تکنیک ترکیبی شبیه‌سازی و اندازه‌گیری نوری جهت بررسی اثرات سیستم بر روی خستگی لحیم‌کاری قطعات

چکیده

کلمات کلیدی

1- مقدمه

شکل 1- تحلیل نوری تغییرشکل یک ECU بار تغییر دما

شکل 2- جابجایی‌های خارج از صفحه (20 میکرومتر تا 150 میکرومتر) یک QFN که روی بورد نصب‌شده بر ECU قرار دارد

2- روش اندازه‌گیری نوری چندسنسوره جهت تحلیل دقیق و سه‌بعدی تغییرشکل

شکل 3- سیستم چندسنسوره نوری جهت تحلیل درجای تغییرشکل

جدول 1- شرایط عملکرد

1-2 مکان‌یابی خارج از صفحه و تحلیل پیچش

شکل 4- اندازه‌گیری پیچش ناشی از اندازه‌گیری و نصب یک سیستم حسگر خودکار که روی ECU نصب شده است؛ پیچش در دمای 30 درجه سانتی‌گراد بر حسب میکرومتر است

شکل 5- تغییرشکل خارج از صفحه چرخه‌ای گرم‌شدن و سردشدن بورد نصب‌شده روی ECU

شکل 6- الگوی توزیع انحنا و شعاع خمش موضعی در راستای محور x حاصل از تخمین تغییرشکل‌های پیچشی بورد نصب‌شده به ازای یک گام حرارتی

2-2 تحلیل تغییرشکل خارج از صفحه

شکل 7- تعیین مستقیم انبساط حرارتی غیرایزوتروپیک روی بورد مدار با microDAC TL

شکل 8- تعیین اثرات نصب که موجب تغییرشکل حرارتی غیرایزوتروپیک قطعات QFN می‌شود

شکل 9- تعیین تغییرشکل حرارتی غیرایزوتروپیک در یک مقطع عرضی PCB

شکل 10- اندازه‌گیری میدان جابجایی x در اثر حرارت در مقطع عرضی یک بسته سنسور حفره از جنس سرامیک با اتصالات داخلی بورد از نوع LGA

3- مکانیزم تحلیل‌های مبتنی بر شکست

1-3 امکانات مدل‌سازی المان محدود

شکل 11- مدل ساده قطعه قالب‌گیری‌شده کامل با قطعه‌های کاذب که در محفظه نصب می‌شوند

2-3 تحلیل HQFN با بارگذاری‌های ترکیبی حرارتی و پیچشی

شکل 12- بورد آزمایشی با QFNها برای بارگذاری ترکیبی دوره T و خمش دوره‌ای با «قطعات کاذب» و دو QFN کاملا مدل‌سازی‌شده (متقارن)

شکل 13- QFNهای کاملا مدل‌سازی‌شده در مرکز بورد آزمایشی (یک‌چهارم متقارن)

شکل 14- طرح خطوط هم‌بار جابجایی‌های خارج از صفحه و تغییرشکل خارج از صفحه (2 برابر بزرگ شده) بورد آزمایشی در اثر بارگذاری‌های حرارتی و پیچشی

شکل 15- کرنش‌های خزشی هم‌ارز دوره‌ای ناشی از دوره 125 تا 40- درجه سانتی‌گراد بدون نصب

شکل 16- کرنش‌های خزشی چرخه‌ای هم‌ارز ناشی از چرخه‌های 125+ تا 40- درجه سانتی‌گراد بدون نصب

شکل 17- چرخه‌های میانگین به شکست نسبی محاسبه‌شده اتصالات لبه HQFN مستقل از شرایط نصب

4- خلاصه

 

ویژگی‌های فیزیکی مفاهیم مرتبط با شکست و گسیختگی در حال گسترش و تحقیق بیشتر هستند تا به کمک آن‌ها بتوانیم چالش‌های قابلیت اعتماد حرارتی‌مکانیکی (ترمومکانیکی) در تجهیزات الکترونیک خودکار را شناسایی و رفع کنیم. محدودیت تحلیل‌های المان محدود (FE)، ابعاد محدود مدل‌ها است که نمی‌توانند ویژگی‌های سیستمی شکست را به‌درستی نشان دهند. همچنین به دلیل محدودیت‌های زمانی، هنگام آزمایش‌های پایان عمر نمی‌توان واحدهای کنترل الکترونیک (ECU) نصب‌شده و بارگذاری‌شده توسط بارهای محیطی و فعال را مورد بررسی سیستمی قرار داد. به همین دلیل، معمولا در سطح بورد آزمایش شتابدار انجام می‌شود. جهت غلبه بر برخی از این محدودیت‌ها، یک تکنیک ترکیبی شبیه‌سازی-اندازه‌گیری ایجاد شده است که در این مقاله تشریح می‌گردد. بررسی سطح سیستمی بوردهای نصب‌شده روی ECUهای اتوماتیک یک سیستم نوین اندازه‌گیری نوری تغییرشکل با دقت بالا انجام می‌شود. روش اندازه‌گیری چندسنسوری ، سنسور رنگ جهت مکان‌نگاری (توپوگرافی) و انجام تحلیل تاب‌خوردگی (پیچش) را با سنسور نوری جهت اندازه‌گیری تغییرشکل درون‌صفحه و تحلیل میدانی کرنش ترکیب می‌کند. با این ترکیب می‌توان به درک دقیقی از هر سه مولفه بردار تغییر مکان دست یافت. ابزارهای نرم‌افزاری نیز می‌توانند به تعیین کمیت‌های حاصل همچون کرنش‌ها، خمیدگی‌های موضعی و شعاع پیچش موضعی کمک کنند. شعاع پیچش موضعی را می‌توان به عنوان ورودی شبیه‌سازی‌های المان محدود در نظر گرفت. نشان داده شده است که برخی از قطعات، به‌خصوص QFNها، نسبت به پیچش دوره‌ای در اثر حرارت حساس‌اند -حتی اگر تغییرشکل‌های خمشی متناظر آن‌ها در مقیاس میکرومتر باشد. بدترین حالت کشش صفحه‌ای و پیچش دوره‌ای بورد نصب‌شده روی ECU اندازه‌گیری شده است. با تطابق‌دادن شبیه‌سازی‌ها به خستگی لحیم‌کاری QFN (که روی یک بورد خاص نصب شده است)، عمر بحرانی خستگی قابل محاسبه است -که البته به اندرکنش با حالت مورد نظر بستگی دارد. این اندرکنش تفاوت بسیار زیادی با سرهم‌بندی خودایستا دارد.

گسترش مداوم سیستم‌های الکترونیکی جهت کاربرد در شرایط سخت موجب بروز چالش‌های متعددی (به‌خصوص در زمینه عملکرد قابل اعتماد) می‌شود. این چالش‌های مرتبط با هزینه و ایمنی -مثلا در زمینه هدایت خودکار تجهیزات- توجه بیشتری را معطوف برآورد قابلیت اعتماد بر مبنای مفاهیم «فیزیک شکست» می‌کند. مزیت‌های هزینه‌ای و دسترسی می‌تواند محرکی برای استفاده از قطعات الکترونیکی در محیط‌های خودکاری باشد که در ابتدا جهت استفاده مصرف‌کننده طراحی شده‌اند. این یکی از موضوع‌های تحقیق در پروژه TRACE است. در این حوزه‌ها، مشکلات قابلیت اعتماد الکتریکی و حرارتی‌مکانیکی از اهمیت بالایی برخورد است. مدل‌سازی تئوری، کاربرد گسترده‌ای در ارزیابی ریسک‌های گسیختگی حرارتی‌مکانیکی سیستم‌های الکترونیک یافته است. البته پیچیدگی‌های مدل در زمینه هندسه سیستم (مثل بوردهای نصب‌شده) و ضوابط ارزیابی (مثل مکانیک آسیب) موجب ایجاد محدودیت‌هایی شده است. این مقاله به تشریح رویکردی می‌پردازد که با ترکیب تکنیک‌های اندازه‌گیری و شبیه‌سازی، سعی در بهبود ارزیابی قابلیت اعتماد در سطح بورد و سیستم دارد. تمرکز اصلی این روش بر جلوگیری از شکست عملکردی محصول به دلیل تنش‌های رایج تجهیزات خودکار است اما کارکرد آن فراتر از تجهیزات خودکار و قطعات الکترونیک مصرفی می‌باشد. یک روش اندازه‌گیری نوری چندسنسوری نیز ایجاد شده که می‌تواند تغییرشکل دقیق بوردهای نصب‌شده روی واحدهای کنترل الکترونیک (ECUهای) خودکار را از سطح کلی تا سطح موضعی اندازه بگیرد. دقت بالای این روش که بسیار بیشتر از روش‌های پیشین است، اندازه‌گیری تغییرشکل قطعه‌ها را تحت شرایط بارگذاری سیستمی تا مقیاس نانومتر ممکن می‌سازد. روش اندازه‌گیری چندسنسوری، سنسور رنگ جهت مکان‌نگاری (توپوگرافی) و انجام تحلیل تاب‌خوردگی (پیچش) را با سنسور نوری جهت اندازه‌گیری تغییرشکل درون‌صفحه و تحلیل میدانی کرنش ترکیب می‌کند. این روش بر اساس ابزارهای نوری اندازه‌گیری مایکروپروف متعلق به شرکت FRT بنا شده و روش‌های همبستگی تصویر دیجیتال نیز توسط CWM ایجاد و اصلاح شده است. با این ترکیب می‌توان به درک دقیقی از هر سه مولفه بردار تغییر مکان دست یافت. ابزارهای نرم‌افزاری نیز می‌توانند به تعیین کمیت‌های حاصل همچون کرنش‌ها، خمیدگی‌های موضعی و شعاع پیچش موضعی کمک کنند. با این روش می‌توان اثرات سیستم بر سطح قطعه‌ها را در ECUهای نمایشگر تعیین کرد. شکل 1 نشان می‌دهد که تحلیل تغییرشکل درجای یک ECU در محفظه A1 تحت بارگذاری حرارتی چگونه به دست می‌آید. شکل 2 نشان‌دهنده قابلیت تحلیل تغییرشکل موضعی در سطح یک مولفه نصب‌شده در مقیاس میکرومتر است. شکل 1- تحلیل نوری تغییرشکل یک ECU بار تغییر دما شکل 2- جابجایی‌های خارج از صفحه (20 میکرومتر تا 150 میکرومتر) یک QFN که روی بورد نصب‌شده بر ECU قرار دارد با استفاده طرح مدل‌سازی کلی-موضعی، تحلیل‌های المان محدود انجام شده‌اند. در تحلیل کلی، قطعات به صورت ساده مدل شده‌اند. برای این قطعات، مدل‌های موضعی تحلیل شده‌اند. این تحلیل شامل تشریح نقاط تقاطع لحیم‌کاری نیز می‌شود. عمر خستگی نقاط تقاطع با استفاده از این تحلیل‌ها قابل محاسبه است؛ که البته به اثرات سطح سیستم (یعنی وضعیت نصب) نیز بستگی دارد. الگوهای تغییرشکل هم در سطح بورد و هم در سطح قطعات با یکدیگر مقایسه شده‌اند.