Исследование напряженно-деформированного состояния и долговечности контактных соединений электронных модулей космических аппаратов

• Автор: Азин, Антон Владимирович
• Шифр специальности: 01.02.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 152 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1 Аналитический обзор
1.1 Обзор существующих контактных соединений
1.2 Дефекты паяных соединений корпуса микрочипа с контактными
площадками электронной платы
1.3 Методы выявления недостатков конструкции
1.3.1 Технический осмотр
1.3.2 Радиационный контроль
1.3.3 Тепловой контроль
1.3.4 Акустический контроль
1.3.5 Магнитный контроль
1.3.6 Капиллярный метод
1.3.7 Комбинации методов
1.4 Обзор моделей повреждаемости
1.4.1 Математические модели повреждаемости материала
1.4.2 Применение метода акустической эмиссии для прогнозирования
разрушения материалов
2 Математическая модель оценки повреждаемости паяного соединения корпуса
микрочипа с ЭП
2.1 Постановка задачи МДТТ
2.2 Метод оценки долговечности контактного соединения
2.3Алгоритм применения разработанного метода
2.3.1 Определение механических характеристик материала припоя
2.3.2 Циклическая долговечность материала припоя
2.3.3 Исследование НДС контактных паяных соединений
2.3.4 Определение сдвиговых деформаций при заданном диапазоне рабочих температур
2.3.5 Расчет максимального количества циклов до разрушения контактного соединения
2.3.6 Оценка несущей способности контактных соединений
3 Экспериментальное обоснование модели повреждаемости
3.1 Применение АЭ для испытания ЭП
3.2 Экспериментальное обоснование методики применения акустической эмиссии
для прогнозирования разрушения материала припоя ПОС-61
3.2.1 Данные аппаратуры АЭ, получаемые в ходе эксперимента

3.2.2 Испытания образцов припоя в виде лопатки
3.2.3 Испытания образцов припоя в виде проволоки
3.3 Применение АЭ для определения повреждаемости паяных соединений
3.3.1 Образцы модели ЭП с чипом на ЕЮ А контактах диаметром 0,6 мм
3.3.2 Образцы модели ЭП с чипом на ЕЮА контактах диаметром 1 мм
3.4 Выводы 116 4 Разработка метода испытания ЭП на механические воздействия и устройства
для его реализации
4.1 Эквивалентность статических и динамических нагрузок
4.2 Метод испытания ЭП
4.3 Разработка устройства для реализации представленного способа
4.4 Проведение численного расчета напряженно-деформированного состояния испытательного стенда при рабочих нагрузках
4.4.1 НДС конструкции испытательного стенда
4.4.2 Определение жесткости плиты при взаимодействии с инденторами при нагружении ЭМ
4.4.3 Определение оптимальной формы наконечника индентора
Заключение
Список сокращений и условных обозначений
Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность - одна из основных целей, стоящих перед космической промышленностью на сегодняшний момент это создание искусственного спутника Земли с длительным сроком активного существования. Для этого необходимо, чтобы все конструкционные узлы космического аппарата (КА) имели запас прочности на длительный промежуток времени при экстремальных нагрузках.
Всеобщая миниатюризация электронных компонентов и переход на современную
компоновку микросхем электронных модулей (ЭМ), вызванные естественно-техническим развитием и необходимыми целями, требует особого отношения к прочностным
характеристикам материалов и типов механических контактов для обеспечения
работоспособности модуля на протяжении всего срока технологического ресурса.
В современной науке подобные решения проводятся в основном экспериментальными методами. Поэтому разработка теоретических методов для оценки прочности и долговечности элементов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) является актуальной как в научном, так и в практическом отношении. В инженерной практике расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) в материале элементов конструкций проводится с использованием аппарата сопротивления материалов, строительной механики, с помощью упрощенных схем, основанных на постулатах теорий упругости и пластичности. Результаты исследований последних десятилетий указывают на необходимость разработки метода испытания ЭМ, позволяющего выявлять, локализовывать и определять степень опасности зарождающихся дефектов в конструкции ЭМ на основе расчетов НДС их элементов с учетом сложных реологических свойств материалов и характера вероятных нагрузок. Актуальность диссертационной работы определяется потребностью в теоретически обоснованных проектных решениях для повышения надежности ряда ЭМ на основе технологии «система-на-кристалле». Разработанные методы применяются для проверки работоспособности электронных плат (ЭП), в составе ЭМ, при рабочих нагрузках, для выявления скрытых дефектов ЭП и оценки степени их опасности.
Объектом проведения научного исследования является электронные платы бортовой РЭА КА, которые представляют собой конструктивно-законченные радиоэлектронные узлы.
Решением задачи моделирования механических процессов в конструкциях приборов и систем занимались такие специалисты как Е.Н. Маквецов, А.М. Тартаковский, Ю.Н. Кофанов, А.М. Кожевников, В.Н. Крищук, A.C. Шалумов, O.A. Фадеев и др. Исследование на прочность конструкций электромеханической направленности (например, ЭП), разработка и проектирование, компоновка без брака и с большим качественным и количественным запасом

1+v v r
eiJ — ~f~ °IJ ~ £ 0kfc
<4 = 1,5(3^ - 0,5(Pn + (322 + Рзз);
P = О-при gaOT — |cj° | < anp;
. p _ a[a(S - a^-1 ■ В - pP,], [.., ] ■ В > 0 ; (0, [...]■ В < 0, при |~Фуу ~ст°I > апр;

vw(0 = XkVyV(t);
,(t) = (i + pOP^(t) - Pfc (pîi(t) + P22 (0 + Рзз OO);
^ = (a, [h (£)n_1 (2=) - PUt)],{...K„ > 0;
1 0, [...]crw < 0(u = 1,2,3);
■ C1 + w);
cô = 7(£'2)a,y de(^ + а(50)сту dp,,,
(1.14)
2 vu 2 Pij = Uij + VtJ + W,J
c(~)m~1 ~ “ 0,S(ffn + а22 + CT33)];
u4 =Zfc«i;(t);
'4j = A/c [ak (£) ‘ ^ [(l + ць)оч - pfc(CTn + ст22 + CT33)] - u* (t)j ;
(1.15)
(1.16)
(1.17)
(1.18)
(1.19)
(1.20) (1.21)
здесь e - полная деформация;
си/-упругая и пластическая деформации соответственно; р - деформация ползучести;
и, v, w - вязкоупругая, вязкопластическая и вязкая составляющие соответственно;
0о и а - соответственно номинальное и истинное напряжения (0о>О);
X, а, и/, опр, с. ah, bk, X*, П2, ni2, о* - константы модели, при помощи которых описываются первая и вторая стадии ползучести материала и ее обратимая после разгрузки часть;
у и а - параметры модели, контролирующие процессы разупрочнения материала на пластической деформации и деформации ползучести соответственно;
a, ri], X- константы, описывающие диаграмму мгновенного деформирования;
0пР-предел пропорциональности;