16 POROVNÁNÍ VÝSLEDKŮ MECHANICKÉHO NAMÁHÁNÍ PÁJENÝCH SPOJŮ VYTVOŘENÝCH PŘETAVENÍM PÁJECÍCH PAST RŮZNÝMI TEPLOTNÍMI PROFILY Michal Urbánek ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra elektrotechnologie
1. Úvod Pájení jako proces patří od počátku elektrotechnického průmyslu ke klíčovým operacím výroby. Na způsobu pájení významně závisí kvalita výsledného výrobku. Vzhledem k ekologickému směřování ve výrobě v posledních letech jsou však tyto pájky nahrazovány bezolovnatými, které mají v různých směrech odlišné vlastnosti od olovnatých. Pájené spoje jsou běžně mechanicky testovány, aby byly známé jejich vlastnosti při případném namáhání. Tyto testy mohou probíhat nejrůznějšími způsoby podle očekávaného namáhání spoje během jeho života. Mezi ně patří statické a dynamické namáhání. Typické statické namáhání spočívá v různém ohýbání, kroucení, stlačování či natahování. Podle výsledků takových testů se pak dá očekávat určitá odolnost spoje při podobném namáhání v praxi. V podobném duchu je navrhováno dynamické namáhání, kde se počítá s určitou periodicitou působení sil na spoj. 2. Experiment Hlavním cílem experimentu je zhodnotit naměřené výsledky ze statického a dynamického namáhání plošných spojů s povrchovou montáží a zkoušky pevnosti pájky metodou střihu při aplikaci dvou různých typů pájek (olovnatá, bezolovnatá) s třemi různými teplotními profily pájecího procesu v průběžné peci. Osazované desky pro praktickou část této práce byly voleny desky standardně používané Katedrou Elektrotechnologie na FEL ČVUT, vzor LEPENÉ SPOJE – SP3998, viz. obr.1. Základem desky je sklolaminátový kompozit FR4 s tloušťkou 1,5 mm, vodivá vrstva je tvořena 35 μm Cu.
Obr.1: Deska pro pájené a lepené spoje [1]
Rezistory pro osazení desky byly voleny SMD rezistory typu YAGEO RC1206 J R07 0R, tzn. nulový rezistor v pouzdrech 1206. Průměrná elektrický odpor těchto rezistorů byl změřen na 9 mΩ podle [2]. Kontaktní vrstva těchto rezistorů je tvořena Sn. K pájení rezistorů na výše popsané desky byla zvolen jeden druh olovnaté a jeden druh bezolovnaté pájecí pasty. Konkrétně se jednalo o typy: • COBAR CuAg-XM3S – bezolovnatá pasta se složením Sn95,5/Ag4/Cu0,5 s použitím bezoplachového tavidla M3S. Eutektický bod slitiny je při 217 °C, doporučená vrcholní teplota pájení je 232 až 250 °C. Poměrné množství kovu v pastě je 89,12 %, poměrné množství tavidla je 10,88 %. • COBAR S62–325GM5 – olovnatá pájecí pasta se složením Sn62/Pb36/Ag2 s použitím tavidla 325GM5. Eutektický bod slitiny je při 179 °C, doporučená vrcholní teplota pájení je 205 až 225 °C. Poměrné množství kovu v pastě je 86,50 %, tavidla 13,50 %. Pájecí proces byl realizován třemi různými teplotními profily, které jsou zobrazeny v následujících grafech na obr. 2 až 4.
Obr. 2: Teplotní profil průběžné pece bez předehřevu
Obr. 3: Teplotní profil průběžné pece s předehřevem
Obr. 4: Teplotní profil přetavení s předehřevem s následným chlazením v mrazáku Celkem bylo pro měření připraveno 672 rezistorů, které byly testovány na jednotlivé typy namáhání, viz tab. 1. Zkoušky ohybem Statické namáhání
3 mm průhyb 1000 h
Dynamické namáhání
500 cyklů
Zkoušky střihem
do odtržení rezistoru
5 mm průhyb 1000 h 500 cyklů 1000 cyklů
Tab.1: Zvolené typy mechanického namáhání pro vzorky Statické namáhání vzorků bylo realizováno pomocí jednoduchých přípravků pro ohyb desek, viz. obr. 5. Velikost průhybu desky byla nastavena u poloviny vzorků na 3 mm a u druhé na 5 mm.
Obr. 5: Přípravek pro statické namáhání desek ohybem Dynamické namáhání bylo realizováno pomocí zařízení pro mechanické namáhání pájených spojů, konkrétně popsaného v [3]. Detail komory je vyfocen na obr. 6. Volený průhyb byl kvůli porovnatelnosti typů namáhání volen jako u statického 3 a 5 mm.
Obr. 6: Přípravek pro dynamické namáhání desek ohybem [3] Jeden cyklus namáhavého zařízení trvá přibližně 1 s. Při takovéto frekvenci již prakticky nemají při namáhání vliv setrvačné síly. Je však podle [4] praxí dokázáno, že zatěžované součásti pracující při cyklicky se měnícím zatížení mají výrazné nižší pevnost. Namáhání střihem bylo realizováno na trhačce s pomocí specielního přípravku navrženého tak, aby namáhal pouze tělo rezistoru a nezasahoval do prostoru spoje, viz obr. 7.
Obr. 7: Přípravek pro namáhání rezistoru střihem
3. Výsledky experimentu Měření rezistivit před i po namáhání bylo realizováno čtyřbodovou metodou a pro měřené intervaly hodnot se chyba měření pohybovala okolo 1 %. Průměrné hodnoty rezistivit, ve kterých je zahrnut nulový rezistor a 2 pájené spoje jsou pro jednotlivé teplotní profily vyneseny v grafu na obr. 8. Je vidět, že CuAg pájka má v průměru přibližně o 10 % lepší vodivost než S62. To by mohlo být způsobeno vyšším obsahem stříbra (4 % oproti 2 %), které výrazně zlepšuje konduktivitu slitiny. CuAg chlazená v mrazáku po přetavení může mít lepší vodivost díky tomu, že mohlo při utváření krystalické struktury dojít ke smrštění materiálu, čímž mohla narůst jeho vodivost. Stejný jev by mohl nastat i u S62, ovšem mohl by být kompenzován poruchami ve struktuře, které by byly způsobeny nadměrným pnutím při prudkém zchlazení.
Počáteční velikosti odporů 0,0230 0,0225
Resistivita [Ω]
0,0220 0,0215 0,0210 0,0205 0,0200 0,0195 CuAg bez předehřevu
CuAg s předehřevem
CuAg s chazením
S62 bez předehřevu
S62 s předehřevem
S62 s chlazením
Obr. 8: Počáteční hodnoty rezistivit Získané hodnoty pro změnu odporů po statickém namáhání se pohybovaly pro jednotlivé typy teplotních profilů a slitin maximálně do 2 %, jak je vidět na grafu na obr. 9. Tyto hodnoty se pohybují na hranici přesnosti měření (nepřesnost je zahrnuta v hodnotách dvakrát – měření před namáháním a po) a nelze tak uvádět, že statické namáhání nějak zřejmě ovlivnilo elektrickou vodivost spoje. Změny odporů po statickém namáhání, 1000 h
Relativní změna odporu [%]
5 4
3 mm 1000 h
3
5 mm 1000 h
2 1 0 -1 -2
CuAg bez předehřevu
-3
CuAg s předehřevem
CuAg s chazením
S62 bez předehřevu
S62 s předehřevem
S62 s chlazením
-4 -5
Obr. 9: Relativní změna odporu při statickém namáhání Při zahrnutí všech naměřených hodnot dynamického namáhání získáme graf viz obr. 10. Změny odporů po dynamickém namáhání, zahrnutí všech hodnot
Relativní změna odporu [%]
4000 3500 3000
3 mm 500 cyklů 5 mm 500 cyklů 5 mm 1000 cyklů
2500 2000 1500 1000 500 0 CuAg bez předehřevu
CuAg s předehřevem
CuAg s chazením
S62 bez předehřevu
S62 s předehřevem
S62 s chlazením
Obr. 10: Relativní změna odporů při dynamickém namáhání pro všechny hodnoty
Je důvodné se domnívat, že tyto hodnoty jsou silně zkresleny náhodnou velikostí poruch spoje způsobených tzv. cracky (trhliny a praskliny ve spoji). Tato nežádoucí složka bude do jisté míry eliminována při nezahrnutí extrémních hodnot do výpočtů. Jako kritérium může posloužit např. 1000 % nárůst rezistivity vodivé cesty a získáme graf viz. obr. 11. Změny odporů po dynamickém namáhání, zanedbány hodnoty jednotlivých nárůstů přesahující 1000 %
Relativní změna odporu [%]
300 250
3 mm 500 cyklů 5 mm 500 cyklů
200
5 mm 1000 cyklů
150 100 50 0 CuAg bez předehřevu
CuAg s předehřevem
CuAg s chazením
S62 bez předehřevu
S62 s předehřevem
S62 s chlazením
Obr. 11: Relativní změny odporu pro dynamické namáhání při zanedbání hodnot. Na tomto grafu se hodnoty mírně srovnávají, dávají však stejný výsledek jako v prvním případě. Je patrné, že CuAg měla výrazně vyšší odolnost proti dynamickému namáhání oproti S62. Jsou zde i náznaky menší odolnosti u obou slitin s pájecím teplotním profilem využívajícím chlazení po přetavení. To by mohlo být způsobeno mikrostrukturálními poruchami, které vznikly při zvýšeném pnutí v pájce při prudkém chlazení bezprostředně po přetavení pasty. Je zde také patrné, že série se slitinou CuAg má při přetavení s předehřevem a s chlazením po přetavení s předehřevem horší výsledky, než CuAg pasta přetavená bez předehřevu. To může být způsobeno větší difúzí částic z pájecích plošek a z vývodů rezistorů do pájky díky předehřevu, který zvýší povrchovou energii částic u těchto elementů a usnadní tak jejich uvolnění. Tato kontaminace může zhoršit odolnost pájky vůči dynamickému namáhání. Jak je z dosavadních grafů patrné, statické namáhání mělo nejmenší vliv, u dynamického rostou hodnoty s počtem cyklů a velikostí průhybu. Při namáhání rezistorů střihem bylo vyhodnoceno relativní prodloužení spoje v závislosti na působící síle. Podobná charakteristika je běžně vynášena v grafu zvaném σ – ε, kde σ = F / S0 je napětí v tahu a ε = Δ l / l0 je relativní prodloužení. F je síla působící na rezistor, S0 je původní průřez vzorku, Δ l je prodloužení a l0 je původní délka vzorku. Délku a průřez pájeného spoje by v našich podmínkách bylo velice obtížné určit. Nám však plně postačí považovat je stejné pro všechny vzorky a použít tak závislost F – Δ l, čímž získáme tvarově identické grafy, jaké by vyšly pro závislost σ – ε. Získané závislosti pro použité typy vzorků jsou vyneseny v grafu na obr. 12. Protože trhačka měla určité vůle, spojnice získaných dat by neměla hladký tvar. Proto jsou hodnoty proloženy polynomickou křivkou druhého stupně, která běžně odpovídá materiálům pro tento typ namáhání. Lehce však zkresluje oba konce křivek.
F [N]
Porovnání tažnosti vzorků
70 60 50 40
Polynomický (CuAg s chlazením) Polynomický (CuAg s předehřevem)
30
Polynomický (CuAg bez předehřevu) Polynomický (S62 s chlazením)
20
Polynomický (S62 bez předehřevu)
10
Polynomický (S62 s předehřevem)
0 0
1
2
3
4
5
6
Δl
7
Obr. 12: Závislosti F – Δ l pro namáhané vzorky Je patrné, že nejmenší sklon křivky mají vzorky CuAg, u kterých byl použit předehřev, včetně chlazených po přetavení. Toto může být způsobeno zmíněnou kontaminací pájky zvýšenou difúzí z pájecí plošky či vývodu rezistoru. Všechny CuAg mají menší sklon křivky než S62. To může být způsobeno větším množstvím stříbra a mědi v CuAg, nebo olovem v S62, které je měkčí a tažnější než cín. Pro vyhodnocení příčin poruch pájených spojů způsobených dynamickým namáháním byla použita obrazová analýza. Pro tyto účely byl zhotoven přípravek s výřezy rezistorů, jak je zobrazeno na obr. 13.
Obr. 13: Přípravek pro sledování poruch v pájených spojích Přípravek pak byl vložen pod mikroskop a byly pozorovány jednotlivé spoje. U spojů, jichž rezistivita se změnila výrazně, byly pozorovány praskliny (crack), které vedly od povrchu pájky a pokračovaly podél pájecí vrstvy rezistoru směrem k pájecí plošce. Vybrané poruchy jsou k nahlédnutí na následujících snímcích.
Obr. 14: Crack ve vzorku CuAg s předehřevem
Obr. 14: Crack ve vzorku CuAg s předehřevem a chlazením
Obr. 14: Crack ve vzorku S62 bez předehřevu
Obr. 14: Crack ve vzorku S62 s předehřevem a chlazením
4. Závěr S ohledem na získané hodnoty a vytvořené grafy lze konstatovat rozdílné mechanické i elektrické vlastnosti u použitých vzorků pájených spojů. V porovnání CuAg má obecně lepší mechanické i elektrické vlastnosti než S62. To může být způsobeno vyšší koncentrací stříbra v bezolovnaté slitině. Při porovnání vlivu teplotního profilu pro pájení pastou S62 má nejlepší elektrické i mechanické vlastnosti série vzorků realizovaná s předehřevem bez následného chlazení. Při tomto postupu se na spoji projevilo nejméně negativních vlivů. Nejhorší mechanické a elektrické vlastnosti má u S62 série, která byla chlazena. Z výsledků bychom mohli usuzovat, že pnutí pájky při prudkém chlazení způsobilo mikrostrukturální poruchy spoje, které se na negativně projevily na zkoumaných vlastnostech. Při porovnání vlivu teplotních profilů pro pájení CuAg pastou má nejlepší elektrické vlastnosti vzorek realizovaný s předehřevem, který byl chlazen. Je tomu tak právě naopak, než bylo u série vzorků S62 realizované stejným teplotním profilem. S ohledem na celkově lepší výsledky slitiny CuAg při mechanickém namáhání je možné usoudit, že mikrotrhliny vzniklé chlazením mohou mít u CuAg menší projevy než u S62 a u chlazených vzorků pro bezolovnatou slitinu převáží zvýšená vodivost způsobená zhuštěním materiálu. Po namáhání má však tato série nejhorší výsledky, např. proto, že se zmíněné poruchy již projeví. CuAg vzorky realizované bez předehřevu mají sice nejhorší počáteční elektrické vlastnosti, pro všechny typy dynamického namáhání pak ale vykazují lepší mechanické vlastnosti. Tento fakt byl velice překvapivý, může však mít logické odůvodnění. Obě série CuAg realizované s předehřevem mají vzájemně velice podobné vlastnosti, které jsou odlišné od ostatních sérií. Důležitou úlohu zde mohl zaujmout předehřev. Ten je důležitý pro správnou aktivaci tavidel pro zlepšení smáčivosti a korozivní odolnosti spoje. Správně provedené přetavení se také kladně projevilo na vodivosti. Zvýšená teplota ovšem mohla zvýšit energii okolních elementů (pájecí plošky a vývody rezistoru) a napomoci tak difúzi jejich částic do objemu pájky. Tím by došlo k nepatně větší kontaminaci pájky např. mědí z pájecích plošek, která zvyšuje křehkost pájky. Toto zdůvodnění by bylo nutné ověřit následnou materiálovou analýzou, resp. procentuálním složením materiálů na rozhraních pájka – pájecí ploška, pájka - vývod součástky. Chlazené vzorky mají ve všech případech mírně horší vlastnosti, než vzorky nechlazené, což může být způsobeno zmíněnými mikrotrhlinami. 5. Seznam literatury [1] Krejzlík, V.: Vlastnosti elektricky vodivých lepených spojů při mechanickém namáhání. FEL ČVUT, 2002 [2] Duraj, A.: Vybrané vlastnosti elektricky vodivých lepidel. FEL ČVUT, 2006 [3] Gřunděl, J.: Návrh a realizace zařízení pro mechanické namáhání pájených spojů. FEL ČVUT, 2009. [4] Hörmann, J.: Technická mechanika pre silnoprúdovú elektrotechniku. Bratislava, 1986 Koblížek, V.: Vlastnosti a technologie materiálu – laboratorní cvičení. FEL ČVUT, 2004
