Підвищення надійності друкованих плат шляхом розробки методів технічної діагностики паяних з'єднань з використанням методу акустичної емісії

Ключові слова: паяний шар, друкована плата, технічна діагностика, електронні компоненти, акустична емісія, випробування на розтяг, чистий згин

Анотація

Стаття присвячується розробці методики технічної діагностики друкованих плат, зокрема їх паяних з'єднань, виконаних за технологією наскрізного і поверхневого монтажу. Експлуатація та технологія викликають механічні взаємодії і сили між підкладкою друкованої плати і електронними компонентами. Такі сили розтягування, зсуву, згину або кручення передаються через контактні з'єднання, які виявляються найбільш слабкими ланками в збірці. Експериментальні дослідження проводилися за допомогою механічних випробувань на розтяг і згин з подальшим використанням методу акустичної емісії. Продемонстрована значна чутливість і застосовність методу акустичної емісії для виявлення дефектів і оцінки граничної міцності паяних з'єднань при неруйнівній діагностиці. Для мінімізації помилок при вимірі малих навантажень при випробуваннях на розтяг керамічних конденсаторів було розроблено спеціальне пристосування. Експериментальні дослідження при випробуваннях на розтяг підтвердили ефект створюваний перегрівом на паяні з'єднання, оскільки перегрів паяних з'єднань покращує їх адгезію до контактних площадок і збільшує їх міцність на розтяг, і продемонстрували застосовність методу акустичної емісії здатного виявляти значну відмінність між холодним припоєм і перегрітим паяним з'єднанням. Пристрій для чистого згину було розроблено для забезпечення одночасного контролю всіх паяних з'єднань при рівномірному випробувальному напруженні. За проведеними випробуваннями по пульсуючому циклу загальний рахунок був визначений як найбільш інформативний параметр акустичної емісії, який корелює з типами дефектів і граничною міцністю паяних з'єднань. Модель планарної локації розроблена на основі ідеї дистанційного виявлення акустичної емісії через об’єм однорідного середовища, на відміну від поверхні друкованої плати, де сигнал акустичної емісії може бути спотворений або навіть втрачений. Використання методу акустичної емісії і механічного випробування на циклічний згин дозволило розробити метод технічної діагностики паяних з'єднань. Результати, представлені в статті, сприяють удосконаленню технології та конструювання виробів радіоелектроніки.

Біографії авторів

І. І. Ковтун, Хмельницький національний університет

Ковтун І. І., к.т.н., доцент кафедри рисунку та проектної графіки

Ю. М. Бойко, Хмельницький національний університет

Бойко Ю. М., д.т.н., доцент, професор кафедри телекомунікацій та радіотехніки

С. А. Петращук, Хмельницький національний університет

Петращук С. А., к.т.н., доцент кафедри рисунку та проектної графіки

Посилання

Tong JPC, Tsung F, Yen BPC (2004) A DMAIC approach to printed circuit board quality improvement. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 23, Iss. 7-8, pp. 523-531. DOI: 10.1007/s00170-003-1721-z

Liu X. and Fang W. (2011) Life character analysis methods of storage electronic components. 2011 International Conference on Quality, Reliability, Risk, Maintenance, and Safety Engineering. DOI: 10.1109/icqr2mse.2011.5976773

Barto S. and Mach P. (2016) Nonlinear distortion of C/V characteristic — Useful tool for diagnostics of electrically conductive adhesives: Theoretical background, measuring equipment, selected applications. 2016 Conference on Diagnostics in Electrical Engineering (Diagnostika). DOI: 10.1109/diagnostika.2016.7736501

Kovtun I., Boiko J., Petrashchuk S. and Kałaczyński T. (2018) Theory and practice of vibration analysis in electronic packages. MATEC Web of Conferences, Vol. 182, pp. 02015. DOI: 10.1051/matecconf/201818202015

Lall P., Gupta P. and Goebel K. (2011) Identification of failure modes in portable electronics subjected to mechanical-shock using supervised learning of damage progression. 2011 IEEE 61st Electronic Components and Technology Conference (ECTC). DOI: 10.1109/ectc.2011.5898783

Kovtun I., Boiko J. and Petrashchuk S. (2017) Nondestructive strength diagnostics of solder joints on printed circuit boards. 2017 International Conference on Information and Telecommunication Technologies and Radio Electronics (UkrMiCo). DOI: 10.1109/ukrmico.2017.8095401

Viswanadham P. and Singh P. (1998) Failure Modes and Mechanisms in Electronic Packages. DOI: 10.1007/978-1-4615-6029-6

Kühl R.W. (1999) Mechanical stress and deformation of SMT components during temperature cycling and PCB bending. Soldering & Surface Mount Technology, Vol. 11, Iss. 2, pp. 35-41. DOI: 10.1108/09540919910265677

Royzman V. (2002) Ways to improve strength reliability of electronics elements and systems. Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science (IEEE Cat. No.02EX542). DOI: 10.1109/tcset.2002.1015917

Bauriene G., Kovtun I., Boiko J., Petrashchuk S. and Pilkauskas K. (2017) Effects of the strain transmission from the main board to the installed electronic components. Mechanics, Vol. 22, Iss. 6. DOI: 10.5755/j01.mech.22.6.16891

Bansal A., Ramakrishna G. and Liu K. (2011) Method for early detection of PCB bending induced pad cratering. 2011 IEEE 61st Electronic Components and Technology Conference (ECTC). DOI: 10.1109/ectc.2011.5898672

Zahedi F. and Huang H. (2014) A wireless acoustic emission sensor remotely powered by light. Smart Materials and Structures, Vol. 23, Iss. 3, pp. 035003. DOI: 10.1088/0964-1726/23/3/035003

Ralph W.C., Daspit G.L., Cain A.W., Benedetto E.E., Jenkins R.S., Allen A.M. and Newman K. (2013) Acoustic emission detection of BGA components in spherical bend. 2013 IEEE 63rd Electronic Components and Technology Conference. DOI: 10.1109/ectc.2013.6575573

Kusiak A. and Kurasek C. (2001) Data mining of printed-circuit board defects. IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 17, Iss. 2, pp. 191-196. DOI: 10.1109/70.928564

Prashanth M.D. (2018) Vibration analysis of printed circuit boards: Effect of boundary condition. DOI: 10.1063/1.5029594

Boiko J., Kovtun I. and Petrashchuk S. (2017) Vibration transmission in electronic packages having structurally complex design. 2017 IEEE First Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON). DOI: 10.1109/ukrcon.2017.8100294

Samavatian M., Ilyashenko L.K., Surendar A., Maseleno A. and Samavatian V. (2018) Effects of System Design on Fatigue Life of Solder Joints in BGA Packages Under Vibration at Random Frequencies. Journal of Electronic Materials, Vol. 47, Iss. 11, pp. 6781-6790. DOI: 10.1007/s11664-018-6600-3

Choi U., Blaabjerg F., Jorgensen S., Munk-Nielsen S. and Rannestad B. (2017) Reliability Improvement of Power Converters by Means of Condition Monitoring of IGBT Modules. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 32, Iss. 10, pp. 7990-7997. DOI: 10.1109/tpel.2016.2633578

Jannoun M., Aoues Y., Pagnacco E., Pougnet P. and El-Hami A. (2017) Probabilistic fatigue damage estimation of embedded electronic solder joints under random vibration. Microelectronics Reliability, Vol. 78, pp. 249-257. DOI: 10.1016/j.microrel.2017.08.005

Xia J., Cheng L., Li G. and Li B. (2017) Reliability study of package-on-package stacking assembly under vibration loading. Microelectronics Reliability, Vol. 78, pp. 285-293. DOI: 10.1016/j.microrel.2017.09.012

Liu F and Fan R. (2013) Experimental modal analysis and random vibration simulation of printed circuit board assembly. Advances in vibration engineering, Vol. 12, No 5, pp. 489-498.

Xie H., Zhou D. and Liu Z. (2012) The sub-model method for analysis of BGA joint stress and strain during random vibration loading. 2012 13th International Conference on Electronic Packaging Technology & High Density Packaging. DOI: 10.1109/icept-hdp.2012.6474825

Qi X., Zhou B. and En Y. (2011) Effect of solder joint parameter on vibration fatigue reliability of high density PCB assembly. 2011 International Conference on Quality, Reliability, Risk, Maintenance, and Safety Engineering. DOI: 10.1109/icqr2mse.2011.5976665

Salahouelhadj A., Martiny M., Mercier S., Bodin L., Manteigas D. and Stephan B. (2014) Reliability of thermally stressed rigid–flex printed circuit boards for High Density Interconnect applications. Microelectronics Reliability, Vol. 54, Iss. 1, pp. 204-213. DOI: 10.1016/j.microrel.2013.08.005

Tonolini F., Sala A. and Villa G. (1987) General review of developments in Acoustic Emission methods. International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 28, Iss. 1-5, pp. 179-201. DOI: 10.1016/0308-0161(87)90075-5

Bogorosh A., Voronov S., Višniakov N., Ščekaturovienė D. and Bubulis A. (2010) The Mechanism of Defects Formation in Silicon Substrates. Solid State Phenomena, Vol. 165, pp. 7-12. DOI: 10.4028/www.scientific.net/ssp.165.7

Ralph W.C., Benedetto E.E., Allen A.M. and Newman K. (2014) Pad crater detection using acoustic waveform analysis. 2014 IEEE 64th Electronic Components and Technology Conference (ECTC). DOI: 10.1109/ectc.2014.6897482

Bogorosh A, Voronov S, Roizman V, Bubulis A, Vyšniauskienė Ž. (2009) Defect diagnostics in devices via acoustic emission. Journal of Vibroengineering, 11(4), pp. 676-683. https://www.jvejournals.com/article/10343/abs

Ralph W.C., Daspit G.L., Cain A.W., Benedetto E.E., Jenkins R.S., Allen A.M. and Newman K. (2013) Acoustic emission detection of BGA components in spherical bend. 2013 IEEE 63rd Electronic Components and Technology Conference. DOI: 10.1109/ectc.2013.6575573

Robertson C. (2003) Printed Circuit Board Designer’s Reference: Basics, Prentice Hall.

Wei H. and Xu L. (2017) Research on dynamic model of printed circuit board based on finite element method. DOI: 10.1063/1.4992899

Опубліковано
2019-12-07
Як цитувати
Ковтун, І. І., Бойко, Ю. М. і Петращук, С. А. (2019) «Підвищення надійності друкованих плат шляхом розробки методів технічної діагностики паяних з’єднань з використанням методу акустичної емісії», Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування, (79), с. 60-70. doi: 10.20535/RADAP.2019.79.60-70.
Номер
Розділ
Конструювання радіоапаратури