Электронные модули для устройства расстыковки носителя космической ракеты «Зенит»
Особенности монтажа микросхем в корпусах типа BGA
На тот момент общие мировые тенденции микроэлектроники, связанные с ростом уровня интеграции и миниатюризацией компонентов, уже привели к широкому использованию корпусов типа BGA, отличающихся высокой плотностью выводов. Однако конструкция BGA имеет существенный недостаток – сниженную механическую надёжность паяных соединений, особенно в условиях циклических вибраций и ударных воздействий. В случае с ракетно-космической техникой, где оборудование подвергается экстремальным динамическим нагрузкам, данная проблема выходит на первый план. Как отмечается в профильных исследованиях, стандартный монтаж BGA-компонентов не обеспечивает необходимого ресурса соединений при длительной эксплуатации в тяжёлых условиях.
Для решения этой задачи специалисты А-КОНТРАКТ предложили и внедрили инновационную для российского рынка того времени технологию – применение полимерного упрочняющего состава Underfill. Этот материал представляет собой специальный компаунд, который после монтажа микросхемы вводится в зазор между её подложкой и поверхностью печатной платы. После термического отверждения состав образует монолитный слой, который выполняет сразу несколько важных функций:
1. Механическое армирование равномерно распределяет и поглощает вибрационные и ударные нагрузки, предотвращая разрушение паяных соединений и шариков, а также появление микротрещин в местах пайки.
2. Термокомпенсация согласовывает коэффициенты теплового расширения разнородных материалов – кремниевой подложки микросхемы, припоя и основы печатной платы, что снижает термоциклические напряжения.
3. Герметизация защищает контактную зону от проникновения влаги, пыли и других агрессивных загрязнений, уменьшая воздействие разрушающих факторов внешней среды.
В отличие от многих производителей, которые в тот период лишь поверхностно знакомились с подобными решениями, инженеры А-КОНТРАКТ обладали глубокими практическими знаниями в области работы с Underfill. При выборе конкретного материала был проведён тщательный анализ, в результате которого остановились на ремонтопригодном составе FF35 от компании AIM. Его ключевыми преимуществами стали возможность контроля качества пайки до внесения компаунда (визуального, рентгеновского и функционального), а также допустимость последующей замены компонента при необходимости.
Технологический процесс был разделён на два строго регламентированных этапа:
Этап 1 — дозированное нанесение
С помощью прецизионных цифровых дозаторов материал аккуратно вводился по периметру корпуса микросхемы, после чего под действием капиллярных сил равномерно заполнял всё пространство под ней. Для исключения брака (пустот, воздушных каверн, неравномерного распределения) была разработана и оптимизирована особая траектория движения иглы дозатора.
Этап 2 — термическое отверждение (полимеризация)
Собранный модуль выдерживался в печи по заданному термопрофилю при максимальной температуре 150°C в течение 5 минут, что обеспечивало полную полимеризацию состава и формирование прочной, эластичной структуры.
Реализация данного подхода была успешно продемонстрирована в готовом изделии – бортовом устройстве сбора и обработки быстроменяющихся параметров УСО-БМП.У, предназначенном для телеметрических систем разгонных блоков. В ходе наземных испытаний, имитирующих реальные условия полёта, устройство, собранное с применением технологии Underfill, стабильно работало при зафиксированном ускорении в 97.7G.
Специалистам А-КОНТРАКТ удалось достичь беспрецедентного для подобной аппаратуры уровня стойкости к динамическим воздействиям благодаря стратегическому сочетанию двух факторов:
- передовое решение в области материалов - эффективное применение геля Underfill;
- грамотное конструктивное оформление модуля - прочный корпус, рациональная компоновка элементов на плате.
Этот опыт наглядно доказал, что даже при использовании чувствительных к вибрации BGA-корпусов можно создавать высоконадёжную электронику для экстремальных условий эксплуатации. Детальное описание методов, расчётов и результатов испытаний представлено в совместной статье специалистов А-КОНТРАКТ и заказчика «Обеспечение надежности электронных блоков при эксплуатации в условиях высоких вибрационных нагрузок», опубликованной в научно-техническом журнале «Электроника НТБ».