Прогнозирование усталостной долговечности паяных соединений поверхностного монтажа при термоциклировании

Проведен аналитический расчет долговечности паяных соединений (ПС) по усталостной модели Энгельмейера-Уайльда. Проведено термоциклирование 8 электронных компонентов в диапазоне температур от 0 до 100 ºС, со скоростью изменения температуры в камере не более 10 ºС/мин и временем выдержки 15 минут при минимальном и максимальном значении температур с получением 50% отказов в течение 4300 циклов и построение статистики Вейбулла по полученным результатам. Также для определения местоположения и вида отказавших ПС проводилось металлографическое исследование.

Целью проведения работ является установление реальных параметров долговечности паяных соединений при определенных технологических режимах изготовления, в том числе штатных электронных блоков, в состав которых входят ЭРИ ИП в бессвинцовом исполнении. Установление параметров долговечности проводится путем термоциклирования в течение 4300 циклов, сравнением с аналитическим расчетом по модели Энгельмейера-Уайльда, а также металлографическим исследованием отказавших ПС.

С введением директивы RoHS практически вся номенклатура ЭРИ ИП и многие технологические материалы поступают в Россию в бессвинцовом исполнении

Отечественная ЭКБ в традиционном исполнении под стандартную технологию пайки свинцово-содержащими припоями, возникает задача подтвердить надежность принятой технологии монтажа для прибора имеющего ЭКБ различных производителей, допускающие различные диапазоны температуры эксплуатации изделий

Таким образом, принято решение провести экспериментальную проверку блока элементов на усталостную долговечность при термоциклировании, а так же сравнить результаты с аналитической моделью, учитывающей физические основы выхода из строя паяных соединений

термоциклирование компонентов LBGA1225, LBGA144, SR0402, SR0603, SR1206, QFN16, LQFP48, SSOP28, TSSOP64, аналитическая модель Энгельмейера-Уайльда

Тестовые ЭМ3, собранные по технологии поверхностного монтажа с групповым оплавлением, для проведения ускоренных испытаний на безотказность паяных соединений в количестве 8-ми шт. для прогнозирования долговечности паяных соединений ЭМ на основе модели Энгельмейера – Уайльда. На обеих сторонах МПП размером 176х176 мм смонтированы по технологии поверхностного монтажа 14 наименований имитаторов компонентов фирмы TopLine Dummy Components.

Параметром-критерием годности является целостность последовательных тестовых цепей, состоящих из испытываемых паяных соединений одного типа, проводников ПП и внутренних проводников имитаторов ЭКБ.

Отказ регистрировался детектором события как первое прерывание сроком на одну микросекунду  или больше  и увеличение  сопротивления  цепочного соединения на 300 Ом или больше. Отказавшее паяное соединение не восстанавливалось. Целостность измерительной цепи восстанавливалась путем шунтирования ЭРИ с дефектным паяным соединением  проволочной перемычкой. То есть, отказ одного паяного соединения означает отказ ЭРИ

При наличии отказов ПС (нарушение целостности электрических цепей, разрушение конструктивных элементов) проводится анализ причин, составляется карта учета отказов (КУО).

Металлографическое исследование

 

1. Показано, что прогнозирование усталостной долговечности паяных соединений поверхностного монтажа на основе модели Энгельмейера-Уайльда с использованием распределения Вейбулла, которая учитывает физический размер компонента, тип соединения (выводное или безвыводное), высота и площадь ПС, жесткость вывода, несовпадение коэффициентов температурного расширения,  позволяет математически оценить вклад каждого компонента в надежность электронного модуля и выявить те компоненты, которые ее снижают в большей степени.

2. В результате испытаний электронных модулей установлено, что в течение 4300 циклов зафиксировано 19 отказов только паяных соединений компонента LBGA1225T1.27..

3. На остальных группах паяных соединений в течение 4300 циклов, в том числе LBGA144, SR0402,  SR0603, SR1206, QFN16, LQFP48,SSOP28,TSSOP64, отказов зафиксировано не было.

4. По результатам испытаний и прогнозирования усталостной долговечности паяных соединений поверхностного монтажа установлено, что микросхемы типа Xilinx ХС2V4000-5BF957I, входящие в состав изделия (в основной и резервный блоки), при циклическом изменении температуры с учетом включения и выключения приборов на борту (ΔТ = 60 °С) при его орбитальном вращении  вокруг Земли обеспечивают ресурс в 38 000 циклов (6,5 лет). Отказ аппаратуры прогнозируется через 61102 цикла (10,5 лет).

5. По результатам металлографических исследований установлено, что причиной отказов паяных соединений являются сплошные трещины в теле паяных соединений компонента LBGA1225T1.27, которые проходят по границе компонент – шарик припоя, а в зоне трещины наблюдается укрупнение зерен припоя и распределение свинца в теле паяных соединений изменяется по шариковому выводу с явным увеличением олова в зоне трещины.

6. Результаты испытаний показали, что проблемы пайки бессвинцовых компонентов нет, а есть проблема прогнозирования высоконадежных изделий на этапе проектирования, в том числе и усталостной долговечности паяных соединений поверхностного монтажа.

7. В заключении необходимо отметить, что потенциальная надежность паяных соединений и электронного модуля в целом закладывается в процессе проектирования, а реализуется в процессе производства после отработки и полной оптимизации параметров технологии сборки и монтажа, в том числе дозированного нанесения припойной пасты и температурно-временных режимов пайки.

1 Иванов Н.Н., Ивин В.Д., Алексеев С.А. Исследование надежности бессвинцовых и комбинированных паяных соединений в условиях жестких воздействующих факторов // Вопросы электроники, №4. 2009. С. 85-114.
2 Справочники "НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОРАДИОИЗДЕЛИЙ" РД В 319.01.20-98, "Надежность ЭРИ ИП", разработанные 22 ЦНИИИ МО при участии РНИИ «Электронстандарт» и АО «Стандартэлектро». (Версия АСРН 2006).
3. IPC-SM-785 USA Руководство по ускоренным испытаниям на надежность паяных соединений поверхностного монтажа.
4. Darveaux, R. and Banerji, K., "Constitutive relations for tin-based solder joints", IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, Vol. 15, No. 6, December 1992, pp. 1013- 1024.

Experimentally was observed fatigue life of SMD solder joint during thermal cycling from 0 to 100 °С for 8 electronic moduls and 14 Topline simulators. The results was compared with analytical Engelmaier-Wilde model with making 2-P Weibull statistics. The failure was observed only on LBGA component during 4300 cycles, and was performed metallographic observation of failured solder joints.