Создана технология изготовления СВЧ-плат для эксплуатации в условиях космоса.
Авторство разработки принадлежит исследователям из холдинга «Российские космические системы» (РКС, входит в Госкорпорацию «РОСКОСМОС). Сотрудникам РКС удалось разработать технологию, которая позволяет создавать сверхвысокочастотные (СВЧ) коммутационные платы на органическом диэлектрике. Платы, изготовленные по данной методике, сделают СВЧ-устройства, используемые в аппаратуре космического назначения, менее габаритными и более лёгкими, а помимо этого помогут оптимизировать производственные процессы с целью снижения себестоимости продукции.
СВЧ-платы на органическом диэлектрике были протестированы на эффективность эксплуатации в условиях большого перепада температур, имитирующих космические условия. Изделия показали стабильную работоспособность, что позволило исследователям сделать выводы о перспективности их новой разработки.
Суть технологии предусматривает создание толстого полимерного слоя в две стадии с применением центрифугирования и спереевого нанесения, экранирования электронных узлов платы и микроминиатюрного анкера в диэлектрическом слое для обеспечения адгезионной прочности монтажных соединений.
Сами исследователи считают, что в условиях роста функциональных возможностей и рабочих частот СВЧ-монолитных интегральных схем перед индустрией возникает вопрос разработки СВЧ- коммутационных плат, необходимых для изготовления изделий РЭА, отвечающих современным требованиям. Идя в ногу со временем, сотрудники отдела разработки бортовых СВЧ-приборов АФАР РКС уже не один год трудятся над созданием конкурентоспособных отечественных решений в этой области и добились хороших результатов. Так, описываемая новая технология проектирования и производства печатных плат даст возможность организовать производство СВЧ плат, которые будут эффективно работать в условиях космоса. Эффективность и надёжность функционирования таких плат обусловлена применением термической обработки органического диэлектрика. Исследователи рассчитывают, что изготовленные по новой технологии СВЧ-платы смогут показывать стабильную работоспособность при температурах от -196oС до 200oС, что подтверждают испытания, проведённые специалистами РКС.
Источник
Как печатная плата космос покорила
В 1895 году изобрели радио, через 12 лет телевизор, а через пол века человек полетел в космос. Всего 66 лет между первым радио и полетом в космос.
Теперь, когда люди научились делать приборы для любого вида деятельности, масштабы такого производства выросли в сотни раз, уже не приходится ждать 50 лет, чтобы приобрести новый телефон или совершить полет на самолете. Каждая страна производит те или иные устройства для различных нужд человечества и все они работают благодаря печатной плате, без которой любой прибор, будь то чайник или ракета, будет просто бесполезным куском металла.
Почему это так важно? Какие функции несет печатная плата и почему ей отводится такое значение?
Суть печатной платы в механическом и электрическом соединении электронных компонентов. Кажется, все просто, но печатные платы на деревьях не растут и для их создания строят заводы, запускают целые производства, и самым важным в этом процессе является оборудование.
АО «Новатор» предоставляет широкую линейку оборудования для производства печатных плат. Конечно, нельзя обойтись двумя-тремя станками, так как данный процесс требует разнообразных манипуляций, с которыми может справиться определенный тип оборудования.
Например, без конвейерного оборудования невозможна автоматизация производственного процесса, что критично для крупносерийного производства. Такое оборудование выполняет функцию непрерывной загрузки и разгрузки печатных плат, помогает полностью автоматизировать производство, повысить производительность и снизить уровень брака. Для выполнения отверстий, нанесения покрытий и их сушки, защиты поверхности плат от воздействия агрессивной среды, контроля качества и выявления ошибок в процессе производства и многих других важных процессов применяется разное специализированное оборудование.
Все это создает непрерывную цепь, благодаря которой, проделав такой длинный путь, у человечества есть возможность исследовать космическое пространство, облегчать жизнь, создавая бытовые приборы, вычислительную технику, развивать науку и улучшать качество жизни.
Источник
SamsPcbGuide, часть 11: Технологии — корпуса BGA-типа, пластик и космос
В обсуждениях к предыдущей статье proton17 написал, что в космос обычные BGA не летают, дав ссылки на корпуса CCGA-типа как образец надёжности. Я решил разобраться в этом вопросе и нашёл много интересной информации (во многом благодаря вот этому ↓ человеку).
Несмотря на свои преимущества (максимальное количество выводов по отношению к габаритам при заданном шаге, низкая индуктивность выводов, самовыравнивание при пайке) корпуса BGA-типа имеют серьезный для надёжных применений недостаток – невозможность достоверного визуального контроля качества паяных соединений.
Вопрос применимости BGA-компонентов в надёжных приложения не является новым, ещё в 1995 году JPL проводила исследования их надёжности в различных условиях. Результаты работ были последовательно представлены в многочисленных публикациях настоящего гуру этой темы, Р. Джафэриана 1. Сначала керамические и «обычные» пластиковые корпуса исследовались на плоскостность поверхности с помощью лазерного сканирования. За меру плоскостности была выбрана разница между самым низким и самым высоким шариком. Чем меньше эта разница, тем меньше вероятность дефектов при пайке. Керамические корпуса обладали большей плоскостностью, она также улучшалась с уменьшением количества выводов. Этот параметр тем более критичен, чем более высокотемпературный припой используется при пайке. Второй этап – монтаж на печатные платы (FR-4 и полиимид) и термоциклирование. Электрические соединения на плате и внутри тестового BGA-корпуса были организованы таким образом, чтобы образовать несколько групп последовательных соединений (англ. daisy chain). В каждой из этих групп контролировалось наличие нарушения соединений по критерию превышения сопротивления в 1 кОм на более чем 1 мкс. Данный критерий определён в IPC-SM-785, однако он не является достаточным, так как даже полностью треснувшее соединение может не выходить за указанное пороговое значение из-за поджима контакта за счёт соседних выводов [4].
Из-за большой разницы КТР керамики и FR-4/полиимида CBGA-корпуса давали сбой раньше, чем пластиковые. Также более ранние сбои показывали пластиковые корпуса с полным заполнением массива выводов, в отличие от корпусов с периферическим заполнением, так как под кристаллом возникает локальный рост несоответствия КТР корпуса и платы и именно там возникали первые сбои в соединениях.
Среди результатов отмечается влияние температуры стеклования материала печатной платы на надёжность для расширенного температурного диапазона. FR-4 показывал в среднем более слабые результаты, чем полиамид. Подтверждение данного результата есть и в статье [6]: использование печатной платы FR-5 (с Tg
13 ∙ 10 −6 K −1 ) обеспечивает четырёхкратное увеличение надёжности по сравнению обычным FR-4 для корпуса SON-типа.
Стоит отметить, что КТР печатной платы может отличаться даже в пределах платы и зависит от её топологии. В статье [6] приводится широкий диапазон значений от 12 до 24 ∙ 10 −6 K −1 . Там же есть интересные данные (таблица 1) по зависимости надёжности PBGA от диаметра шарика, контактных площадок (КП) на плате (NSMD-типа) и основании микросхемы (SMD-типа). Их анализ выявляет следующие закономерности:
- Увеличение диаметра шарика при прочих равных увеличивало количество выдерживаемых термоциклов на
20-30%.
В статье [7] экспериментально показано увеличение количества выдерживаемых термоциклов с уменьшением толщины керамического основания корпуса. Ознакомиться с предшествующей статьей одного из авторов с описанием модели процесса мне не удалось, но общие соображения такие: чем тоньше корпус, тем меньше он сопротивляется растягивающей силе, тем меньше нагрузка на выводы.
Скорость смены температуры влияет на преимущественное место возникновения дефектов в соединений – при быстром (когда возникают локальные напряжения) это со стороны корпуса, при медленном (когда система успевает прийти в тепловое равновесие) – со стороны печатной платы. Для расширенного температурного диапазона наибольшее количество отказов керамических корпусов CBGA было в соединении корпуса (63Sn37Pb) и шарика (90Pb10Sn).
Итак, основные очевидные закономерности, экспериментально подтверждённые ещё в 1995 году, для надёжности BGA-компонентов определяются тепловым расширением и заключаются в следующем:
- Чем больше корпус и количество выводов, тем меньше надёжность.
- Выводы, максимально удалённые от центра, наиболее уязвимы к разрушению. Для пластиковых BGA-корпусов, кроме того, уязвимы выводы в зоне расположения кристалла
- Керамические корпуса на печатной плате из текстолита показывают низкую надёжность. Кроме того, они не так хорошо выравниваются при пайке (так как обладают большей массой) и более чувствительны к количеству и качеству нанесения паяльной пасты, что усложняет постановку процесс надёжного монтажа компонентов.
Лирическое отступление. Использование печатных плат на основе LTCС-керамики сняло бы проблему несоответствия КТР. Возможно, это одно из направлений развития РЭА для космоса, которое приведёт к снижению стоимости таких печатных плат.
Зачем использовать керамические корпуса? Этого вопроса касался BarsMonster в одной из статей. Про то, что в пластике перемычки поддерживаются по всей длине компаундом, с одной стороны, логично, но с другой несоответствие КТР материалов пластикового корпуса (компаунд, кремний, текстолит, металлическая перемычка) создаёт большое количество проблем в расширенном диапазоне температур. Дополнительными аргументами в сторону использования керамических корпусов являются близкое к кремнию значение КТР, высокая теплопроводность, широкой температурный диапазон (что важно и для процесса сборки), более высокая гидрофобность, более простой в освоении техпроцесс герметизации.
На Spirit и Opportunity использовались именно керамические корпуса, но не CBGA-типа, а CCGA-типа (рис. 1): в них шарики заменены на столбики (иногда армированные медной спиралью), которые способны выдерживать большие нагрузки (вот здесь приводятся данные, что увеличение высоты в 2 раза снижает механическое напряжение и деформации на 30%). Несмотря на то, что эти миссии с успехом выполнили и даже перевыполнили свои задачи, стоит отметить, что производительные процессоры в CCGA-корпусах находились в блоке с контролируемой температурой. В статьях [8, 9] представлено сравнение CCGA и соответствующего ему PBGA в различных условиях. У CCGA-560 после 1075 термоциклов –50/75°C произошло первое разрушение контакта на стороне корпуса (для монтажа использовалось повышенное количество паяльной пасты, что улучшило надёжность соединения на стороне платы, см. рис. 2 и 3), в то время как в PBGA-560 за 2000 циклов сбоев не было обнаружено.
183 o C для 63Sn37Pb, поэтому весь диапазон рабочих температур находится в области сжатия печатной платы относительно керамического основания корпуса. И тогда температура нейтральной точки – это не 25 o C, это температура плавления паяльной пасты.
Для того, чтобы уменьшить нагрузку на выводы BGA-корпусов (в том числе в результате воздействий механических факторов), применяется несколько методов: фиксация по углам (англ. corner-staking), компаундирование пространства между корпусом и платой (англ. underfill). Однако результаты испытаний в [9] показывают, что такая технология не только не устраняет проблему, но может, наоборот, только ухудшать устойчивость конструкции к воздействию смены температур (рис. 4).
Испытывался также корпус CCGA-717 с армированными столбиками меньшего диаметра [9]. По сравнению с CCGA-560 с неармированными выводами он показал большую устойчивость к термоциклированию: после 950 циклов -55/100 o C электрических отказов не было, но дефекты на выводах уже начали образовываться (рис. 5). В открытом доступе также есть результаты успешных испытаний CCGA-472 от лаборатории Aeroflex по стандартам NASA.
В статье [5] представлены результаты исследования влияния финишного покрытия печатной платы на надёжность BGA-компонентов. Было отмечено, что для ENIG, в отличие от HASL и OSP, для которых были характерно вязкое разрушение выводов, некоторые выводы демонстрировали хрупкое разрушение выводов. Стандарт IPC-9701A, описывающий методологию испытания надёжности паяных соединений, запрещает использование иных покрытий печатной платы, кроме HASL, OSP и IAg, во избежание влияний интерметаллидов (также, к слову, стандарт рекомендует использовать контактные площадки NSMD-типа с отступом маски). В рамках специальных исследований [10, 11] проблемы использования ENIG в качестве финишного покрытия не удалось обнаружить каких-либо закономерностей и, таким образом, снижение надёжности соединения является трудно предсказуемым событием. Видимо, по этой причине, в стандарте и не рекомендуется использовать такой финиш. К слову, в качестве альтернативного покрытия, среди прочих, рассматривалось покрытие ENEPIG, которое показало хорошие результаты (в оригинале – «performed very well and requires more testing»).
В таблице 2 сведены данные экспериментов по исследованию надёжности компонентов BGA-типа, анализ которых указывает на наличие некоторых закономерностей (например, снижение толщины керамического основания значительно снижает нагрузку на выводы). Эти данные могут выступать лишь как ориентир при проектировании, критерий надёжности – эксперимент для конкретной конструкции и технологии сборки. В конце статьи [9] даются ценные рекомендации по использованию BGA-компонентов на основе обобщения опыта NASA от человека, который занимается надёжностью BGA-компонентов с 1995 года. Вот некоторые тезисы:
- Большинство PBGA-корпусов обеспечивают достаточную надёжность для миссий с ограниченными перепадами температур (например, контролируемая температура в корпусе модуля). При большой длительности миссии корпуса с большим количеством выводов (более 500) должны подвергаться испытаниям.
- Керамические BGA-корпуса с небольшим количеством выводов (менее 400) могут удовлетворять требованиям надёжности для краткосрочных миссий с ограниченными перепадами температур, но для долгосрочных миссий должны проходить квалификационные испытания даже в случае пониженных требований к перепаду температур. Для корпусов с большим количеством выводов (более 500) необходимы испытания во всех случаях.
- Использование компаунда типа «underfill» не рекомендуется для CCGA из-за высокого зазора между корпусом и печатной платой. В случае же использования, КТР компаунда должен быть близким к КТР печатной платы (нагрузки в плоскости) и выводов (нагрузки в направлении оси Z), кроме того необходимы индивидуальные испытания для каждого случая применения.
- В случае необходимости повышения устойчивости к механическим воздействиям фиксация по углам (англ. corner staking, edge bonding) более предпочтительна для CCGA- и CBGA-корпусов по сравнению с технологией «underfill». Однако и тут можно ухудшить надёжность неправильно подобранными материалами.
Есть и другие данные: в одной из презентаций JAXA говорится, что его использование для CBGA-корпусов увеличивает количество циклов до возникновения сбоя в среднем в 1,7 раз. Чаще всего компаунды типа «underfill» применяется в корпусах CSP-типа, где основная задача – в габаритах, максимально близких к размеру кристалла, обеспечить переход между низким КТР кремния и КТР печатной платы. Для BGA-компонентов, как уже было сказано, необходимо проведение испытаний в каждом конкретном случае (без возможности переноса результатов даже при изменении одного из параметров, в том числе технологического) в соответствии с моделью внешних воздействующих факторов.
Какое количество термоциклов должен выдерживать корпус? Безусловно, это зависит от модели воздействующих факторов. При оптимизированной технологии сборки обобщенному критерию надёжности в отсутствии отказов в течение 500 циклов -60/125 о С удовлетворяют многие типы корпусов (см. таблицу 2). Однако «не термоциклированием единым», корпус не должен накапливать влагу, должен обеспечивать низкое тепловое сопротивление, должен обеспечивать стойкость к механическим воздействующим факторам и т.д. И по полному списку критериев у керамических корпусов надёжность статистически выше. Производители ЭКБ для космической аппаратуры, такие как Aeroflex и MSK, выпускают свои микросхемы именно в керамических и металлостеклянных корпусах. Да, для исполнения BGA-типа монтаж на текстолитовые печатные платы создаёт проблемы из-за несоответствия КТР, поэтому приходится изобретать способы повышения надёжности соединений – снижение толщины основания, использование столбиковых выводов, компаундирование и т.д.
Важно понимать, что дело не в технологии корпусирования в общем, а в том, соответствует ли конкретная микросхема требованиям надёжности и стойкости к воздействующим факторам. Можно использовать и коммерческую микросхему в пластиковом корпусе, если она пройдёт полный цикл испытаний. При этом успешные испытания не будут означать, что «такая же» микросхема с другого завода-изготовителя или даже из другой партии будет удовлетворять требованиям надёжности. В этом отличие надёжной ЭКБ, которое и заложено в цене — изготовитель берёт на себя затраты на испытания. Тот же 3D PLUS проводит отбор микросхем в пластике для некоторых своих микросборок, но стоят такие изделия уже на порядок дороже. Другой путь — это выполнение испытаний и отбора на стороне потребителя. Это может быть оправдано, если нужная функциональность не реализована в надёжном исполнении, или если если модель внешних воздействий и требования надёжности для целевой миссии значительно ниже, чем типовые на рынке надёжной ЭКБ.
Запрос на снижение массы космических аппаратов (прежде всего, развитие малоразмерных КА) толкает производителей выпускать надёжные ЭКБ в пластиковых корпусов, на рынке уже есть решения (кроме того, они заявляются и как бюджетные). Возможно, в ближайшем будущем количество надёжного, сертифицированного для космоса пластика будет расти, обеспечивая нужды околоземных миссий с низкими орбитами, а керамические корпуса пересядут на LTCC печатные платы для того, чтобы бороздить глубинный космос.
Источник