Provningsmetodik för kretskort, samt undersökning. cyklade kretskort. Robert Tüysüz. Examensarbete

Transkript

1 Provningsmetodik för kretskort, samt undersökning av termiskt cyklade kretskort Robert Tüysüz Examensarbete Kungliga Tekniska Högskolan KTH Skolan för Informations- och Kommunikationsteknik ICT Stockholm, April 2010 TRITA-ICT-EX-2010:58

2 Provningsmetodik för kretskort, samt undersökning av termiskt cyklade kretskort Examensarbete inom mikroelektronik och tillämpad fysik av Robert Tüysüz Kungliga Tekniska Högskolan Skolan för Informations- och Kommunikationsteknik (ICT) Stockholm September

3 Sammanfattning Lödfogar på kretskort utsätts för spänningar i samband med temperaturväxlingar. Dessa spänningar leder så småningom till utmattningsbrott. Omställning till blyfri lödning, pga EUdirektivet ELV (End of Life Vehicles) som inom kort kan börja förbjuda användning av blyhaltiga lödfogar även i tunga fordon, medför en ökad risk för utmattningsbrott, eftersom blyfria lödfogar påstås vara sprödare än tenn/bly lod. Scania har begränsad kunskap om eller erfarenhet av blyfria lödfogar och har av den anledningen startat detta projekt. I det här projektet vill man ta reda på ifall påståendet ovan, om att blyfritt lod är sprödare än blyat lod, stämmer och för att kunna göra en sådan jämförelse mellan loden måste dessa analyseras från ett materialtekniskt perspektiv. Scania har fram till nu fastställt sina provresultat via ett elektriskt funktionstest. För att möjliggöra en materialteknisk undersökning utvecklades och anpassades SAAB Avitronics provberedningsmetodik till Scanias utrustning. Den nyutvecklade metoden dokumenterades för framtida användning av övrig Scania personal. Specifika komponenter valdes ut från 6 stycken COO7 koordinatorer för sprickdetektering, varav 3 stycken var blyade och 3 stycken blyfria. Provberedningen gjordes i 5 olika steg; kapning, ultraljudstvätt, ingjutning, slipning och polering. Efter provberedningen undersöktes provbitarna i ett ljusoptiskt mikroskop. Resultaten från de studerade koordinator-kretskorten tyder på att sprickor uppkommer i samma utsträckning på både blyade och blyfria lödfogar. 3

4 Abstract Solders used in circuit boards are exposed for stress during temperature variations. This stress will eventually cause fatigue fracture. Changing from conventional leaded solders to lead-free solders is believed to increase the risk for fatigue fracture, since lead-free solders are more brittle than the conventional solders. The reason for why Scania started this project is that they have limited knowledge and experience of using lead-free solders in their circuit boards. In this master thesis the main focus is on investigating whether or not lead-free solders are more sensitive than conventional solders. In order to be able to do this kind of comparison the solders need to be analyzed from a metallographic perspective. The method that Scania use in present time for analyzing their test results is an electrical functionality test. To make a metallographic investigation possible the method for metallographic preparation used in SAAB Avitronics laboratory was applied, after adding some refinements and adjustments to the method. The refined method that was used during the experiment was documented for future use in Scania s laboratory. Specific components were chosen from 6 different COO7-coordinatorss for use in crack detection, of which 3 contained lead-free solders and 3 contained leaded solders. The metallographic preparation was performed in 5 different steps: cutting, ultrasound washing, mounting, grinding and polishing. After the metallographic preparation, the samples were examined in a light optical microscope. The results from the studied coordinators showed that cracks occur in the same extension in both leaded and lead-free solders. 4

5 Innehåll Förord Inledning Bakgrund Tillförlitligheten av förbindningarna hos lödda kretskort Montering av olika komponenter hos lödda kretskort Haveriorsaker hos lödda förbindningar Längdutvidgning Brottmekanismer Sprödbrott i lödfogar Utmattningsbrott...13 Sprickinitiering...13 Mikrospricktillväxt...13 Makrospricktillväxt...13 Slutligt brott Wöhlerkurva Metaller Bly (Pb) Tenn (Sn) Legering Fasdiagram Binära System Binärt eutektiskt system Ternära System Provmetodik Oförstörande provning...23 Ultraljudsmikroskopi, SAM Metod Upplärning i provberedning och analysmetoder på SAAB Avitronics Tillämpning av arbetsmetodik Utrustning Provberedning SEM Undersökning Resultat Mikroskopundersökning av kutsar Beräkningar Diskussion Referenser...58 Bilaga 1- Kapning, Ultraljudstvätt och Kallingjutning...59 Bilaga 2 - Slipning...60 Bilaga 3 Polering

6 Förord Detta examensarbete utfördes som avslutning på elektronikutbildningen på Kungliga Tekniska Högskolan. Examinationen utförs av KTH-ICT (Skolan för kommunikations- och informationsteknologi), där materialfysik var en av grundkurserna. Arbetet utfördes på utvecklingsgruppen UTMY på Scanias produktutveckling-avdelningen i Södertälje. Det har varit en intressant och givande upplevelse att arbeta med projektet på Scania. Människorna runt omkring har varit väldigt hjälpsamma och trevliga. Jag vill rikta ett speciellt tack till min handledare på Scania, Jarmo Tamminen, för alla råd och all hjälp under arbetets gång. Tack till Carl Tengstedt för hans goda råd och Patrik Jansson för hans samarbete. Jag vill även tacka min handledare på KTH, professor Anders Hallén, som alltid har ställt upp för mig när jag har behövt honom. Södertälje Robert Tüysüz 6

7 1 Inledning På Scanias elektroniktillförlitlighetslaboratorium utgör temperaturväxling och vibrationsutmattning den största delen av provningen. Fram till idag har provningsresultat fastställts med ett elektriskt funktionstest samt med hjälp av mikrofokusröntgen. Idag vill man utöka provningsmetodiken med ett materialtekniskt perspektiv där man undersöker både utmattade prov och genomlöpare, för att fastställa orsaken till avbrott. Lödfogar på kretskort med ytmonterade komponenter utsätts för spänningar i samband med temperaturväxlingar. Detta kan med tiden orsaka utmattningsbrott vilket i slutändan visar sig i form av funktionsfel. EU direktivet, ELV, som förbjuder användning av blyhaltiga lod i lätta fordon kan inom några år även börja gälla tunga fordon, fordon tyngre än 3,5 ton. Risken för utmattningsbrott i lödfogar kan däremot öka, då en blyfri lödfog är sprödare än en traditionell tenn/bly fog. Elektronikenheter verifieras genom accelererad provning i provkammare, där temperaturen snabbt växlar mellan kraftig kyla och stark värme. Efter provningen undersöks kretskorten materialtekniskt. De kretskort som användes under examensarbetets gång är temperaturcyklade COO7 koordinatorer. Examensarbetet började med två halvdagar kurs på SAAB Avitronics i Järfälla för att få en överblick över hur man provbereder elektronik. Huvuduppgiften med examensarbetet är att hos Scania införa metoder för sprickdetektering och provberedning, samt att dokumentera processen. Man vill utvärdera termiskt cyklade kretskort genom att lokalisera sprickor, samt att bereda prover och undersöka dem i ljusoptiskt mikroskop. Det man vill göra är att undersöka huruvida sprickor förekommer i lödfogar samt om blyfria lödfogar är känsligare än blyade lödfogar. Målen med projektet är: 1. Att utveckla tekniken för sprickdetektering och provberedning för elektronik 2. Att tillämpa denna på termiskt cyklade kretskort. Rapporten börjar med en teorisk återgivning av olika begrepp inom materialteknik, följt av en metodbeskrivning av provberedningsmetodiken som användes under utförandet av arbetet. Därefter presenteras resultaten av undersökningen. Avslutningsvis diskuteras resultaten och slutsatserna samtidigt som förslag på hur man kan förbättra metoden inför framtida projekt ges. 7

8 2 Bakgrund Detta examensarbete behandlar provningsmetodik och undersökning av termiskt cyklade kretskort. Lödfogar på kretskort med ytmonterade komponenter utsätts för spänningar i samband med temperaturväxlingar. Detta kan med tiden orsaka utmattningsbrott vilket i slutändan visar sig i form av funktionsfel. Lastbilindustrin börjar införa fler och fler elektroniksystem i sina bilar. Miljön och säkerheten i ett fordon är väldigt viktiga frågor att ta itu med vid tillverkning av fordonselektronik. Kraven på miljöstandarden i ett fordon är väldigt höga. Miljön i ett fordon kombineras av höga temperaturer, kraftiga vibrationer och smuts. Dessa faktorer försämrar bl. a. tillförlitligheten på elektroniken i ett fordon. De höga temperaturerna och de kraftiga vibrationerna är en av anledningarna till varför utmattningsbrott uppstår i lödfogarna. Säkerhetskraven för fordonselektroniken är också höga för att varken förare eller andra medtrafikanter får komma till skada när eventuella systemfel inträffar. Enligt RoHS (Restriction of the use of certain Hazardous substances in electrical and Electronic Equipment) i EU-direktivet förbjuds eller begränsas användningen av bland annat bly (Pb) i elektriska och elektroniska konsumentprodukter. ELV-direktivet (End of Life Vehicles) reglerar på motsvarande sätt användningen i fordon. Ett av de viktigaste områden som har påverkats av RoHS och ELV är lödning av elektronik då lödtenn tidigare innehöll bly för att få lägre smältpunkt och lite mjukare lödpunkt. Traditionellt lödtenn (SnPb) består av ca 60 % tenn och 40 % bly och lödtennet har smälttemperatur mellan grader. I dag finns det flera blyfria alternativa lod men bland de populäraste är SnAgCu (SAC305) med ca 96,5 % tenn, 3 % silver och 0,5 % koppar vanligast. SAC har egenskaper som påminner om SnPb men smälttemperaturen är 217 C. En annan nackdel med SAC-legeringen är att den har sämre vätningsförmåga. Legerinsgsammansättningen har medfört att smälttemperaturen har ökat markant och det ställer till med diverse problem för elektroniktillverkarna [1]. Omställning till blyfri lödning kan medföra försämrad tillförlitlighet för produkter med komplexa kretskort. Eftersom smältpunkten för blyfria lod är högre jämfört med tenn-bly lod utsätts mönsterkorten för betydligt större stress än tidigare och påverkar kretskortet på ett flertal olika sätt, exempelvis som sprödbrott i lödfogarna. När lödtemperaturen ökar mjuknar epoxiplasten. Den temperatur som epoxiplasten börjar mjukna vid kallas glasomvandlingstemperatur (Tg) och de mekaniska egenskaparna hos plasten blir sämre vid höga temperaturer. Delaminering mellan epoxi och glasfiberarmering och mellan epoxi och kopparlagren är en typ av fel som kan uppstå. Detta medför risk för t ex avbrott i kretskortet. En annan typ av fel är avbrott i vior. (Se bild 1). Man vill ha kretskort med hög Tg eftersom den högre lödtemperaturen medför ökad påfrestning på viorna [2]. Alternativt vill man ha kretskortsmaterial med låg temperaturutvidgning över Tg. Ofta har material med hög Tg en kraftig ökning av temperaturutvidgningen ovanför Tg. På grund av t.ex. påslag och avslag av utrustning, årstidsvariationer eller driftsmiljö uppstår olika temperaturvariationer som ställer lodet på enorma prov. Eftersom mönsterkortet och de påmonterade komponenterna har olika längdutvidgning uppkommer då påfrestningar och själva 8

9 fogen drabbas av förskjutning. Denna förskjutning är tecken på att lodets mikrostruktur är nerbruten och denna nedbrytning kan sedan orsaka sprickor i lödfogen [3]. Bild 2.1. Avbrott i vior 9

10 3 Tillförlitligheten av förbindningarna hos lödda kretskort Styrenheter för motor och växellåda utsätts normalt för kraftiga temperaturförändringar och höga vibrationsnivåer. Temperaturen kan variera mellan C och - 40 C. Dessa variationer i temperaturen leder till stora mekaniska spänningar hos komponenter både i plastkapslar och keramiska kapslar, liksom dess mönsterkort samt i lodet på ett lött kretskort p.g.a. stora skillnader i de termiska längdutvidgningskoefficienterna. Ju tjockare en lödfog är desto högre dragspänning framkallas, eftersom benen på komponenten expanderar mer än resten av komponenten. Å andra sidan tunna lödfogar är väldigt spröda. Sprödbrott uppstår normalt i det intermetalliska skiktet, vilket utvidgas under temperaturväxlingar. Detta är största anledningen till varför tunna lödfogar är sprödare. De höga temperaturerna leder till lägre hållfasthet hos lodmaterialet. Testning av lödda fogar har visat att temperaturväxlingar leder till termiska utmattningssprickor i lodet. Den låga tillförlitligheten och livslängden hos lödfogar beror just på detta fenomen. Lödning av material sker vid minst 215 C och den eutektiska stelningen sker vid 183 C. Vid denna temperatur utvidgas ändarna på benen mer än resterande komponentdelar. Anledningen till varför detta sker beror på att mönsterkortet värms upp mer än komponenterna, vilket orsakar dragspänningar på lödfogarna vid svalning. I stora komponenter kan dessa spänningar, i vissa fall, leda till plastisk deformation hos fogarna. Som nämnt tidigare, temperaturförändringar bidrar till att framkalla spänningar i lödfogarna, som i sin tur ger upphov till materialkrypning. Olika lödanslutningar till en IC-krets ligger på olika avstånd från centrum av kapseln och utsätts därför för olika dragspänningar eftersom temperaturen i en komponent varierar på olika delar i komponenten. Lödfogar som hamnar i hörnen på en IC-krets går normalt sönder först. En större diagonal leder till större risk för skjuvning hos lödfogarna, eftersom antalet lödfogar oftast ökar med ökad komponent storlek [4]. Tillförlitligheten i ett system kan höjas genom att minimera antalet lödfogar, vilket kan åtgärdas via en begränsning av antalet IC-kretsar i ett system. 3.1 Montering av olika komponenter hos lödda kretskort Tabell 3.1: En jämförelse av egenskaperna mellan två typer av kapslar. Komponent Fördel Nackdel Keramisk kapsel 1) Tål fukt Plastkapsel 2) Ger lägre termisk resistans än plast. 1) Är enklare att hantera och montera. 2) Är smidigare att hantera under testning. 1) Kan släppa in fukt. 2) Har högre termisk resistans än keramisk kapsel. 10

11 3.2 Haveriorsaker hos lödda förbindningar Spröda intermetalliska faser bildas när tenn-bly lod kombineras med mönsterkort och komponentben som är gjorda av koppar. Faserna bildas under lödningen samt växer i tjockleken vid användning. Faserna skiljs ut vid gränsytan mellan koppar och lod. Utmattningssprickorna som brukar uppstå i lödfogarna växer längst denna separering. För att undvika inlösning av koppar brukar man oftast belägga den med ett skyddsskikt såsom guld på nickel. Bildning av de intermetalliska faserna kombinerat med korntillväxten av tennfasen ger minskad hållfasthet hos lödfogarna vid användning i höga temperaturer [4]. 3.3 Längdutvidgning Alla fasta kroppar utvidgar sig både i volym och i längd när de värms upp och krymper när de kyls ner. Graden av längdutvidgning är olika stor vid olika temperaturer dvs. att den är direkt proportionell mot temperaturen. Varje ämne har egen längdutvidgningskoefficient som anger hur mycket ämnet utvidgar sig per ökning av grad i Celsius (se tabellen nedan). För att undvika sprickbildningar bör man inte blanda ihop material som har alltför olika längdutvidgningskoefficient [5]. Tabell 3.2: Längdutvidgningskoefficient för olika material Material Längdutvidgningskoefficient (ppm/ C) Kapsel Lod Mönsterkort Keramik 10 Epoxy FR4 13 Det går att räkna fram förlängningen för ett material om ursprungliga längden och temperaturförändringen är känd. L = L O + ΔL ΔL = a L O ΔT Där L = Ny längd (m), ΔL = Förlängning (m), L o = Ursprungslängd (m), ΔT = Temperaturändring ( C) och a = Längdutvidgningskoefficient ( C -1 ). T.ex. beräkning av förlängning hos en keramik kondensator med en temperaturändring på 180 C motsvarar ΔL = a L O ΔT = (10x10-6 ) (30x10-3 ) (180) = 54x10-6 m Medan förlängningen hos ett FR-4 kretskort med ΔT på 240 C blir ΔL = a L O ΔT = (13x10-6 ) (30x10-3 ) (240) = 93,6x10-6 m 11

12 d.v.s. förlängningen hos kretskortet är nästan dubbelt så stort som förlängningen hos en keramik kondensator. 12

13 4 Brottmekanismer 4.1 Sprödbrott i lödfogar Faktorer som kan leda till mekanisk belastning och därmed sprödbrott är hastiga temperaturändringar, böjning av kretskort vid hantering och testing, chock och vibrationer. Sprödbrott kan t.ex. uppstå under svalning efter lödning, när det varma stelnade lodet kallnar och krymper ihop. Bild 4.1 visar ett sådant brott. Sprödbrott uppstår i lödfogar till benlösa komponenter där förbindningen mellan kretskort och komponent helt består av lod (se bild 4.1). Lödfogarna är mest känsliga för sprödbrott direkt efter lödprocessen. Man bör vara försiktig så att kretskorten inte böjs. Men den vanligaste orsaken till sprödbrott är dock att man tappar bärbara produkter. Sprödbrott är ett problem för lödfogar med tenn-bly. Tyvärr kommer risken för sprödbrott att öka med blyfri lödning p.g.a. att blyfria lödfogar är mindre elastiska. Bild 4.1: Lödfog till benlös komponent med sprödbrott 4.2 Utmattningsbrott Under drifttiden utsätts materialet för olika påkänningar såsom töjning och kompression. Detta leder till ökande skada hos materialet s.k. skjuvning. Dessa påkänningar har egentligen låg belastningsnivå på materialet, men när de inträffar periodiskt så ökar utmattningsskadan på materialet och det kan i sin tur leda till brott. Eftersom spänningarna ofta är högst på ytan startar ett utmattningsbrott vanligen på ytor [6]. Ett utmattningsbrott i en metall utvecklas i fyra faser: Sprickinitiering En mikrospricka bildas då kristallgitterfel rör sig mot inneslutningar. Mikrospricktillväxt Mikrosprickan tillväxer stegvis vid varje belastningscykel som utvecklas till en makrospricka. Makrospricktillväxt I denna fas tillväxer makrosprickan ytterligare. 13

14 Slutligt brott Detta sker då sprickan har nått kritisk storlek. Det slutliga brottet är ett sprödbrott och sker under en cykel. 4.3 Wöhlerkurva Utmattningshållfastigheten hos en komponent redovisas normalt i en Wöhlerkurva eller ett Wöhlerdiagram (se figur 4.1). Figur 4.1: Exempel på Wöhlerkurva En Wöhlerkurva visar hur materialets förmåga att ta upp laster förändras med antalet växande laster det utsätts för [7]. Utmattningshållfastheten ges ofta i form av ett Wöhlerdiagram som anger sambandet mellan amplituden (S) hos den oscillerande belastningen och livslängden (N) i antalet cykler. Den horisontella axeln är logaritmerad och anger antal lastcykler medan y-axeln visar lastamplitud. 14

15 5 Metaller 5.1 Bly (Pb) Bly är ett metalliskt grundämne som är beständigt mot luft och syror. Den är ganska mjuk, foglig och smidbar. Den elektriska resistansen är ganska hög hos bly vilket innebär att bly är en dålig elektrisk ledare. Bly är ganska motståndskraftigt mot korrosion och är effektiv som vibrationsdämpare. Metallen har en tendens att lagras i människokroppen där den kan orsaka njurskador samt kan skada nervsystemet. Bly har kokpunkt vid 1740 C och smältpunkt vid 327,5 C [5]. 5.2 Tenn (Sn) Tenn är en silvervit mjukmetall som är smidig och formbar. Metallen oxiderar inte med syre och kan inte angripas av vatten och luft. Detta gör att den kan användas för att skydda metaller mot korrosion. Tenn har en stor betydelse inom elektroniken, där den används som mekanisk och elektrisk förbindelse mellan komponenterna. Metallen används som komponent i olika legeringar som t.ex. lödtenn. Tenn har kokpunkt vid 2623 C och smältpunkt vid 232 C [5]. 5.3 Legering En legering är ett sammansatt material med metalliska egenskaper bestående av två eller flera grundämnen av vilka minst ett är en metall. Oftast är rena metaller för mjuka och saknar styrka för att kunna användas. Egenskaperna hos en legering däremot skiljer sig ifrån de rena metallernas som ingår i den. Beroende på vilken metall man legerar med kan hårdheten hos legeringen öka samt korrosionsmotståndet minska. Smältpunkten för legeringen är lägre än smältpunkten för de basämnen som ingår i den. Huruvida legeringen har lägre smältpunkt än båda basämnena eller enbart en av basämnena beror helt på grundämnenas halter. En annan karakteristik egenskap som försämras vid en legering är den elektriska ledningsförmågan. En viktig legering inom elektriska komponenter är lödtenn som består av bly och tenn. Dessa metaller är ömsesidigt lösliga i varandra. Tenn har smältpunkt vid 232 C och bly har smältpunkten 327,5 C. Om temperaturen är tillräckligt hög smälter såväl tennet som blyet. Om man lägger till mer av det ena ämnet så löses det i det andra intill en viss gräns, då lösningen har blivit mättad. I punkten där stelningen inleds i figur 5.2 börjar först blyet falla ut i en s.k. primär utskiljning. När temperaturen sjunker ytterligare i riktning mot eutektikum (se figur 5.2) faller både blyet och tennet ut. Utskiljningen av båda metallerna sker när ämnena innehåller en mättad lösning av varandra. Denna blandning kallas för den eutektiska blandningen, vilket talar om att man har kommit till systemets lägsta smälttemperatur. Den eutektiska blandningen av bly och tenn består av 38,1 % bly och 61,9 % tenn med en smältpunkt på 183 C. Legeringar som inte bildar en eutektisk blandning har inte en bestämd smältpunkt, utan smältningen sker inom ett temperaturintervall. 15

16 Legeringen lödtenn har en sammansättning som ligger nära eutektikum. Det vanligaste lödtennet är Sn60Pb40 som består av 60 % tenn och 40 % bly. Sn60Pb40 är helt flytande först vid temperaturen 191 C och har undre smältgräns vid 183 C. Högre tillsättning av tenn gör att det behövs högre temperaturer för att lödtennet ska bli helt flytande. Blandningen mellan 50 % bly och 50 % tenn blir helt flytande först vid 220 C men har fortfarande en smältpunkt på 183 C [5]. Tabell 5.1: Övre smälttemperatur för bly och tenn legering med olika procentuellfördelning [8]. Bly (%) Tenn (%) Övre Smälttemperatur ( C) 16

17 17 Figur 5.1: Lödtennets fasdiagram

18 6 Fasdiagram En fas är ett kemiskt homogent område som enbart består av samma sorts atomgrupperingar i samma tillstånd. Ett fasdiagram är en grafisk skildring av ett systems faser under jämvikt som funktion av systemets variabler, vanligtvis sammansättning och temperatur. Ett fasdiagram ger upplysning om i vilket tillstånd jämviktssystemet befinner sig vid en given sammansättning och temperatur. Med andra ord, fasdiagram är ett elegant sätt att beskriva jämvikter mellan olika faser. Om man värmer upp en ren metall finner man att temperaturen stiger, men stannar upp vid smältpunkten. En fasomvandling från fast fas till smält fas har inträffat. I omvänd process dvs. när man låter metallen svalna finner man att temperaturen återigen förblir konstant under omvandlingsförloppet från smält fas till fast fas. Se svalningskurvorna A(t1) och B(t6) vänstra diagrammet i figuren nedan. Lägg märke till att temperaturen fortsätter att sjunka efter avslutad fasomvandling. För en legering dvs. en blandning av två metaller blir stelningsprocessen annorlunda. I det här fallet sker inte processen vid en konstant temperatur utan inom ett temperaturintervall. Se svalningskurvorna C och D i figur 6.1 vänstra diagrammet. Temperaturintervallet har två kritiska punkter. En temperatur när övergången till fast fas börjar (t2 och t4) och en temperatur när övergången till fast fas är avslutad (t3 och t5) [9]. Figur 6.1: Diagrammet till vänster visar svalningskurvorna för ren metall A och B och legeringarna C och D. Det högre diagrammet visar fasdiagrammet för alla legeringar mellan A och B. 18

19 Om man varierar sammansättningen på legeringarna kan dessa kritiska temperaturer binda samman till en kurva som sammanfattar punkter för begynnande stelning och fullbordad smältning, likvidus, och en kurva som beskriver punkter för fullbordad stelning och begynnande smältning, solidus. En legering som ligger mellan likvidus och solidus består alltså av två faser. Observera att alla fasdiagram förutsätter en fullständig koncentrationsutjämning. 6.1 Binära System Ett binärt system består av två komponenter och binära fasdiagram visar fasfördelningen för olika legeringar vid varierande temperaturer. Smältpunktsminimum Blandningslucka Figur 6.2: Illustration av uppkomsten av en blandningslucka I vissa fall där lösligheten mellan komponenterna i fast form inte är fullständig kan en blandningslucka bildas. Blandningsluckan kan växa till så höga temperaturer att den kolliderar med de ovanför liggande tvåfasområdena (se figur 6.2). 6.3 Binärt eutektiskt system Ett eutektiskt system är en sammansättning av två ämnen där smältpunkten är lägre än vad de rena komponenterna har. Detta beror på att de inte är lösliga i varandra vilket höjer energi nivån hos legeringen. Smältpunkten för legeringen blir lägre än smältpunkten för enskilda metallerna. Förhållandet mellan komponenterna i en legering bestäms utifrån den eutektiska punkten, vilket representeras av skärningspunkten mellan två likviduslinjerna. 19

20 Likvidus De röda linjerna representerar likvidus linjen som beskriver starttemperatur för stelnandet. S o l i d Eutektiska temperaturen visar den lägsta temperaturen för smälta. Eutektisk Eutektisk Soliduslinjen representerar stelning eller påbörjad smältning. Eutektiska punkten är den lägsta temperaturen som en blandning kan existera i flytande fas. Figur 6.3: Olika faser i ett binärt system [10]. 6.4 Ternära System I ternära system, till skillnad från binära system, består legeringen av tre komponenter. Halterna av sammansättningen av dessa ämnen redovisas i en liksidig triangel s.k. ternärt diagram. Figur 6.4: En enkel struktur av ett ternärt diagram I den punkten (se figur 6.4 ovan) där de tre linjerna sammanfaller kallas för den ternära eutektiska punkten. Linjerna a, b och c är, precis som i binära system, likvidus linjer. Ytan mellan C, a och b är en likvidusyta. En smälta med en sammansättning av A, B och C som landar här (på den likvidus linje som den röda pilen i figur 6.4 pekar på) under stelnandet utskiljer fasen C först. Avläsning av halterna av de tre olika komponenterna kan ske på två olika sätt. Den ena är att man har konstant förhållande mellan komponent A och B (se figur 6.5). Detta får man genom att dra en rät linje genom hörnet för C komponenten. 20

21 Figur 6.5: Uträkningsalternativ 1 - ett konstant förhållande mellan två komponenter I den andra avläsningen sätts A och B ihop till en binär legering vilket ger en ternär legering bestående av två komponenter nämligen A-B-legeringen och C komponenten. Halten C fås utav den räta linjen som går genom punkten och C-hörnet i samband med hävstångsregeln (se figur 6.6). Figur 6.6: Uträkningsalternativ 2 Legering A-B och komponent C. SAC (Sn Ag Cu) är en grupp av blyfria ternära legeringar som är populära inom lödning p.g.a. likartade egenskaper som SnPb. För närmare studering av en ternär SAC legering se diagrammet på nästa sida (figur 6.7). Sammansättningspunkterna för de olika kombinationerna av halter på komponenterna är givna i diagrammet. Observera att likviduslinjerna representeras av de linjer som går ihop och bildar den eutektiska punkten [11]. 21

22 22 Figur 6.7: SAC fasdiagram. Bilden är tagen från Engelmair W.

23 7 Provmetodik Den praktiska delen av kursgenomgången på SAAB Avitronics påbörjades med att deltagarna fick förbereda sina egna prover. Till laborationen användes 2 stycken ESA kretskort, 1 EBS kretskort och 1 COO6 koordinator. Provningsmetoderna som användes var Ultraljudsprovning och Penetrantprovning, men Penetrantprovning kommer inte att behandlas i detta examensarbete. 7.1 Oförstörande provning Ultraljudsmikroskopi, SAM Ett provobjekt sätts horisontellt i en provhållare och placeras i ett kärl fyllt med destillerat vatten. Vattnet har stor betydelse i denna process eftersom det är vattnet som kopplar ultraljudet mellan sändare-mottagare och objekt (se figur 7.3). Ultraljudsvågen sänds ut av sändaren genom materialet och sedan mäts ekot upp på mottagarsidan. Sändaren som skannar över objektet gör möjlig realtidsavbildning av blåsa, luftgap, por och delaminering genom reflektion eller transmission. Man använder ultraljudspulser mellan 15 Hz och 230 MHz. Vid ultraljudsprovning vill man sända ultraljud som leds bra i material och vätskor men inte i luft dvs. ultraljudsvågen ska totalreflekteras vid gränsytor mot luft. Man väljer därför ljud med hög frekvens. Den största fördelen med ultraljudsprovning med vatten är att man kan sända ljudvågorna i vilken vinkel man vill in mot den del som ska undersökas. Ett grovkornigt material försvagar ljudvågorna mer än ett finkornigt. För en fullvärdig penetration av materialet är det erforderligt att man använder lägre frekvens för grövre strukturerat material. Men med lägre frekvens försämras upplösningen för undersökningen. Detta gör att det blir svårare att upptäcka små fel på stort avstånd. Ultraljudsvågor är mekaniska vågor, dvs. vågen fortplantar sig i elastiska material genom att atomerna eller molekylerna svänger kring sitt jämviktsläge. Testerna genomfördes med Sonocan C-SAM, D-9000 Series (se figur 7.1). Vi använde 15 MHz frekvens vid försöken. Figur 7.1: Sonocan C-SAM, D-9000 Series 23

24 Transmitted puls from Reflected pulses Sample surface Burried interface Figur 7.2: Reflektion mellan olika impedanser Reflektionskoefficienten (R) och fasen (- eller +) bestäms utifrån impedans (Z) relationen på materialet vilket formar gränsytan. (+ -) R=(Z 2 -Z 1 )/(Z 1 +Z 2 ). Där Z 1 och Z 2 är impedanserna på första och andra materialet som formar gränsytan. Signal Transmitter Pulse Receiver Transducer Acoustic Lens Water Sample Figur 7.3: Schematisk avbildning på skanning av akustiska mikroskop. Frekvens omfånget ligger på Mhz och upplösningen ligger mellan µm. 24

25 Lateral resolution in depth (µm) Frequency MHz Ic-Packages Cracks, delaminations Ic-Die attach Thick film adhesion Film substrate interface stress, thichness adhesion cracks in SI-DIE Grain boundary 0 7 mm µm 0 3 µm Penetration depth Figur 7.4: Microelectronic oriented application guide to Scanning Acoustic Microscope 25

26 8 Metod Den praktiska delen av examensarbetet började med en kurs på Saab Avitronics i Järfälla. Därefter tillämpades arbetsmetodiken för detektering av sprickor på Scania Materialteknik. Slutligen, utifrån de analyserade resultaten, gjordes en utveckling och dokumentering av arbetsmetodik för provberedning av komponenter för detektering av sprickor. Denna metod är avsedd att underlätta arbetet inom sprickdetektering för efterföljande Scaniaarbetare. 8.1 Upplärning i provberedning och analysmetoder på SAAB Avitronics Den teoretiska påläsningen efterföljdes av två halvdagars utbildning på SAAB Avitronics. Väl på plats fick de valda lärlingarna en snabb utbildning i hur man provbereder kretskort för att sedan undersöka dem med mikroskop. Den första dagen, under handledning av SAABs erfarna instruktörer, fick Scanias personal lära sig att undersöka vilka komponenter i ett kretskort som har fått skada eller sprickor efter temperaturcykling eller vibrering. Denna undersökning gjordes med hjälp av ett optiskt mikroskop. De kretskort som undersöktes bestod av 2 stycken ESA, 1 st EBS och 1 st COO6 koordinator. Provprepareringen innehöll följande moment. Kapning Ingjutning Slipning Polering Samtliga moment i provpreparering genomfördes på Saab Avitronics elektronikprovningslaboratorium i Järfälla. Efter mikroskopundersökningen kapades de intressanta komponenterna i små bitar med en diamantskiva. Detta gjordes för att de små bitarna skulle passa in i provkopparna vid epoxiingjutningen. Målet här är att man vill åstadkomma en plan snittyta med så liten deformation som möjligt för att spara tid och underlätta nästa process. Valet av en skiva till en kapmaskin beror på hårdheten och duktiliteten på kretskortet. I vårt fall ansågs en diamantskiva vara mest lämplig De kapade proverna tvättades under några minuter med etanol i ultraljudstvätten. Etanol användes för att rengöra de små proven från t.ex. fett och smuts. De små proven bakades in i epoxi för att förbättra hanteringen. Det finns två olika tillgängliga tekniker för ingjutning, varmingjutning och kallingjutning. Kallingjutning är mer passande för våra prov eftersom proven är känsliga för värme och tryck. Dessutom tränger epoxin lättare in i provens håligheter. Sista steget var slipning och polering av provbiten för att uppnå en jämn yta som underlättar undersökningen. Under poleringssteget använder man poleringspasta som man själv breder ut på duken. Under alla stegen i processen fick kursdeltagarna instruktioner från SAABs personal angående t.ex. hur mycket man ska slipa, polera osv. Allt kördes efter känsla, dvs. det fanns inget fast schema som man körde efter. 26

27 8.2 Tillämpning av arbetsmetodik När utbildningen på SAAB var över var det dags att tillämpa de nyvunna kunskaperna på Scanias laboratorium. För att tiden på SAAB inte skulle vara bortkastad ville man utveckla en så när som exakt arbetsmetodik på hur man provbereder ett kretskort, dvs. exakta mått och tider. Skillnaden mellan SAABs arbetssätt och Scanias var att under poleringen sprejade man smörjpastan på duken istället för att bre ut den som på SAAB Utrustning För att det ska vara möjligt att tillämpa de nya kunskaperna från inlärningen på SAAB Avitronics var det nödvändigt att köpa in ny utrustning till Scanias laboratorium. Den utrustning som behövdes för att kunna fullfölja examensarbetet, men som ej var tillgänglig på Scania eller var utsliten var: 2 st gummiringar för tätning av vakuummaskinen Kork till vakuummaskinen Lock till vakuummaskinen Epofix bas och härdare för kallingjutning 12 st runda multiformer (provkoppar) med en diameter på 40 mm och 1 st rektangulär multiform En kakelkapmaskin En matta för jordning Provberedning Till provberedningen användes sex stycken lackade (kretskort lackas för att skydda dem mot bl.a. fukt och smuts) COO7 koordinatorer, varav tre stycken var blyfria. Anledningen till varför man använde både blyade och blyfria är att man ville göra en jämförelse av känsligheten. Två av de sex koordinatorerna (en blyfri samt en blyad) var temperaturcyklade, två var både temperatur- och vibreringscyklade. De resterande var ej cyklade. De både temperaturcyklade och vibrerade kretskorten användes aldrig i undersökningen därför att grova sprickor upptäcktes redan i de temperaturcyklade. Anledningen till varför man använde sex koordinatorer var att man inte trodde att sprickor var möjliga att upptäcka endast efter att enbart ha temperaturcyklat dem. 27

28 Bild 8.1: En koordinator. Provberedning består av 6 steg: 1. Optisk mikroskopundersökning 2. Kapning 3. Ultraljudstvättning 4. Ingjutning 5. Slipning 6. Polering Optisk mikroskopundersökning De första koordinatorerna (en blyfri och en blyad) som undersöktes var de temperaturcyklade och därefter den icke cyklade blyfria koordinatorn. Provberedningen började med att först undersöka koordinatorerna med ett optiskt mikroskop med en 6.3x förstoring, för att ta reda på huruvida lacken hade lossnat eller spruckit. Hittar man en spricka i lacken så kan det innebära att komponenterna har rört på sig och att en spricka uppkommit. Grova lacksprickor upptäcktes redan efter temperaturcyklingen, vilket kan bero på att dessa hade temperaturcyklats under en längre period. Samma fyra komponenter, med grova lacksprickor, valdes från varje kretskort (se bild 8.2 på nästa sida) för vidare undersökning Kapning Nästa steg i undersökningen var att kapa kretskorten för att få ut de valda komponenterna: IC6002/IC6003, R5059, RN30251 (2003) och IC6001 (BGA). Tabell 8.1: De valda komponenterna K1 K2 K3 K4 IC6002/IC6003 R5059 RN30251 (2003) IC6001 (BGA) 28

29 Jag valde dessa komponenter för att R5059 och RN30251 hade stora lacksprickor. De resterande två, IC6001 och IC6002, är stora komponenter med många lödfogar och vanligtvis är det dessa som utsätts för de största påfrestningarna. Framöver kommer dessa komponenter att refereras till som K1, K2, K3 och respektive K4. Kretskorten kapades med kakelkapmaskin och en SANKO SM-Y7 diamantkapklinga med måtten 180x25.4x1.6 mm. Anledningen till varför kretskorten kapades i små bitar var för att de intressanta komponenterna ska få plats i provkopparna vid epoxiingjutningen. Komponenterna kapades med ca 3 mm marginal på den sida där lacksprickan detekterades. En mindre marginal skulle ha lett till många deformationer i närheten av komponenten och en större skulle ha inneburit mer slipning, vilket är tidsödande. Bild 8.2: De fyra kapade komponenterna, IC6002 (K1), R5059 (K2), RN30251 (K3) och IC6001 (K4) respektive. 29

30 Bild 8.3: Kakelkapmaskin med ett kretskort redo för kapning. 30

31 31 Figur 8.1: Kretskortslayout. De komponenter som användes för provberedningen är markerade med rött (forts.på).

32 32

33 Ultraljudstvätt De kapade proverna tvättades med etanol i ultraljudstvätten i 5 min, för att få bort fett och smuts. Bild 8.4: Maskin för ultraljudstvätt, Branson Ingjutning Följande steg var att kallingjuta proverna i epoxi för att underlätta hanteringen. Provbiten placerades mitt på botten på multiformen (ingjutningsform, provkopp) som har en diameter på 40 mm. För att få provbiten fixerad mitt på botten användes en dubbelsidig tejp. Clips användes för att stabilisera provbiten. Därefter ställdes multiformen i vakuumkammaren där trycket ställdes till mbar. Epoxibas och härdare blandades ihop i en bägare enligt tillverkarens föreskrifter. Blandningen rördes om långsamt i totalt ca 5-6 min. Efter andra minuten värmdes lösningen upp (med hjälp av hårtork) i ca 1-2 min under fortsatt omrörning. Efter omrörning placerades bägaren i en hållare intill vakuumkammaren. En slang gick från bägarens botten till proverna i vakuumkammaren. Slangen hölls stängd med ett kläm-reglage under vakuum, men denna öppnades efter ca 5 min och därvid fylldes multiformen med epoxilösningen (en ny slang används vid varje tillfälle). För att avlägsna eventuella bubblor cyklades trycket i 6 omgångar. Därefter återställdes trycket till atmosfärstryck och provet fick härda i ca 15 timmar. I det fall där multiformen inte hunnit stelna helt efter 15 timmar ställdes denna i en ugn på 80 grader i min. Bild 8.5: Epovac för kallingjutning. 33

34 Slipning Innan provkutsarna undersöks med mikroskop måste dessa slipas och poleras för att de ska få en plan och reflektiv yta [12] [13]. Slipning sker normalt i tre steg: grov-, mellan-, och finslipning. Med grovslipning tar man bort de översta skikten väldigt effektivt, d.v.s. slippappret slipar bort skikten väldigt snabbt p.g.a. de grova kornen. Mellanslipning, som är en mildare slipning, tar bort slipspår och förbereder finslipning. Finslipning är väldigt mild, vilket ger en fin och slät yta med minimal deformation som är möjlig att få bort med polering [13]. All slipning sker under vattenflöde. Slippapper sorteras efter antalet korn som finns fastlimmade på pappret. Lägre tal grövre papper. Det produceras slippapper med korn 12 och upp till korn Slipning tar bort skadat ytmaterial men samtidigt orsakar den en ny mängd begränsad deformation som kan tas bort med polering [14]. De färdigingjutna kutsarna grovslipades till en början med SiC (Kiselkarbid) grovslippapper (P120). 1,22-1,55 mm material slipades bort på den intressanta ändan av provexemplaret med ett tryck från en vanlig byggd mans kraft. Under slipningen vrids provbiten i 90 grader efter vardera tryckning tills man gått runt ett helt varv på 360 grader. Beroende på hur exakt kapning gjordes kunde antalet varv varieras. Men lyckas man kapa exakt 3 mm från den intressanta ändan bör 6-8 varv räcka vid användning av nytt slippapper. Bild 8.6: (Vänster bild) Maskin för grovslipning, Buehler Supermet Grinder. (Höger bild) Maskin för mellan- och finslipning, Buehler Phoenix Alpha. Grovslipning följs av mellanslipning. Under det steget slipas materialet återigen med en kraft från en vanlig byggd man, men med varierande antal korn på slippapper. De korn som användes var SiC 240 (0,22-1,00 mm), 320 (0,26-0,40 mm), 400 (0,10-0,50 mm) och 600 (0,10-0,33 mm). För finslipning upprepades samma procedur som tidigare men med SiC 1200 (0,03-0,22 mm). För mer detaljerade beskrivning av de olika stegen se tabell 8.1 på nästa sida. 34

35 Tabell 8.2: Uppmätta avverkningsdjup för 3 olika koordinatorer: a) Blyfri temperaturcyklad koordinator. Komponent Kutsens tjocklek (mm) P120 (mm) 240 (mm) 320 (mm) 400 (mm) 600 (mm) 1200 (mm) K1 22,95 1,55 0,22 0,26 0,39 0,20 0,03 K2 23,81 1,22 0,50 0,36 0,28 0,21 0,14 K3 24,00 1,60 1,00 0,40 0,10 0,10 0,22 K4 23,98 1,21 0,41 0,09 0,50 0,33 0,22 b) Blyad temperaturcyklad koordinator CVG Komponent Kutsens tjocklek (mm) Grovslipning (mm) 240 (mm) 320 (mm) 400 (mm) 600 (mm) 1200 (mm) K1 26,52 1,31 0,57 0,41 0,33 0,65 0,19 K2 23,04 1,40 0,60 0,48 0,28 0,46 0,19 K3 24,68 1,56 0,52 0,38 0,37 0,15 0,20 K4 24,75 1,75 0,60 0,40 0,34 0,41 0,15 c) Blyfri ej testad koordinator. Kutsens Grovslipning Komponent tjocklek (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) K3 22,55 1,45 0,67 0,46 0,31 0,66 0, Polering Med polering tar man bort skador som uppkommit under tidigare steg genom att använda finare slippartiklar [13]. Poleringen kan delas upp i två steg: Diamantpolering och Oxidpolering Notera att inget vatten användes under poleringssteget. Till diamantslipning sprejar man diamantsuspension och smörjmedel (DP-Lubricant) Blue på poleringsduken och till oxidpoleringen använder man smörjmedel. Under utförandet av examensarbetet på Scania användes Buehlers polermaskin Phoenix 4000 för poleringssteget. Maskinen består av en roterande poleringsduk, som är utbytbar, och en justerbar provhållare. Både polerduken och provhållaren kan ställas in så att de roterar antingen medurs eller moturs beroende på om man vill att båda delarna ska snurra åt samma riktning eller åt olika riktningar. En poleringsduk kan variera i elasticitet och hur hög elasticitet man väljer beror på materialet som ska poleras. Likaså gäller för smörjmedlet. Det finns medel med låg viskositet och medel med hög viskositet. 35

36 Bild 8.7: Poleringsmaskin, Phoenix 4000 Buehler. Diamantpolering: Som nämnt ovan, användes diamantpasta och DP-Lubricant Blue till diamantpoleringen. Poleringen skedde i flera understeg där man ändrade viskositetsgraden på diamantpastan för att uppnå en finare yta. Graden på smörjmedel som användes under utförandet varierade mellan 9µm och en kraft på 32 lbs (1 lbs = 4,448 Newton) samt 1µm och 26 lbs. För mer detaljerad information om hur de olika stegen i utförandet gick till hänvisas till figur 8.2. Oxidpolering: Till oxidpoleringen användes OP-S Suspension och kraften 19 lbs. Detta är sista steget i poleringen och görs i syftet att ta bort eventuella uppkomna skador under experimentets gång för att få bra kvalité på ytan. Oxidpoleringen har en svagt etsande effekt på lod, vilket gör att mikrostrukturen framträder tydligare. 36

37 a) b) Bild 8.8: 50 x förstorning av IC6001. Bilderna a och b visar skillnaden mellan en komponent som är endast diamantpolerat och en komponent som är både diamant- och oxidpolerat, a) respektive b). Bild 8.8b har finare yta men denna påverkar inte upptäckten av sprickor. De olika faserna i lodet framträder däremot tydligare efter oxidpolering. 37

38 38 Bild 8.9: Slipade samt polerade kutsar.

39 Steg 1 Diamantpolering Steg 2 Diamantpolering Figur 8.2: Poleringsschema. Steg 3 Diamantpolering Oxidpolering 39

40 9 SEM Undersökning Bild 9.1:Temperaturcyklad blyfri 40

41 Graferna nedan visar resultat från energidispersiv röntgenspektroskopi, EDX 1. SEM undersökningen visar att denna partikel (punkt ett på bild 9.1) är tennrik, men tennet kommer från grundmassan i lodet och inte från partikeln själv. Anledningen till varför tennet är så synligt kan bero på att partikeln är väldigt tunn vilket leder till att grundmassan lyser igenom. Aluminiumtoppen representerar rester av aluminiumoxid från OPS (oxidpolering). 2. Punkt 2 på bild 4.1 innehåller mest tenn men det förekommer även en del silver och koppar. 3. Punkt 3 på bild 4.1 är både silver- och tennrik (Ag3Sn). 41

42 4. Punkt 4 på bild 4.1 innehåller både tenn och koppar (Cu6Sn5). 5. Punkt 5 på bild 4.1 är ett kopparrikt område. 6. Punkt 6 på bild 4.1 är också ett kopparrikt område. 42

43 a) Temperaturcyklad och vibrerad blyad (ljusoptisk mikroskopbild) b) Temperaturcyklad och vibrerad blyad (SEM-bild) Bild 9.2: Två bilder på samma lod, a) tagen med ljusoptiskt mikroskop och b) med SEM. 43

44 1. Punkt 1 på bild 9.2a är tenn. 2. Punkt 2 på bild 9.2a är ett bly- och tennrikt område, eftersom den markerar gränsen mellan bly och tenn. 3. Punkt 3 på bild 9.2a är α-pb, vilken innehåller upp till 19 % Sn. 44

45 10 Resultat I det här kapitlet ska resultaten för sprickdetektering presenteras. För att kunna avgöra huruvida en spricka har uppkommit undersöktes kutsarna med ett ljuoptiskt mikroskop Mikroskopundersökning av kutsar Bild 10.1: Bilden ovan är en BGA komponent (K4) med över 400 lodkulor. BGAkomponenter är komponenter som saknar ben och löds fast i kretskortet via små metalliska kulor. Figur 10.1: Den gröna linjen markerar snittytan med betraktningsvinkel i den blåa pilens riktning. 45

46 Temperaturcyklad och vibrerad blyfri Bild 10.2: Närmare bild på en BGA lodkula som efter svalning har krympt ihop. På grund av inre spänningar har en spricka uppkommit, vilket har lett till deformationer på lodkulan efter svalning. Temperaturcyklad och vibrerad blyad Bild 10.3: Ett snitt genom en blyad BGA komponent som är temperaturcyklad och vibrerad. På bilderna ovan (bild ) har sprickor uppkommit på både den blyade och den blyfria lodkulan. 46

47 Bild 10.4: Bilden till vänster är den valda resistorn R5059 (K2). De röda pilarna visar där det finns lacksprickor. Figur 10.2: Den gröna linjen markerar snittytan med betraktningsvinkel i den blåa pilens riktning. 47

48 Temperaturcyklad blyfri Temperaturcyklad blyad Bild 10.5: Bilderna ovan representerar samma komponent (K2) med enda skillnaden att den översta är blyfri och den nedersta blyad. På den blyfria komponenten har det uppkommit en grov spricka medan på den blyade komponenten är sprickan liten. Men på bild 10.6 på följande sida uppstår det motsatta fenomenet med samma komponent som är temperaturcyklad och vibrerad. 48

49 Temperaturcyklad och vibrerad blyfri Temperaturcyklad och vibrerad blyad Bild 10.6: Komponent K2, temperaturcyklad och vibrerad. 49

50 Bild 10.7: Det här är komponent RN30251 (K3) består av 4 resistorer i en plastkåpa. Figur 10.3: Den gröna linjen markerar snittytan med betraktningsvinkel i den blåa pilens riktning. 50

51 Temperaturcyklad blyad Temperaturcyklad blyfri Bild 10.8: Ett ytterligare exempel på en temperaturcyklad komponent (RN30251, K3) där den blyfria komponenten har grövre sprickor än den blyade. Precis som tidigare, på följande sida, bild 10.9, har den blyade temperaturcyklade och vibrerade komponenten en grövre spricka jämfört med den blyfria. 51

52 Temperaturcyklad och vibrerad blyfri Temperaturcyklad och vibrerad blyad Bild 10.9: Temperaturcyklad och vibrerad K3. 52

53 Bild 10.10: K1 är en komponent med många ben. Figur 10.4: Den gröna linjen markerar snittytan med betraktningsvinkel i den blåa pilens riktning. 53

54 Temperaturcyklad blyfri Temperaturcyklad blyad Bild 10.11a: Vänster ben på komponent K1 som är endast temperaturcyklad. 54

55 Temperaturcyklad blyfri Temperaturcyklad blyad Bild 10.11b: Höger ben på komponent K1. På dem här benade lödfogarna hittades inga sprickor. Anledningen är att dessa är elastiska och klarar sig därför bättre än övriga lödfogar när de utsätts för temperaturväxlingar. 55

56 10.2 Beräkningar Tabell 10.1: Medelvärde för de olika slipstegen. Grovslipning (mm) 240 (mm) 320 (mm) 400 (mm) 600 (mm) 1200 (mm) Summa 1,55 0,22 0,26 0,39 0,20 0,03 1,22 0,50 0,36 0,28 0,21 0,14 1,60 1,00 0,40 0,10 0,10 0,22 1,21 0,41 0,09 0,50 0,33 0,22 1,31 0,57 0,41 0,33 0,65 0,19 1,40 0,60 0,48 0,28 0,46 0,19 1,56 0,52 0,38 0,37 0,15 0,20 1,75 0,60 0,40 0,34 0,41 0,15 1,45 0,67 0,46 0,31 0,66 0,42 Medelvärde 1,45 0,57 0,36 0,32 0,35 0,20 3,25 I tabell 10.1 har ett medelvärde räknats ut för varje enskilt slipsteg. I tabell 10.2 har en standardavvikelse räknats ut för varje enskilt slipsteg, sedan har standardavvikelsen räknats ut kolumnvis mellan de 5 första slipstegen och sjätte slipsteget. Alla värden överstiger 0.05 och ger därför inget statistiskt värdefullt resultat. Tabell 10.2: Standardavvikelse för de olika slipstegen. Grovslipning 240 (mm) 320 (mm) 400 (mm) 600 (mm) 1200 (mm) 1,55 0,22 0,26 0,39 0,20 0,03 1,22 0,50 0,36 0,28 0,21 0,14 1,60 1,00 0,40 0,10 0,10 0,22 1,21 0,41 0,09 0,50 0,33 0,22 1,31 0,57 0,41 0,33 0,65 0,19 1,40 0,60 0,48 0,28 0,46 0,19 1,56 0,52 0,38 0,37 0,15 0,20 1,75 0,60 0,40 0,34 0,41 0,15 1,45 0,67 0,46 0,31 0,66 0,42 Standard avvikelse 0,183 0,210 0,119 0,214 0,208 0,103 SD kolumnvis med sista kolumnen 0,661 0,249 0,137 0,121 0,178 56

57 11 Diskussion Resultaten från de studerade koordinator-kretskorten tyder på att: Sprickor uppkommer i samma utsträckning på både blyade och blyfria lödfogar. Kretskorten har temperaturcyklats för länge. För litet statistiskt underlag för att kunna dra en säker slutsats. Grova sprickor upptäcktes i både blyade och blyfria lödfogar och därför kan man inte entydigt avgöra om den ena är bättre än den andra. Sedan är det så att grova lacksprickor hittades på samtliga kretskort redan innan provberedningen, vilket innebar att kretskorten hade temperaturcyklats för länge. Av den anledningen kunde man inte avgöra vilken typ av lod som börjar spricka först, den blyade eller den blyfria. Men vi lyckades ändå utveckla en provberedningsmetod som fungerar och är anpassad till Scanias utrustning, vilket var en av uppdragets uppgifter. Utöver det, ingen av de kretskort som undersöktes var den andra lik, därför kunde man inte få statistiskt underlag för de uppnådda resultaten. För att få mer pålitliga resultat kan man i framtida projekt undersöka flera identiska kretskort, t.ex. 6 stycken temperaturcyklade blyade koordinatorer och 6 stycken temperaturcyklade blyfria koordinatorer. På det viset kan man få bättre underlag för sina resultat även om man gör en jämförelse mellan blyade och blyfria lödfogar. Ett alternativt förslag kan vara att man undersöker när en spricka uppkommer, dvs. efter hur många temperaturcykler. Även här kan man göra en jämförelse mellan blyade och blyfria i känslighet. 57

58 12 Referenser [1] Dec. 2001, Blyfria lod är inget nytt [2] April 2006, Blyfri elektronik kan orsaka försämrad tillförlitlighet [3] Forskningscentrum 2006, Blyfri lödning av elektronik [4] Magnus Bergström, Scania 1997, Bedömning av tillförlitligheten av förbindningarna hos lödda kretskort. [5] [6] Christer Olsson, Scania 2005, Utmattning av Lastbilskomponenter [7] [8] Umeå Universitet [9] Erik Ullman, 1997, Materiallära. [10] Anders Eliasson, KTH [11] Fasdiagramlära, KTH 1991 [12] Augusti 2009, Instrument & Calibration Sweden AB [13] Augusti 2009, Struers [14] Augusti 2009, ViiVilla 58

59 Bilaga 1- Kapning, Ultraljudstvätt och Kallingjutning 1. Kapa kretskortet i små bitar med ca 3 mm marginal på den intressanta sidan för att få ut de valde komponenterna. 2. Placera de kapade proverna i en glasbägare och fyll på med etanol tills etanolen ligger lite ovanför provnivån. 3. Placera glasbägaren i ultraljudstvätten och tvätta proverna i 5 min. 4. Torka de tvättade proverna med hårtork. 5. Placera provbiten mitt på botten på multiformen med den intressanta sidan mot botten. 6. Använd en dubbelsidig tejp och clips för att stabilisera provbiten på botten på multiformen. 7. Använd skyddshandskar. Viktigt! 8. Blanda ihop Epoxibas och härdare i en bägare enligt tillverkarens föreskrift. Tex. Struers Epofix bas och härdare med ett förhållande på 25:3 g. För 4 kutsar kan man blanda 125 g Epofix bas med 15 g härdare. 9. Rör om blandningen långsamt i totalt 5-6 min. Efter andra minuten värm upp lösningen med hjälp av hårtork i 1-2 min under omrörning. 10. Efter omrörning placera bägaren i en hållare intill vakuumkammare. 11. Ställ multiformen i vakuumkammaren. 12. Sätt på vakuumkammaren och kontrollera att klämreglaget klämmer slangen ordentligt. 13. Vänta tills trycket sjunker till mbar. Efter att trycket sjunkit tillräckligt öppna klämreglaget långsamt och fyll multiformen med epoxilösningen. 14. Sätt vakuumkammaren på och av (cykla) i ca 6 omgångar. Efter sista cyklingen återställ trycket till atmosfärstryck. 15. Härda i cirka 15 timmar. 16. Om provet inte har hunnit stelna helt efter 15 timmar, ställ provet i en ung på 80 grader i min. 59

60 Bilaga 2 - Slipning Grovslipning (SIC 120) Mellanslipning (SIC 240, 320, 400, 600) Finslipning (SIC 1200) 60