Применение метода акустической эмиссии для дефектоскопии паяных соединений радиоэлектронной аппаратуры

Полный текст

Введение. В радиоэлектронной промышленности широко используются паяные соединения элементов ПП. Для оценки их надежности необходимо знать механические характеристики связующего материала, в число которых также входит долговечность. При контроле качества выпускаемой электронной продукции широко используются в основном два метода неразрушающего контроля - оптико-электрический и рентгеновский. Испытательное оборудование, основанное на совместном использовании оптического и электрического методов контроля, включает 3Б-системы автоматической оптической инспекции (ISIS компании Mirtec [1], Symbion S36 компании ORPROVision [2]) и системы измерения с летающими пробниками (SPEA 4060 [3]). Эти системы позволяют контролировать и анализировать результаты работы автоматического сборочно-монтажного оборудования и измерять параметры, характеризующие качество паяных соединений. Данные системы не гарантируют выявления латентных дефектов паяных соединений, которые представляют наибольшую опасность для работоспособности ПП в дальнейшем. Рентгеновский метод при использовании современных томографов (Phoenix nanome|x 180 [4], XT V 160 [5]) позволяет «просветить» всю плату и с разрешением менее 0,5 мкм, выявить все несплошности в паяных соединениях и создать подробную 3Б-модель исследуемого объекта. На проведение такого анализа требуется значительные временные затраты. Кроме того, нужны дополнительные оценки по опасности выявленных дефектов. Анализ АЭ, сопровождающей деформацию и разрушение твердых тел, является очень эффективным в этом отношении. Метод АЭ - средство неразрушающего контроля и оценки материалов, основанное на обнаружении упругих волн [6]. Любой дефект производит свой собственный акустический сигнал, регистрация которого возможна на большом расстоянии. К особенностям метода акустического контроля отно сятся высокая чувствительность и принципиальная возможность раннего обнаружения дефектов независимо от их ориентации, формы и положения, а также возможность наблюдения в реальном масштабе времени [7]. Метод хорошо зарекомендовал себя при испытаниях образцов из оловянно-свинцового припоя ПОС-61 для локации дефектов [8-10]. Кроме того, были получены результаты применения акустической эмиссии и при циклических испытаниях. Применение АЭ для прогнозирования разрушения материала. Для отработки метода АЭ и определения вида функции поврежденности материала проведена серия экспериментов по деформированию образцов припоя ПОС-61 в виде лопаток и проволочек и образцов плат с BGA-корпусами с регистрацией акустических сигналов установкой АЭ Micro2 digital AE system [11]. Получены диаграммы накопления акустических сигналов от развивающихся дефектов в процессе деформирования контакта, определена точность метода, параметры модели накопления повреждений и моменты зарождения дефектов в процессе механического воздействия. На основании анализа результатов проведенных экспериментов построен график накопления акустических импульсов (рис. 1), возникающих при развитии дефектов, в зависимости от деформаций образца [12]. Представленные на рис. 1 экспериментальные кривые с погрешностью не более 3 % аппроксимируются соотношением N (x) = A1-(th(A2(x - x0)) + 1), x = є1/2, (1) где N - количество импульсов акустических сигналов; є - деформация; А1, А2, х0 - параметры модели (для материала припоя параметры Аі = 42,5, А2 = 12,5, х0 = 0,26442); th - функция гиперболического тангенса. На рис. 1 видно, что накопление повреждений в материале контактного соединения идет в три этапа. 193 Вестник СибГАУ. 2014. № 4(56) На первом этапе происходит накопление микроповреждений в одной области (достигается точка деструкции D - предел текучести материала), на втором этапе микроповреждения перерастают в микротрещины (основная часть событий АЭ) и достигается максимум нагрузки), на третьем этапе образуется макротрещина и количество событий АЭ остается практически неизменным. Таким образом, использование метода акустической эмиссии дает корректные результаты обнаружения роста дефекта (как конкретного события, так и зависимость количества импульсов от времени) вплоть до момента разрушения образца. 00' 60 В 30 О ОД ОД ОД 0,4 де ф ормация (б степени 1/2)_ (мигш)1^ а б Рис. 1. Накопление АЭ-импульсов в зависимости от деформации s1/2 для образцов припоя в виде лопаток (а) и проволоки (б): 1 - экспериментальные данные, 2 - аппроксимирующие кривые В рамках работы проведены испытания образцов ПП с корпусами BGA. На рис. 2 приведена диаграмма локации источников АЭ образующихся дефектов в паяных соединениях корпуса BGA с ЭП (размер ЭП 0,085 x 0,2 м). В ходе работы разработан способ уточнения определения местоположения дефекта с применением метода АЭ при плоскостной локации. Точность способа позволяет локализовать дефект с погрешностью 1 мм. На стандартном корпусе микрочипа с шагом 1 мм вероятность определения дефектного контакта составляет от 95 %. К примеру, исследователи компании Mistras и Cisco (разработчики аппаратуры акустической эмиссии) достигли точности локализации дефекта на корпусах BGA с погрешностью 5 мм [13-15]. На основании проведенных экспериментов построена модель накопления повреждений (МНП) исследуемого объекта (паяные контактные соединения корпуса чипа ПП РЭА), которая адекватно отражает свойства с погрешностью, не превышающей 3 %. Полученная МНП обеспечивает точность прогнозирования оставшегося ресурса жизни от планируемого срока эксплуатации с погрешностью не более 9 % и отображает поведение данного объекта не менее чем 80 % от планируемого срока эксплуатации. Заключение. По результатам проведенного исследования выявлено, что метод акустико-эмиссионного контроля позволяет определять местоположение развивающихся дефектов и степень их опасности для целостности паяного соединения, тем самым ограничивая область исследования и сокращая временные затраты для дальнейшего метода рентгеновской томографии, с помощью которого уточняется локация и геометрия дефекта. Совместное использование метода рентгеновской томографии и метода акустико-эмиссионного контроля позволит как на этапе предварительной отработки, так при производстве ЭП с высокой вероятностью выявлять производственные дефекты и прогнозировать срок их надежной эксплуатации. Рис. 2. Диаграмма локации источников АЭ: • - датчик (преобразователь АЭ); ■ - источники АЭ 194 Технологические процессы и материалы Библиографические ссылки

Об авторах

Антон Владимирович Азин

Национальный исследовательский Томский государственный университет

Email: antonazin@niipmm.tsu.ru
кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник

Николай Николаевич Марицкий

Национальный исследовательский Томский государственный университет

Email: evilelf_84@mail.ru
кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник

Сергей Александрович Пономарев

Национальный исследовательский Томский государственный университет

Email: doc.sergeyponomarev@gmail.ru
младший научный сотрудник

Сергей Васильевич Пономарев

Национальный исследовательский Томский государственный университет

Email: psv@niipmm.tsu.ru
доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией

Сергей Борисович Сунцов

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Email: sbsun@iss-reshetnev.ru
кандидат технических наук, начальник отдела радиоэлектронной аппаратуры

Список литературы

Дополнительные файлы