Application of acoustic emission testing for solder attachment electronics


Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

Modern high-precision electronic equipment, which is a part of space technology, is expensive to manufacture due to the import component base and small series production. The paper examines existing methods of monitoring the quality of the electronics, which provides the performance and durability of the active presence of a spacecraft. The effectiveness of the method of acoustic emission for tracking the appearance of defects in solder joints of printed circuit boards of the electronics in real time. Relevance of the work is necessary for further development of the non-destructive method of detecting defects and sites of their localization, and their classification according to the degree of danger to the operation of the module of the electronics. In operation, a method of specification the defect locating using the method of acoustic emission has been developed. The accuracy of the method to localize the defect consists of 1 mm. On the standard case of the microchip in 1 mm increments probability defective contact is 95 %. On the basis of these experiments, a model of damage accumulation of the object (solder terminal connections of the chip housing of printed circuit boards of the electronics), which adequately reflects its properties has been constructed. The resulting behavior of a model of damage accumulation displays this object is not less than 80 % of the planned service life. The results of experimental studies of the diagram obtained accumulation of acoustic signals from developing defects in the process of deformation of the solder joint, determine the accuracy of the method, the parameters of a model of damage accumulation in the solder joint and the inception of the defects in the process of mechanical action. It demonstrates the promising applications of the method of acoustic emission for inspection of printed circuit boards. Sharing of X-ray tomography and the method of acoustic emission monitoring, which will be at the stage of preliminary processing and the production of printed circuit boards with high accuracy to predict the duration of their reliable operation is substantiated.

Толық мәтін

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
×

Авторлар туралы

Anton Azin

Tomsk State University

Email: antonazin@niipmm.tsu.ru
Cand. Sc., junior research fellow

Nikolai Marickiy

Tomsk State University

Email: evilelf_84@mail.ru
Cand. Sc., junior research fellow

Sergey Ponomarev

Tomsk State University

Email: doc.sergeyponomarev@gmail.ru
junior research fellow

Sergey Ponomarev

Tomsk State University

Email: psv@niipmm.tsu.ru
Dr. Sc., senior research fellow, head of the laboratory

Sergei Suncov

JSC “Information satellite systems” named after academician M. F. Reshetnev”

Email: sbsun@iss-reshetnev.ru
Cand. Sc., head of avionics department

Әдебиет тізімі

  1. D-оптическая инспекция - революционные технологии Mirtec [Электронный ресурс] : информационный портал по технологиям производства электроники // Новое оборудование и материалы. Электрон. дан. Элинформ. 2007-2014. URL: http://www.elinform.ru/news_6512.htm (дата обращения: 10.12.2013).
  2. Современное состояние развития систем автоматической оптической инспекции : технологии в электронной промышленности [Электронный ресурс] // Электрон. журн. Finestreet. 2011-2014. URL: http://www.tech-e.ru/2011_3_44.php (дата обращения: 10.12.2013).
  3. Установка функционального контроля SPEA [Электронный ресурс] // Тестовые системы для производителей радиоэлектронной аппаратуры 4060 / ООО «Предприятие «Остек». 2011. URL: http://ostec-electro.ru/katalog/radio/s-probnikami/4/ (дата обращения: 10.12.2013).
  4. Трехмерное качество [Электронный ресурс] / ООО «Предприятие «Остек». 2014. URL: http://ostec-ct.ru/knowledge-base/publication/trekhmernoe-kachestvo/ (дата обращения: 10.12.2013).
  5. Система XT V 160 Nikon Metrology [Электронный ресурс] // Тестирование и диагностика / ООО «Совтест АТЕ». 1994-2011. URL: http://www. sovtest.ru/equipment/xt-v-160-nikon-metrology (дата обращения: 10.12.2013).
  6. Андрейкив А. Е., Лысак Н. В. Метод акустической эмиссии в исследовании процессов разрушения. Киев : Изд-во Наук. думка, 1989. 172 с.
  7. Азин А. В., Марицкий Н. Н., Пономарев С. А., Пономарев С. В. Обзор методов обнаружения механических дефектов радиоэлектронных модулей // Известия вузов. Физика. 2010. № 12/2. С. 3-9.
  8. Азин А. В., Марицкий Н. Н., Пономарев С. А., Пономарев С. В. Разработка экспериментальнотеоретического метода прогнозирования разрушения материалов для радиоэлектроники // Известия вузов. Физика. 2012. № 7/2. С.3-8.
  9. Моделирование деформационно-прочностных свойств припойных соединений / А. В. Азин [и др.] // Известия вузов. Физика. 2013. № 7/3. С. 113-115.
  10. Обоснование методики определения повреждаемости материала с использованием акустической эмиссии / А. В. Азин [и др.] // Известия вузов. Физика. 2013. № 7/3. С. 116-118.
  11. Acoustic Emission Systems [Электронный ресурс] // Physical acoustics corporation / MISTRAS Group, Inc. 2010. URL: http://www.pacndt.com/index. aspx?go=products&focus=Multichannel.htm (дата обращения: 10.12.2013).
  12. Пат. 2298785 Российская Федерация, МПК G 01 N 29/14. Способ измерения концентрации дефектов при пластическом деформировании материалов в процессе силового воздействия / Березин А. В., Козинкина А. И. 15.12.2004, Бюл. № 13. 6 с.
  13. A New Approach for Early Detection of PCB Pad Cratering Failures [Электронный ресурс] / Anurag Bansal [et al.] ; Cisco Systems, Inc. 2011. 12 р. Электрон. версия печат. публ. URL: http://www.ipcoutlook. org/mart/51663.shtml (дата обращения: 01.11.2011).
  14. Investigation of Pad Cratering in Large Flip-Chip BGA using Acoustic Emission [Электронный ресурс] / Anurag Bansal [et al.] ; Cisco Systems, Inc. 2011. 12 р. Электрон. версия печат. публ. URL: http://www. ipcoutlook.org/pdf/investigation_pad_cratering_ipc.pdf (дата обращения: 01.11.2011).
  15. Assessment of PCB Pad Cratering Resistance by Join Level Testing [Электронный ресурс] / Brian Roggerman [et al.] // Electronic Component Technology Conference. 2008. 9 р. Электрон. версия печат. публ. URL: http://www.researchgate.net/publication/224319157_ Assessment _of_PCB_pad_cratering_resistance_by_joint_ level_testing (дата обращения: 01.11.2011).

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу

© Azin A.V., Marickiy N.N., Ponomarev S.A., Ponomarev S.V., Suncov S.B., 2014

Creative Commons License
Бұл мақала лицензия бойынша қолжетімді Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Осы сайт cookie-файлдарды пайдаланады

Біздің сайтты пайдалануды жалғастыра отырып, сіз сайттың дұрыс жұмыс істеуін қамтамасыз ететін cookie файлдарын өңдеуге келісім бересіз.< / br>< / br>cookie файлдары туралы< / a>