Технические науки/6. Электротехника и радиоэлектроника.

К.т.н. Архипов А.В., Архипов А.А.

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королёва (национальный исследовательский университет) Россия

Стенд для исследования электромиграции в паяных

контактах печатных узлов РЭС

Электромиграция явление переноса вещества в проводнике за счет постепенного дрейфа ионов, возникающее благодаря обмену количеством движения при столкновениях между проводящими носителями и атомной решеткой. Этот эффект играет существенную роль в тех прикладных областях, где возникают токи большой плотности, например в микроэлектронике. Размеры компонентов радиоэлектронных средств (РЭС) в настоящее время таковы, что данная проблема не может не проявиться в печатных узлах РЭС (рис 1[1]).

Рис. 1 Дендриты на поверхности печатной платы, возникшие между двумя проводниками вследствие электромиграционного переноса меди

Из-за переноса ионов металла, в проводниках появляются обедненные веществом зоны, сопротивление и плотность тока в этих зонах существенно возрастают. Это приводит к еще большему нагреву проводника и к дальнейшему усилению электромиграции. Данный процесс приводит к частичному или полному разрушению проводника либо под действием температуры, либо из-за полного истощения металла. С другой стороны, скопившееся вещество может сформировать новое непреднамеренное соединение, что может привести к снижению производительности схемы или к короткому замыканию (рис. 2 [2]).

Рис. 2 Накопление и истощение металла вследствие электро-миграционной деградации про-водников

В связи с существенной миниатюризацией компонентов и с увеличением доли бессвинцовых сплавов при монтаже печатных узлов (ПУ), в результате применения которых растет пористость паяных контактов, существует настоятельная потребность исследования процессов электромиграции в контактах ПУ. Для получения требуемых параметров электромиграционной деградации предлагается провести эксперимент, в котором сформировать тестовые ПУ из микроминиатюрных компонентов РЭС, собранных по технологии поверхностного монтажа и с применением различных марок припоев.

Провести исследование сформированных контактов с помощью рентгенотомографии, что позволит выявить технологически сформированные поры в паяных контактах и их размеры (рис. 3 [3]).

Рис. 3 Поры в паяных контактах выявленных при рентгеновском исследовании

Подать на тестовый ПУ ток большой плотности и исследовать процессы развития дефектов паяных контактов при различных условиях, осуществляя контроль температуры и времени, что позволит с учетом процессов самодиффузии оценить параметры процесса электромиграции.

Для реализации эксперимента был разработан и изготовлен испытательный стенд, схема которого приведена на рис.4.

Рис. 4 Испытательный стенд

Он будет состоять из следующих элементов:

1. Регулируемый источник тока, позволяющий обеспечивать плотности тока близкие к критическим в области паяных контактов;

2. Тестовый ПУ, на котором в качестве компонентов установлен набор SMD перемычек, обладающих практически нулевым сопротивлением;

3. Термостабилизирующий элемент, в виде трансформаторного масла с системой охлаждения, предотвращающий неравномерный локальный перегрев в зонах максимальной плотности тока.

4. Приборы, автоматически регистрирующие силу тока, температуру и время проведения эксперимента.

5. Исследуемый ПУ, представляющий собой простейший тестовый узел как на рис. 5.

Рис. 5 Примерный вид исследуемого ПУ. Проводники выполнены в виде широких полос фольги для снижения токовой нагрузки, которая сосредоточится в основном на паяных контакта SMD-перемычек.

В процессе проведения эксперимента необходимо контролировать развитие пор вплоть до предполагаемого образования микротрещин, которые приведут к обрыву контактов. Это позволит определить временные параметры диффузии. Это возможно даже в том случае, если самоускоряющийся процесс развития дефектов приведет к взрывному сценарию образования критического дефекта.

Литература:

1. http://www.tech-e.ru/2007_4_60.php

2. http://www.stanford.edu/class/ee311/NOTES/Interconnect_Al.pdf

3. http://www.tech-e.ru/2005_4_60.php