ANSYS Sherlok для анализа надежности разрабатываемого устройства (DfR). Влияние остатков флюса на сбои в работе электроники

Каждый раз, когда заходит разговор про остатки флюса, оценивается не химический состав, а доброкачественность пайки и риск ошибки во время этого процесса. Для повышение отказоустойчивости пайки, каждый инженер обязан понимать область применения флюса, химию процесса и технику применения для конкретного дизайна печатной платы. Существует четыре основные составляющие при использовании флюса, которые могут привести к  электрическому сбою:
1) Возбудитель;
2) Связующее вещество;
3) Растворитель;
4) Добавки.
Отметим, что возбудители и связующие вещества оказывают наибольшее влияние.

Возбудители — слабые кислоты, которые представляют опасность для здоровья, но необходимы для надёжного соединения. Данные кислоты реагируют с оксидами металлов, которые, в итоге, образуют соли металлов. После процесса смачивания соли растворяются и образуют металлическую связь.

Иногда химический процесс проходит с неполным потреблением кислоты, что может привести к сбою в работе электрической цепи. Для снижение риска инженеры должны использовать минимальное количество флюса для правильной пайки. Связующие вещества представляют собой нерастворимые в воде соединения с высокой температурой плавления (например, натуральная канифоль). После пайки, они предотвращают растворение в воде неиспользуемых возбудителей. Связующие вещества — основная часть видимых остатков. Зачастую, для пайки используют флюс с низким содержанием связующих веществ для сохранности чистого внешнего вида, что повышает риск выхода устройства из строя.
Кроме того, производители указывают рекомендуемую температуру пайки, основываясь на температуре кипения растворителя, который используется для растворения других компонентов. Поэтому необходимо четко выдерживать температурный режим для полного испарения растворителя. Если растворитесь останется на поверхности, то это может существенно повысить риск возникномения сбоя в работе электроники. Добавки — красители или антиоксиданты, которые имеют наименьшую часть состава флюса, преимущественно предназначены для повышения надёжности спайки. Но из-за защиты интеллектуальной собственности производителей невозможно оценить состав добавок и точную дозировку, соответственно, определить степень воздействия на функциональность состава.

Риски различных процессов пайки

Инженер может использовать ручную пайку, поверхностное оплавление, волновую или выборочную пайку. Каждый из представленных типов представляет риск из-за различных объемов используемого флюса. Поверхностное оплавление — самый чистый способ: используется паста из флюса, которая наносится с помощью трафаретов, благодаря чему повышается контроль над количеством используемого вещества. Жидкий флюс менее надежен, потому что человек обладает меньшим контролем над процессом нанесения флюса (жидкость дозируется вручную, в виде спрея или пены). Также, жидкость может протекать на нижнюю сторону платы. Когда это происходит, температуры на верхней части платы может оказаться  недостаточно для испарения растворителя. Чтобы снизить риск избыточных и трудно контролируемых потоков жидкости, инженер может использовать проволочный припой с сердечником из флюса, а также специальное оборудование для дозирование с однотипным (по размеру) методом нанесения.
 

Оценка чистоты пайки

Существует несколько методов сбора данных, которые позволяют оценить уровень риска после пайки. Ионная хроматография является популярным методом измерения количества ионов, оставшихся после пайки. Также, это простой способ обнаружить слабые органические кислоты из флюса. Одной из проблем ионной хроматографии заключается в том, что разные методы дают разные результаты. Например, при проверке всей поверхности результатом будет являться средняя концентрация. Для измерения на меньших площадях необходимо использовать более локализованные методы отбора проб. К сожалению на сегодняшний день не существует стандартного критерия прохождения или провала ионной хроматографии. Также инженер может выполнить функциональное тестирование в наихудших условиях. Обычно, в этих случаях сбой связан с утечкой тока или коротким замыканием. Для уменьшения ущерба и более точной проверки используется ограничение подаваемого тока.
 

ANSYS Sherlok

Программное обеспечение ANSYS Sherlock является единственным программным обеспечением для проектирования электроники, основанным на надежности и физике отказов (PoF - Physics/Physics of Failure), которое обеспечивает быстрые и точные прогнозы ресурса электронного оборудования на уровне компонентов, плат и систем еще на ранних стадиях проектирования. Sherlok совершил революцию в электронном дизайне, предоставив инженерам возможность моделировать реальные условия и точно моделировать печатные платы и сборки для прогнозирования усталости припоя из-за термических, механических, ударных и вибрационных условий. Приблизительно 73% затрат на разработку продукта тратится на цикл тест-сбой-исправление-повторение. Программное обеспечение для проектирования Sherlock обеспечивает быстрые и точные прогнозы надежности на самых ранних этапах проектирования, адаптированные к конкретным материалам, компонентам, матрицам, наборам печатных плат (PCB) / (BGA) и конкретным условиям использования.