Най-чести грешки при проектиране на електроника

Как да повишим надеждността и дълготрайността на изделията

Конструирането на електронно устройство е математико-чертожно-физична и художествена работа. Изискват се внимателно и професионално проектиране, а значи и моделиране (включително от гледна точка на пренос на топлина, топлинни напрежения и деформации, механична якост и още редица процеси и явления) на конкретни електронни елементи и възли. Колкото по-елементарен е един производствен процес, толкова по-гъвкава ще бъде реакцията му на променящите се стандарти във всички етапи на производството. В тази статия се разглеждат въпроси като предотвратяване на деформации по корпусите на електронните елементи, повишаване на устойчивостта на спойките и увеличаване срока на работа на електролитните кондензатори.

Кои са най-често срещаните дефекти в лошо подбрани компоненти на изделието?

Напукване поради деформация

Най-често това се случва при ball grid array (BGA) чиповете. Това са чипове с висока степен на интеграция, високопроизводителни, с ниско температурно съпротивление и висок коефициент на температурна проводимост между изводите си и платката. А изводите представляват плоски контактни площадки с определен диаметър, разположени във вид на мрежа. Върху тези площадки се нанася припой с необходимия диаметър, който варира от стотни от милиметъра до няколко десетки от него. Разстоянието между контактните пластини на интегралната схема е по-голямо от диаметъра на самите точици, но не повече от 0,5-0,7 мм. Типичен пример за BGA монтаж са чипсетите на компютърните дънни платки. Тези интегрални схеми са много чувствителни към деформиране на печатната платка – това може да навреди на електрическия контакт. При топлинно разширение или силна вибрация някои от контактните изводи могат да се прекъснат, поради което BGA монтажите не са подходящи например за военни цели. Най-често текстолитната платка се снабдява с метална уякчаваща пластина отдолу или платката изцяло се удебелява. Проблемът с неустойчивостта на BGA чиповете става все по-сериозен поради прехода на много компании към твърди и чупливи сплави на калай, сребро и мед.

Подобно е положението, когато платката, разположена под керамичен кондензатор, се огъне прекалено много. В такъв случай чупливият кондензатор не може да противостои на деформацията и си напуква. Такова счупване може да стане по време на изпитания, при снемане на части, съединени с платката (панели, конектори други платки, влизащи в слотове), а и при случайно падане. Като противомярка може да се използва кондензатор с по-малко разстояние между контактните изводи (крачета), ако той е с аналогични характеристики, но в по-малък корпус. Понякога се използва стеснена контактна площадка, обръщане на кондензатора на 90 градуса или преместването му на 45-60 мм от мястото на огъване. Друг вариант е използването на кондензатор с гъвкави или просто по-дълги изводи. А някои компании предлагат кондензатори с твърдо полимерно покритие на електродите, което предотвратява пречупването на елемента.

Изхабяване на съединенията

Най-добрият метод да се избегне бързото износване на спойките е да се определи трайността им още на етап конструиране, като се извърши оценъчно пресмятане чрез метода на крайните елементи. По-долу този етап е разгледан по-подробно.

Конструирането налага решаване на гранични задачи за намиране на функциите, даващи разпределението на скаларното поле на температурата, решаване на уравненията за потока на топлинната енергия, намиране на тензора на напреженията и др. задачи, които се свеждат до решаване на диференциални уравнения, чиито решения дават съответните величини, които се търсят. И понеже решаването на диференциални и интегрални уравнения е изкуство, дори някои математици не владеят особено добре, то конструкторите прибягват до числени методи, сиреч до помощта на компютъра, за да бъдат решени уравненията.

Методът на крайните елементи е типичен числен (а значи, машинен) метод за решаване на гранични задачи, породени от конкретни физични ситуации. Например, проектира се резистор в научно-развойния отдел на компанията-производител. Предлага се това, което някога е било предложено от някого там: резисторът се изпълнява от висококачествен порцелан (електроизолационен, като този, от който се правят изолаторите на трансформаторите), върху който порцелан се нанася тънък слой от проводящ материал, който има определено разпределено (специфично) съпротивление R. Иначе казано, толкова ома на метър е R този материал, толкова – друг материал и т. н. И понеже трябва да се създаде асортимент от стойности на резисторите по-голям от броя проводящи материали, които се използват, за да се създадат покрития от тях върху порцелановите пръчици, се прибягва или до вариране дължината на пръчиците, или дебелината на покритието. Друг вариант е да се направят нарези върху вече направеното покритие, чрез който последен метод може единствено да бъде увеличено съпротивлението на получения елемент. На практика на конструктора се налага да прибягва и до трите, тъй като толкова изключително много различни стойности трябва да бъдат възпроизведени, при това с различни мощности (способности на тялото да понася и разсейва отделената в покритието топлина), че всеки от тези подходи, сам по себе си, се оказва недостатъчен.

И проблемът изглежда решен  – така може да се направят стотици стойности резистори от части от ома до мегаомове. И то при всички стандартни мощности – 0,125 W, 0,25 W, 0,5 W, 1 W, 2 W, 5 W, 10 W. Така е  решен проблемът с реализирането на стойностите.

Но керамичната пръчица или тръбичка с нанесено върху нея покритие, имащо съпротивление от единия до другия известно число омове, трябва да има изводи в двата края, които да могат да се запоят, за да бъде използваем елемент. Освен това, проводящото покритие не трябва да се лющи или отлепва от керамичното тяло, а това налага избор на метод на нанасянето му, изключващ подобна възможност. Например, термодифузионно насищане на повърхността на керамиката с метал, или плазмена обработка. Също – изпарение във вакуум върху нагретия порцелан при постоянното му въртене сред пàрите на метала (за да става покритието равномерно) в нагрято състояние (за да се забият металните атоми добре в порите на повърхността и да дифундират атомите на метала между тези на керамиката), така че да се образува добра повърхностна адхезия на метала към керамиката.

Тази връзка трябва да е не просто здрава, а изключително здрава, защото тя определя в какъв интервал от температури ще може да работи резисторът – ако този интервал е тесен, резисторът ще трябва да бъде много голям, за да разсейва топлината при ниска температура (все пак излъчването зависи силно от температурата – по-силно от втората, дори понякога от третата й степен). Не може телевизорът или компютърът да бъде огромен, защото връзките между елементите ще бъдат дълги, а това значи, че ще имат големи капацитети и индуктивности, а това веднага ще забрани възможността да се работи с високи честоти – те просто изискват малки размери на елементите. Ето защо резисторът трябва да бъде колкото може по-малък при зададена мощност. Да речем обаче, че и този проблем с подходящия контакт на покритието с порцелана е решен.

Остава още: самото покритие при разширението и свиването си от топлината да не се напуква, т. е. да има известна еластичност. Още: да има близък термичен коефициент на разширение с този на керамиката, да „диша“ при нагряването и охлаждането заедно с нея. Самата керамика да се прогрява максимално равномерно, така че в нея да не възникнат големи температурни градиенти, които пък да доведат до механични напрежения поради различните степени на разширение на различно нагрятите й области. Тези напрежения заплашват с образуване на пукнатини – спукване на тялото.

За да разбере конструкторът как ще се разпредели топлината по тялото на резистора, дори да са решени технологичните проблеми с покритието, трябва да се намери разпределението на полето на температурата в керамиката като функция от времето и плътността на тока през покритието, което се явява топлинен източник. Това е гранична задача. Имайки я вече решена, вече се знае как е разпределена температурата по тялото във всяка възможна ситуация при дадената пространствена конфигурация на покритието (с нарези, без нарези, на ивици, навита жичка върху тялото и т. н.). Друга пространствена конфигурация означава нова гранична задача, с нейно си поле като решение.

Да приемем, че конструкторът има вече полето на температурата. Сега трябва да се реши задачата за намиране компонентите на тензора на напрежението в материала с оглед топлинното му разширение. Ако материалът е кристал, този тензор си има всичките компоненти и задачата става изключително сложна. Затова се избира изотропен материал, на какъвто приличат стъклото и порцеланът. Тогава повечето компоненти на тензора са нули и задачата става много по-лесна. Но дори в такъв случай е по-удобно да се прибегне до метода на крайните елементи или на крайните разлики, или на Рунге-Кута, или някой друг ефикасен числен метод. Получавайки приблизително решение (защото само такива – приблизителни решения – дават числените методи), конструкторът с определена точност и сигурност ще знае как ще се държи тялото при нагрев и охлаждане, кога ще се спука и кога на него ще може да се разчита.

Работният интервал на елемента се задава така, че да е винаги далеч от стойностите, при които настъпва спукване. После се пристъпва към изводите – те трябва да са от метал или сплав, който се калайдисва добре, за да се запои резисторът лесно. Също, да не се оксидира или пасивира лесно, така че слоят от химически съединения, образуващ се с времето, да не попречи на бъдещото му запояване. Трябва този метал или сплав да има коефициент на топлинно разширение, отново близък до този на тялото и покритието. Трябва да се намери начин за осъществяване на надежден контакт между материала на извода и покритието – примерно чрез запресоване, или чрез нахлузване в нагрято състояние върху покритието, след което изводът при охлаждането се свива и се самозащипва около покритието, притискайки се всестранно към него и правейки добър електрически контакт.

Друг начин за изпитване и предвиждане на дълговечността е предложен от разработчиците на IBM Норис и Ланцберг (K. C. Norris, A. H. Landzberg) още през 1969 г.  и може да се намери в статията им Reliability of controlled collapse interconnections. Обаче проверката на изделието за съответствие на техническите стандарти на производствения цикъл често е последно място.

Съществуват няколко причини за износване на запоените съединения. Някои от тях са очевидни, като например липса на нужното моделиране и стриктни изпитания. Освен това, трите най-често срещани причини са прекалено близко разположение на топлинни източници, излишното разсейване на мощност и използването на ненадеждни съединителни елементи, конектори и въобще всякакви преходници. За първия проблем е ясно – само след няколко месеца или години може да стане ясно, че ако при изпитанията не е била взета предвид устойчивост на определена топлина, разсейвана от други електронни структури в конструкцията, може да се потвърди принципът, че „една система е издръжлива толкова, колкото най-слабата й брънка“.

Излишното разсейване на мощност става проблем в два случая и положението е близко до горното. Ако конструкторът не отдели достатъчно внимание на компонентите с високи стойности на разсейваната мощност и не проведе изпитания, отделяната топлина може да доведе до повишена умора на запоените съединения или температурни падове. Такива проблеми са типични за компоненти, разположени извън платката – генератори, силнотокови шини. При замяна на компоненти от неквалифицирани лица може да се случи неправилно разшифроване на маркировката.

JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council – Обединен инженерен съвет по електронни устройства) е основен разработчик на промишлени стандарти за изпитания на компонентите. Конструкцията на повечето от компонентите е достатъчно трайна и може да се използва във всякакви условия. Най-изложените на риск елементи са съединителите, конекторите и разните ,,преходници“. За съжаление понякога, след като цялото изделие е вече сглобено, се допуска пренебрегване на проверката за устойчивост на запоените места именно на тези части. Икономичното решение на такъв проблем е да се поддържа температура на спойките под 75-80 градуса, особено ако температурата на елементите се колебае във времето на работа на устройството. Най-добрият метод обаче е използване на пресметнати модели на отказ за оценка на риска преди завършването на разработката.

Електролитни кондензатори

Макар разработчиците да обичат тези елементи заради възможността им за достигане на високи капацитети, на по-отговорни места те невинаги се монтират поради недълготрайност. Такова двойствено отношение е довело до различни методи за снижаване на номиналните стойности, предсказване на работния цикъл и пр. „магии“. Кое е най-доброто решение? То зависи от това, дали се желае намаляване на работната температура, работното напрежение и/или на неговите пулсации.

Когато вече е установен желателният работен цикъл на цялото проектирано устройство, може да се определи диапазонът на намаляване на номиналната работна температура. При това конструкторите трябва да отчитат три съображения. Прието е да се смята, че срокът на службата се увеличава два пъти при всяко намаляване с 10 градуса. Второто съображение е много малкото области на приложение, в които има постоянно равнище на температурата. Защото потребителите включват и изключват компютри, в едни часови пояси температурата в помещенията е по-висока, отколкото в други и т.н. Затова тези амплитуди трябва да бъдат разчетени още при проектирането. И накрая, никакви изчисления няма да помогнат, ако наблизо се намира греещ резистор, MOSFET транзистор или просто радиатор. Бързото покачване на съсредоточена на едно място температура предизвиква повреди по-бързо, отколкото предвижда промишленият образец. Горещите силови елементи трябва да се държат по-далече от кондензаторите.

Пулсациите на работното напрежение са своеобразен електрически параметър и също показател за надеждността на кондензатора, за който в повечето случаи се забравя. Два „еквивалентни“ кондензатора не са такива, ако при изчисленията на работния им режим първият компонент има един приет номинал на пулсациите на напрежението, а за другия номиналът е различен. Работното напрежение е най-голямото такова между електродите на кондензатора, което по време на работа не бива да се превишава. В противен случай ще настъпи пробив в диелектрика и кондензаторът ще се повреди. Пробивът настъпва поради възникването на йонизационни процеси вътре в диелектрика. Йонизацията разрушава органичния диелектрик поради „бомбардировката им“ с възникващи йони и електрони, а вредно въздействие оказват и озонът и азотните окиси. При керамичните кондензатори йонизацията предизвиква интензивно нагряване, в резултат на което се появяват механични напрежения, съпроводени с разчупване на керамика и пробойни по корпуса.

Производителите на свой ред могат да вдигнат равнището на отклоненията – някои компании допускат превишаване на пулсациите (колебанията, флуктуациите) на напрежението до 150-200 % от номиналната му стойност. Силно пулсиращото напрежение повишава температурата на кондензатора, а жизненият цикъл на кондензатора се определя и според работната му температура. Колкото е по-ниска температурата, при която трябва да работи едно изделие, толкова е по-високо влиянието на напрежението.

Намалявайки работното напрежение, трябва да се помни, че електролитните кондензатори работят най-добре, когато се прилага номиналната му стойност. Независимо от факта, че за последните десетина години производителите значително увеличиха работните показатели на кондензаторите при ниско напрежение, препоръчва се при проектирането на устройство да се избягва стойност на работното напрежение на кондензатора, която да е по-ниска от номиналната с над 25 %. От друга страна, в процеса на разработка на кондензатори на тях се прилагат напрежения, с 150-200 % по-високи от номиналното. Приложеното работно напрежение все пак оказва малко влияние на дълготрайността (по-важна е липсата на флуктуации (но това вече е работа на захранващия блок). Поради това, препоръките за намаляване на номиналното работно напрежение определят негова минимална стойност в такъв случай 80-90 % от номинала, макар някои производители да се придържат стриктно и да си позволяват не повече от 5 %.

Ключови думи: BGA чипове, грешки при проектиране, проектиране на печатни платки, проектиране на електронни схеми, MTTF, конструиране на електронна апаратура, надеждност на електронната апаратура