2 Pájení v elektrotechnické výrobě

Obsah 1 Úvod.................................................................................................................................................2 2 Pájení v elektrotechnické výrobě......................................................................................................3 2.1 Montáž „Point-to-point“...........................................................................................................4 2.2 Vsazovaná montáž....................................................................................................................4 2.3 Povrchová montáž.....................................................................................................................5 2.4 Osazování součástek.................................................................................................................5 2.5 Ruční pájení..............................................................................................................................6 2.6 Hromadné pájení.......................................................................................................................6 2.6.1 Pájení ponorem.................................................................................................................6 2.6.2 Pájení vlnou.......................................................................................................................7 2.6.3 Pájení přetavením..............................................................................................................8 2.6.4 Pájení v parách..................................................................................................................9 2.7 Kontrola kvality pájených spojů...............................................................................................9 3 Náhrada olova při výrobě elektronických zařízení.........................................................................12 3.1 Bezolovnaté pájky...................................................................................................................12 3.2 Nízkoteplotní pájky.................................................................................................................14 3.3 Elektricky vodivá lepidla........................................................................................................14 4 Jevy na rozhraní pájených spojů.....................................................................................................16 4.1 Mechanické jevy.....................................................................................................................16 4.1.1 Čistě mechanické vlivy...................................................................................................17 4.1.2 Tepelná roztažnost materiálů..........................................................................................17 4.2 Fyzikálně-chemické jevy........................................................................................................19 4.2.1 Oxidace...........................................................................................................................19 4.2.2 Intermetalické sloučeniny...............................................................................................19 4.2.3 Dendrity..........................................................................................................................21 4.2.4 Whiskery.........................................................................................................................21 4.2.5 Cínový mor.....................................................................................................................22 5 Mechanické namáhání pájených spojů...........................................................................................23 5.1 Ohyb........................................................................................................................................24 5.2 Vibrace....................................................................................................................................27 6 Klimatické zkoušky pájených a lepených spojů.............................................................................29 6.1 Tepelné stárnutí.......................................................................................................................29 6.2 Kombinované zkoušky...........................................................................................................31 7 Závěr...............................................................................................................................................33 8 Seznam použité literatury...............................................................................................................34 9 Seznam publikací............................................................................................................................35

1

1 Úvod Tato práce si neklade za cíl podat úplný přehled o problematice, spíše by měla podat čtenáři hrubý nástin jednotlivých problémů, s důrazem na některé kapitoly, a zároveň poskytnout informaci o tom, čím se autor po dobu svého dosavadního postgraduálního studia zabýval (samozřejmě kromě povinných předmětů). Celá problematika dějů, které se odehrávají na rozhraní mezi jednotlivými složkami pájeného spoje, případně mezi pájeným spojem a okolním prostředím, je velice obsáhlá a komplikovaná. V návaznosti na diplomovou práci se zatím autor soustředil převážně na intermetalické sloučeniny mědi a cínu. První část práce poskytuje souhrn nejdůležitějších technologických aspektů výroby pájených spojů spolu s nástinem historického vývoje pájení, se zvláštním přihlédnutím k technologiím používaným v hromadné výrobě. Dále se tato část zabývá nejdůležitějšími problémy, se kterými se stkáváme u pájených spojů a mechanismy jejich degradace. Druhá část pak informuje o dosavadním výzkumu provedeném autorem a o plánech na jeho rozšíření.

2

2 Pájení v elektrotechnické výrobě Pájení je metalurgická metoda vodivého spojování kovových materiálů, která využívá k vytváření spoje slitin materiálů s teplotou tání podstatně nižší, než je teplota tání kontaktů. Podle používaných materiálů a teplot je možné pájení dělit na tzv. Měkké a tvrdé, kdy o měkké pájení jde při použití slitin s teplotou tání do 400°C. Při výrobě mikroelektroniky je většinou užíváno právě měkké pájení, protože součástky obecně a integrované obvody zvláště jsou citlivé na poškození zvýšenými teplotami. V minulosti nejčastěji používanou slitinou pak je eutektická slitina cínu a olova ve složení 63% Sn a 37% Pb, případně její varianty (Sn60Pb40; Sn61Pb37Ag2). Pro účely popisu základních postupů pájení budou uvažovány právě olovnaté pájky, o bezolovnatých pojednává další kapitola. Při kontaktu roztavené pájky s pájecí plochou – typicky např. s mědí – dojde v ideálním případě ke smočení povrchu a přilnutí pájky, během chladnutí pájky se pak vytvoří pevný a elektricky vodivý spoj plnící zároveň funkci elektrického i mechanického propojení součástky s deskou plošného spoje. Podmínkou dobrého smočení pájecí plochy cínem je vytvoření tenké intermetalické vrstvy na rozhraní obou prostředí, tento děj je blíže popsán v kap. 4.[1] V praxi je ovšem celá operace provázena komplikacemi. Jednou z největších je oxidace pájecích ploch i pájky samotné vlivem zvýšené teploty – oxidované povrchy nejsou pájkou smáčeny a mohou úplně zabránit vytvoření spoje. Proto je nutné během pájecího procesu jednak zabránit oxidaci vlivem zvýšené teploty, jednak odstranit oxidy, které již na pájených površích jsou. K tomuto účelu je používáno tavidel na různých bázích, časté je použití přírodních i syntetických pryskyřic. Při zvýšené teplotě tyto pryskyřice agresivně reagují s oxidy kovů, rozpouštějí je a odplavují z oblasti pájení – teplota, za které k tomuto jevu dojde, se nazývá aktivační teplota.[1, 2] Tavidla se do oblasti pájejí dodávají různými metodami podle toho, jaká technologie je použita. Stejně tak se liší svou agresivitou, případně koncentrací a tím i nutností dalších operací. Agresivnější tavidla je nutné po pájení z desky smýt a to prodlužuje a prodražuje výrobu, proto jsou současným trendem tavidla bezoplachová. Ta jsou ovšem méně účinná, takže je nutné pečlivě vybrat pro danou aplikaci správnou kombinaci pájky a tavidla.[2] Další metoda boje proti oxidaci povrchů a pájky, zejména během samotného pájení, kdy je oxidace vlivem zvýšené teploty velmi rychlá, je použití inertní atmosféry. Z cenových důvodů je používán téměř výlučně dusík, který je vháněn do okolí pájené oblasti a vytěsňuje z ní vzdušný kyslík. Hlavní nevýhodou této technologie je nutnost zajištění dusíkového hospodářství a rozvodů plynu k jednotlivým pracovištím, ovšem náklady jsou vyváženy zvýšenou kvalitou výrobků. Na druhou stranu ochranná atmosféra není všelék: nikdy se nepodaří vytěsnit kyslík skutečně dokonale

3

a i když jeho koncentrace dosahuje obvykle jen 1000 ppm – 2000 ppm, stále dochází k oxidaci, byť pomalejší, a jakákoli chyba při pájecím procesu může přinést negativní následky. I když se inertní atmosféra uplatňuje hlavně v hromadné výrobě, zvyšující se dostupnost malých vyvíječů dusíku vede k rozšiřování stanic pro ruční pájení s možností použití ochranné atmosféry. V takovém případě pak má pájecí stanice dusík předehřátý topným tělesem vyvedený tryskou obklopující pájecí hrot tak, aby pokud možno proud plynu izoloval pájenou oblast od vzduchu.

2.1 Montáž „Point-to-point“ V začátcích elektronické výroby se užívala metoda „point-to-point“, spočívající ve šroubování a později pájení součástek na vodivá oka a vytváření spojení pomocí drátových vodičů. Tato metoda, dosud používaná u velkých a těžkých součástek (např. pro velké výkony), byla však velmi náročná na čas a prakticky ji nebylo možné automatizovat. Zároveň do výroby vnášela velký prostor pro chyby jak ve správném zapojení součástek, tak ve správném zhotovení spojů. Pokud bylo navíc zařízení vystaveno mechanickému namáhání, řada spojů byla nerovnoměrně zatížena a docházelo k selhání.

2.2 Vsazovaná montáž V 50. letech 20. století došlo k významné inovaci. V elektrotechnice se začaly používat plošné spoje, užívající vsazovanou montáž vývodových součástek (through-hole technology). Při vsazované montáží prochází vývody součástek (dráty, profilované plíšky a podobně) deskou plošných spojů a jsou připájeny k příslušným vodivým cestám. To odstraňuje potřebu drátových propojek a tím podstatně zjednodušuje konstrukci, zároveň též zmenšuje díky jasným vodivým cestám prostor pro chybné osazení. V neposlední řadě také takováto montáž umožnila výrazné zmenšení elektronických zařízení a snadnou výrobu standardizovaných vyměnitelných desek, což usnadnilo např. finální montáž zařízení nebo opravy. Největší význam této inovace spočíval v možnosti hromadného pájení. To se v této konfiguraci provádělo obvykle ponorem, popřípadě vlnou. Součástky s drátovými vývody však stále vyžadovaly často ruční osazování, což zpomalovalo a prodražovalo výrobu. Navíc drátové vývody stále zabíraly na deskách plošných spojů relativně velkou plochu a délka přívodů ztěžovala využití ve vysokofrekvenčních aplikacích, příp. v podmínkách silného rušení.[2] V současnosti se vsazované montáže využívá zejména pro velké a objemné součástky, které by byly 4

obtížně pájitelné povrchově a u kterých je potřeba zajistit dostatečnou mechanickou odolnost. Takovými součástkami jsou zejména výkonové rezistory, elektrolytické a svitkové kondenzátory a varistory, příp. termistory.

2.3 Povrchová montáž Z těchto důvodů probíhaly od 60. let 20. století pokusy se zkracováním vývodů součástek, které nakonec vedly k jejich minimalizaci nebo úplnému odstranění. Tím se zrodila technologie

povrchové

montáže

(SMT,

Surface

Mount

Technology).

Součástky

s

minimalizovanými vývody samozřejmě již nebylo možné osazovat do děr vedoucích skrz desku plošného spoje a místo toho musely být použity pájecí plošky přímo na osazované straně DPS. Povrchová montáž přinesla významné výhody. Umožnila snadnou automatizaci osazování i pájení, kdy jen specializované součástky (většinou velké součástky, součástky citlivé na teplo nebo konektory) vyžadují dopájení pomocí vsazované montáže. Povrchová montáž dále umožňuje snadné využití různých pájecích metod dle potřeby a zvýšení hustoty jak vodivých cest, tak vývodů integrovaných obvodů (v současné době je běžná rozteč vývodů 0,4 mm). Další důležitou výhodou (a důležitější každým rokem) je zmenšení plochy pod součástkou díky absenci vývodů. [2,3]

2.4 Osazování součástek Součástky pro povrchovou montáž jsou obvykle osazovány (s výjimkou kusové nebo experimentální výroby) strojově. Do osazovacích automatů jsou dodávány různou formou, nejčastější je pro menší a často používané součástky použití pásky navinuté na bubnu, pro větší součástky (integrované obvody) jsou používány trubicové zásobníky. Osazovací hlava zajišťuje kontrolu správného typu součástky, její správné orientace a umístění na desku. Pro správné připojení součástky je důležité její přichycení k desce, které dodá potřebnou mechanickou stabilitu během manipulací předcházejících pájení, resp. Vytvrzení elektricky vodivého lepidla. Při pájení přetavením nebo při lepení k tomuto účelu obvykle stačí samotná pastovitá pájky / lepidlo, nanesené na desku před osazováním součástek, při pájení vlnou je ovšem často nutné udržet součástky na desce v pozici „vzhůru nohama“ - v takovém případě je pod součástky před osazením naneseno lepidlo. Větší a zejména vývodové součástky jsou často osazovány i pájeny ručně, příp. vlnou na spodní stranu desky. [3]

5

2.5 Ruční pájení

Ruční pájení je nejstarší používanou metodou. Obvyklé je použití hrotového pájedla, původně klasického neřízeného transformátorového typu. V současné době s miniaturizací zdrojů jsou běžné kvalitní pájecí stanice s možností řízení teploty hrotu, používající výměnné hroty, které je tím pádem možno vybírat podle konkrétní situace. Tyto stanice často umožňují i připojení horkovzdušných trysek, případně pájení v dusíkové atmosféře. Speciálně tvarované hroty pak dovolují i napodobení pájení vlnou. Pájka je při ručním pájení obvykle dodávána ve formě drátů nebo trubiček s tavidlem. Pro hrotové mikroelektronické pájky obvykle existují výměnné sady hrotů různých tvarů a funkcí, včetně hrotu pro tzv. minivlnu pro snadné pájení SMD součástek s malou roztečí vývodů. V současnosti se již široce používá také ruční pájení přetavením, kdy je pájecí pasta nanášena ručním aplikátorem (mechanickým nebo pneumatickým) a samotné pájení se provádí ruční horkovzdušnou tryskou. Tato metoda je rozšířená u oprav elektronických zařízení, protože je šetrná k desce plošného spoje a umožňuje použití speciálních nástavců, které ještě snižují zátěž desky a součástek na ní.

2.6 Hromadné pájení Při hromadné elektrotechnické výrobě panuje snaha o co největší automatizaci a zrychlení pájecích procesů. To samozřejmě vyžaduje co největší omezení ručního pájení, které vyžaduje zkušené a kvalifikované pracovníky, je časově náročné a nezaručuje stálou kvalitu spojů. Proto bylo hromadné pájení používáno již od začátků vsazované montáže do desek plošných spojů.

2.6.1 Pájení ponorem První metodou hromadného pájení bylo pájení ponorem, inspirované výrobou polomáčených sušenek. Při použití této technologie byla spodní strana desky s vývody součástek po nástřiku tavidlem ponořena do roztavené pájky a opět vytažena. Kvalita spoje závisela mimo jiné na zvolení správné rychlosti pohybu desky v kontaktu s pájkou a na správném úhlu vytažení desky, stejně jako na metodě a kvalitě nástřiku tavidlem. Obvyklým problémem metody je tvorba krápníků, velká tepelná zátěž součástek a obtížné řízení podmínek, pájení ponorem proto z průmyslu relativně rychle vymizelo díky zavedení pájení vlnou. 6

I v současné době se ovšem můžeme setkat s nabídkou malých zařízení pro pájení ponorem, která lze využít jako náhradu vlny pro malovýrobu nebo vývojové práce. Kvalita takto vytvořených spojů ovšem závisí na výše zmíněných faktorech.

2.6.2 Pájení vlnou Problémy spojené s pájením ponorem vedly k pokusům s takovou metodou hromadného pájení, která by minimalizovala dobu kontaktu roztavené pájky s deskou plošného spoje, a přitom by zajistila kvalitní pájení kontaktů. Po mnoha pokusech s ponorem bylo zjištěno, že lze požadovaného výsledku dosáhnout pouze obráceným postupem – deska musí zůstat nehybná a pohybovat se musí roztavená pájka. Toho se dá nejsnáze dosáhnout vytvořením vlny na hladině pájky. V začátcích technologie byla vyvolávána pohybem přepážky v nádrži. Takováto vlna však stále byla špatně řiditelná jak co do rychlosti proudění, tak co se úhlu kontaktu s deskou plošných spojů týkalo. Proto vývoj pokračoval k systémům, ve kterých je vlna vytvářena soustavou trysek. Původní mechanická čerpadla trpěla mnoha neduhy, proto jsou v současnosti používána magnetodynamická čerpadla, která jsou schopna s mnohem menšími problémy např. obnovit provoz i v případě ztuhnutí pájky v systému. [4] Pájka samotná je do systému dodávána kontinuálním podáváním ve formě ingotů o požadovaném složení. Běžný postup při pájení vlnou je následující: •

Osazení: Deska plošného spoje je osazena součástkami, které mohou být vývodové i povrchově montované. Povrchově montované součástky je nutno při osazování přilepit.

•

Předehřev: Osazená deska plošného spoje je IČ zářiči nebo proudem horkého plynu zahřáta na zvýšenou teploty. Tento krok je důležitý jednak kvůli aktivaci tavidla, jednak také ohřev definovanou rychlostí brání tepelnému šoku při samotném pájení.

•

Nanesení tavidla: Tavidlo může být na pájenou desku nanášeno různými metodami. Obvyklý je nástřik kapalným tavidlem pomocí rotačního kartáčku, nebo pomocí pěny vytvářené proudem plynu vháněným do kapaliny.

•

Pájení: Deska plošného spoje, uchycená v pohyblivém držáku, projede zónou pájení.

•

Čištění: Při použití oplachových tavidel je obvykle nutno po zapájení součástku očistit, obvykle v ultrazvukové lázni. Pájení vlnou je velice univerzální metoda. Moderní pájecí automaty umožňují řízení

rychlosti pohybu součástky, rychlosti pohybu pájky ve vlně i samotný typ vlny – místo původní 7

jednoduché jsou v současnosti obvykle používány například dutá nebo dvojitá vlna. Cílem manipulace s rychlostí proudění pájky a tvarem vlny je eliminace tvorby krápníků a dalších defektů pájených spojů. Speciální variantou pájení vlnou jsou pak univerzální automaty, schopné pájet selektivně. Používají k tomu pohyblivou a souřadnicově řízenou trysku, která je schopna zapájet pouze určené vývody. Takovýto přístroj je samozřejmě drahý, ale vyplácí se zejména ve výrobě, kde z nějakých důvodů chceme minimalizovat tepelné namáhání a pájet jen součástky, u kterých není jiná cesta (např. masivnější součástky na deskách jinak osazených pomocí elektricky vodivých lepidel). Hlavním problémem pájení vlnou je kontaminace lázně. Cín, obsažený v pájce, váže měď a další materiály pájených kontaktů, a tak se mění složení lázně, navíc cín napadá i samotný materiál vany – i přes použití speciálních ocelí může dojít až k zničení nádoby. Dalšími nevýhodami je stále relativně dlouhá doba kontaktu roztavené pájky se součástkami, riziko odplavení součástek a narušení povrchových kovových vrstev. Při pájení vlnou je také obtížně regulovatelné množství pájky, které zůstane na pájecích plochách, což může vést ke vzniku krápníků nebo ke tvorbě můstků. Pokud se na dané desce vytvářejí krápníky a nedaří se tomu bránit, jsou obvykle odstraňovány po pájení horkovzdušným nožem.[4] Při pájení vlnou je obvykle používána ochranná dusíková atmosféra.

2.6.3 Pájení přetavením Další velmi rozšířenou metodou používanou při hromadném pájení je pájené přetavením horkým vzduchem nebo, častěji, IČ zářením. Tato technologie používá pastovité pájky, sestávající z drobných kuliček slitiny smísených s pojivem a tavidlem. V této podobě je pájku možno snadno nanášet buď jehlovým aplikátorem, nebo při hromadné výrobě častěji šablonovým tiskem, respektive sítotiskem. To umožňuje přesné dávkování pájecí pasty a omezuje riziko tvorby můstků. Pro pájení přetavením se používají obvykle průběžné pece, ve kterých pájená deska jede po dopravníkovém pásu definovanou rychlostí, která v kombinaci s řízením teplot zajišťuje správný teplotní profil. Ten je důležitý kvůli správné aktivaci tavidla – pokud je nárůst teploty příliš rychlý, tavidlo se aktivuje příliš pozdě, nedokáže včas z oblasti pájení odplavit oxidy a tím pak dojde k vytvoření nekvalitního spoje. Další komplikací příliš prudkého zahřívání může být i vznik bublin v těle pájeného spoje, způsobený náhlou expanzí vypařujících se rozpouštědel. Příliš pomalé zahřívání pak na druhou stranu vede k tomu, že tavidlo vytěká, ještě než dojde k přetavení, a v mezičase se při zvýšené teplotě opět vytvoří vrstvy oxidů a výsledný spoj bude opět nekvalitní. Pájení přetavením je široce rozšířené pro svou jednoduchost a spolehlivost. Jednou z 8

výhod jsou i nižší požadavky na přesnost osazení součástek a tím možná vyšší rychlost osazování. Povrchové napětí roztavené pájky totiž dokáže do jisté míry vyrovnat součástku do požadované polohy.[4] Stejný jev ovšem může vést i k nesprávnému zapájení součástek. Pokud je systém kontaktů (zejména pro součástky s pouzdrem typu chip nebo MELF) špatně navržen, dochází k efektu zvanému tombstoning, kdy je jeden kontakt povrchovým napětím odtržen od povrchu.

2.6.4 Pájení v parách Pájení v parách je specifickou kategorií pájení přetavením, vyvinutou v 70. letech v Bellových laboratořích v USA. Při jeho aplikaci nedochází k ohřevu pájené desky ani IČ zářením, ani horkými plyny, ale odběrem skupenského tepla kondenzace syté páry vhodného média – v začátcích technologie byly používány freony (CFC), v současné době jde obvykle o jiné fluorouhlíky jako Perfluorpolyether (PFPE). [4] Tato metoda má řadu výhod. Především při ní dochází k rovnoměrnému ohřevu pájených spojů, součástek i desky plošného spoje, přičemž rychlost lze snadno regulovat rychlostí spouštění do oblasti sytých par. Zároveň je z oblasti pájení vytěsňován kyslík, je tedy možné vyhnout se použití agresivních tavidel. Metoda ohřevu zároveň způsobuje, že je možné spolehlivě pájet součástky různých velikostí a hmotností. Při pájení v parách (pokud je správně nastaveno) nemůže dojít k překročení maximální přípustné teploty. Naproti tomu s sebou tato metoda nese i určité nevýhody. Pájecí teploty není možné pružně měnit, závisí na použité kapalině. Stejně tak je nutné zajistit předem dobrou pájitelnost kontaktů a je nutno počítat se ztrátami a možnými úniky pájecí kapaliny.

2.7 Kontrola kvality pájených spojů V hromadné výrobě se uplatňuje několik metod rychlé kontroly funkčnosti součástek i spojů. Pro zajištění vysoké spolehlivosti výroby je většinou používáno několik různých technik za sebou jak na finálním výrobku, tak jako mezioperační kontrola po jednotlivých fázích výroby. První v pořadí je obvykle optická kontrola osazení součástek. Deska plošných spojů je nasnímána digitální kamerou a porovnána se vzorem. Tato kontrola ověřuje jak přítomnost součástek na jejich místech, tak správné hodnoty a správnou orientaci součástek. Kontrola ihned po osazení umožňuje zjistit závady ještě před pájením a případně dané součástky znovu osadit. Po zapájení součástek je nutné ověřit stav jednotlivých vývodů. K tomu je možné využít

9

několik metod. První z nich je rentgen, kterým je nasnímána celá deska nebo jednotlivé vývody. Tato metoda je zaměřena na vyhledávání trhlin, bublin a dalších závad v těle spoje. Rentgen je také jediným prostředkem, kterým lze zkontrolovat kvalitu pájení na spojích umístěných pod součástkou u pouzder typu BGA. [4] Správné dávkování pájky je možné ověřovat dvěma základními metodami. Obě využívají rastrování desky plošného spoje laserovým paprskem. První je založena na tepelné kapacitě pájky. Rastrující laser dodá každému spoji určité množství tepla a následné chladnutí je zaznamenáváno termokamerou. Pokud spoj chladne pomaleji, než je zadaný standard, znamená to, že je množství pájky ve spoji větší, než požadované, pokud pomaleji, znamená to méně pájky.[2, 4] Druhá metoda využívající laser sleduje odraz paprsku od povrchu pájky, je tedy méně invazivní, než metoda založená na ohřevu. Ideální spoj má jasně definovaný konvexní tvar a odchylky od něj je možno hodnotit jako následek jiného než optimálního dávkování pájky. Podobný postup je využíván i za pomoci normálního světelného zdroje - např. silné výbojky – který je schopen nasvítit větší plochu desky, na druhou stranu se mohou vyskytnout problémy se zastíněním součástek. Jako příklad z praxe lze uvést situaci, kdy bylo touto metodou kontrolováno správné (tvrdé) připájení vývodů ke keramické průchodce pro senzory airbagů. Tvar vývodů totiž znemožňoval nasvícení celé oblasti pájení při kolmém osvitu a šikmý osvit by vyžadoval zásadní změny do zkušebního zařízení. Další vrstvu představuje tzv. In-circuit testování. Jde o měření elektrických parametrů a základní oživování součástek a ověřování celistvosti vodivých cest. Provádí se obvykle pomocí hrotových sond buď ve formě pohyblivých meřicích hlavic, nebo jako fixní jehlové pole. Pohyblivé hlavice jsou samozřejmě univerzálnější, při změně kontrolovaného výrobku stačí změnit program testeru, na druhou stranu je tato metoda zkoušení výrazně pomalejší.[2, 4] Pevné jehlové pole naproti tomu umožňuje kontaktovat najednou velké množství vývodů. K tomu se používají vodivé jehly (většinou zlacené) s pružinovým přítlačným mechanismem a různě tvarovanými hlavami, které mohou kontaktovat součástky, jejich vývody, prokovené otvory nebo speciální kontaktní plošky na vodivých cestách obvodu. Není neobvyklé, že je jedna deska testována na více jehlových polích – rostoucí složitost obvodů by vyžadovala příliš velkou hustotu kontaktů.[2] Protože je výroba jehlového pole nákladná, snaží se často společnosti vyrábějící elektroniku standardizovat do určité míry vyráběné desky tak, aby bylo možné použít jeden kontaktní systém na více verzí. Poslední úrovní testů individuálních desek před jejich montáží do zařízení je simulace

10

provozu. Desky jsou příslušnými konektory připojeny k simulátoru, který ověřuje reálnou funkci zařízení. Tyto testy mohou být prováděny manuálně, pod dohledem kvalifikovaných pracovníků, nebo automaticky. Všechny výše uvedené metody ovšem dokážou postihnout jen zjevné chyby vyskytující se hned po výrobě. V praxi se ovšem celá řada závad vyskytuje až po delším provozu zařízení, zejména pokud k němu dochází v nepříznivých provozních podmínkách. Pro takové případy je nutno před zahájením výroby zařízení pro dané podmínky vyzkoušet prostřednictvím uměle urychlených testů – klimatických, mechanických i elektrických – jejichž forma je pro dané použití definována normami nebo odběratelem. Při zavádění a prověřování nových technologií je pak potřeba postupovat obzvlášť opatrně. Současný technologický inovační cyklus je obzvlášť rychlý, což na jednu směru vede k rozvoji průmyslu, na stranu druhou to ovšem znamená, že se řadu problémů daří objevovat až postupně. Konkrétně v oblasti pájení, i když od začátků přechodu na bezolovnaté technologie uplynul již relativně dlouhý čas, stále nejsou dostatečné zkušenosti s dlouhodobým působením klimatu a dalších provozních podmínek a objevují se stále nové problémy. Ty, které se týkají tématu práce, jsou blíže popsány v kapitole 4.

11

3 Náhrada olova při výrobě elektronických zařízení Směrnicí RoHS, platnou v ČR od roku 2006, bylo zakázáno používání řady nebezpečných látek v průmyslu. Pro elektrotechnický průmysl byl nejdůležitějším zákaz používání olova a z toho plynoucí nutnost ustoupit od používání klasických pájek eutektického složení cínolovo (Sn-Pb). To s sebou samozřejmě přineslo celou řadu problémů, které si vynutily zvýšení provozních nákladů a větší ekologickou zátěž a vyústily v řadě případů v nižší kvalitu. Sn-Pb pájka je obvykle používána v eutektickém složení (63% Sn, 37% Pb), případně ve složení blízkém (60/40) nebo s přídavkem malého množství jiného kovu, nejčastěji mědi nebo stříbra. Jako příklad lze uvést: •

COBAR S6M-XM3S (62,5% Sn, 36,5% Pb, 1% Ag),

•

COBAR S62-XM3S (62% Sn, 36% Pb, 2% Ag).[5] Při čistě eutektickém složení se bod tání slitiny nachází na 183°C, jakékoli příměsi nebo

změny složení ho zvyšují. Doporučené teploty při pájení se obvykle u pájek na bázi Sn-Pb pohybují mezi 205°C – 215°C. Náhrada pájení olovnatými slitinami se v současné době ubírá dvěma hlavními směry. Jde o použití bezolovnatých pájecích slitin, pájek pro nízké teploty nebo elektricky vodivých lepidel.

3.1 Bezolovnaté pájky

Nejčastější náhradou slitin s olovem jsou pájky na základě cínu, obvykle s přídavkem mědi a stříbra. Takové slitiny se označují souhrnně jako SAC (Sn-Ag-Cu). Několik příkladů složení bezolovnatých pájek: •

COBAR S9M-XM3S (96% Sn, 3,75% Ag, 0,25% Cu),

•

COBAR SAC4-325GM5 (95,5% Sn, 4% Ag, 0,5% Cu),

•

COBAR S97-XM5S (97% Sn, 3% Cu),[5]

•

KESTER EnviroMark 907 (96,5% Sn, 3% Ag, 0,5% Cu).[6] Bezolovnaté slitiny založené na velkém podílu cínu jsou relativně nejlevnější a blíží se

vlastnostmi eutektické Sn-Pb pájce. Jejich zavádění s sebou ovšem i tak nese velké množství změn a zvýšení výrobních nákladů. Jejich základním společným jmenovatelem je výrazně vyšší teplota nutná pro roztavení 12

SAC slitin, pohybující se (podle přesného složení) kolem 220°C. Se zvyšujícím se obsahem cínu ovšem může teplota růst až na 250°C (třeba S97-XM5S), což je již výrazně vyšší oproti Sn-Pb pájce. První komplikací, kterou s sebou zvýšená teplota nese, je odolnost součástek. Jak integrované obvody, tak např. elektrolytické kondenzátory jsou na zvýšenou teplotu velmi citlivé a při jejím působení dochází k degradaci nebo i zničení. V současnosti jsou součástky i jejich pouzdra přizpůsobovány vyšším teplotám při výrobě, ovšem pouze za cenu zvýšených nákladů. I pak dochází občas při hromadném pájení k jevu zvanému „popcorning“, kdy jsou součástky během pájení poškozeny buď mechanickým pnutím nebo zvýšeným tlakem. Mechanické pnutí vyvolané zvýšenou teplotou a různou tepelnou roztažností použitých materiálů může vést i k méně destruktivním, ale stejně závažným jevům. Jako příklad je možné uvést vytváření trhlin, které se ovšem neprojeví během výroby nebo ve fázi zahoření, ovšem mohou vést k rychlejší degradaci zařízení. Podobným problémem může být např. zkroucení vývodů nebo celých desek plošných spojů, které pak může vést ke znehodnocení desky v případech, kdy je například deformace příliš velká na to, aby se deska dala upevnit do příslušných úchytů při sestavování celého zařízení.[1, 2] Další z komplikací, spojených s vyšší teplotou, je rychlejší oxidace povrchů při celém pájecím procesu. To vede ke snižování kvality spojů a jako prevenci je nutné používat tavidla ve vyšších koncentracích, případně také agresivnější. Vyšší koncentrace cínu v pájce má také za následek větší riziko poškození pájecích zařízení. Roztavený cín je značně korozivní, napadá ocel (například vanu s roztavenou pájkou při pájení vlnou) a může vést k poškození nebo v extrémním případě až k proděravění vany. I když k cínové korozi docházelo i při používání eutektické Sn-Pb pájky, byla v takovém případě její rychlost podstatně nižší jednak díky nižší koncentraci cínu a jednak díky nižší teplotě. I když současné SAC pájky, případně slitiny s příměsemi niklu, vykazují menší korozní agresivitu, než pájky ve složení Sn-Cu nebo Sn-Ag, není možné tento problém zanedbávat. Pro omezení cínové koroze je nutné měnit technologie používané k výrobě pájecích zařízení, což s sebou nese jiné nevýhody a další nárůst ceny. I když ideálním materiálem by byl čistý titan, vedl by k prudkému zvýšení cen pájecích zařízení. Proto se častěji užívá nerezová ocel s povrchovou vrstvou FexN nebo TiN, zatímco pro vanu pro roztavenou pájku se jako nejlepší materiál ukazuje šedá litina. [7]

13

a)

b)

Obr. 3.1: a) Zkorodovaná součást zařízení pro pájení vlnou z nerezové oceli; b) nerezová ocel chráněná vrstvou TiN [7]

3.2 Nízkoteplotní pájky Problémy spojené s vysokými teplotami při pájení, spolu s nástupem součástek z principu citlivých na zvýšenou teplotu, vedly k experimentům s nízkoteplotními pájkami. Jde o slitiny obsahující méně dostupné kovy (indium, bismut) s teplotou tání podle přesného složení mezi 60°C a 180°C. Jako příklad může posloužit pájecí pasta COBAR BI58-XM5S o složení 58% Bi a 42% Sn. Tato slitina taje při 138°C, při jejím použití je tedy možné snížit teplotu přetavení. Na druhou stranu tyto pájky vykazují nižší kvalitu a odolnost spoje, jak mechanickou, tak i tepelnou. Navíc je pájecí proces velice citlivý na správnou povrchovou úpravu pájecích ploch a další faktory.[8] I přes v 90. letech předpovídaný rozmach nízkoteplotních pájek nedošlo k jejich výraznému rozšíření a byly nahrazeny rychle se vyvíjejícími vodivými lepidly.

3.3 Elektricky vodivá lepidla Novou alternativou, která svou oblibou rychle překonala nízkoteplotní pájky, jsou elektricky vodivá lepidla, označovaná zkratkou ECA (Electrically Conductive Adhesive). Elektricky vodivá lepidla se skládají z pojiva – matrice - kterým jsou akrylické, epoxidové nebo polyimidové či silikonové pryskyřice, podle toho, pro jaké teploty je lepidlo určeno, a s plniva. Plnivo představují samotné vodivé částice ve formě (nejčastěji stříbrných) kuliček a vloček o velikostech cca. 3 µm – 15 µm, v současné době občas pro zajištění lepšího kontaktu doplňované kovovými nanočásticemi. Montáž pomocí vodivých lepidel probíhá stejně, jako při pájení přetavením. Nejprve je 14

dávkovačem nebo šablonovým tiskem naneseno na desku plošných spojů lepidlo, poté jsou osazeny součástky. Pak osazená deska projde vytvrzením – i když existují vodivá lepidla schopná vytvrzení při pokojové teplotě, většinou je užívána zvýšená teplota, podle aplikace v rozmezí 60°C – 120°C. Na trh dodávaná lepidla je obvykle možné vytvrdit při jakékoli teplotě z tohoto rozpětí, liší se jen časy expozice. Vodivá lepidla tak představují metodu připojování, která je velice šetrná k součástkám a díky nízkým teplotám se uplatňuje např. při hromadné výrobě zobrazovacích prvků – jak LCD, tak například i organické LED, které jsou na zvýšení teploty obzvlášť citlivé. [2] Další výhodou je možnost úpravy vlastností vodivých lepidel změnou koncentrace vodivých částic. Díky tomu vznikla anizotropně vodivá lepidla (nazývána též Z-lepidla). V nich jsou částice rozmístěny natolik řídce, že v normálním stavu netvoří vodivé spoje. Pokud je však vrstva lepidla stlačena (např. mezi kontaktem na desce plošných spojů a vývodem součástky), vytvoří se vodivé můstky pouze mezi těmito plochami a ne ve zbytku objemu lepidla. Tato vlastnost umožňuje například výrazné zjednodušení nanášení lepidla, kdy není třeba omezovat dávkování jen na kontaktní plochy. V krajním případě je možno lepidlem bez obavy z vytvoření nežádoucích vodivých spojení podlít celou součástku. Lepidlo pod součástkou pak zlepšuje mechanickou pevnost jejího uchycení a může posloužit i jako prostředek odvodu tepla. Princip fungování a možného použití izotropního a anizotropního elektricky vodivého lepidla je znázorněn v obr. 3.2. Zelená barva znázorňuje substrát, žlutá pájecí plochy, černá tělo součástky. Šedé je pak pojivo lepidla a červená znázorňuje plnivo – vodivé částice.

a)

b)

Obr. 3.2: Izotropní (a)) a anizotropní (b)) elektricky vodivé lepidlo.

15

4 Jevy na rozhraní pájených spojů Rozhraním rozumíme oblast, ve které se stýkají různá prostředí, lišící se navzájem svými vlastnostmi. V případě pájených spojů se jedná zejména o následující oblasti: •

Rozhraní pájka – podklad,

•

Rozhraní pájka – součástka,

•

Rozhraní pájka – okolní prostředí,

•

Rozhraní pájka – nehomogenity v těle spoje. Nehomogenitami v těle spoje můžeme rozumět například vzduchové nebo plynové

bubliny a různé cizorodé krystalické struktury (dendrity, intermetalické krystaly...). Každé rozhraní samozřejmě představuje problém. Prostředí, která se tam stýkají, mají obvykle různé vlastnosti, ať už elektrické, mechanické nebo chemické, a tyto rozdíly mohou vést k řadě jevů ovlivňujících kvalitu a odolnost spoje.

4.1 Mechanické jevy Působení mechanických napětí, ať už vzniklých jakkoli, na pájené spoje znamená vždy riziko poruchy. Záleží samozřejmě na velikosti napětí a druhu spoje – vývodové součástky jsou z tohoto pohledu obvykle odolnější, protože se mechanické napětí může projevit pouze deformací vývodů při zachování jejich funkce, tato možnost ovšem neexistuje nebo je velmi omezena u bezvývodových součástek. Pokud na spoj působí mechanické napětí, může buď samo o sobě vést ke vzniku trhlin, nebo může využít stávajících defektů jako jejich zárodků. Pokud mechanické namáhání pokračuje, trhlina se šíří cestou nejmenšího odporu, přičemž se mechanické napětí koncentruje na čele trhliny. Pokud defekt dosáhne vhodného prostředí – například planárního rozhraní nebo dlouhých přímých krystalických struktur (trámců, jehlic) obsažených v těle spoje, rychlost jeho šíření se může výrazně zvýšit, stejně, jako když se defekt rozšíří k bublinám ve spoji. Protože je materiál spojů obvykle pružnější, než u součástek, je navíc možné, že bude výsledkem namáhání poškození součástky. Zejména citlivé jsou na to součástky tvrdé, ale křehké, jako například keramické SMD kondenzátory.[1,2]

16

4.1.1 Čistě mechanické vlivy Čistě mechanické vlivy mohou být zastoupeny jak stálým napětím – např. ohýbáním desky plošných spojů vlivem nepřesné konstrukce jejích úchytů – tak napětím proměnným. To může být periodické – například u zařízení instalovaných v blízkosti stacionárních točivých strojů – nebo náhodné, reprezentované otřesy, kterým jsou vystavena zařízení v dopravních prostředcích. U proměnlivého mechanického zatížení je velmi důležité vyvarovat se situaci, kdy by se deska nebo její části dostaly do rezonance, která by výrazně zvýšila účinek vibrací. Podle charakteru zařízení navíc může působit i více vlivů zároveň, například stálé zatížení a periodické sinusové vibrace. Rozhodující veličinou je obvykle zrychlení a směr, ve kterém působí. V praxi je nutné odhadnout, v jakých podmínkách bude zařízení pracovat a podle toho navrhnout použitou technologii a otestovat ji. Existuje celá řada norem (například ČSN EN 61373 (33 3565) Drážní zařízení – Zařízení drážních vozidel – Zkoušky rázy a vibracemi) která shrnuje typické vibrační namáhání v různých aplikacích a doporučuje metody zkoušení odolnosti proti vibracím a rázům.

4.1.2 Tepelná roztažnost materiálů Druhým významným zdrojem mechanického napětí u elektronických zařízení jsou jevy související s rozdílnou tepelnou roztažností materiálů použitých na DPS. Ta je charakterizována vztahem: X 1 =X 0⋅1⋅ T  (4.1)[1] kde X1 je změněná délka tělesa (m); X0 je původní délka tělesa (m); α je součinitel tepelné roztažnosti (angl. CTE, Coefficient of Thermal Expansion) (K-1) a ∆T je změna teploty oproti původnímu stavu (K). Pro změnu rozměru tělesa ∆X (m) je možné vztah upravit do formy:  X =X 0⋅⋅T (4.2) Součinitele teplotní roztažnosti α jsou pro různé materiály používané v elektrotechnice tabelizovány a nejdůležitější hodnoty jsou uvedeny v následující tabulce:

17

Materiál

α (ppm.K-1)

FR4 (kompozit)

14

Polyimid (kompozit)

13

Měď

17

Pájka (SnPb)

24

Pájka (SAC)

24

Korund

6,7

Si čip

3,2

Cu6Sn5 (intermetalická sloučenina)

18,3

Cu3Sn (intermetalická sloučenina)

18,2

Ni3Sn4 (intermetalická sloučenina)

14,6

Tabulka 4.1: Vybrané hodnoty součinitele teplotní roztažnosti. [9, 10] Z tabulky je patrné, že největší problémy nastanou, pokud je obvod např. postaven na keramickém podkladu, jevy tepelné roztažnosti pak mohou vést k popraskání substrátu, nebo k odtržení vodivých cest. U obvyklejších kompozitních substrátů je riziko menší, ovšem stále významné – i mírné deformace zařízení mohou způsobovat velké místní mechanické napětí.

Obr. 4.1: Vliv rozdílných hodnot součinitele teplotní roztažnosti (CTE) při zvýšení teploty součástky. a) Původní stav; b) CTE součástky > CTE substrátu; c) CTE substrátu > CTE součástky.

18

4.2 Fyzikálně-chemické jevy Na rozhraní i v objemu pájených spojů dochází k celé řadě fyzikálně-chemických dějů, které mohou výrazně narušit jejich funkci. Zejména na rozhraní okolní prostředí – pájka dochází k oxidaci, na rozhraních pájka – podklad a pájka – součástka pak k difuzi atomů jednotlivých materiálů a k vytváření intermetalických sloučenin. Dalšími jevy, které se projevují na rozhraní, jsou např. růst dendritů nebo whiskerů na povrchu spoje.

4.2.1 Oxidace Oxidace je chemická reakce, při které se základní látka slučuje s kyslíkem a vytváří oxidy. Typickými příklady reakce jsou hoření (reakce uhlíku s kyslíkem, vzniká CO 2 a CO) nebo koroze železa (Fe2O3). V případě pájených spojů samozřejmě k oxidaci v různých fázích výroby i života zařízení dochází s různou intenzitou také a projevuje se různými způsoby. Prakticky všechny jsou ale pro kvalitu výrobku nepříznivé. Závažným problémem ovlivňujícím kvalitu pájení je oxidace pájecích ploch. Zoxidovaný povrch pájka nesmáčí a tím pádem může dojít k vytvoření nekvalitního kontaktu, jak elektrického, tak mechanického, nebo k vzniku studeného spoje. Obvyklé pájecí plochy – ať už měděné, nebo pocínované – oxidují relativně rychle a je s tím nutno počítat při výrobě. Při pájení také dochází vlivem vysoké teploty k oxidaci povrchu roztavené pájky. Při ručním pájení může opět dojít k vytvoření studeného spoje, pokud je pájka udržována při vysoké teplotě příliš dlouho a z oblasti pájení vyprchá tavidlo. Při použití pastovitých pájek při přetavení je tavidlo obsaženo v celém objemu spoje, takže je zajištěn jeho dobrý přísun, ovšem při delším pájecím procesu opět hrozí, že tavidlo vyprchá. Při pájení vlnou se pak vrstvička oxidů vytváří na hladině roztavené pájky a je nutné ji odstraňovat, obvykle mechanickým stíráním z hladiny. [4]

4.2.2 Intermetalické sloučeniny Intermetalické sloučeniny jsou krystalické struktury dvou nebo více kovů, vzniklé jejich vzájemnou difuzí. Jejich přesné definice se liší podle toho, jestli autor zahrnuje pouze čisté kovy, nebo i polokovy – v takovém případě je mezi intermetalika zahrnován např. i Fe 3C a další karbidy kovů. Každopádně jde o uspořádané krystalické slitiny dvou a více kovů, příp. kovu s polokovem, k jejichž popisu je potřeba využít více krystalických soustav. I pokud se soustředíme jen na čistě kovové sloučeniny, objevíme velké množství materiálů s rozmanitými vlastnostmi. Mezi intermetalické sloučeniny patří například:

19

•

Alnico (Al, Ni, Co, příměsi Fe, Cu, Ti), ferromagnetikum,

•

Nb3Sn, supravodič,

•

Ni3Al, tvrdý a tepelně i chemicky stabilní povlakový materiál,

•

Zubní amalgamy aj. [11] Mechanismem vzniku intermetalických sloučenin je difuze, kdy atomy zúčastněných

látek migrují do oblasti kolem rozhraní a slučují se. Tomuto ději napomáhá případná dodávka energie zvenčí, zejména ve formě zvýšené teploty podle obecného vzorce: k =A⋅e

− Ea T

⋅ t

(4.3, [11])

kde k v případě planárních vrstev znamená jejich tloušťku, v jiných případech například průměr u kulovitých útvarů; A je konstanta; Ea aktivační energie pro danou reakci; T je termodynamická teplota a t je čas. V oblasti pájení jsou pro nás nejdůležitější tři intermetalické fáze. Jsou to Cu 6Sn5, Cu3Sn a Ni3Sn2. Cu6Sn5 a Cu3Sn se vyskytují jak na rozhraní mezi pájkou, obsahující cín, a měděnými prvky, tak obvykle i v těle pájeného spoje. V prvním případě vytváří vrstvy na rozhraní pájka – měď, v druhém případě se ostrůvky intermetalik tvoří ve formě malých kuliček v celém objemu spoje. Při procesu pájení se jako první tvoří vrstvička Cu6Sn5. Její vznik je důležitý, pájka má na Cu6Sn5 dobrou smáčivost a tím pádem přilne k povrchu. Po vytvoření spoje roste vrstva Cu6Sn5 postupnou difuzí atomů. Ta se ovšem zpomaluje, zejména v oblastech blízko k měděnému podkladu, a reakce se změní. Místo Cu6Sn5 začne vznikat druhá fáze, Cu3Sn, která obsahuje méně cínu. Tato intermetalická sloučenina také, na rozdíl od Cu6Sn5, není smáčena pájkou. V praxi to pak znamená, že pokud dojde k postupnému prorůstání vrstvy Su 6Sn5 vrstvou Cu3Sn, může to působit vážné problémy při případných opravách součástky.[1,2] Intermetalické vrstvy se chovají také poněkud rozdílně ve spojích zhotovených Sn-Pb pájkami a ve spojích z bezolovnatých pájek na cínovém základě. Pokud je přítomno olovo, vzniká postupnou migrací atomů cínu do interemtalické vrstvy oblast chudá na cín a bohatá na olovo, která difuzi cínu zpomaluje až zastavuje. Tato vrstva ovšem představuje zároveň i závažný problém – téměř čisté olovo má vyšší teplotu tání, než pájka, a zároveň rychleji oxiduje. Delší provoz takového zařízení v nepříznivých podmínkách, zejm. za zvýšené teploty, může vést k vytvoření vrstvy oxidů, která snižuje odolnost součástky. [2,11] Tato vrstva se samozřejmě u bezolovnatých pájek nevyskytuje, což ovšem vede k

20

jinému problému, a to tomu, že intermetalické vrstvy rostou bez omezení. Podle [12] byly zaznamenány příklady, kdy bylo až 40% hmoty pájeného spoje přeměněno na intermatalika. Byť tak dramatické případy nejsou obvyklé, intermetalické sloučeniny mědi a cínu mají odlišné mechanické i tepelné vlastnosti oproti jak pájce, tak mědi a jejich přítomnost může vést k selhání spojů vlivem jevů tepelné roztažnosti [13]. Protože mají intermetalika mědi a cínu podstatně vyšší tvrdost i teplotu tání, než pájka i než měď, je prakticky nemožné je odstranit, jakmile se jednou vytvoří. [10] To samozřejmě působí problémy zejména v případě oprav součástek, ovšem i v případech desek pro pájení s pocínovanými kontakty nebo u součástek s podobnou povrchovou úpravou vývodů. Pokud jsou skladovány nebo přepravovány v nevhodných podmínkách, může se na nich vytvořit intermetalická vrstva, která následně vážně zkomplikuje výrobu a sníží kvalitu výrobků. Pro intermetalické vrstvy eutektické Sn-Pb pájky na měděném podkladu platí vzorec 4.3 s dosazenými konstantami A = 103 a Ea = 5.10-3 [2]. 3

=10 ⋅e

−5⋅103 T

⋅ t

(4.4, [2])

kde δ je tloušťka výsledné vrstvy v µm. Hodnoty aktivační energie pro bezolovnaté pájky mají velký rozptyl podle toho, jaké přesně má pájka složení, pro jejich stanovení jsou navíc potřeba dlouhodobé experimenty které zatím u bezolovnatých pájek nejsou k dispozici.

4.2.3 Dendrity Dendrity nebo též stromečkové krystaly vznikají na povrchu kovů a tím i na povrchu pájených spojů. Jednou z podmínek jejich vzniku je přítomnost látek, které rozpouštějí daný kov, kombinovaná s přítomností elektromagnetického pole. To znamená, že může být růst dendritů podmíněn například přítomností zbytků tavidla na desce. Dendrity mohou dosahovat relativně velkých délek a vést ke zkratům elektronických zařízení, jejich výskyt byl pozorován například ve fotovoltaických panelech. [14, 15]

4.2.4 Whiskery Whiskery jsou tenké, dlouhé krystaly, které vyrůstají z povrchů elektronických součástek. Původně byl jejich vznik spojován jen s cínem, a cínové whiskery jsou nejobvyklejší, ale v poslední době se ukázalo, že se na elektronických součástkách mohou vyskytnout i whiskery ze stříbra, zinku a dalších kovů. [15].

21

Whiskery s sebou nesou řadu hrozeb pro spolehlivost a bezpečnost elektroniky. NASA již zaznamenala řadu ztrát satelitů vlivem růstu whiskerů, za zmínku stojí např. Galaxy IV v roce 1998. Whiskery mohou být příčinou závažných zkratů, ať už tím, že překlenou svým růstem vzdálenost mezi kontakty nebo že se vlivem mechanického namáhání ulomí a zkratují vodivé cesty v jiné části zařízení. Přitom se často průchodem proudu materiál whiskeru vypaří a dojde k elektrickému oblouku, kterým protečou proudy až v řádu stovek ampér. Dalším nebezpečím je, že whiskery představují sadu antén, které mohou přijímat vysokofrekvenční rušení a jeho energii předat do obvodů zařízení. O mechanismu jejich vzniku toho zatím není mnoho známo. Existuje řada teorií (mechanické napětí, přítomnost elektrických polí...), ovšem zatím se nepodařilo objevit jasnou zákonitost jak pro vznik whiskerů, tak pro rychlost jejich růstu, která byla zaznamenána od 0,03 mm/rok po 9 mm/rok.Jediným společným bodem zatím byl jejich růst na tenkých vrstvách, ale již byl zaznamenán i vznik whiskerů na přetavených pájených spojích. [15]

4.2.5 Cínový mor Cínový mor (tin pest) je jev postihující cín při teplotách pod 13,2°C. Pozorován je od doby, kdy lidstvo používá cín a jeho slitiny, ve středověku byl například častou příčinou poškození píšťal u varhan. V elektronice byl díky převažujícímu používání eutektické Sn-Pb slitiny dlouhou dobu ignorován díky tomu, že velký podíl olova ve slitině jevu zabraňuje, ale s nástupem bezolovnatého pájení se vrací a působí značné škody, zejména u aplikací pracujících mimo vytápěné prostory. V poslední době byla zaznamenána řada případů selhání základnových stanic mobilních sítí i například zodolněných přenosných počítačů, používaných Americkou armádou v Afghánistánu. Cínový mor zároveň prakticky vylučuje bezolovnaté pájecí slitiny z vesmírného a leteckého průmyslu.[16] Působením nízké teploty se cín začne měnit z „bílého cínu“ β-fáze na „šedý cín“ α-fáze. A-fáze má menší hustotu, než b-fáze, takže při transformaci expanduje a zároveň velmi rychle degraduje a rozpadá se na prach. Navíc slouží sama jako katalyzátor pro reakci, takže ji urychluje. Cínový mor je inhibován některými příměsemi, pokud jsou v dostatečné koncentraci, zejména olovem. Mimo olova je inhibitorem tvorby cínového moru např. antimon nebo bismut. Z obvyklejších kovů mají jistý efekt měď a stříbro, ale účinek je malý a navíc potřebuje větší koncentraci (>5%) na to, aby se inhibice projevila.[16]

22

5 Mechanické namáhání pájených spojů Výzkum navazoval na pokusy s vzorky olovnatých a bezolovnatých pájek, podrobenými mechanickému namáhání ohybem v rámci autorovy diplomové práce. V jejím rámci i v rámci následného výzkumu byl pozorován vliv intermetalických sloučenin mědi a cínu na rozhraní pájeného spoje na mechanickou odolnost zařízení. Pro práci byl zvolen široký rozsah počátečních podmínek, umožňující porovnat chování cín-olovnaté (COBAR S62-325GM5) a bezolovnaté pájky (COBAR SAC4-325GM5) v různých situacích. Konkrétně bylo, kromě různě intenzivního mechanického namáhání, užito pájení jak na vzduchu, tak v ochranné dusíkové atmosféře a jak na měděné, tak na pocínované pájecí plochy. Pro experimenty byly používané destičky plošných spojů původně určené pro zkoušky vodivých lepidel. Každá destička může nést 7 rezistorů SMD velikosti 1206 a její vodivý motiv umožňuje snadné měření elektrických veličin různými metodami. Pokusné DPS jsou zobrazeny na obr. 5.1.

Obr. 5.1: Pokusné desky plošných spojů.

23

5.1 Ohyb Namáhání ohybem vedlo u vzorků pájek k růstu elektrického odporu díky degradaci spoje. Závažnější poškození – vznik trhlin v těle spojů – se projevilo zejména u vzorků pájek vystavených uměle urychlenému tepelnému stárnutí při 125°C po dobu 2000 hodin. Mechanismus namáhání je znázorněn na obr. 5.2.

Obr. 5.2: Uspořádání mechanického namáhání. Graf 5.1 pak ukazuje vybrané výsledky experimentu, konkrétně výsledky celkového porovnání olovnatých a bezolovnatých pájek při namáhání ohybem konce experimentální destičky o +-9 mm. Na grafu je hlavně zřetelný nárůst odporu ke konci namáhání u stárnutých vzorků. U bezolovnatých pájek odpor vzrostl až téměř o 50%. Bohužel bylo celé měření zatíženo malým počtem vzorků, proto se nepodařilo získat pro některé kombinace materiálů a podmínek výroby dostatek údajů, respektive dostatek průkazných údajů. S některými vzorky ani nebylo možné dokončit plánované zatížení (2000 ohýbacích cyklů), protože došlo k destrukci spojů již před dosažením této hranice. 45,0 Změna odporu (%)

40,0 35,0 30,0

SnPb Nest.

25,0

SnPb St.

20,0

SAC Nest.

15,0

SAC St.

10,0 5,0 0,0 0

500

1000

1500

2000

2500

Zatěžovací cykly (-)

Graf 5.1: Závislost změny elektrického odporu (v %) na délce mechanického namáhání. Zatímco měření elektrického odporu přineslo nepříliš jasné výsledky, kombinace mechanického namáhání a stárnutí znamenala nahromadění dostatečného množství vzorků pro obrazovou analýzu. Na fotografiích výbrusů, pořízených optickým mikroskopem, bylo možné 24

zřetelně pozorovat jak intermetalické vrstvy na rozhraní pájka – měď, tak i další změny v objemu pájky. Zároveň se mechanickým namáháním podařilo vyvolat u řady vzorků vznik trhlin, které často spoj zcela znehodnotily. Jejich objevení se bylo při měření možno odhadnout z náhlých skokových změn odporu, téměř všechny takové vzorky vybrané pro obrazovou analýzu pak vykazovaly vážné poškození. Na následujících snímcích jsou vidět různé stupně poškození, zaznamenané u nestárnutých pájených spojů po jejich mechanickém namáhání. Můžeme zde vidět nepoškozený spoj (5.3 a)), spoj, ve kterém se již začaly tvořit trhliny, které však zatím neovlivnily jeho funkci (5.3 b)). Obrázky 5.3 c) a 5.3 d) pak zachycují závažné poškození pájených spojů vedoucí k přerušení vodivé cesty, resp. významnému zvýšení odporu.

a)

b)

c)

d)

Obr. 5.3: Výbrusy spojů pájených Sn-Pb pájkou bez tepelného stárnutí. a) Spoj bez trhlin. b) Trhliny neovlivňují dunkci spoje. c) Trhlina u paty spoje, prochází pájkou i mědí. d) Trhlina prochází podél stěny součástky, došlo k přerušení vodivé cesty. Pomocná úsečka ve všech případech vyznačuje 200 µm. Podobné jevy byly zaznamenány i u nestárnutých vzorků pájených SAC pájkou. Na obrázku 5.4 b) je zřetelná trhlina podobná obr. 5.3 d), na detailu 5.4 c) je pak zřejmé, jak napomáhají bubliny v těle spoje šíření trhlin. Jak z 5.3 d), tak z 5.4 c) také vidíme, jak slabým 25

článkem může být pájecí plocha na součástce, při šíření praskliny podél stěny součástky dochází k odtržení pájecí plochy.

a)

b)

c)

Obr. 5.4: Spoje pájené SAC pájkou bez tepelného stárnutí. a) Spoj bez trhlin. b) Trhlina procházející pod součástkou a po její stěně. c) Detail ze snímku 5.4 b. Pomocná úsečka má velikost 200 µm (5.4 a, b) a 100 µm (c). Po zrychleném tepelném stárnutí a mechanickém namáhání byly sledovány podobné trhliny, ovšem u některých spojů se uplatnily i nové mechanismy jejich šíření, způsobené právě stárnutím. Zejména šlo o vliv intermetalických vrstev na rozhraní pájka-měď., viditelný na obr. 5.5 a) a 5.5 b), kde se trhlina zřetelně šíří po rozhraní mezi vrstvou intermetalik a pájkou.

a)

b)

Obr. 5.5: Vliv intermetalických vrstev na šíření trhlin v pájeném spoji. a) Celkový pohled (pomocná úsečka 200 µm); b) detail (pomocná úsečka 100 µm).

Obrázky 5.6 a) a 5.6 b) pak ukazují další příklad odlišného chování stárnutého vzorku, kdy se prasklina, vzniklá pod součástkou, nešíří podél stěny součástky, ale tělem spoje. To by mohlo nasvědčovat například tomu, že kombinace oxidace a dalších negativních vlivů vysoké teploty vedla k oslabení pájeného spoje natolik, že klade šíření trhliny menší odpor, než pájecí plochy rezistoru. Za povšimnutí také stojí jasná hranice intermetalických vrstev na obr. 5.6 b). 26

a)

b)

Obr. 5.6: Atypické šíření trhliny ve stárnutém spoji. a) Celkový pohled (pomocná úsečka 200 µm); b) detail (úsečka 50 µm).

Z celého měření bylo možné získat základní informace o obvyklém mechanismu tvorby trhlin. Bylo ale rozhodnuto o změně charakteru mechanického namáhání na vibrace kvůli možnosti přesnějšího nastavení podmínek.

5.2 Vibrace Metoda vytváření mechanického napětí byla velice hrubá a spíše demonstrační. Pro přesnější zatěžování, které by se navíc více blížilo reálným podmínkám, byly vybrány mechanické vibrace. Na katedře je k dispozici jednak malý, přesně řiditelný vibrátor ESE a dále velký vibrační stůl Vltavan. Pro měření na těchto zařízeních ve všech třech osách byl sestrojen ve spolupráci s Ing. Žákem a s pomocí Doc. Urbánka držák na uchycení vzorků, který umožňuje buď zatěžovat zároveň sadu 12 vzorků podélnými vibracemi a vibracemi kolmými na rovinu desky plošných spojů, nebo namáhat dvanáct vzorků příčnými vibracemi. Přípravek je vyroben z hliníku a sestává ze základní montáže pro připevnění na vibrační stůl (distanční vložka a nosník ve tvaru H) a ze tří souprav pro uchycení vzorků. Dvě z nich – pro vibrace v podélné a svislé ose – mohou být uchyceny zároveň, třetí kvůli svým rozměrům musí být uchycena samostatně.

27

Obr. 5.7: Zařízení pro uchycení vzorků na vibrační stůl. K přípravku byl také připraven sběr dat o zrychlení. Ten využívá dva různé měřicí čipy: •

MMA7260Q (3 osy, max. rozsah ±6G),

•

ADXL321 (2 osy, max. rozsah ±18G). Přípravek se podařilo ověřit v provozu, bohužel v současné době je měření s jeho

pomocí odloženo kvůli technickým i časovým problémům do doby, kdy budou ukončeny komplexní klimatické zkoušky popsané v následující kapitole.

28

6 Klimatické zkoušky pájených a lepených spojů Elektronická zařízení jsou díky pokračující miniaturizaci čím dál, tím rozšířenějším. To s sebou ovšem nese i skutečnost, že se tím čím dál, tím více elektroniky uplatňuje v aplikacích, které předpokládají vystavení zařízení nepříznivým klimatickým vlivům. Výbava klimatotechnické laboratoře katedry umožňuje provádět široké spektrum zkoušek při velkém rozsahu teplot i vlhkostí, v případě potřeby je možné vystavit zkoušené zařízení i vlivu atmosféry se zvýšeným obsahem SO2. Příkladem toho, jaký význam mají klimatické zkoušky a jak se i při jejich uplatnění mohou v praxi vyskytnout nečekané jevy, mohou být potíže ČD (ale i Eurotunelu) z uplynulých měsíců. I když byly trakční měniče použité v nových soupravách ř. 471 teoreticky sestrojeny s dostatečným stupněm krytí IP proti vlivu povětrnostních podmínek, tuto zimu se vyskytl netypický případ velmi jemného sněhu (drobných sněhových jehlic), navíc kombinovaného se silným větrem. Sněhové jehlice dokázaly proniknout i otvory, kterými by sněhové vločky obvyklého tvaru a rozměrů neprošly. Tím se sníh dostal mimo jiné do kontejnerů s výkonovými měniči, kde roztál. Voda, stékající po stěnách kontejneru nebo kondenzující z vodní páry následně způsobila závažné zkraty, které vedly k dočasnému vyřazení velké části jednotek 471. Z hlediska odolnosti pájených spojů je ovšem samozřejmě mnohem zajímavější jiný scénář, kdy nedojde ke katastrofickému zkratu, ale „pouze“ k významnému zvýšení vlhkosti uvnitř pouzdra elektrického zařízení. Takový jev může vést k rychlejší korozi spojů, případně také k růstu dendritů. Z toho důvodu je nezbytné pečlivě zkoušet nové elektrotechnické materiály a technologie a získávat zkušenosti z jejich dlouhodobého provozu.

6.1 Tepelné stárnutí Tepelnému stárnutí při teplotě 125°C po dobu 2000 hodin byly vystaveny vzorky eutektické Sn-Pb pájky a bezolovnaté pájky. Obrazová analýza pájených spojů po ukončení stárnutí ukázala zřetelné intermetalické vrstvy ve spojích provedených olovnatou i bezolovnatou pájkou. Síla vrstvy dosahovala v případě olovnaté pájky 6,8 µm a u bezolovnaté 6,9 µm, což odpovídá teoretickému výpočtu pro dané tepelné stárnutí. Na obr. 6.1 můžeme jasně vidět rozdíly mezi olovnatou a bezolovnatou pájkou. 6.1 a) ukazuje jasně pájku (1) s přechodnou vrstvou, do které prorůstají intermetalika (2), pod ní vrstvu chudou na cín (3) a vrstvu intermetalických sloučenin (4) nad měděným podkladem (5). Tento vzhled plně odpovídá teoretickým předpokladům, popsaným výše. 29

Snímek 6.1 b) ukazuje značně jednodušší strukturu, zahrnující pouze pájku (1). vrstvu intermetalik (2) a měděný podklad (3).

a)

b)

Obr. 6.1: Intermetalické vrstvy v pájeném spoji, a) Sn-Pb, b) SAC. (Pomocná úsečka 10 µm) 250

200

150 T (°C)

Correct Long

100

50

0 0

50

100

150

200

250

300

t (s)

Graf 6.2: Teplotní profil pro pájení přetavením pro bezolovnaté pájky COBAR: správný (Correct) a prodloužený (Long).

30

1,6 1,4 1,2 δ (µm)

1 Correct

0,8

Long

0,6 0,4 0,2 0 0

50

100

150

200

250

300

t (s)

Graf 6.3: Vypočtený růst intermetalických vrstev při teplotních profilech z grafu 6.2. Další výzkum v této oblasti se bude věnovat zúžené oblasti vlivu správného nastavení teplotního profilu pro pájení přetavením na růst intermetalických vrstev a oxidaci. V grafech 6.2 a 6.3 můžeme pozorovat vypočtený vliv prodloužené fáze oblasti přetavení (červeně) na výslednou tloušťku intermetalických vrstev. Je zjevné, že k výraznému růstu kombinované vrstvy intermetalik stačí pouze chybné nastavení pájecího procesu. Pokud je zkombinováno se špatnými podmínkami při dopravě a skladování, má obvykle zásadní vliv na životnost a spolehlivost zařízení, zejména v kombinaci s dalšími faktory. V rámci kombinovaných klimatických zkoušek popsaných v následující podkapitole bylo provedeno tepelné stárnutí vzorků pájek a elektricky vodivých lepidel v délce téměř 3000 hodin.

6.2 Kombinované zkoušky Kombinované zkoušky vzorků pájek a elektricky vodivých lepidel zahrnovaly zejména série šokových přechodů z jednoho prostředí do druhého: •

Teplo: suché teplo 125°C,

•

Vlhko: 99% vlhkost při 50°C,

•

Mráz: -40°C. Zkouška zahrnovala pro každý vzorek sérii šoků mezi dvěma z těchto prostředí, tedy

teplo-mráz, vlhko-teplo a vlhko-mráz. Při obrazové analýze po kombinovaných zkouškách byla objevena řada zajímavých povrchových i vnitřních jevů. Na obr. 6.2 a) můžeme pozorovat vrstvu oxidů na povrchu spoje vystaveného namáhání vlhko-teplo, 6.2 b) ukazuje spoj pájený SAC pájkou po namáhání vlhko-

31

mráz. Na obr. 6.2 b) se zdá, jako by došlo na povrchu spoje vlivem nízkých teplot k začátku tvorby cínového moru. To bude ale možné potvrdit nebo vyvrátit až s pomocí elektronové mikroskopie.

a)

b)

Obr. 6.2: Vzorky pájek po klimatických šocích. a) Vlhko-teplo; b) Vlhko-mráz. (pomocná úsečka 0,5 mm) Obr. 6.3 pak ukazuje první výbrusy pořízené ze vzorků z této kombinované zkoušky. Bohužel kvalita výbrusů není příliš vysoká a pro podrobnější snímky bude zapotřebí výbrusy vyleštit nebo vyrobit nové. I tak je ale možné vidět na obr. 6.3 a) rozsáhlou trhlinu, která vedla ke znehodnocení spoje.

a)

b)

Obr. 6.3: Výbrusy vybraných spojů po namáhání teplo-mráz. a) Vodivé lepidlo AX12; b) Pájka COBAR XM3S (SAC). (pomocná úsečka 200 µm)

32

7 Závěr Práce prezentuje v hrubých rysech problematiku jevů, probíhajících na rozhraní pájených spojů, ve vztahu k přechodu na bezolovnaté pájení a problémům, které jsou s ním spojeny. Zároveň ukazuje směr, kterým se dosud ubíral a bude ubírat výzkum na toto téma. Nejbližším cílem je získání kvalitnějších výbrusů vzorků pájených spojů po mechanickém a klimatickém namáhání, které budou využitelné pro analýzu pomocí elektronového mikroskopu. Zvláštní pozornost bude věnována vlivu oxidace na životnost pájeného spoje a podrobnějšímu prozkoumání dalších problémů bezolovnatého pájení, například cínového moru. Při přípravě vzorků bude rozšířeno spektrum povrchových úprav pájecích ploch a bude sledován jejich vliv na vlastnosti spoje. Zároveň budou klimatické i mechanické zkoušky pájených spojů kombinovány s proudovým zatěžováním součástek pro simulaci reálného provozu. V tomto bude možné těžit i ze zkušeností s elektronikou pro trakční soupravy a s příslušnými zkouškami elektronických zařízení, vyžadovaných drážními normami, získanými díky praxi ve firmě POLL. Hlavním cílem těchto experimentů by mělo být hlubší porozumění následkům kombinace různých druhů namáhání (mechanické, elektrické, klimatické...) a jejich projevů vzhledem k odolnosti elektronických zařízení. Důraz přitom bude kladen na bezolovnaté pájky různých složení (obsah stříbra, mědi, další příměsi) a jejich kombinaci s různými povrchovými úpravami součástek. Zajímavým trendem posledních dvou let, který by také stál za podrobnější prozkoumání (alespoň teoretické) je nový výzkum v oblasti pájek pro pájení přetavením založených na nanočásticích pájky. Vzhledem k tomu, že jde o novou technologii slibující pokles teploty přetavení bezolovnatých pájek, bude účelné se jí také podrobněji věnovat.

33

8 Seznam použité literatury [1] Urbánek, J., Klabačka, E.: Technologie elektronických zařízení. 1. vydání. Praha: Vydavatelství ČVUT, 1997. 159 s. ISBN 80-01-01551-3 [2] Mach, P., Skočil, V., Urbánek, J.: Montáž v elektronice: Pouzdření aktivních součástek, plošné spoje. 1. vydání. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2001. 440 s. ISBN 80-01-02392-3 [3] Abel, M.: SMT: Technologie povrchové montáže. 1. vydání. Pardubice: Platan, 2000. ISBN 80-902733-1-9 [4] Abel, M., Cimburek, V.: Bezolovnaté pájení v legislativě i praxi. ABE.TEC, s.r.o., Pardubice, 2005. ISBN 80-903597-0-1 [5] http://www.cobar.com [6] http://www.kester.com [7] Morris, J., O'Keefe, M. J., Perez, M.: Liquid tin corrosion and lead free wave soldering. Global SMT & Packaging – July 2007 p.26 - 33. http://www.globalsmt.net [8] Mei, Z., Holder, H.A., Vander Plas, H.A.: Low-temperature Solders, August 1996 HewlettPackard Journal, Article 10. http://www.hpl.hp.com [9] Jiang, N., Clum, J. A., Chromik, R. R., Cotts, E. J.: Thermal Expansion of Several Sn-based Intermetallic Compounds. Binghamton University. http://physics.binghamton.edu [10] National Institute for Standards and Technology, http://www.nist.gov [11] Lee, N.-C.: Reflow Soldering Processes and Troubleshooting: SMT, BGA, CSP and Flip Chip Technologies. Butterworth-Heinemann, 2002. ISBN 0-7506-4749-3 [12] http://teerm.nasa.gov [13] Tudryn, C. D.: Solder Joint Fatigue Study Under Low Temperature Martian Conditions. NASA Jet Propulsion Laboratory, 2006. http://ntrs.nasa.gov. Document ID 20060043322 [14] Speckman, D., Marvin, D., Nocerino, J.: Dendrite Growth and Degradation in Multi-Junction Solar Cells. NASA, 2005. http://gltrs.grc.nasa.gov [15] http://nepp.nasa.gov/WHISKER/ [16] Lasky, R. C.: Tin Pest: A Forgotten Issue in Lead-free Soldering?," 2004 SMTA International Conference Proceedings, Chicago, IL, Sept. 26-30, 2004, pp. 838-840. [17] Lau, J. H.: Solder Joint Reliability: Theory and Applications. New York, Van Nostrand Reinhold, 1991. ISBN 0-442-00260-2 [18] Ganesan, S., Pecht, M.: Lead-free Electronics. IEEE Press, Wiley-Interscience Publication, 2006. ISBN 0-471-78617-9

34

9 Seznam publikací •

Dušek, K. - Tučan, M.: Influence of Mechanical Stress and Temperature Aging on a Change of Electrical Connection Resistance. In 31st International Spring Seminar on Electronics Technology [CD-ROM]. Budapest: Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics, 2008, p. 41-44. ISBN 978-963-06-49155.

•

Tučan, M. - Žák, P.: Vibrační a klimatické zkoušky pájených a lepených spojů. In Elektrotechnologie 2009 [CD-ROM]. Praha: ČVUT, 2009, ISBN 978-80-01-04379-0.

•

Tučan, M. - Dušek, K. - Urbánek, J.: Cracks in Soldered Joints Subjected to Mechanical Stress. In Electronics Devices and Systems Proceedings. Brno: Vysoké učení technické v Brně, 2008, p. 275-280. ISBN 978-80-214-3717-3.

•

Tučan, M. - Dušek, K. - Urbánek, J.: Image analysis of soldered joints subjected to mechanical stress. In Applied Electronics 2008. Plzeň: ZČU Plzeň, 2008, p. 223-226. ISBN 978-80-7043-654-7.

•

Tučan, M. - Urbánek, J.: Optické sledování defektů pájených spojů po mechanickém namáhání. In Diagnostika '09. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, 2009, s. 209-211. ISBN 978-80-7043-793-3.

35