Результаты экспериментальных исследований деформации

Результаты измерений деформации мегаллизированного отверстия диамегром 0,8 мм в ГМП толщиной 1,6 мм, показанные на рис. 3.13, дают хорошее совпадение с результатами 1рафоаналити- ческого анализа, проведенного на базе нелинейной модели термомеханических деформаций сквозных металлизированных огверстий.

Кинетика разрушения внутренних соединений ГМП в результате гермоударов из-за недостаточной пластичности металлизации и сдвига ее вследствие этого относительно стенок отверстий, нарушения ее физического контакта с торцами контактных площадок внутренних слоев показана на рис. 3.14.

Деградация внутренних соединений от термоударов

Рис. 3.14. Деградация внутренних соединений от термоударов

Эти данные и результаты статистических исследований убеждают в возможности параметрической оценки качества внутренних соединений но омическому сопротивлению.

Устойчивость трансверсальных соединений к термоциклам

Результаты испытаний ГМП на устойчивость к воздействиям термоциклов и гермоударов, в процессе которых элементы соединений подвергаются циклически изменяющимся механическим напряжениям, позволяют прогнозировать заданный ресурс работы межсоединений. Под действием циклически изменяяющихся напряжений и деформаций в элементах соединений и по границам их сопряжений постепенно образуются микротрещины, которые на дальнейших стадиях перерастают в макротрещины, что приводит сначала к перемежающемуся отказу, а затем к необратимому разрыву соединений. Неизбежная для реальных условий микро- и макронеоднородность элементов структурных составляющих межсоединений в ГМП характеризуется вероятностными распределениями величин микродеформаций и микронапряжений.

Циклическое нагружение таких неоднородных структур порождает в наиболее напряженных структурных звеньях необратимые деформации, накапливающиеся с нарастанием числа циклов. Материалы соединений, используемые в конструкциях печатных плат (медь, никель и др.), характеризуются малым диапазоном упругих деформаций (0,03...0,5 %) и большой пластичностью. Поэтому их циклическое разрушение относится к области малоцикловой усталости материалов, за которые ответственны повторяющиеся пластические деформации. Неизбежное наличие неоднородностей структуры материалов, составляющих элементы соединений, и их сопряжений, образующих целостную электрическую цепь, усугубляется малой толщиной металлизации, в которых они сосредотачиваются. Эго является причиной зависимости количества разрушений с ростом числа циклов нагружения в данном случае, температурных.

Известно соотношение Коффина-Мэнсона, устанавливающее взаимосвязь между количеством циклов до усталостного разруНаучно-методические основы анализа

конструкторско-технологических решений в интегрированной САПР ГМП шения Ny и возникающими при них пластическими деформациями циклически нагружаемых элементов:

где а - коэффициент усталостной пластической деформации, Л?п /2 - амплитуда пластической деформации, /i - константы кривой усталости. Реальные явления не могут так однозначно характеризовать процессы усталостного разрушения неоднородных структур. По крайней мере, каждая из точек приведенной зависимости представляет собой центр группирования множества с определенными значениями математического ожидания и стандартного отклонения. Если распределение множества в данном случае характеризуется нормальным законом, среднее количество циклов до разрушения N можно вычислить, исходя из предыдущего выражения:

а функция плотности вероятности отказа на Ny циклах выражается следующим образом:

где ?п и ? - средние значения пластичности и амплитуды деформации материала при циклических нагрузках, у/" - результирующая стандартная дисперсия:

где сг(?п) и р = 2, поэтому

На основании этих соотношений, исходя из известных представлений, определилось среднее количестве циклов до первого отказа

Найденные соотношения демонстрируют хорошее совпадение с результатами испытаний реальных ГМП, опубликованных, например, в работах Галецкого Ф.П. Особенность его испытаний состояла в регистрации первых даже кратковременных отказов длинной «ныряющей» цепи при термоциклировании -60/+120°С тест-плаг ГМП с металлизацией в стандартном электролите,

обеспечивающем Sn =5% и ст^?п) =0,3%.

Сопоставление температурных зависимостей деформаций металлизации отверстий с результатами исследований изменения пластичности тонких медных пленок стандартной толщины демонстрируют температурные ограничения для нагрева ГМП, чтобы предотвратить возможности отказов межсоединений из-за нарушения температурных режимов пайки элементов на плате. Обнаружено увеличение относительной температурной деформации с увеличением толщины плат. Семейство зависимостей, отнесенных к ГМП различной сложности, характеризуемой d / /У , определяет направленность требований к конструктивному и технологическому обеспечению надежности межслойных соединений.

Сочетание больших деформаций металлизации отверстий при температурных нагрузках и уменьшение пластичности меди может при определенных условиях приводить к разрыву металлизации отверстий или сдвигу металлизации относительно стенок отверстий, если не принять мер для увеличения пластичности гальванических осаждений при температурах, соответствующих возможному нагреву ГМП. В табл. 3.4 приведены пороговые значения температур разрушения межсоединений в ГМП.

Таблица 3.4. Пороговая температура начала разрушений

Отношение толщины ГМП к размеру отверстия, H/d

2:1

3:1

5:1

10:1

20:1

Пластичность металлизации, %

Пороговая темнераз ура, °С

4

290

250

220

210

190

6

320

290

260

240

220

8

380

350

320

280

260

При больших температурных деформациях, недостаточной пластичности металлизации и непрочном сцеплении металлизации со стенками сквозных отверстий ГМП, например, из-за толстых промежуточных слоев химически осажденной металлизации, возможно разрушение внутренних соединений. Для выявления такого дефекта достаточно после термоудара (оплавления) спровоцировать окисление (влага + тепло) соприкасающихся поверхностей физического контакта металлизации отверстий с торцами внутренних контактных площадок и по результатам измерений сопротивления внутренних соединений диагностировать надежность ГМП.

По мере увеличения слойности и соответствующего роста толщины ГМП можно установить предельные значения размеров отверстий в ГМП, изготавливаемых из стеклоэпоксидных диэлектриков, после чего необходимо переходить на другие композиты, наиболее известными из которых являются системы на основе полиимидных связующих.

Усталостные малоцикловые разрушения возможны только при переходе в область пластических деформаций. И чем глубже температурные деформации уходят в область пластических деформаций, тем раньше начинаются отказы соединений в процессе эксплуатации. Предложенными средствами контроля состояния соединений в ГМП начало пластических деформаций обнаруживается как появление гистерезиса в диаграмме температура - сопротивление элемента цепи. Проведенные исследования позволяют количественно оценить влияние толщины металлизации сквозных отверстий на температуру, соответствующую началу пластических деформаций (табл. 3.5)

Результаты исследований термомеханической устойчивости межсоединений металлизированных отверстий позволили обосновать ужесточение требований к пластичности медных осадков применительно к современным конструкциям ПП и изменить редакцию отраслевого стандарта ОСТ 107.460092.028-96 [117].

Локальные дефекты, особенно в виде кольцевых утонений, значительно уменьшают устойчивость металлизации отверстий к циклическому воздействию температур и не должны допускаться при оценке качества ПП.

Таблица 3.5. Начало пластической деформации при нагреве

Толщина

Отношение толщины ГМП к диаметру сквозного

металлизации

металлизированного отверстия (II Id)

в отверстии ГМП, мкм

2:1

3:1

5:1

Температура начала пластической деформации, °С

10

75

60

50

15

85

73

55

20

95

80

60

25

100

85

65

30

ПО

90

70

Данные исследований демонстрируют бесполезность проведения термоциклирования для разбраковки монтажных изделий путем выявления ослабленных элементов соединений: циклические нагрузки разрушают дефектные элементы и создают усталостные ослабления соединений, близкие к границе различия качественных и дефектных элементов. Это обусловлено еще и тем, что граница качества между дефектными и качественными элементами размыта. Между ними всегда существуют промежуточные состояния, которые характеризуют возможность отказов соединений, вызванных усталостными явлениями [118, 119].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >