ДЕГРАДАЦИЯ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Проблема деградации паяных соединений очень важна и актуальна. Дело в том, что паяное соединение это не моно структура, а сложная структура, которая состоит из покрытия контактных площадок, припоя, промежуточного слоя между контактной площадкой и припоем и покрытием на поверхности пайки. На каждом этапе производства печатных плат или монтажа элементов могут возникнуть разного рода дефекты, которые в дальнейшем приведут к деградации паяного соединения и даже к его неправильной работе или отказу.

Первый процесс – это образование интерметаллидов. В электронных средствах все базовые материалы, покрытия и слои металлизации, образуют интерметаллиды. То есть в процессе между металлом проводников и припоем происходят разного рода химические реакции, в связи с которыми на месте между проводником и припоем начинают расти интерметаллические слои. Наличие этого слоя приводит к хорошей металлической связи, но если этот слой оказывается слишком толстым, то паяное соединение становиться более хрупким, что приводит к снижению надёжности этого соединения. Причиной этого является такой дефект, как припой не смачивает [1, с.8].

Второй процесс – это диффузия примесей. В условиях пайки протекает диффузия компонента припоя в сторону основного металла и компонентов основного металла в сторону припоя. Диффузия атомов может проходить по поверхности, по границам зёрен и в объём объёме этих зёрен [2]. Причинами этого являются такие дефекты, как не образование галтели с обратной стороны шва, включение флюса в паяном шве, шлаковые включения в шве.

Третий процесс – это окисление или электрохимическая коррозия, один из самых распространённых процессов деградации паяного соединения. Большое число дефектов влияют на проявление этого процесса [3]. Одним из главных дефектов являются трещины. Они могут быть как в паяном соединении, так и в шве. Так же некачественное состояние поверхности изделий после пайки, шлаковые включения, локальная эрозия паяемого материала в зоне соединения.

Четвёртый процесс – это цикловая усталость. При эксплуатации паяное соединение испытывает разные нагрузки. Цикловая усталость – это способность сопротивляться действию переменных нагрузок. То есть максимальная сила, при которой разрушается паяное соединение между контактными площадками печатной платы и выводами монтируемых элементов [4]. Причинами же такого процесса являются дефекты, такие как: не образуется галтели с обратной стороны шва, трещины в паяном шве, трещины в соне паяного соединения, локальная эрозия паяемого материала в зоне соединения.

Пятый процесс – это ползучесть припоя. Все припои, которые используются для процесса качественной пайки, должны обладать хорошей смачиваемость. Ползучесть металла определяется межзерновым скольжением или удлинением зёрен в металлическом сплаве. Причинами такого являются такие дефекты, как: припой не смачивает, припой не затекает в зазор при наличии хорошего смачивания.

Все вышеперечисленные причины деградации связаны с дефектами, которые появляются на начальном этапе, то есть в процессе пайки или монтажа компонентов. Чтобы исключить это дефекты нужно тщательно подходить к процессу пайки, организации рабочего места, подбирать определённые припои и флюсы, хорошо подготавливать поверхности и многое другое.

Вторая часть работы заключается в расчёте надёжности паяного соединения, с учётом всех процессов деградации, перечисленных выше.

Существует большое количество методик по расчёту надёжности паяных соединений. Выбрана оптимальная методика для расчёта долговечности системы паяных соединений, которая позволяет решить конкретную задачу по вычислению средней долговечности системы паяных соединений. Исходные данные: в системе 2000 паяных соединений, а время эксплуатации 1 год, то есть 8760 часов.

Определяются параметры А и B, DN – распределение наработки до выхода из строя паяного соединения. Чтобы определить параметр формы (А), нужно вычислить коэффициент вариации и долевое распределение. Ниже представлена диаграмма долевого распределения процессов деградации системы паяных соединений и таблица в которой представлены коэффициенты вариации.

Рисунок 1. Диаграмма долевого распределения

Из диаграммы видно, что сильнее всего влияет на надёжность паяного соединения многоцикловая усталость.

Таблица 1.

Расчётные значения коэффициентов вариации (V) и долевого распределения (W)

Учитывая коэффициент вариации и долевое распределение производиться расчёт оценки коэффициента вариации в соответствии со значениями, приведёнными в таблице 1 по следующей формуле:

где : В – оценка коэффициента вариации;

 – значения коэффициентов вариации;

 – долевое распределение.

На основании расчёта оценки коэффициента вариации обозначается верхняя граничная оценка параметра: .

Используя функцию Клоппера-Пирсона определяется параметр масштаба, обозначенный буквой А. Для его нахождения вычисляем эмпирическую вероятность отказа системы паяных соединений за период использования равный 1 году учитывая, что у это нижняя граница W, равна 0.9.

где: F() – эмпирическая вероятность отказа исследуемой группы паяных соединений;

y – нижняя граница для вероятности отсутствия отказа;

N – количество паяных соединений.

Вычисляем оценку нижней доверительной границы параметра по формуле:

где:  – оценка нижней доверительной границы параметра;

F() – эмпирическая вероятность отказа исследуемой группы паяных соединений;

 – интервал эксплуатации.

Из расчётов следует, что наихудший результат 146872 часа, то есть это минимальное время безотказной работы системы паяных соединений при определённых условиях процессов деградации.

Зная оценку нижней доверительной границы параметра вычисляем выборочную среднюю оценку параметра c учётом того, что двусторонняя доверительная вероятность оценки параметра равна 0.9:

где: W – выборочная средняя оценка параметра;

q – двусторонняя доверительная вероятность оценки параметра;

 – оценка нижней доверительной границы параметра;

В – оценка коэффициента вариации;

N – количество паяных соединений.

Вычислив выборочную среднюю оценку параметра делается вывод о том, что средняя долговечность системы паяных соединений равна 18,6 годам, что является не очень высоким показателем.

Применение диффузионного распределения в качестве расчётной модели долговечности паяных соединений позволяет оценить долговечность системы паяных соединений, даже при отсутствии отказов в этой системе.

Список литературы:

1. В.П. Ларин. Технология пайки. Методы исследования процессов пайки и паяных соединений.- Санкт-Петербург: Изд-во Санкт-Петербургский гос. ун-та, 2002. -  42 c.
2. Образование соединений при пайке [ электронный ресурс ]//URL: http://msd.com.ua/svarochnye-processy-v-elektronnom-mashinostroenii/obrazovanie-soedinenij-pri-pajke/ (дата обращения: 21.03.2018).
3. Особенности коррозии паяных соединений//URL http://poznayka.org/s92374t1.html (дата обращения: 26.03.2018).
4. Многоцикловая усталость//URL: http://studopedia.ru/2_125510_mnogotsiklovaya-ustalost.html (Дата обращения: 30.03.2018).