Nové směry v konstrukci plošných spojů a mechanické testování

Úvod

Nová koncepce uspořádání plošných spojů Board on Board neboli substrát na substrát je řešena v rámci projektu EUREKA Euripides, jehož supervizorem je francouzská společnost Thales Communications. Na projektu se dále podílí významní výrobci desek plošných spojů Cimulec a AT&S, dále Celestica Valencie, CERB, LEM3 a také Ústav mikroelektroniky Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií Vysokého učení technického v Brně.

Cílem projektu je vyřešení konstrukce desek plošných spojů (DPS), jež umožní oboustranně husté osazování, a to při zajištění spolehlivosti. Přínosem tohoto řešení je překonání problémů s překrýváním součástek, které má u současných konstrukcích negativní vliv na spolehlivost, jak je znázorněno na obr. 1.

Obr. 1 Vliv překrývání součástek na spolehlivost [1]

V levé části obr. 1 je názorně zobrazeno několik situací různého překrytu pouzder umístěných na oboustranné DPS, což se týká např. pouzder SOIC, QFP, BGA apod. V grafu na pravé straně téhož obrázku je pak znázorněna spolehlivost jednotlivých uspořádání vyjádřená počtem cyklů tepelného namáhání do vzniku poruchy. Jak je patrné z grafu, není v důsledku této skutečnosti možné realizovat se zaručením vysoké spolehlivosti oboustranně hustě osazenou desku plošných spojů, a proto jde projekt BoB novou cestou, v principu založenou na spojení dvou jednostranně hustě osazených DPS.

Jako jedno z možných řešení propojení obou DPS byl vybrán ohebný substrát. Napájení je pak možné řešit s pomocí propojovacích pinů, jak je znázorněno na obr. 2. Na prvních dvou obrázcích zleva jsou znázorněny dvě různé možnosti připevnění ohebného substrátu zajišťující propojení obou DPS. Vpravo je pak zobrazeno mechanické spojení obou substrátů připájenými piny, jež slouží i jako elektrické propojení.

Obr. 2 Možná propojení obou desek

Pro zvýšení hustoty osazení jsou využívány výsledky z předešlých projektů řešících vyšší hustotu propojování IPITECH a HERMES [2], [3], především pokud se jedná o integraci součástek přímo do struktury desek plošných spojů (vnořené neboli „embedded“ součástky). Tato možnost je znázorněna na obr. 3. Levá část obrázku ukazuje pasivní součástky umístěné v kavitách a pravá část zobrazuje součástky vnořené přímo do struktury substrátu.

Obr. 3 Znázornění možné koncepce BoB

Pro osazování pouzder lze následně využít technologii POP (Package on Package), tedy vrstvení jednotlivých pouzder na sebe, což představuje svým uspořádáním třírozměrnou konfiguraci (3D) umožňující vysoký stupeň integrace.

Testování životnosti a spolehlivosti elektronických sestav

Každý nový systém musí být podroben testům, jejichž účelem je ověření požadovaných parametrů stanovených technickou specifikací. Nejde jen o prověření konečných vlastností, ale již v samém počátku také o optimalizaci samotného návrhu, což znamená jak časovou, tak i finanční úsporu. Z pohledu testování a simulace rozlišujeme následující skupiny:

• Elektrické testy a simulace
• Mechanické testy a simulace
  • Mechanické namáhání – vibrace
  • Teplotní namáhání – teplotní cyklování
• Optické kontroly a hodnocení

Na základě výsledků z těchto testů je pak stanoveno, zda daná konfigurace odpovídá požadavkům či zda je potřeba upravit návrh nebo jej optimalizovat. Takto je návrh postupně korigován až do konečné fáze, kdy se přistoupí k finálnímu testovacímu vzorku, který je pak kompletně prověřen v běžném provozu. Z takového testovacího vzorku následně vzniká výsledný produkt.

Ačkoli je testování nezbytnou součástí jakéhokoli nového návrhu, často bývají zejména mechanické testy opomíjeny či jim není věnována patřičná pozornost. V poslední době je však stále více kladen důraz na spolehlivost zařízení, a tak se tato oblast dostává do popředí.

V rámci projektu BoB bylo mechanické testování rozděleno na dvě oblasti, a to na počítačové simulace a dále pak na experimentální část. Přitom je třeba zaměřit pozornost na působení vibrací na systém, neboť předpokládané využití je právě ve ztížených podmínkách. K největšímu namáhání sestavy dochází při takzvané rezonanční frekvenci, jejíž stanovení je prvním důležitým krokem prověřování mechanických vlastností.

Modální analýza

V první fázi projektu probíhá optimalizace návrhu s pomocí počítačového modelu, který je podrobován mechanické analýze. Cílem je zjistit rezonanční frekvence a s jejich pomocí optimalizovat jednotlivé varianty z hlediska mechanického uspořádání, včetně rozložení součástek na DPS. Tyto analýzy se provádějí v programu Ansys Workbench, který je založen na výpočtu pomocí metody konečných prvků.

Nejdříve se ověřuje správnost nastavení simulačního programu, což se provádí s pomocí jednoduchého modelu, který slouží k prvotní kalibraci. Tento model je složen z jednostranně plátované DPS z materiálu FR4, která je připevněna na vibrační stolici přes duralovou desku, plnící roli základní desky v navrhovaném systému BoB (obr. 4). Zde je patrné na levé straně celkové uspořádání a na pravé straně pak tomu odpovídající počítačový model.

Obr. 4 Měření jednostranně plátované desky FR4 (vlevo) a její virtuální model (vpravo)

Před simulací vlastní DPS je nutné se přesvědčit, že do měření nezasahuje rezonanční frekvence uchycovací báze z duralu. Za tímto účelem se proměřují její charakteristiky a zjišťuje se její rezonanční frekvence, v tomto případě 3 500 Hz (obr. 5). Tato hodnota je nad rozsahem definovaným pro potřeby řešení projektu BoB (stanoven od 10 do 2 000 Hz), což umožňuje takové uchycení použít nejen pro desku FR4, ale také pro další experimenty. Vypočítaná charakteristika je následně porovnávána s výsledky měření.

Obr. 5 Zobrazení rezonanční frekvence pro duralovou desku

V dalším kroku je zjišťován vliv nastavení programu na výsledek simulace. To se týká zejména nastavení hustoty sítě konečných prvků, okrajových podmínek a materiálových vlastností.

Tímto způsobem se prověřuje právě vytvořená síť na modelu a sleduje se vliv konstrukčních změn na výsledné mechanické vlastnosti. Bylo například zjištěno, že tvar elementů nemá zásadní vliv, proto byly ve většině případů použity krychlové tvary. Při testování hustoty sítě bylo zjištěno, že se zmenšováním elementů se výsledek zpřesňuje, avšak rozdíly v posuvu rezonančních frekvencí nejsou příliš velké, řádově desítky Hz. Důležité je nastavení okrajových podmínek s ohledem na uchycení modelu, kde lze použít podobný model fixování, což potvrdily výsledky korespondující s těmi naměřenými.

V posledním kroku se zkoumá vliv materiálových vlastností FR4 a mědi na výsledek simulace. Ačkoli materiál u použitých desek byl shodný, jejich vlastnosti se mohou lišit v závislosti na procesu jejich výroby. Tyto odchylky se pak mohou promítnout do rozdílů při měření jejich rezonance. Jedná se především o dva vlivy, a to jmenovitě Youngův modul pružnosti a Poissonovu konstantu. Z výsledků je pak zřejmé, že zásadním krokem je správná definice měděné vrstvy, která v podstatě určuje jak rezonanční frekvenci, tak také amplitudu kmitů. Tyto hodnoty jsou dány zejména Youngovým modulem pružnosti, který tyto hodnoty ovlivňuje nejvíce. Poissonova konstanta pak má vliv na výchylku kmitů, ale ta není tak významná. Navíc hodnota Poissonovy konstanty bývá zpravidla stálá. Závislost změny Youngova modulu pružnosti měděné vrstvy na celkové rezonanci desky je znázorněna na obr. 6.

Obr. 6 Vliv změny parametrů mědi na rezonanční frekvenci

Kromě změny uvedených parametrů je také třeba uvažovat o změně tloušťky desky i vrstvy mědi. Zde se ukázalo, že správná definice měděné vrstvy je významnější, neboť i malá změna tloušťky měděné vrstvy má velký vliv na posunutí rezonanční frekvence, zatímco při změně tloušťky desky FR4 o 0,2 cm se změní rezonanční frekvence jen asi o 10 Hz. Graf závislosti rezonanční frekvence na tloušťce měděné vrstvy je na obr. 7.

Obr. 7 Vliv změny tloušťky měděné vrstvy

Díky takto provedeným simulacím získáme přehled a jistotu pro vytvoření správného modelu a také o možnostech odchylky od měření. Na základě tohoto postupu lze pak vytvořit model skutečné sestavy. V případě tohoto projektu se jedná o vytvoření dvou vzájemně propojených desek, a to v různých konfiguracích, které jsou postupně modifikovány a optimalizovány. Na obr. 8 je uvedena jedna z možných konfigurací a její tvar deformace při rezonanční frekvenci.

Obr. 8 Deformační tvar jedné z možných konfigurací BoB

Experimentální část

Stejně jako u každých jiných simulací i zde je třeba virtuální model ověřit měřením. K tomu se využívá vibrační stolice a piezoelektrické snímače zrychlení (např. typ KD-91), které se připevní na měřenou DPS. Při měření rezonanční frekvence testované DPS je důležité provádět kalibraci, aby nedošlo k ovlivnění výsledků vlastními rezonancemi duralové nosné báze (měření je znázorněno na obr. 9) a vibrační stolice (její rezonanční frekvenci udává výrobce).

Obr. 9 Měření rezonanční frekvence nosné duralové desky

Po ověření skutečnosti, že nedochází k přenosu rezonančních frekvencí báze a vibrační stolice do měření, je již možné pracovat s testovanými DPS, které se přichytí k nosné bázi. Pak je možné přistoupit ke zjišťování rezonanční frekvence DPS, abychom získali výsledky pro kalibraci virtuálního modelu. Z obr. 10 je patrné, že výsledná rezonanční frekvence je 790 Hz, což je hodnota shodná s výsledkem získaným v simulačním programu.

Obr. 10 Rezonanční frekvence pro jednostranně plátovanou desku FR4

Po přípravě a kalibraci lze přistoupit k měření a testování funkčních vzorků libovolné konfigurace. Přitom každá procedura je podobná popsanému postupu. Do měření je zahrnuto kromě zjišťování rezonančních frekvencí také zjišťování velikosti výchylky DPS při rezonanční frekvenci. Následně se provádí ještě testování životnosti při namáhání DPS vibracemi dle příslušné normy (např. na rezonanční frekvenci po dobu 72 hodin při zatížení 20 g).

Závěr

Tento článek popisuje jeden z možných postupů při ověřování mechanických vlastností sestav DPS, jenž je využit rovněž při řešení projektu Board on Board v rámci programu EUREKA Euripides. Zvolený postup má však obecnou platnost a stejným způsobem lze postupovat pro libovolné nové technologické a konstrukční řešení elektronických sestav. V průběhu mechanického testování je totiž výhodné využít počítačových simulací, které jsou schopny určit rezonanční frekvence sestavy ještě před její výrobou a přinést tak jak nákladové úspory, tak také zkrácení časového cyklu při zavádění nových výrobků. Je však nezbytné takový simulační model experimentálně ověřit a předejít tak nepřesnostem, jež mohou vzniknout při zadávání vstupních parametrů do simulačního programu.