Фактори, що визначають надійність електронної апаратури при дії механічних впливів

Ю.Ф. Зіньковський

Постановка проблеми. Сучасна цивілізація характеризується широким застосуванням виробів електронної апаратури (ЕА) - практично немає жодної галузі діяльності людини чи технічної, де б не використовувалися різноманітні електронні засоби. Разом з тим, ЕА - особливий вид технічних пристроїв, характерні ознаки яких роблять їх унікальними серед інших технічних об'єктів.

По-перше, пристрої ЕА мають дуже широкий діапазон характеристик та параметрів; по-друге, діапазон зовнішніх дестабілізуючих впливів, під дією яких повинна функціонувати ЕА, у сукупності для всіх її видів також значно ширший, ніж у більшості технічних пристроїв; по-третє, її конструкції визначаються високою геометрричною та кінематичною точністю, а технологія мікроелектронних пристроїв взагалі унікальна, тому що розміри структурних елементів (резисторів, конденсаторів, напівпровідникових діодів і транзисторів) в інтегральних мікросхемах (ІМС) дорівнюють нині 0,1-0,3 мкм, і вже наближуються до десятків наномет- рів. Істотно важлива особливість ЕА - велике тиражування, масовість її пристроїв.

Показники надійності для ЕА завжди є визначальними, а статистичний аналіз відмов ЕА показує, що відносна їх кількість у процесі експлуатації, яке викликана дією механічних і теплових факторів, досягає 70-85 %, причому на частку перших припадає не менш ніж половина випадків. Тому важливо визначити, які елементи конструкції ЕА є найбільш вразливими для дії вібраційних та ударних зовнішніх впливів. Наведено результати дослідження впливу вібраційних та ударних навантажень на елементи конструкції найбільш розповсюджених структурно-конструктивних модулів (СКМ) ЕА - чарунок та мікрозбірок (МЗб) за допомогою імітаційного моделювання.

Чарунка та мікрозбірка як структурний елемент РЕА. Основними СКМ першого рівня (СКМ1) будь-якого ЕА є чарунки та МЗб - функціонально та конструктивно закінчені модулі, елементи електронної структури (ЕЕС) та функціональні вузли (ФВ) яких розміщені на полімерній, металевій чи керамічній друкованій платі (ДП). У деяких ЕА у СКМ1 зосереджені всі електромагнітні процеси, відтворення яких і визначає функціональне призначення пристрою; на частку інших елементів конструкції, які беруть участь у підтримці зазначених процесів, залишаються тільки забезпечення електричних зв'язків між модулями; СКМ1 може мати спеціальний каркас, системи тепловідводу та екранування.

У конструктивній ієрархії ЕА СКМ1 входять у склад конструкцій другого рівня - блочних каркасів (СКМ2), а останні - у склад конструкцій найвищого, третього рівня (СКМ3): шафи, стояка, контейнера, пульта. У загальному об'ємі всієї різноманітної ЕА СКМ1 становлять не менш ніж 70-85 % структурних елементів, тому можна вважати, що їх потрібно розглядати як основні об'єкти, для яких насамперед і потрібно визначати їх функціональні характеристики.

Звичайно захист від зовнішніх механічних та кліматичних дестабілізуючих впливів здійснюють конструкції другого та третього рівня, які обладнують системами вібро- й удароізоляції та підтримки необхідного температурного режиму. Але на елементи конструкції СКМ1 також впливають вібраційні та ударні навантаження, тому необхідно з'ясувати, які з цих елементів можуть вийти з ладу під дією цих впливів.

Можна виділити такі об'єкти в конструкції СКМ1, у яких необхідно дослідити виникнення механічних напружень, які можуть призвести до їх руйнування та появи відмови: елементи несівної конструкції СКМ1: ДП та каркас; електрора- діоелементи (ЕРЕ) та ФВ; виводи ЕРЕ та ФВ; паяні з'єднання виводів.

Елементи електронної структури майже ніколи не виходять з ладу під дією механічних впливів, тому що вони самі розраховані на перевантаження значно більші, ніж можуть виникнути у СКМ1 під час експлуатації. Так, наприклад, ІМС серії К500 допускають вібраційні перевантаження до 40 g, ударні - до 1000 g, для інших ІМС вони менші (вібраційні - 20 g, ударні - 150 g). Вібраційні перевантаження, що можуть виникнути на об'єктах різних груп ЕА (наземної, морської, авіаційної та ракетної), згідно з вимогами нормативних документів, не перевищують 10 g, ударні - 150 g.

Елементи несівних конструкцій СКМ1 (каркаси, панелі) мають значні запаси міцності та витривалості відносно напружень, що виникають у них під час дії вібрацій та ударів. Практика експлуатації ЕА показує, що відмов таких елементів за нормованих значень механічних дестабілізуючих впливів не буває.

Також достатньо міцними є пластини-основи чарунок та МЗб, про що свідчать результати експериментальних досліджень та імітаційного моделювання.

У реальній конструкції СКМ1 на частоти власних коливань плати, її деформації, напруження у матеріалі, отже, й на показники надійності впливають:

• розміри плати та механічні характеристики матеріалу;

• способи закріплень сторін плати чи її окремих точок;

• розміщення на платі ЕЕС та їх маси;

• характер механічних впливів (вібраційних та ударних).

Врахування впливу всіх цих параметрів при розрахунках міцності та витривалості ДП потребує великої кількості обчислювальних процедур, тому таку роботу варто виконувати за допомогою систем автоматизованого проектування (САПР) чи їх програмних модулів. Для розрахунку деформацій та міцності друкованих плат (ДП) створено програмний модуль (програма) Plata075, описаний у

Результати імітаційного моделювання за допомогою цієї програми показали, що міцність та витривалість ДП за нормованих значень механічних дестабілізуючих впливів достатня.

Детальний аналіз показує, що об'єктами, міцність та витривалість яких може бути визначальними для надійності СКМ1, є виводи та паяні з'єднання останніх. Досліджено показники міцності, витривалості та надійності виводів ЕЕС та їх паяних з'єднань.

Міцність та витривалість виводів ЕЕС. Деформації друкованої плати призводять до деформацій виводів "навісних" елементів СКМ1 - ЕРЕ та ФВ, а ще й до виникнення напружень у їх паяних з'єднаннях.

Переважна більшість ЕРЕ, що встановлюються на ДП - корпусні ІМС, а на платах МЗб - безкорпусні мікросхеми; МЗб, водночас, встановлюють на ДП. Електричне з'єднання схем та збірок з платою здійснюється різної форми виводами, які припаюють до провідників друкованого малюнка.

Під час експлуатації за вібраційних та ударних впливів основна плата, а також і плати мікрозбірок, деформуються, що призводить також і до деформацій виводів ІМС, як наслідок - виникнення у них напружень, які можуть загрожувати цілісності виводу. Виводи більшості ЕЕС - це прямі та криві стрижні, а напруження в них, що виникають як результат деформацій їх кінців, можна розрахувати методами теорії міцності [3].

На перший погляд, абсолютні деформації виводів малі (іноді десяті частки міліметра), але порівняно з розмірами самих виводів відносні деформації можуть бути настільки великими, що це призведе до руйнації виводу. електронний напруження вібраційний ударний

На міцність та витривалість виводів ІМС та МЗб впливають деформації основної плати - лінійні зміщення та повороти її поверхні у місці кріплення виводів ІМС чи МЗб. Самі корпуси ІМС та МЗб можливо розглядати як абсолютно жорсткі тіла - перші внаслідок малих, порівняно з основною платою, розмірів, а других - тому, що їх корпуси дійсно мають жорсткість, значно більшу, ніж в основної плати (корпуси МЗб часто виготовляють з металів та кераміки).

Під час вібраційних та ударних впливів кінці виводів ІМС, з'єднані з провідниками друкованого малюнка, зміщуються відносно корпусу ІМС, й таких зміщень два види - лінійні 8x, 8y, кутові 8вх та 8ву.

Прогини плати у СКМ1 найчастіше виникають від кінематичного збудження зміщенням опор zo, для якого диференціальне рівняння деформацій має такий вигляд [4]:

Э 4w( x, y,t) 2 ^4w (x, y,t) Э 4w( x, y,t)

Эх4 dx2dy2 Эу4

де: w(x, y, t - динамічні прогини; m - зведена маса, D - циліндрична жорсткість пластини; g- коефіцієнт механічних втрат матеріалу; j - уявна одиниця; t- час. Знайдені з цього рівняння прогини w (x, у) дають можливість знайти кутові деформації:

8вх = ^IW<xyl; 8ву = ^IW<xyl,

ЭxЭу

а після них - лінійні деформації у площині плати: 8x = 0,5к8вх, 8у = 0,5Н8ву, де h - товщина плати.

Внаслідок лінійних та кутових деформацій виводів у них виникають напруження, які можуть призвести до руйнування виводу й появи відмови. Під час

Рис. 1. Схема розташування ЕЕС на платі

5. Інформаційні технології галузі розрахунку міцності виводів передусім необхідно врахувати напруження s від згинальних моментів - вони найбільші, а останні виникають як результат зміщень dx, dy, dz та d6x, d6y.

Імовірність безвідмовної роботи деталей при механічних навантаженнях, згідно зі стандартами [4,5] за моделлю DM-розподілу (дифузійного монотонного) визначають функцією:

Р (x ) = ^p\ exp І - у І du.

Відносний проміжок часу безвідмовної роботи х: x = KpN- де: Nc - кількість циклів навантаження; No - базове число циклів (абсциса точки зламу кривої втоми), за якого визначена межа витривалості s-1; т - показник кривої втоми матеріалу; Кр - коефіцієнт режиму навантаження елемента конструкції.

Якщо конструкція складається з k елементів, і відмова будь-якого з них призведе до виходу з ладу всього пристрою, загальну ймовірність безвідмовної роботи необхідно розраховувати за формулою

Р(Т) = П Р” t),

i=1

де t- проміжок часу, для якого визначається P(t).

Для розрахунків витривалості виводів створено програму ContConcl12 [2], яка дає змогу розраховувати міцність та витривалість виводів до 50 ІМС у стандартних корпусах, встановлених на платі. Вхідними даними для розрахунків є розміри плати, характеристики її матеріалу, способи її закріплення - так, як й у програмі Plata075.

У програму можуть вводитися координати встановлення найбільш розповсюджених ІМС у прямокутних корпусах трьох типів:

• виводи йдуть вздовж одної довгої сторони корпуса (корпуси типу 11 з числом виводів 3-18);

• виводи йдуть в один чи у два ряди вздовж двох довгих сторін корпуса (корпуси типів 21 та 41 з числом виводів 8-84);

• виводи йдуть в один ряд вздовж сторін квадратного корпуса (корпуси типів 42-45 з числом виводів 24-256).

За цією ж схемою можна розрахувати міцність виводів будь-яких ЕЕС - резисторів, конденсаторів, трансформаторів тощо. Для кожного ЕЕС необхідно ввести параметри виводів: nx - число рядів виводів у напрямку осі Х; ny - число рядів виводів у напрямку осі Y (наприклад, для конденсатора з двома виводами, спрямованого вздовж осі Х, nx = 1, ny = 2); s - товщину; h - висоту; l - довжину.

Як приклад наведено результати розрахунків витривалості та надійності для чарунки, склотекстолітова плата якої має розміри 160x100x2 мм; на неї діють вібрації з частотою f = 50 Гц, амплітудою ав = 0,3 мм (вібраційні перевантаження ne = 3 g), удари з довжиною імпульса ту = 10 мс, ударне перевантаження ny = 10 g. Тривалість дії вібрації 1,5 год, число ударних імпульсів 12000.

Плата защемлена лівою та нижньою сторонами, інші сторони вільні. Схему розташування ІМС наведено на рис. 1, а одержані розрахунком результати - на рис. 2.

Як видно з результатів розрахунків, коефіцієнти запасу матеріалу плати досить великі; у виводах якоїсь ІМС напруження при ударах наближаються до допустимих, тобто вони й визначають надійність всієї чарунки.

Міцність та витривалість паяних з'єднань виводів. Аналіз показує, що у паяних з'єднаннях виводів можуть виникнути деформації, які порушать електричний контакт виводу та друкованого провідника.

Паяні з'єднання виводів ЕЕС з елементами друкованих провідників плати під час вібрацій та ударів також деформуються, під дією виникаючих напружень можуть втратити свою цилісність та викликати відмову у функціонуванні ЕА. Механічні характеристики припоїв значно нижчі, ніж у матеріалів провідників друкованого малюнка та виводів; крім того, припої пластичніші, тому під час вібраційних та ударних впливів деформації плати можуть привести до перевищення межі текучості припою та його пластичних деформацій. За способом приєднання виводів до провідників друкованого малюнка самі паяні з'єднання можливо поділити на три види: у металізованому отворі друкованої плати, нахлесточне, стовпчикове чи кулькове.

Рис. 2. Види паяних з 'єднань

Паяних з'єднань у кожному СКМ може бути декілька сотень (а то й тисяч), тому для розрахунку їх надійності доцільно використовувати програму SoldCont12 [2], створену на базі програми РМа075; за методикою останньої розраховуються деформації плати-основи в місцях разташування виводів та їх паяних з'єднань.

Структура, алгоритм та програмні модулі обох програм - ContConcl12 та SoldCont12 - ідентичні, відрізняються тільки модулями розрахунків міцності та надійності: для першої - виводів, для другої - паяних з'єднань.

Програма SoldCont12 визначає імовірність безвідмовної роботи СКМ1, враховуючи напружений стан паяних з'єднань і тому в її вхідному файлі SoldCont.dat повинні бути задані механічні характеристики припаю, розміри паяного з'єднання, різниця робочої та нормальної температур, яка викликає додатковий зсув шарів з'єднання, параметри вібраційних та ударних навантажень, а також тривалість дії вібрації (годин) та кількість ударних імпульсів.

У процесі роботи з програмою проектувальник вводить розміри корпусів ЕЕС, кількість виводів, види паяних з'єднань (у металізованому отворі чи нахлес- точне), геометричні параметри з'єднань.

Для кожного ЕЕС необхідно ввести кількість виводів, для кожного з'єднання необхідно ввести його довжину lv, товщину dv, товщину шару припаю d Програма розраховує відносні деформації сусідніх виводів, а після них - дотичні напруження ту кожному з паяних з'єднань та імовірність його безвідмовної роботи Р і (х).

Я приклад наведено результати розрахунків витривалості та надійності паяних з'єднань для такої ж плати, як у попередньому прикладі; механічні дестабілізуючі впливи такі ж. Плата закріплена у чотирьох точках біля вершин. Схему розташування ІМС на платі наведено на рис. 4.

Результати розрахунку - показники міцності та надійності матеріалу плати, максимальні напруження у з'єднаннях, імовірність безвідмовної роботи для плати та з'єднань показані на рис. 5; у файл результатів будуть також записані всі вхідні дані, одержані значення власної частоти плати, вертикальних прогинів та перевантажень для заданих координатних точок плати.

Рис. 3. Введення розмірів