Mechanizmy powstawania uszkodzeń połaczeń lutowanych

W celu właściwej interpretacji wyników badań połączeń lutowanych należy dobrze rozumieć mechanizmy mogące powodować uszkodzenie tych połączeń oraz zależność powstawania uszkodzeń od metalurgii stopów. Na przykład wrażliwość stopów SAC na szybko zmieniające się narażenia mechaniczne powoduje, że należy zwracać więk­szą uwagę niż dotychczas na zachowanie połączeń lutowanych poddawanych szo­kom mechanicznym, takim jak upuszczanie, zginanie itp. Jeżeli występuje nadmienia ostrość narażenia i duża częstość narażania, to wynikiem może być zwiększająca się kruchość połączeń bezołowiowych. Stwierdzono także, że połączenie między lutem bezołowiowym a warstwą niklu (na przykład w powłoce ENIG) w postaci związku międzymetalicznego Ni₃Sn₄ jest bardziej kruche niż połączenie tego lutu z miedzią, co może przenosić się na gorsze wyniki w próbach szoków mechanicznych.

M. Llintzch prezentuje mechanizm uszkodzeń, rozważając połączenia lutowane kondensatora ceramicznego na płytce drukowanej widoczne na poniższym zdjęciu:

Te dwa elementy mają zupełnie różne współczynniki rozszerzalności cieplnej wynoszące 4.58- 10″^{6 1} ° dla ceramiki i 18,5 • 10dla laminatu FR-4. Z powodu tej różnicy połączenie będzie w podwyższonej temperaturze ulegało zginaniu w kierunku zewnętrznym, a w niskiej temperaturze połączenie będzie zginane w przeciwnym kierunku. W trakcie narażania cyklami cieplnymi połączenie lutowane poddawane jest zatem ciągłemu zginaniu, co prawdopodobnie prowadzi do uszkodzenia zmęczeniowego. Ten sam mechanizm występuje we wszystkich połączeniach kondensatorów i jest oczywiste, że małe kondensatory będą generowały bardzo mały moment zginający w porów­naniu z połączeniami dużych kondensatorów, które będą z tego powodu bardziej podatne na uszkodzenia. Uszkodzenie takie można opisać jako wadę spowodowaną narastającą kruchością połączenia. Uważa się, że luty miękkie są materiałami, w któ­rych bardzo łatwo w temperaturze pokojowej może wystąpić deformacja plastyczna. Kruchość jest spowodowana powstaniem bardziej gruboziarnistej struktury pod wpływem obciążenia mechanicznego w obszarze deformacji plastycznej. Te własno­ści mechaniczne czasami są wiązane z wytrzymałością na pełzanie analizowanych stopów bezołowiowych lub ich wytrzymałością zmęczeniową.

Mechaniczne i elektryczne uszkodzenia połączeń lutowanych są bardziej spowodowane różnicami współczynników rozszerzalności cieplnej elementów składowych zespołu niż niewystarczającą ilością lutu w połączeniu. Znaczący udział w powsta­waniu uszkodzeń może mieć także laminat FR-4 ze względu na różnice współczyn­ników rozszerzalności w osiach X, Y oraz większą rozszerzalność cieplną w osi Z. Może to odgrywać istotną rolę, jeżeli w technologii montażu przewlekanego stosuje się bardziej kruche stopy bezołowiowe.

Drugim czynnikiem, który jest związany z mechanizmem uszkodzenia połączenia lutowanego, jest zjawisko niekorzystnej dyfuzji w połączeniu lutowanym. W procesie lutowania zachodzi reakcja chemiczna między stopioną cyną i miedzią. W wyniku tej reakcji formuje się warstwa międzymetaliczna składająca się z jedne­go lub więcej związków międzymetalicznych. Właściwości związków międzymeta­licznych cyny i miedzi znacznie się różnią od właściwości metali, które je tworzą. Związki te są bardziej kruche i mają niższe przewodnictwo.

Struktura i grubość warstwy międzymetalicznej jest w dużym stopniu zależna od warunków procesu lutowania. W czasie procesu chłodzenia lut zestala się od ze­wnątrz do wewnątrz, co powoduje, że obszar o największej masie w połączeniu ulega zestaleniu na końcu. W miarę jak temperatura obniża się, zmniejsza się roz­puszczalność miedzi, srebra i innych metali stanowiących zanieczyszczenia. W ten sposób obszar, który ulega zestaleniu najpóźniej, będzie miał inny skład niż pier­wotny stop bezołowiowy. Także niewielkie ilości ołowiu i bizmutu mogą się kon­centrować w małych obszarach wewnątrz połączenia. Stopy bezołowiowe SAC są wrażliwe na szybkość chłodzenia i na proces zestalania.

W obszarze między temperaturą topnienia stopu bezołowiowego a temperaturą ok. 80°C zachodzi dyfuzja w stanie stałym, której szybkość jest na tyle duża. aby jej efekty mogły być obserwowane w stosunkowo krótkim czasie. Atomy z powierzch­ni płytki i wyprowadzeń podzespołów, jak również atomy różnych zanieczyszczeń i związków wytrąconych w stopie dyfundują do obszarów, w których ich potencjał termodynamiczny będzie niższy. W niektórych przypadkach zjawisko to może mieć wpływ pozytywny (np. dyfuzja atomów niklu ze stopu SnCuNi do warstwy między­metalicznej blokująca wzrost tej warstwy).

Omówione zjawiska odzwierciedlają trudności w ustaleniu odpowiednich warun­ków prób przyspieszonego starzenia, które pozwoliłyby przewidzieć prawdziwie niezawodny czas życia wyrobu. W temperaturach poniżej temperatury topnienia mogą zachodzić procesy rekrystalizacji prowadzące do uwalniania naprężeń. Ten proces będzie przeciwdziałał kruchości wywołanej narażeniami mechanicznymi.