Kopioi artikkelin PDF-versio
Kopioi artikkelin PDF-versio
Pintaliitostekniikan ja liitostiheyden kasvun myötä on paketointi- ja liitostekniikan luotettavuus noussut avainasemaan elektroniikan suunnittelu- ja tuotantoprosesseissa. Erityisesti kannettavien tuotteiden pieneneminen ja samanaikainen toimintojen lisääntyminen toimii ajavana voimana pakkaustekniikan nopealle kehitykselle. Luotettavuusmallinnus, yhdistettynä perinteiseen testaukseen, avaa uusia mahdollisuuksia pakkausteknologioiden analysointiin ja kehittämiseen ja nopeuttaa huomattavasti uuden teknologian käyttöönottoa.
Uuden pakkausteknologian arvioinnissa on luotettavuuden varmentamisella ja testauksella ajallisesti (ja rahallisesti) merkittävä rooli.
Eri materiaalien erilaisten lämpölaajenemiskerrointen vaikutusta lämpöjännitysten muodostumiseen piirien liitoksissa tutkitaan luotettavuusmallinnuksen avulla.
Kun eri vikaantumismekanismien fysikaaliset syyt tunnetaan (Physics-of-Failure1), voidaan mallinnuksen avulla sekä suunnitella optimaaliset testiolosuhteet että vähentää tarvittavan testauksen määrää.
Nopeutettukin testi vie viikkoja
Komponenttien ja liitosten kykyä kestää lämpötilan vaihteluita testataan tyypillisesti lämpökaapissa, jossa lämpösykli voi olla esimerkiksi 0--100 astetta ja yhden syklin kesto on yksi tunti. Käytettäessä tällaista sykliä voidaan vain olettaa, että vikamekanismi (juotteen väsyminen) on sama kuin todellisessa käyttöympäristössä, mutta tuloksia komponenttien luotettavuudesta saadaan kuitenkin kohtuullisessa ajassa.
Melko yleiseksi epäviralliseksi standardiksi on teollisuudessa muodostunut oletus, että kokoonpano on lämpörasitusten osalta luotettava, jos se kestää tuhat tällaista lämpösykliä. Näin ollen tässä tapauksessa testaus kestäisi tuhat tuntia, eli kuusi viikkoa, plus testilevyjen valmistus ja tulosten analysointi.
Luotettavuusmallinnus, paitsi vähentää fysikaalisen testauksen tarvetta, myös auttaa testitulosten analysoinnissa ja helpottaa luomaan yhteyttä testiolosuhteiden ja käyttöympäristön rasitusten välille.
Luotettavuuden analysointiin on olemassa erilaisia työkaluja, joista yksinkertaisimmat ovat analyyttisiä malleja ja ne sopivat vain tietynlaisille komponenteille ja rasituksille.
Viime vuosina on myös kehitetty PC-ohjelmia liitostekniikan luotettavuuden mallintamiseen (SRS, CALCE). Myös nämä ohjelmat soveltuvat ainoastaan ennalta määrätyille komponenteille, mutta ne ovat monipuolisempia ja tarkempia kuin puhtaasti analyyttiset laskukaavat. Edellä mainittujen mallien ja ohjelmien etuna on, että tuloksen saa käytännössä heti, kun tarvittavat parametrit on syötetty malliin. Helppokäyttöisyytensä ja nopeutensa ansiosta nämä mallit soveltuvat myös elektroniikan suunnittelijoiden apuvälineeksi.
Elementtimenetelmällä jännitykset tarkimmin
Yksityiskohtaisemmin elektroniikan kokoonpanojen mekaanisia ominaisuuksia, ja edelleen luotettavuutta, voi simuloida elementtimenetelmällä (finite element method, FEM). Tähän tarkoitukseen voi käyttää yleisiä FEM-ohjelmistoja, kuten ANSYS tai ABAQUS. FEMin avulla voi tarkimmin simuloida esimerkiksi erilaisten geometria- ja materiaaliparametrien tai erilaisten kuormitustilojen vaikutuksen liitoksiin kohdistuviin rasituksiin.
Kuvassa 1a on 3D FE-malli TSOP komponentista FR4-levyllä. Symmetrian vuoksi analyysiin tarvitaan vain neljännesmalli. Mallissa on huomioitu käytännössä kaikki komponentin rakenteelliset yksityiskohdat, muun muassa Si-sirun koko, ja eri materiaalien erilaiset mekaaniset ominaisuudet.
Kuvasta 1b nähdään, että jännitysmaksimit kohdistuvat lämpösyklauksessa nimenomaan nurkkaliitoksiin. Jos FE-malli on parametrisoitu, niin esimerkiksi juoteliitoksen korkeuden tai padin dimensioiden muuttaminen onnistuu helposti.
Aiheesta enemmän
CALCE1): www.calce.umd.edu
SRS: http://hometown.aol.com/Epsiinc1/index.html
FEM: http://www.ansys.com/VisitAnsys/CS/index.html#Packaging
Yhteystieto:tommi.reinikainen@nokia.com
Tutkimus: Elektroniikan pakkaus- ja liitostekniikan laadun simulointi- ja varmennusmene-telmät
Yhteistyössä: Nokia Research Center, TKK:n Elektroniikan valmistustekniikan laboratorio, Marylandin yliopisto (CALCE)
Teknologiaohjelma: ETX