Метод анализа надежности электрических межсоединений в ГМП

Структура электрических межсоединений в ГМП

Элементы электрических соединений в пространственном объеме ГМП по конструктивным признакам и физико-механическим характеристикам можно разделить на три группы (рис. 3.4): 1 - печатные проводники в плоскости основания платы, осуществляющие продольные соединения в слоях в ортогональных направлениях X и Y ; 2 - металлизированные отверстия, выполняющие трансверсальные соединения в направлении Z; 3 - внутренние соединения печатных проводников с металлизацией сквозных отверстий (соединения продольной и трансверсальной структур). Совокупность трансверсальных и внутренних элементов соединений составляют межслойные соединения ГМП.

Сгруктура соединений в ГМП

Рис. 3.4. Сгруктура соединений в ГМП:

  • 1 - проводники в плоскостях слоев — соединения в направлениях X-Y;
  • 2 - металлизация отверстий - трансверсальные соединения в направлении Z; 3 - внугренние соединения в пересечениях X-Y-Z

Элементы соединений подвергаются воздействию термических нагрузок в процессе изготовления, монтажа и циклических изменений температур в процессе эксплуатации аппаратуры. Различия в температурных коэффициентах линейного расширения (ТКЛР) проводящих структур и диэлектрика вызывают в элементах электрических соединений термомеханические напряжения различной интенсивности. В продольных исправлениях, армированных стеклотканью, различия в ТКЛР настолько незначительны, что они не сказываются на прочности соединений продольной структуры, если выполнены условия проектирования.

В трансверсальном направлении, перпендикулярном плоскости армирования, различия в линейном расширении настолько значительны (1710‘6 для меди и 100...400-К)"6 для диэлектрического основания), что возникающие при температурных нафузках термомеханические напряжения способны разрушить межслойные соединения (рис. 3.5).

Разрушение межсоединений в трансверсальном направлении

Рис. 3.5. Разрушение межсоединений в трансверсальном направлении

Известно, что устойчивость металлизированных отверстий к термомеханическим нафузкам обеспечивается толщиной и пластичностью металлизации. Стандартные нормы требований к металлизации по этим критериям качества установились в процессе многолетней практики изготовления и эксплуатации электронной аппаратуры с печатным монтажом. Однако эти требования применимы только для традиционных конструкций ГМП (10... 12 слоев) с отношением толщины платы к диаметру отверстия от 1:1 до 3:1. Переход на высокоинтегрированную элементную базу неизбежно сопровождается увеличением слойносги ГМП (20...30 вплоть до 40 слоев) и соответствующим увеличением толщины при размере сквозных отверстий 0,3 мм и эго отношение может достигать соотношений 10:1...20:1. В таких «толстых» конструкциях ГМП отношение жесткостей сечений металлизации отверстий и окружающего их материала основания платы складывается не в пользу металлизации: в условиях температурных воздействий значительно увеличивается деформация металлизации отверстий. Это явление усугубляется уменьшением пластичности медной металлизации с ростом температуры до 300°С.

Сочетание больших деформаций металлизации отверстий в «толстых» ГМП и уменьшение пластичности меди при температурных нагрузках являются причиной отказов межслойных соединений, если не принять мер для увеличения пластичности меди при температурах, соответствующих возможным нагревам ГМП в процессе монтажа и эксплуатации в составе аппаратуры.

Статистика показывает, что особенно большой поток отказов межслойных соединений наблюдается в аппаратуре, систематически подвергающейся воздействию циклических изменений температур (термоциклов), например, в бортовых ЭВМ в составе самолетных комплексов автоматического управления. По данным эксплуатации одного из таких комплексов отказы печатного монтажа распределяются следующим образом: металлизированные отверстия - 24 %, внутренние соединения - 72 %, печатные проводники внутренних слоев - 0,1 %, изоляция - 2 %, пайки 2,5 %, обрывы проводов - 0,3 %, остальное - 0,6 %. Сопоставления количества отказов ГМП в стационарной аппаратуре, эксплуатирующейся в условиях относительного постоянства температур, и самолетной показывают разницу почти в три порядка, что убеждает в том, что, если уровень переменных термомеханических напряжений превосходит определенный предел, в металлизации отверстий и на границе «металлизация-отверстие» идет процесс постепенного накопления повреждений, который завершается усталостными разрушениями соединений (рис. 3.6).

Распределение отказов электронной аппаратуры авиации морского базирования смещается в сторону увеличения доли отказов электрической изоляции (до 8%). Тем не менее, большая доля отказов, приходящаяся на внугренние соединения и металлизацию отверстий, делают решение проблемы повышения надежности соединений в многослойных струкгурах особенно актуальной.

Типичные дефекты многослойных монтажных подложек в результате термоударов

Рис. 3.6. Типичные дефекты многослойных монтажных подложек в результате термоударов

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >