Общие процессы в PCB и WIFE

Георгий Александров

Главный инженер компании ProSMD

Чем горячее, тем больше головной боли.

Профессиональный химик, которым ваш любимый автор не является, несомненно, рассказал бы, что правило Вант-Гоффа, которое я упоминал в ныне классической статье, сформировано на основе эмпирических обобщений, что влечет вывод об ограниченной его применимости. Этот же химик, вероятно, мог бы посоветовать пользоваться уравнением Аррениуса

$\frac{d\ln k}{dT}=\frac{E_a}{RT^2}$

Однако, мы находимся в инженерном сообществе, где моветоном считается интегрировать ради удовольствия, потому, прикинув условия реакций, которые могут протекать на наших платах, предпочтем, чтобы они и впредь оставались в зоне действия правила: температура до 400℃, давление в пределах 0,01-200 атм, реагенты с массой молекулы не более 1000 а.е.м.

Покончив с реверансами, представим привлекательную в своей быстроте формулу:

$V_2 = V_1 \cdot \gamma^{\frac{T_2-T_1}{10}}$

которая описывает широчайше выявляемую закономерность — при повышении температуры на каждые 10 градусов, константа скорости гомогенной элементарной реакции увеличивается кратно некоторому температурному коэффициенту γ, который, в большинстве случаев принимается равным 2, однако, в рамках наблюдаемых явлений, может находиться в диапазоне 2-4 и вычисляется элементарным образом.

К чему это словоблудие:

Старение, что у женщин, что у электронных устройств, определяется скоростью протекающих в них химических реакций. Ресурс платы, отбрасывая механические воздействия и разнообразную коррозию, это, прежде всего, ресурс соединений, которые, если брать традиционную пайку на медную площадку, теряют свои свойства из-за образования интерметаллидов

$Cu_3Sn \text{ и } Cu_6Sn_5$

вдоль границы роста которых образуются так называемые пустоты Киркендалла, кои представляют собой каверны между припоем и меднением — вдоль них и разрушается пайка, будто туалетная бумага по перфорации, теряя прочность и проводимость. Было время, когда считалось, что пустоты возникают от нагрева, однако, как подтверждает мой коллега, популярный у англоязычной аудитории как «доктор Рон», обобщая исследований минувших лет: они растут все время и при любой температуре — просто не так быстро.

Сперва образуется Cu₆Sn₅ (η-фаза), далее вторичный интерметаллид Cu₃Sn (ε-фаза), а в нем уже растут пещеры. Направление миграции меди показано стрелкой, шутки про миграцию приветствуются

Пусть рассматриваем мы эффект на примере медно-оловянной пары, ENIG и OSP лишь замедляют развитие явления, а применение SAC-припоев, легированных цинком и кобальтом, не отличается ценовой привлекательностью и простотой технологии, особенно в плане совместимости с покрытиями выводов. И если решение проблемы с женами, пусть в теоретически-умозрительном виде предложил Роберт Шекли в повести «Билет на планету Транай», то доступных серийных образцов припоя с редкоземельных легированием мы ждем лишь к концу десятилетия.

Практическое значение

Безусловно, не стоит хранить свою электронику в холодильнике, вероятные последствия не стоит пояснять. Для радиолюбительских плат новое знание также не принесет изменений в процесс – был бы соблюден термопрофиль.

Однако, в ряде случаев современного промышленного монтажа, забота о ресурсе изделия вводит ряд ограничений в технологию. К таким случаям относятся, в частности, массивные компоненты и многослойные платы. В худшем случае, вы можете паять плату с BGA-процессором. Приходится идти на различные ухищрения, преодолевая тепловую инерцию – то растягивая термопрофиль, чтобы подвести плату к оплавлению максимально однородно прогретой, то задирая температуру пика, чтобы компенсировать локальную теплоемкость. И то, и другое чревато перегревами и ограничено по значениям, поэтому приходится на полную задействовать настройки двустороннего нагрева. Здесь наша задача, вопреки написанному выше, снизить как общее время оплавления, так и температуру пика, и выдержку на ней.

Польза выдержки платы при высокой температуре освещалась коллегами из Миландра. Однако, термотренировка, это отдельная регламентированная процедура, прочий прогрев не влечет ничего, кроме ускоренного старения. В расплаве же скорость реакций увеличивается колоссально — как подчеркивал блистательный Даниил Фролов, секунды пайки измеряются годами жизни устройства. Прямо как у человека, любующегося атомными испытаниями.

Поэтому идеалистичный график отказов планово состаренных компонентов

одним движением мыши может превратиться из уютной долины в океанскую впадину, предсказуемо хранящую множество ужасов:

Что простой нагрев, что оплавление ведут к накоплению того, что известно, как «Доза теплового воздействия». Именно она определяет и скорость образования интерметаллидов, и задает начальное значение тепловой деградации компонентов, а значит и срок жизни вашего монтажа. Для того, чтобы с достаточной точностью вычислять данную величину, основываясь на измеряемых и паспортных параметрах, предложу следующую формулу:

$R=\int_{0}^{t_{\text{общ}}}\left(T(t)-T_0\right)^2\,dt +\frac{3\pi}{e}\cdot\left(T_{\text{пик}}-T_{\text{плав}}\right)^2\cdot t_{\text{пик}}$

Где доза теплового воздействия рассчитывается как интеграл функции температуры от времени:

tобщ – длина термопрофиля
T(t) – собственно, зависимость температуры от времени, также известная, как кривая оплавления
T0 – точка старта пайки
Tплав – температура оплавления припоя
Тпик и tпик – соответственно, пиковая температура пайки продолжительность выдержки на ней.

В общем, все, в точности, как с обжаркой лука – грейте сколько надо, но строго не больше, иначе готовое блюдо будет испорчено. Паяльные агрегаты давно позволяют тонко регулировать температуру раздельно сверху и снизу в каждой зоне пайки, и современная элементная база вынуждает использовать все возможности настройки.

С Вами был магистр Георгий, пусть все печется Well done.

ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/1074740/