Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ и систематизация информации по исследуемому вопросу 12
1.1. Надежность электронных средств, ее оценка и испытания 12
1.2. Виды испытаний 17
1.3. Режимы испытаний 21
1.4. Форсированные испытания 26
1.5. Виртуальные испытания 31
1.6. Объект исследования 36
1.7. Надежность паяного соединения 44
1.8. Краткие выводы 54
2. Разработка методики исследовательских ускоренных испытаний 56
2.1. Разработка структуры методики и выбор испытательных воздействий 56
2.2. Разработка алгоритма испытаний 60
2.3. Разработка модели времени испытаний 76
2.4. Устройство контроля нелинейных искажений радиоэлементов 78
2.5. Краткие выводы 83
3. Разработка тестового модуля 85
3.1. Выбор имитаторов электрорадиоизделий 85
3.2. Разработка конструкции печатного узла тестового модуля 93
3.3. Разработка тестовых конструкций 98
3.4. Построение модели параметров вибрации и вероятностных характеристик колебаний при испытании навесных элементов электронных средств 103
3.5. Краткие выводы 109
4. Разработка технологии ускоренных испытаний 110
4.1. Условия проведения ускоренных испытаний
4.2. План ускоренных испытаний 111
4.3. Разработка технологического процесса подготовки к ускоренным испытаниям 112
4.4. Разработка технологического процесса предварительного термоциклирования 115
4.5. Разработка технологического процесса ускоренного испытания поверхностно-монтируемых элементов 117
4.6. Разработка технологического процесса ускоренного испытания элементов с торцевыми выводами 121
4.7. Выбор модели надежности 125
4.8. Разработка технологической схемы контроля 127
4.9. Разработка устройства подгонки элементов 127
4.10. Краткие выводы 127
5. Исследование качества паяных соединений 129
5.1. Методика получения микрошлифов 129
5.2. Исследование качества паяных соединений микросхем 130
5.3 Анализ качества паяных соединений чип- резисторов 136
5.4. Модернизация технологического процесса поверхностного монтажа
космической аппаратуры по результатам испытаний 143
5.5. Разработка методики анализа температурных напряжений в микросхемах и покрытиях 150
5.6. Принципы проведения этапа исследовательских наземных испытаний аппаратуры с длительным сроком активного функционирования 154
5.7. Оценка надежности паяного соединения 155
5.8. Краткие выводы 158
Основные результаты и выводы 159
Список использованных источников 161
Список сокращений и условных обозначений
- Форсированные испытания
- Устройство контроля нелинейных искажений радиоэлементов
- Построение модели параметров вибрации и вероятностных характеристик колебаний при испытании навесных элементов электронных средств
- Разработка технологического процесса ускоренного испытания элементов с торцевыми выводами
Форсированные испытания
Прежде чем допустить электронное средство (ЭС) к использованию необходимо проверить (тем или иным способом) его соответствие установленным требованиям по всей совокупности рассматриваемых показателей. Такая проверка осуществляется путем сопоставления измеренных значений показателей ЭС с их заданными, либо расчетными значениями.
Основной способ передачи ударов и вибраций - воздействие через точки крепления. Выделяют 2 вида воздействий:
1. Инерционное воздействие - все точки крепления конструкции под действием внешних сил движутся по одному и тому же закону, с одинаковой амплитудой и знаком. Такое воздействие является следствием влияния инерционной составляющей и не учитывает деформации несущей поверхности. Данное воздействие может легко моделироваться на вибрационных стендах.
2. Деформационное воздействие - точки крепления могут двигаться в противофазе. Данное воздействие, из-за сложного движения точек крепления, трудно моделировать на вибростендах и им обычно пренебрегают, что приводит к увеличению систематической погрешности в сотни раз.
Таким образом, постоянное повышение требований по надежности привело к появлению новых систем вибрационных испытаний, позволяющих вводить внешнее вибрационное воздействие в каждую точку крепления ЭС с раздельным управлением их параметров по каждому каналу. Именно поэтому разработка программной системы управления вибростендом четырехканальным является актуальной задачей.
Среда управления исследованиями динамических параметров радиоэлектронных средств. Анализ современного виброиспытательного оборудования.
В настоящее время существует большое количество научно-практических разработок, касающихся проведения исследований в области повышения эффективности виброиспытательного оборудования и методик проведения испытаний.
Основное направление в данной области принадлежит разработке комплексного оборудования, позволяющего подвергнуть объект испытаний одновременно вибрационному, ударному, тепловому и другим воздействиям [10,11]. Существуют разработки и промышленные образцы, позволяющие задавать вибрационные воздействия одновременно в трех плоскостях [12].
Тем не менее, недостаточно внимания уделено развитию испытательного оборудования, позволяющего исследовать динамические характеристики объекта при имитации воздействия нескольких источников вибрации или (на частотах от 500-2000 Гц) внесения вибрационного воздействия через точки крепления объекта в противофазе.
Таким образом, следует сделать следующий вывод - необходимо разработать программную стационарную систему управления вибростендом четырехканальным, которая позволяла бы: 1. Осуществить управление вибростендом с ПК с помощью СОМ интерфейса; 2. Задавать программно такие параметры СОМ интерфейса, как скорость передачи данных, паритеты, количество бит данных и стоповые биты; 3. Обеспечить выбор частоты задаваемого воздействия в диапазоне от 0,1 до 10000 Гц; 4. Обеспечить выбор значения фазы задаваемого воздействия, на каждом канале относительно первого, в диапазоне от 0 до 360. На основе сделанного вывода был выбран прототип для разработки программной системы управления вибрационными испытаниями, предназначенный для повышения эффективности испытания ЭС на устойчивость к воздействию вибрации за счет учета как инерционной, так и деформационной составляющих. Основным отличием прототипа является наличие возможности управления амплитудой и фазовым сдвигом в каждой точке крепления исследуемого объекта [13].
Недостатком рассмотренного прототипа является недостаточная автоматизация электронного управления, с помощью которого режимы работы и параметры вибрационного воздействия на каждом этапе конкретного эксперимента по каждому каналу задаются вручную.
Испытания на воздействие повышенной температуры проводят с целью определения способности РЭС сохранять свои параметры и внешний вид в пределах ТУ в процессе и после воздействия верхнего значения температуры.
Различают два метода испытания РЭС на воздействие повышенной температуры: испытание под термической нагрузкой, испытание под совмещенной термической и электрической нагрузкой [14-24].
Первому методу испытаний подвергаются нетеплорассеивающие изделия, температура которых в процессе эксплуатации зависит только от температуры окружающей среды, второму - теплорассеивающие РЭС, которые в рабочем состоянии нагреваются за счет выделяемой мощности под действием электрической нагрузки.
Изделия, отобранные для испытаний, должны удовлетворять требованиям ТУ по внешнему виду и по значениям контролируемых параметров.
В отечественной практике время испытаний на повышенные температуры определяется временем, необходимым для достижения испытываемым изделием теплового равновесия. В зарубежной практике степень жесткости определяется не только температурой испытаний, но и временем выдержки при этой температуре и выбирается из ряда 2, 16, 72, 96ч [24].
Устройство контроля нелинейных искажений радиоэлементов
Целью ускоренных испытаний является достижение состояния отказа или накопление повреждений вследствие действия определённого механизма разрушения, но за время меньшее, чем потребовалось бы при эксплуатации изделия. Для достижения этого существует несколько общих способов:
Интенсивность параметров, от которых зависит долговечность, может быть повышена для сокращения долговечности. Величина параметров, влияющих на долговечность, может поддерживаться на расчётном уровне, но воздействие выполняется с повышенной частотой, что приводит к сокращению продолжительности испытаний. Имеется также возможность применения этих двух подходов комбинированно. Особую важность имеет установление соотношения между ускоренным испытанием и реальными условиями эксплуатации, которые подвергаются ускорению, без этого любые выводы могут быть в корне неверными.
Хотя использование ускоренных испытаний и может быть опасным, поскольку они вносят факторы неопределённости, избежать их в общем случае нельзя, потому что требуемый срок активного существования слишком велик для проведения испытаний в более реалистичных условиях.
Для выделения различных процессов разрушения существуют различные типы испытаний. Для ускорения механизмов разрушения, от которых зависит долговечность паяного соединения, необходимо выполнить испытания на тепловую усталость, тепловой удар и вибрационные испытания. Выбор типа и условий испытаний должен осуществляться на основании выявленных у аналогов механизмов отказа или повреждения и условий эксплуатации.
При термоциклировании тест-платы подвергаются поочередному воздействию высоких и низких температур с определенными временами выдержки.
По результатам исследований спектральный состав вибраций, воздействию которых подвергается электронная аппаратура, распределён в широком диапазоне частот. Это означает, что вибрации любой частоты присутствуют одновременно в различных сочетаниях интенсивности. Эксперименты, проводимые в управляемых условиях, показали, что широкополосное воздействие при испытаниях можно успешно моделировать, применяя непериодическую (случайную) вибрацию. Целесообразно использовать воздействие случайной и синусоидальной вибраций.
При проведении механических испытаний необходимо сделать поправку, учитывающую влияние механического импеданса, поскольку преимущества от приближения условий испытаний к реальным компенсируют затраты времени, усилий и денежных средств.
Целесообразно проводить испытания на механический удар. Они представляют собой интенсивное ускорение, которое имитирует жесткие условия эксплуатации. К этим условиям относятся мгновенно приложенные нагрузки или резкие изменения характера движения (например, при старте ракетоносителя). Удары этой категории могут нарушить эксплуатационные характеристики или вызвать повреждение аналогичное тому, которое возникает при чрезмерной вибрации.
На временную диаграмму установки для ударных испытаний может оказывать влияние масса и распределение масс узла с поверхностным монтажом (ПМ) ЭРИ, особенно если масса образца значима в сравнении с массой установки. Вид временной диаграммы удара выбирается, исходя из ожидаемого воздействия на образец испытания [87].
Одна из наиболее сложных задач, которая стоит при проведении ускоренных испытаний - это определение усталости паяного соединения и его последующее обнаружение. Сравнение результатов испытаний может затрудняться либо вообще быть невозможным из-за несопоставимости критериев отказа [98]. К этим критериям относится периодический визуальный контроль появления трещин в паяном соединении, поиск нарушения структуры паяного соединения по снижению исходной прочности через определённые интервалы времени, наблюдение петель гистерезиса напряжение-деформация для отдельных паяных соединений, а также определение отказа в терминах характеристик петель гистерезиса, контроль электрического сопротивления по величине возрастания относительно исходного, мониторинг электрического сопротивления с целью обнаружения кратковременных электрических обрывов.
Критерии отказа, требующие периодического прерывания испытаний, могут значительно продлить время, необходимое для проведения испытаний, нарушить условия эксперимента и повлиять на результаты [99]. Случайно выбранные определения отказа могут служить в качестве индикаторов разрушения лишь в случае, если они выполняются согласованно. Однако, наличие множества различных определений отказа и используемых методов измерений затрудняют сравнение.
Для проведения ускоренных испытаний на надёжность было предложено использовать следующие критерии. Отказ определяется как первое прерывание электрической целостности цепи, которое подтверждено девятью дополнительными прерываниями в пределах дополнительных 10% от циклической долговечности.
Построение модели параметров вибрации и вероятностных характеристик колебаний при испытании навесных элементов электронных средств
Конструкция тестового печатного узла должна допускать непрерывный электрический контроль в течение полного теплового цикла. Технология изготовления печатной платы, количество слоев, защитное покрытие и покрытие контактных площадок должно быть идентичным штатной ячейки ЦТЕАЗ.055.110.
При проектировании печатного узла была использована программа Altium Designer, которая содержит мощные средства интерактивного размещения компонентов и трассировки проводников, которые совместно с интуитивной и полностью визуализированной системой установки правил проектирования максимально упрощают процесс разработки электроники. Инструменты трассировки учитывают все требования, предъявляемые современными технологиями разработок, например, при трассировке дифференциальных пар или BGA компонентов. В состав программы входит автоматический трассировщик Situs, в котором используются наиболее прогрессивные алгоритмы трассировки печатных проводников. Принципиальным отличием последней версии Altium Designer является поддержка двунаправленной работы с механическими деталями и моделями компонентов в формате STEP. В дополнение к мощным средствам разработки, Altium Designer имеет широкие возможности импорта и экспорта сторонних систем проектирования и поддерживает практически все стандартные форматы выходных файлов (Gerber, ODB++, DXF и т. д.). Монтаж платы односторонний для облегчения процесса рентгенконтроля.
Печатный узел с установленными ЭРИ приклеивается к плоскому основанию металлической рамки через прокладку. Для приклейки печатного узла к рамке можно использовать ЭЛАСИЛ-137 либо компаунд КТ-102, но выбор был остановлен на последнем, так как этот компаунд используется на штатной ячейке и не внесёт погрешности в исследование. Металлическая рамка изготовлена из алюминиевого сплава марки типа Діб с покрытием Ан.Окс.н.хр., имеет плоское основание и замкнутую по периметру обечайку.
В металлической рамке выполнены окна: - в обечайке для прохождения разъема в основании на плоскости металлической рамки для прохождения ЭРИ установленных на 1111.
Для проведения ускоренных испытаний необходимо было разработать тестовый блок с конструкцией, типовой для блоков, входящих в штатные изделия, и скомпоновать их в тестовый прибор для удобства проведения испытаний и большего приближения к условиям реальной эксплуатации. В состав типовых изделий входят следующие типы корпусов компонентов: PLCC, BGA, Chip-array, chip, SOIC, DDPAK, SOT, LCC, QFP, DIP. Поэтому на тестовый печатный узел были установлены имитаторы ЭРИ с данными корпусами. Из всех производителей ЭРИ-пустышек, таких как Intertronics Со, Benz Ltd, Kaisertech Ltd, TopLine, выбран был последний.
Для минимизации временных затрат и уменьшения погрешности результатов был спроектирован тестовый узел, который совместно с автоматической регистрирующей системой образует непрерывную сигнальную цепь, позволяющую регистрировать изменение структуры одного из элементов или определенной группы [99].
Была разработана также оригинальная конструкция тестового блока (рисунок 3.12). Поверхность А покрывается поли-пара-ксилиленом. Толщина покрытия составляет 10... 15 мкм. Полипараксилиленовое покрытие (ППКП) это уникальный способ обеспечения надежности электронных устройств различного назначения и прочих изделий, работающих в условиях воздействия повышенной влажности и температуры, биологических, химических и других факторов [117,118].
Конструкция тестового печатного узла должна позволять проводить непрерывный электрический контроль цепей, проверять сопротивление и прочность изоляции. Для этого необходимо выполнить трассировку тестового печатного узла таким образом, чтобы от каждого имитатора ЭРИ сигналы шли на клеммы розетки, к которой в дальнейшем при испытании будет подключаться АСК для выявления изменения характеристик изоляции и точного определения их принадлежности определённому местоположению на тестовом узле. Тестовая печатная плата должна быть изготовлена по технологии металлизации сквозных отверстий, так как все реальные аналоги печатных плат, входящих в типовые приборы, изготавливаются по этой методике.
Материал, из которого изготовлена печатная плата, должен быть близким по характеристикам к стеклотекстолиту FR-4 для сохранения характера адгезионных свойств покрытия, например, FR-4+, FR-5, СФ-2, МИ1222. Так как СФ-2 имеет низкое качество запрессовки, проблемы с отслоением фольги, а МИ 1222 имеет проблемы с короблением диэлектрика, то выбор был остановлен на стеклотекстолите FR-4+, имеющим по сравнению с FR-5 более низкую стоимость. С учётом этого была предложена конструкция печатной платы для тестового узла (рисунок 3.13).
Размеры контактных площадок SMD-компонентов были рассчитаны при помощи программного пакета IPC Footprint Wizard в Altium Designer. На этой базе была разработана конструкция тестового прибора (рисунок 3.14). Была также разработана схема подключения регистрирующих устройств рабочего места испытаний (рисунок 3.15). Монтаж ЭРИ выполнялся с использованием паяльной пасты Cobar XF3+, выбор которой был сделан на основании положительных результатов испытаний (образование шариков припоя, поверхностное сопротивление остатков флюса после пайки, тест на смачиваемость) и таких параметров, как вязкость, клейкость, кислотное число [119].
Разработка технологического процесса ускоренного испытания элементов с торцевыми выводами
Параметры радиоэлементов в той или иной степени зависят от температуры. В ряде случаев тепловой режим определяет работоспособность этих элементов.
Это касается не только абсолютных значений, но и значений теплового потока и характера распределения температуры, которые ведут к возникновению температурных деформаций и температурных напряжений, потому что применяемые материалы и многослойные конструкции микроэлектроники оказываются весьма чувствительными к температурным напряжениям и деформациям.
Уменьшение разметов кристаллов приводит к возрастанию плотностей тока и ведет к повышению интенсивности теплового режима, росту колебаний температуры в активной зоне.
Кроме того, микроэлектронные приборы представляют собой сложные многокомпонентные статически неопределенные системы. Неудачная совокупность параметров (теплофизических свойств), градиентов температуры могут вызвать значительные механические напряжения.
Тепловое напряжённое состояние обладает рядом специфических свойств, которые не свойственны обычным механическим нагрузкам. Различаются напряжения, которые возникают при стационарном процессе распространения тепла, и нестационарные напряжения, которые возникают в момент нагрева или охлаждения, особенно напряжения в двух- или трёхслойных конструкциях интегральных микросхем типа электрод-кристалл-подложка.
Рассматривая на плоскости элемент и обозначая перемещения вдоль осей А, В, для плоского напряжённого состояния после приложения нагрузки осевую и угловую деформацию можно записать [133]:
Температурные деформации иногда удобно выражать через эквивалентную механическую нагрузку, которая вызывает подобные напряжения. При этом различают несколько типов температурной деформации.
Температурные напряжения типа изгиба. Рассмотрим пластинку кристалла толщиной h и длиной I, передающую тепловой поток q в стационарном режиме. Если Т- установившаяся температура, а Т0 -начальная температура, то общую температурную деформацию можно представить в виде суммы деформаций от нагрузок растяжения и изгиба:
Температурные напряжения типа сдвига. Для плёночных микросхем или тонких кристаллов с относительно жёстким электродом и подложкой опасными являются касательные напряжения, возникающие при работе в импульсном режиме. Так как обычно теплопроводность плёнки значительно меньше теплопроводности токовода, то можно считать, что температура подложки останется равной То, а температура токовода равна Тп.
Температуру кристалла можно найти следующим образом. Пусть выделяемая мощность в тоководе импульсного режима Рп, а время действия tn. Тогда часть тепловой энергии Qn поглощается кристаллом, а часть Q0 уходит в окружающую среду:
Внутренние температурные напряжения. В общем случае распространение тепла (температурные деформации) приводят к возникновению напряжений. Назовём их внутренними температурными напряжениями независимо от способов закрепления. Такие напряжения встречаются на кристаллах и схемах при наличии тепловых потоков диэлектрических потерь.
Принципы проведения этапа исследовательских наземных испытаний космической аппаратуры с длительным сроком активного функционирования
Были рассмотрены принципы и особенности этапа наземных исследовательских испытаний при отработке нового КТВ радиотехнических устройств и систем космического аппарата «Ресурс П». Они сводятся к следующему [134].
При несоблюдении требований надёжности проводят следующие мероприятия; уточняют фактические уровни внешних воздействий, снижают электрические и тепловые нагрузки, вводят дополнительный контроль элементов.
Для ряда бортовых комплексов КА испытания целесообразно проводить в два этапа: натурные испытания и виртуальные испытания [135]. Проведение виртуальных испытаний позволяет отработать в большой степени взаимодействие составных частей в сборе. Такие испытания предусматривают проведение численного эксперимента и использование технологии параллельных вычислений. Это позволяет повысить готовность изделия к летным испытаниям без дополнительных затрат.
Похожие диссертации на Методика и средства испытаний паяных соединений поверхностно-монтируемых радиоэлектронных средств космических аппаратов в условиях комбинированной пайки
