и смачиваемость припоем поверхностей соединяемых элементов, т.е. паяемость.
В работе [23] рассмотрены металлургия паяных соединений, достоинства и недостатки для семи классифицированных [22] категорий бессвинцовых покрытий выводов компонентов и их влияние на надежность паяных соединений при пайке оловянно-свинцовыми припоями. Наиболее распространены и очень близки с точки зрения металлургии паяного соединения покрытия на основе сплавов олово–серебро–медь, олово–серебро (без висмута) и чистое олово. В этих покрытиях содержится от 96 до 100% олова, которое обладает хорошей смачиваемостью.
Покрытия из золота, никеля (барьерный слой)–золота и никеля–палладия–золота обладают хорошей смачиваемостью и паяемостью даже после длительного хранения, однако они могут нарушать металлургию паяного соединения. Превышение в паяном соединении золота по весу более, чем на 3% приводит к хрупкости паяного соединения, а значит – к снижению его надежности [17].
Об унификации материалов бессвинцовых покрытий. В любом случае важно и необходимо знать вид материала бессвинцового покрытия выводов компонентов. За рубежом проведена работа по унификации материалов бессвинцовых покрытий выводов компонентов поверхностного монтажа. Фирмы-изготовители компонентов стран Евросоюза и США пришли к соглашению, что основным бессвинцовым покрытием выводов компонентов должно быть чистое матовое олово (Matt Sn plating) толщиной 8–10 мкм [24]. К достоинствам этого покрытия относится его небольшая стоимость и соответствие компонентов с таким покрытием требованиям технологии "обратной совместимости", т.е. возможности пайки этих компонентов и компонентов с оловянно-свинцовым покрытием, установленных на одной ПП, традиционным оловянно-свинцовым припоем.
Большинство импортных компонентов, не содержащих свинец, использованных в ЭМ АСУ ТП, имели покрытие из чистого матового олова. Объем олова, привносимого в ПС из покрытия толщиной ~10 мкм, существенно меньше объема припоя ПС (толщина припойной пасты ~200 мкм + толщина покрытия припоем контактной площадки ПП ~30–50 мкм). Поэтому правомерно утверждение, что не изменится как металлургия, так и физико-механические свойства припоя в объеме ПС.
На основании сказанного можно предположить потенциальную надежность паяных соединений компонентов с выводами, покрытыми матовым оловом, при пайке традиционным оловянно-свинцовым припоем.
Паяемость покрытия матовым оловом. По data sheet 13 зарубежных фирм 30 типов компонентов, используемых в изготовленном электронном модуле – 15 типов (DIP, TO-247) и 15 типов SMD (chip,TSOP,PLCC,PQFP,SOIC,SO и др.) – имеют покрытие матовое чистое Sn толщиной 8–10 мкм, что подтверждает унификацию покрытий. В data sheet также указывается на возможность backward compatibility.
Принимая во внимание сравнительно длительные сроки поставки компонентов, а также возможность их продолжительного хранения на складе до использования, экспериментально была оценена паяемость для шести типов компонентов четырех фирм как в состоянии поставки, так и после имитации 1, 2 и 3 лет хранения. Один год хранения имитировался выдержкой компонентов в камере влаги с ОВ 93±3% при температуре 40±2°С в течение 10 суток. Проверка паяемости с оценкой смачивания покрытия из олова на выводах компонентов выполнялась в соответствии с [25] методом имитации технологического процесса и по шлифам.
Припойная паста околоэвтектического сплава SnPbAg наносилась через трафарет на несмачиваемые припоем поликоровые подложки. После размещения компонентов проводилось оплавление припойной пасты в соответствии с [18] по стандартному режиму при пиковых температурах корпуса компонента 235°С, что обеспечивало хорошую смачиваемость и металлургическую связь покрытия матового олова на выводах компонента с припоем, учитывая, что скорость растворения Sn в припое SnPb при 225°С составляет 90 мкм/с. Расположение компонентов на несмачиваемой припоем подложке позволяло оценивать качество смачивания участков поверхности вывода компонентов, которые будут непосредственно соприкасаться с контактными площадками ПП.
На представленных фотографиях микрошлифов видна хорошая металлургическая связь поверхности покрытия вывода и припоя: нет визуально-различимой границы покрытие–припой, что свидетельствует об их сплавлении и обеспечивает надежность паяного соединения (рис.2–3).
О надежности ПС по результатам эксплуатации. В соответствии с нормами, правилами и процедурами, установленными стандартами IPC (за отсутствием отечественных), предопределяющими обеспечение надежности ПС компонентов на этапе проектирования, а также в соответствии с комплексом контрольных операций и проверок, сопровождающих и обеспечивающих качество ПС на этапе сборки, были изготовлены ЭМ АСУ ТП. Модуль был выполнен на многослойной (до восьми слоев) ПП габаритами 233×160×1,6 мм и со сквозными металлизированными отверстиями диаметром 0,2 мм. Среднее количество компонентов на обеих сторонах платы примерно 1000 шт. Количество ПС на плате – от 600 до 3500.
О надежности ПС свидетельствует тот факт, что при общем количестве ЭМ АСУ ТП, находящихся в эксплуатации на объектах тепловой и атомной энергетики, более 35 тыс. шт. с общим количеством ПС более 70 млн. и суммарной наработке 1,13 млрд. ч отказов не было. На рис.4 показан фрагмент ЭМ коммутации.
О возможности пайки бессвинцовых BGA-компонентов эвтектическим припоем SnPb. Важно, чтобы температурный профиль при конвекционной пайке оплавлением гарантированно обеспечивал полное смешение сплава SAC (SnAgCu) шариковых контактов BGA с SnPbAg припойной пастой.
Вопросы оптимизации термопрофиля пайки изложены в [26, 27]. В последнем источнике по результатам немецких исследователей сказано: "Шарики припоя SnAgCu могут быть припаяны SnPb припоем (при температуре, типичной для SnPb припоя) с образованием безупречного металлургического соединения". При этом авторы указывают на необходимость проведения испытаний ПС на надежность. Монтаж бессвинцовых BGA-компонентов сопряжен с некоторым риском, поэтому оптимизированный термопрофиль пайки компонентов BGA c шариковыми контактами из сплава SAC должен являться неотъемлемой частью технологической документации.
Недавними исследованиями [28] показано, что такой дефект при монтаже BGA-компонентов как "голова на подушке" сложно обнаружить как рентгеновским, так и функциональным контролем. Этот дефект является источником серьезного риска и отказа в процессе эксплуатации аппаратуры. Поэтому, по мнению автора, для аппаратуры ответственного назначения предпочтение при выборе компонентов следует отдавать корпусам PGA (Pin Grid Array) c матрицей штыревых контактов.
В заключение можно сказать, что тщательное соблюдение рекомендаций НД IPC обеспечивает возможность создания современных ЭМ с высокой надежностью паяных соединений поверхностно-монтируемых компонентов на печатной плате как с традиционным покрытием выводов/контактов (оплавленный эвтектический сплав олово–свинец), так и с бессвинцовым покрытием (матовое олово).
При выборе и заказе компонента необходимо знать структуру и материал покрытия вывода/контакта компонента, что необходимо для анализа металлургии соединения. Монтаж пайкой на плату смешанной комплектации компонентов с различным покрытием выводов (кроме компонентов BGA) возможен без изменения температурных профилей используемых для традиционной пайки сплавом олово–свинец. Для пайки компонентов BGA с бессвинцовыми шариковыми контактами из сплава SAC необходима оптимизация температурного профиля с контролем температуры корпуса компонента в нескольких точках, а также – по микрошлифам, свидетельствующим о полном растворении шарика из сплава SAC с припойной пастой SnPbAg. Для аппаратуры ответственного назначения предпочтение при выборе компонентов, по мнению автора, следует отдавать корпусам PGA (Pin Grid Array) c матрицей штыревых контактов.
Появление на рынке компонентов с бессвинцовым покрытием выводов/контактов из матового олова, как основного вида покрытия, возродил страх «оловянной чумы» и реанимировал забытую более полувека назад проблему вискеров. Вискеры опасны возможностью короткого замыкания рядом расположенных выводов и вызывают озабоченность у разработчиков электронной аппаратуры. Проблемы возникновения вискеров и меры подавления их образования и роста будут рассмотрены в следующей статье.
Литература
1. IPC-D-279. Design Guidelines for Reliable Surfaсe Mount Technology Printed Boards Assemblies, июль 1996.
2. Медведев А. Материалы для монтажной пайки. – Производство электроники: технологии, оборудование, материалы, 2006, № 5,с.35.
3. Энгельмайер В. Надежность паяных соединений. Симпозиум АСОЛД-2008 «Проблемы бессвинцовой и комбинированной технологии в поверхностном монтаже», 8–10 октября, Москва, ЗАО Предприятие ОСТЕК.
4. IPC-SM-785. Guidelines for Accelerated Reliability Testing of Surface Mount, ноябрь 1992.
5. IPC-7351. Generic Requirements for Surface Mount Land Pattern and Design Standard, февраль 2005.
6. IPC-7351A. Generic Requirements for Surface Mount Land Pattern and Design Standard, февраль 2007.
7. IPC-7351BGeneric Requirements for Surface Mount Land Pattern and Design Standard, июнь 2010.
8. PCB Matrix IPC LP Calculator V2009.
9. J-STD-001D. Requirements for Soldered Electrical & Electronic Assemblies, февраль 2005.
10. IPC-9701. Performance Test Methods and Qualification Requirements for Surface Mount Solder Attachments, март 2006.
11. Data sheet, Reliability Report 44, Q32006, Altera.
12. IPC-J-STD-006B. Requirements for Electronic Grade Solder Alloys and Fluxed and Non- Fluxed Solid Solders for Electronic Soldering Applications, январь 2006.
13. ANSI/J-STD-004A. Requirements for Soldering Fluxes, январь 2004.
14. IPC/EIA J-STD-002B. Solderability Tests for Component Leads, Terminations, Lugs, Terminals and Wires, февраль 2003.
15. J -STD-003B. Solderability Tests for Printed Boards, март 2007.
16. ANSI/J-STD-005. Requirements for Soldering Pastes, январь 1995.
17. IPC J-STD-001D. Requirements for Soldered Electrical & Electronic Assemblies, февраль 2005.
18. IPC-7530. Guidelines for Temperature Profiling for Mass Soldering (Reflow & Wave) Processes, май 2001.
19. IPC-А-610D. Acceptability of Electronic Assemblies, февраль 2005.
20. Шапиро Л. Новые европейские директивы для изделий электроники. – Производство электроники, 2006, №2.
21. Шапиро Л. Внедрение европейской директивы RoHS. – Производство электроники, 2006, №2.
22. IPC-1066. Маркировка, обозначение и этикетки для идентификации бессвинцовых и других материалов, подлежащих декларированию в бессвинцовых сборках, компонентах и устройствах, январь 2005/Пер. ЗАО Предприятие ОСТЕК.
23. Лейтес И. Бессвинцовая директива: что нас ожидает в ближайшем будущем. – Производство электроники: технологии, оборудование, материалы, 2006, №5.
24. IPC Review, сентябрь 2006.
25. IPC-9501. PWB Assembly Process Simulation for Evaluation of Electronic Components, июль 1995.
26. IPC-7095B. Design and Assembly Process Implementation for BGA, март 2008.
27. Новиков А., Гроссманн Г. Исследование микроструктуры паяных соединений бессвинцовых BGA-компонентов. – Технологии в электронной промышленности, 2008, №2. с.54.
28. R.Nowland, R.Coyle, P.Read, Alcatel-Lucent; G.Wenger. Fndrew Division of CommScope, Telecommunications Case Studies Head-In-Pillow (Hnp) Defects and Mitigation through Assembly Process Modifications and Control. – IPC REVIEW, NOVEMBER/DECEMBER 2010.
Определение надежности и конструкции ПС. Под надежностью ПС понимается его способность функционировать при заданных условиях эксплуатации в течение определенного периода времени без превышения допустимого уровня отказов. Конструктивно ПС состоит из трех элементов: вывода/контакта компонента, собственно припоя/пасты и контактной площадки ПП. В качестве паяемых покрытий, как выводов/контактов компонентов, так и контактных площадок печатной платы, традиционно используется оплавленный припой из эвтектического сплава олово–свинец с температурой плавления 183°С. То есть паяное соединение – это одинаковая металлургическая система из эвтектического сплава олово–свинец для всех элементов паяного соединения (вывод/контакт компонента, припой и контактная площадка ПП), что предопределяет "металлургическую" надежность паяных соединений.
Надежность ПС на основе эвтектического припоя олово–свинец доказана более чем полувековой мировой практикой предприятиями, производящими электронную аппаратуру. Так, согласно [2], интенсивность отказов ПС эвтектикой олово–свинец составляет λ = 10-13 1/ч.
Факторы, воздействующие на ПС при эксплуатации ЭМ. В процессе эксплуатации ПС подвергаются разным видам воздействий, которые могут привести к появлению преждевременного отказа, если они неправильно спроектированы. Надежность паяных соединений при воздействии механических нагрузок (вибрация и удар) зависит от прочности паяного соединения, определяемой его размером, и обеспечивается в основном конструкцией модуля и аппаратуры (дополнительное крепление компонентов, соответствующее крепление платы, заливка компаундом и т.п.).
Первостепенное значение для долговременной надежности ПС имеет циклическое воздействие температур как со стороны внешней среды, так и при включении и отключении аппаратуры. Во время работы ПС поверхностного монтажа подвергаются многократным циклическим термомеханическим напряжениям из-за различия коэффициентов термического расширения (КТР) компонентов и печатных плат, к которым они припаяны. В первом приближении термомеханические напряжения, возникающие в ПС поверхностного монтажа, пропорциональны линейным размерам компонента, разности КТР "корпус компонента–ПП" и разности температур "компонент–ПП".
Для эвтектического припоя олово–свинец свойственно явление ползучести с релаксацией напряжения, которое происходит при температуре выше 20°С, в то время как при температуре ниже 20°С припой выдерживает долговременные нагрузки, работая в области упругих деформаций, как и другие металлы. Чем больше температура ПС превышает 20°С и/или выше уровень термомеханических напряжений, тем в большей мере проявляется ползучесть припоя. Многократные термомеханические напряжения вызывают упруго-пластичные деформации в ПС, которые в результате приводят к усталостному повреждению паяного соединения [1].
Надежность ПС компонентов поверхностного монтажа обеспечивается надежностным проектированием и последующим технологическим процессом монтажа компонентов, который должен обеспечить надлежащее качество ПС [3, 4]. Понимание надежности и механизмов повреждения ПС поверхностного монтажа является первым шагом в конструировании и обеспечении надежности электронного модуля.
Обеспечение надежности паяных соединений на этапе проектирования. При проектировании схем и топологии ПП основное влияние на технологичность, контролепригодность и надежность ЭМ оказывают выбор компонентов и качество материалов, используемых для сборки.
Выбор компонентов. При выборе типа компонента, кроме его функциональных возможностей и способности работать в требуемых условиях эксплуатации, немаловажное значение имеет тип корпуса, форма его выводов и материал финишного покрытия выводов, что предопределяет контролепригодность, качество и металлургию ПС, а значит и его надежность.
В ЭМ АСУ ТП использованы двухконтактные безвыводные компоненты прямоугольной и цилиндрической формы, имеющие металлизированные/металлические контактные поверхности на торцах компонента, которые припаиваются к контактным площадкам ПП. Эти ПС достаточно жесткие, КТР компонентов (стекло, керамика (5,1–7,4) 10-6 1/°С) отличается от КТР ПП (стеклотекстолит (14–20)·10-6 1/°С), поэтому для снижения термомеханических напряжений в ПС длина компонентов ограничена фирмами-изготовителями до 5,5 мм. Кроме того, контактные площадки ПП под пайку таких компонентов имеют развитую поверхность, т.е. надежность их увеличивается.
Компоненты с большим количеством выводов и большими размерами имеют выводы в форме "крыло чайки" и J-образные. Они обладают податливостью (compliant) и обеспечивают большую надежность, разгружая ПС от термомеханических напряжений, обусловленных разницей КТР корпуса компонента и ПП.
Прочность ПС зависит от их площади. Большая поверхность ПС снижает величину термомеханических напряжений и повышает их надежность. Поэтому при проектировании топологии ПП для определения посадочных мест (рисунка контактных площадок) под конкретный компонент, а также взаимного расположения и ориентации компонентов, из-за отсутствия отечественных НД, использовался стандарт IPC [5], а затем его последующие актуализированные версии
[6, 7] в сочетании с программой [8] для автоматического получения рисунка контактных площадок по габаритным размерам компонента.
Эта программа позволяет определить размеры рисунка контактных площадок ПП под выводы/контакты компонента, исходя из размеров компонента (формы, размеров и допусков контактов/выводов компонента) с учетом допусков на выполнение проводящего рисунка ПП, а также точности оборудования для размещения компонентов на ПП. Требования к качеству ПС (по внешнему виду, размерам, расположению контактов/выводов компонентов относительно контактных площадок ПП), влияющие на надежность паяных соединений, установлены в конструкторской документации в соответствии со стандартом [9].
Оценка потенциальной надежности ПС. Применение импортных компонентов уже на этапе их выбора позволяет оценить ожидаемую надежность ПС. Сведения по надежности ПС, приводимые в технических данных фирм-изготовителей компонентов, полезны для сопоставительного сравнения и прогнозирования в первом приближении эксплуатационной надежности ПС. Стандартом [10] регламентированы требования и методы ускоренных испытаний для оценки надежности ПС при эксплуатации. Этот стандарт устанавливает требования по режимам термоциклирования в зависимости от условий эксплуатации аппаратуры и продолжительность испытаний по количеству термоциклов. Из пяти режимов ускоренных испытаний на термоциклирование, установленных стандартом [10], интерес представляет следующий: диапазон температур от 0 до 100°С, два цикла в час, количество циклов до 6000. Выбор указанного диапазона температур обусловлен температурным режимом эксплуатации ЭМ АСУ ТП: от 10 до 40°С.
Эти ускоренные испытания на надежность ПС проводятся фирмами-изготовителями компонентов на тестовых образцах корпусов компонентов, а их результаты приводятся в data sheet. Например, по данным фирмы Altera [11], при испытаниях на термоциклирование (температура от 0 до 100°С) компонентов в пластмассовых корпусах (35х35 мм) с жесткими выводами (шариковые контакты корпуса BGA), припаянными на печатную плату припоем на основе сплава олово–свинец, после 5000 циклов отказов не наблюдалось.
В первом приближении можно предположить, что надежность ПС компонентов с аналогичными или меньшими линейными размерами корпусов с податливыми (compliant) выводами (в форме «крыло чайки» и J-образными), демпфирующими термомеханические напряжения в ПС, а также при существенно меньшем перепаде температур при эксплуатации (10 до 40°С) будет не хуже надежности ПС компонентов с жесткими выводами фирмы Altera. Проведение такого сравнительного анализа для оценки надежности ПС имеет значительные преимущества перед ускоренными испытаниями, для которых требуются большие временные и финансовые затраты.
Выбор материалов для монтажа. Немаловажное значение на потенциальную надежность ПС оказывает качество материалов, используемых при монтаже. В КД на ЭМ АСУ ТП введены и использованы при пайке импортные припойные пасты и припои электронного класса, а также флюсы, удовлетворяющие требованиям стандартов [12, 13].
Обеспечение качества/надежности ПС при изготовлении модулей. Обеспечение качества ПС при изготовлении ЭМ реализуется строгим соблюдением режимов технологического процесса, а также последовательным выполнением комплекса контрольных процедур и проверок, которые являются как составной частью конкретной операции процесса сборки, так и самостоятельными операциями, сопровождающими сборку модулей.
Контрольные проверки и процедуры проводятся с целью обеспечить качество ПС, установленное в КД, и не допустить в готовом модуле явных и скрытых дефектов ПС. Перед началом сборки выполнялась проверка паяемости поверхностей выводов/контактов компонентов на соответствие требованиям стандарта [14], финишного покрытия (оплавленный сплав олово–свинец) ПП на соответствие требованиям стандарта [15]. Технологические параметры припойной пасты как материала, имеющего ограниченный срок хранения, контролировались на соответствие требованиям стандарта [16].
В процессе сборки выполнялись следующие контрольные процедуры:
контроль качества нанесения припойной пасты;
совмещение выводов/контактов компонентов с контактными площадками ПП при их размещении на плате, а также после пайки оплавлением припойной пасты – на соответствие требованиям [17];
температурные профили процессов пайки оплавлением и волной на соответствие требованиям [18];
визуальный контроль качества ПС по стандарту [19];
внутрисхемный контроль;
функциональный контроль ЭМ АСУ ТП при повышенной температуре.
Последние два вида контроля являются эффективными методами выявления скрытых дефектов ПС.
Выполнение вышеуказанных норм и правил проектирования в сочетании с комплексом контрольных процедур, сопровождающих процесс изготовления, обеспечило получение паяных соединений, по своему качеству удовлетворяющих требованиям КД.
О надежности ПС компонентов с бессвинцовыми покрытиями выводов. Введение в действие (2006) в странах Евросоюза, США, Китая директивы RoHS [20, 21] о запрете использования в электронной аппаратуре шести вредных веществ, в частности свинца, вынудило фирмы-изготовители компонентов изменить традиционное оплавленное покрытие выводов на основе сплава олово–свинец на другие покрытия, не содержащие свинец.
Директива распространяется в основном на бытовую аппаратуру и не затрагивает стационарной электронной аппаратуры промышленного назначения и, тем более, электронной аппаратуры военного, космического применения, систем жизнеобеспечения. Компоненты с различными видами бессвинцовых покрытий выводов классифицированы стандартом [22] по составу металлических покрытий на семь категорий. Большинство поверхностно-монтируемых компонентов с этими покрытиями выводов/контактов, кроме корпусов типа BGA, совместимы с традиционной технологией пайки эвтектическим припоем олово–свинец (так называемая обратная совместимость – backward compatibility). Важными технологическими показателями, оказывающими влияние на надежность паяных соединений, являются металлургия соединения и смачиваемость припоем поверхностей соединяемых элементов, т.е. паяемость.
В работе [23] рассмотрены металлургия паяных соединений, достоинства и недостатки для семи классифицированных [22] категорий бессвинцовых покрытий выводов компонентов и их влияние на надежность паяных соединений при пайке оловянно-свинцовыми припоями. Наиболее распространены и очень близки с точки зрения металлургии паяного соединения покрытия на основе сплавов олово–серебро–медь, олово–серебро (без висмута) и чистое олово. В этих покрытиях содержится от 96 до 100% олова, которое обладает хорошей смачиваемостью.
Покрытия из золота, никеля (барьерный слой)–золота и никеля–палладия–золота обладают хорошей смачиваемостью и паяемостью даже после длительного хранения, однако они могут нарушать металлургию паяного соединения. Превышение в паяном соединении золота по весу более, чем на 3% приводит к хрупкости паяного соединения, а значит – к снижению его надежности [17].
Об унификации материалов бессвинцовых покрытий. В любом случае важно и необходимо знать вид материала бессвинцового покрытия выводов компонентов. За рубежом проведена работа по унификации материалов бессвинцовых покрытий выводов компонентов поверхностного монтажа. Фирмы-изготовители компонентов стран Евросоюза и США пришли к соглашению, что основным бессвинцовым покрытием выводов компонентов должно быть чистое матовое олово (Matt Sn plating) толщиной 8–10 мкм [24]. К достоинствам этого покрытия относится его небольшая стоимость и соответствие компонентов с таким покрытием требованиям технологии "обратной совместимости", т.е. возможности пайки этих компонентов и компонентов с оловянно-свинцовым покрытием, установленных на одной ПП, традиционным оловянно-свинцовым припоем.
Большинство импортных компонентов, не содержащих свинец, использованных в ЭМ АСУ ТП, имели покрытие из чистого матового олова. Объем олова, привносимого в ПС из покрытия толщиной ~10 мкм, существенно меньше объема припоя ПС (толщина припойной пасты ~200 мкм + толщина покрытия припоем контактной площадки ПП ~30–50 мкм). Поэтому правомерно утверждение, что не изменится как металлургия, так и физико-механические свойства припоя в объеме ПС.
На основании сказанного можно предположить потенциальную надежность паяных соединений компонентов с выводами, покрытыми матовым оловом, при пайке традиционным оловянно-свинцовым припоем.
Паяемость покрытия матовым оловом. По data sheet 13 зарубежных фирм 30 типов компонентов, используемых в изготовленном электронном модуле – 15 типов (DIP, TO-247) и 15 типов SMD (chip,TSOP,PLCC,PQFP,SOIC,SO и др.) – имеют покрытие матовое чистое Sn толщиной 8–10 мкм, что подтверждает унификацию покрытий. В data sheet также указывается на возможность backward compatibility.
Принимая во внимание сравнительно длительные сроки поставки компонентов, а также возможность их продолжительного хранения на складе до использования, экспериментально была оценена паяемость для шести типов компонентов четырех фирм как в состоянии поставки, так и после имитации 1, 2 и 3 лет хранения. Один год хранения имитировался выдержкой компонентов в камере влаги с ОВ 93±3% при температуре 40±2°С в течение 10 суток. Проверка паяемости с оценкой смачивания покрытия из олова на выводах компонентов выполнялась в соответствии с [25] методом имитации технологического процесса и по шлифам.
Припойная паста околоэвтектического сплава SnPbAg наносилась через трафарет на несмачиваемые припоем поликоровые подложки. После размещения компонентов проводилось оплавление припойной пасты в соответствии с [18] по стандартному режиму при пиковых температурах корпуса компонента 235°С, что обеспечивало хорошую смачиваемость и металлургическую связь покрытия матового олова на выводах компонента с припоем, учитывая, что скорость растворения Sn в припое SnPb при 225°С составляет 90 мкм/с. Расположение компонентов на несмачиваемой припоем подложке позволяло оценивать качество смачивания участков поверхности вывода компонентов, которые будут непосредственно соприкасаться с контактными площадками ПП.
На представленных фотографиях микрошлифов видна хорошая металлургическая связь поверхности покрытия вывода и припоя: нет визуально-различимой границы покрытие–припой, что свидетельствует об их сплавлении и обеспечивает надежность паяного соединения (рис.2–3).
О надежности ПС по результатам эксплуатации. В соответствии с нормами, правилами и процедурами, установленными стандартами IPC (за отсутствием отечественных), предопределяющими обеспечение надежности ПС компонентов на этапе проектирования, а также в соответствии с комплексом контрольных операций и проверок, сопровождающих и обеспечивающих качество ПС на этапе сборки, были изготовлены ЭМ АСУ ТП. Модуль был выполнен на многослойной (до восьми слоев) ПП габаритами 233×160×1,6 мм и со сквозными металлизированными отверстиями диаметром 0,2 мм. Среднее количество компонентов на обеих сторонах платы примерно 1000 шт. Количество ПС на плате – от 600 до 3500.
О надежности ПС свидетельствует тот факт, что при общем количестве ЭМ АСУ ТП, находящихся в эксплуатации на объектах тепловой и атомной энергетики, более 35 тыс. шт. с общим количеством ПС более 70 млн. и суммарной наработке 1,13 млрд. ч отказов не было. На рис.4 показан фрагмент ЭМ коммутации.
О возможности пайки бессвинцовых BGA-компонентов эвтектическим припоем SnPb. Важно, чтобы температурный профиль при конвекционной пайке оплавлением гарантированно обеспечивал полное смешение сплава SAC (SnAgCu) шариковых контактов BGA с SnPbAg припойной пастой.
Вопросы оптимизации термопрофиля пайки изложены в [26, 27]. В последнем источнике по результатам немецких исследователей сказано: "Шарики припоя SnAgCu могут быть припаяны SnPb припоем (при температуре, типичной для SnPb припоя) с образованием безупречного металлургического соединения". При этом авторы указывают на необходимость проведения испытаний ПС на надежность. Монтаж бессвинцовых BGA-компонентов сопряжен с некоторым риском, поэтому оптимизированный термопрофиль пайки компонентов BGA c шариковыми контактами из сплава SAC должен являться неотъемлемой частью технологической документации.
Недавними исследованиями [28] показано, что такой дефект при монтаже BGA-компонентов как "голова на подушке" сложно обнаружить как рентгеновским, так и функциональным контролем. Этот дефект является источником серьезного риска и отказа в процессе эксплуатации аппаратуры. Поэтому, по мнению автора, для аппаратуры ответственного назначения предпочтение при выборе компонентов следует отдавать корпусам PGA (Pin Grid Array) c матрицей штыревых контактов.
В заключение можно сказать, что тщательное соблюдение рекомендаций НД IPC обеспечивает возможность создания современных ЭМ с высокой надежностью паяных соединений поверхностно-монтируемых компонентов на печатной плате как с традиционным покрытием выводов/контактов (оплавленный эвтектический сплав олово–свинец), так и с бессвинцовым покрытием (матовое олово).
При выборе и заказе компонента необходимо знать структуру и материал покрытия вывода/контакта компонента, что необходимо для анализа металлургии соединения. Монтаж пайкой на плату смешанной комплектации компонентов с различным покрытием выводов (кроме компонентов BGA) возможен без изменения температурных профилей используемых для традиционной пайки сплавом олово–свинец. Для пайки компонентов BGA с бессвинцовыми шариковыми контактами из сплава SAC необходима оптимизация температурного профиля с контролем температуры корпуса компонента в нескольких точках, а также – по микрошлифам, свидетельствующим о полном растворении шарика из сплава SAC с припойной пастой SnPbAg. Для аппаратуры ответственного назначения предпочтение при выборе компонентов, по мнению автора, следует отдавать корпусам PGA (Pin Grid Array) c матрицей штыревых контактов.
Появление на рынке компонентов с бессвинцовым покрытием выводов/контактов из матового олова, как основного вида покрытия, возродил страх «оловянной чумы» и реанимировал забытую более полувека назад проблему вискеров. Вискеры опасны возможностью короткого замыкания рядом расположенных выводов и вызывают озабоченность у разработчиков электронной аппаратуры. Проблемы возникновения вискеров и меры подавления их образования и роста будут рассмотрены в следующей статье.
Литература
1. IPC-D-279. Design Guidelines for Reliable Surfaсe Mount Technology Printed Boards Assemblies, июль 1996.
2. Медведев А. Материалы для монтажной пайки. – Производство электроники: технологии, оборудование, материалы, 2006, № 5,с.35.
3. Энгельмайер В. Надежность паяных соединений. Симпозиум АСОЛД-2008 «Проблемы бессвинцовой и комбинированной технологии в поверхностном монтаже», 8–10 октября, Москва, ЗАО Предприятие ОСТЕК.
4. IPC-SM-785. Guidelines for Accelerated Reliability Testing of Surface Mount, ноябрь 1992.
5. IPC-7351. Generic Requirements for Surface Mount Land Pattern and Design Standard, февраль 2005.
6. IPC-7351A. Generic Requirements for Surface Mount Land Pattern and Design Standard, февраль 2007.
7. IPC-7351BGeneric Requirements for Surface Mount Land Pattern and Design Standard, июнь 2010.
8. PCB Matrix IPC LP Calculator V2009.
9. J-STD-001D. Requirements for Soldered Electrical & Electronic Assemblies, февраль 2005.
10. IPC-9701. Performance Test Methods and Qualification Requirements for Surface Mount Solder Attachments, март 2006.
11. Data sheet, Reliability Report 44, Q32006, Altera.
12. IPC-J-STD-006B. Requirements for Electronic Grade Solder Alloys and Fluxed and Non- Fluxed Solid Solders for Electronic Soldering Applications, январь 2006.
13. ANSI/J-STD-004A. Requirements for Soldering Fluxes, январь 2004.
14. IPC/EIA J-STD-002B. Solderability Tests for Component Leads, Terminations, Lugs, Terminals and Wires, февраль 2003.
15. J -STD-003B. Solderability Tests for Printed Boards, март 2007.
16. ANSI/J-STD-005. Requirements for Soldering Pastes, январь 1995.
17. IPC J-STD-001D. Requirements for Soldered Electrical & Electronic Assemblies, февраль 2005.
18. IPC-7530. Guidelines for Temperature Profiling for Mass Soldering (Reflow & Wave) Processes, май 2001.
19. IPC-А-610D. Acceptability of Electronic Assemblies, февраль 2005.
20. Шапиро Л. Новые европейские директивы для изделий электроники. – Производство электроники, 2006, №2.
21. Шапиро Л. Внедрение европейской директивы RoHS. – Производство электроники, 2006, №2.
22. IPC-1066. Маркировка, обозначение и этикетки для идентификации бессвинцовых и других материалов, подлежащих декларированию в бессвинцовых сборках, компонентах и устройствах, январь 2005/Пер. ЗАО Предприятие ОСТЕК.
23. Лейтес И. Бессвинцовая директива: что нас ожидает в ближайшем будущем. – Производство электроники: технологии, оборудование, материалы, 2006, №5.
24. IPC Review, сентябрь 2006.
25. IPC-9501. PWB Assembly Process Simulation for Evaluation of Electronic Components, июль 1995.
26. IPC-7095B. Design and Assembly Process Implementation for BGA, март 2008.
27. Новиков А., Гроссманн Г. Исследование микроструктуры паяных соединений бессвинцовых BGA-компонентов. – Технологии в электронной промышленности, 2008, №2. с.54.
28. R.Nowland, R.Coyle, P.Read, Alcatel-Lucent; G.Wenger. Fndrew Division of CommScope, Telecommunications Case Studies Head-In-Pillow (Hnp) Defects and Mitigation through Assembly Process Modifications and Control. – IPC REVIEW, NOVEMBER/DECEMBER 2010.
Отзывы читателей
