Starzenie się połączeń lutowniczych i metody testowania
Żywotność wszelkich systemów technicznych zazwyczaj przebiega zgodnie z typową krzywą: po krótkim okresie wczesnych awarii, głównie spowodowanych procesem produkcyjnym, następuje dłuższy okres awarii stricte losowych, przy czym wskaźnik awaryjności jest w tym okresie dość niski. Następnie, wskaźnik awaryjności ponownie rośnie, co wynika ze zmęczenia systemu (co powinno następować dopiero po zakończeniu planowanego okresu eksploatacji). Jest to duże wyzwanie w procesie projektowania i rozwoju nowych produktów, ponieważ koniec cyklu życia jest zazwyczaj odległy, a testy mogą nie odzwierciedlać idealnie rzeczywistych warunków.
STARZENIE SIĘ POŁĄCZEŃ LUTOWANYCH
Układy elektroniczne składają się z wielu komponentów i materiałów, których żywotność jest ograniczona z różnych powodów. Starzenie się jednolitych materiałów jest zazwyczaj spowodowane utlenianiem, korozją i migracją, ale także rozrostem ziaren lub polimeryzacją pod wpływem temperatury, natężenia pola elektrycznego, czasu i wilgotności. Natomiast w przypadku połączeń materiałowych ważną rolę w starzeniu odgrywa interakcja materiałów. Różne moduły Younga (parametr opisujący sprężystość materiału) lub współczynniki rozszerzalności cieplnej mogą prowadzić do naprężeń mechanicznych, a różne czynniki mogą powodować dyfuzję materiału i wzrost faz międzymateriałowych. Z tych względów, w tak złożonym systemie, test przyspieszonego starzenia nie może uwzględniać wszystkich mechanizmów starzenia w równym stopniu. Ważne jest, aby wiedzieć, jaki mechanizm awarii jest dominujący i jakie dokładnie czynniki go przyspieszają.
Rysunek 1. Połączenie między rezystorem chipowym CR2512 a płytką drukowaną po nagrzaniu do 125°C.
Rysunek 2. Odkształcenie plastyczne połączenia lutowanego w wyniku zmiany temperatury.
Rysunek 3. Test siły ścinającej rezystorów 1206 (SnCu0,7 na Cu/OSP) po powolnych cyklach temperaturowych (cykl = 90 min).
W przypadku urządzeń i systemów elektronicznych często zakłada się, że żywotność jest ograniczona głównie starzeniem się połączeń lutowanych. Nawet jeśli dopuszczalna temperatura pracy zespołu jest ograniczona temperaturą topnienia połączeń lutowanych, to nie ona ma główny wpływ na starzenie się połączeń lutowanych. Kluczowym czynnikiem jest spowodowane zmianami temperatury obciążenie mechaniczne połączeń, którego przyczyną jest różny współczynnik rozszerzalności cieplnej poszczególnych materiałów. Jeśli zespół zostanie podgrzany na przykład od temperatury pokojowej do 125°C, materiały rozszerzają się w różny sposób, co prowadzi do różnicy długości między elementem a płytką drukowaną (patrz rys. 1).
Różnica zakresu rozszerzania się zależy od użytych materiałów (w omawianym przykładzie jest to ceramika i FR4) oraz początkowej długości elementu (tu CR2512). W tym przykładzie różnica wynosi 6 mikronów przy całkowitej długości elementu wynoszącej 6,3 mm. W konsekwencji, powstałe naprężenia mechaniczne muszą zostać skompensowane przez odkształcenie dwóch połączeń lutowanych (w najlepszym przypadku oba połączenia powinny zapracować równomiernie, odpowiednio o 3 mikrony każde; patrz rys. 2).
Połączenia lutowane mają niewielką sprężystość, dlatego odkształcenie ma charakter plastycznego pełzania, aż do momentu całkowitego odprężenia. Przy każdej zmianie temperatury to plastyczne odkształcenie powtarza się ze zmiennymi wektorami, aż do momentu kiedy połączenie ulegnie zmęczeniu, struktura pęknie i ostatecznie ulegnie zniszczeniu. Nagrzewanie i chłodzenie może być spowodowane przez zmieniającą się utratę ciepła komponentów podczas włączania i wyłączania, ale także przez warunki zewnętrzne.
Podczas testów, starzenie się połączeń lutowanych jest symulowane zazwyczaj przez wykorzystanie cykli włączania i wyłączania przewidzianego podczas okresu eksploatacji (np. 3 lat), sekwencyjnie odtwarzanych przez pasywne nagrzewanie i chłodzenie w komorze klimatycznej. Malejącą stabilność połączeń lutowanych można następnie określić za pomocą badań niszczących i tzw. próby ścinania, jak w przykładzie na rysunku 3 dla 1000 cykli rezystora chipowego CR1206. Komora testowa wymaga 45 minut na zmianę temperatury między -20°C a +150°C dla testowanego zespołu, tak że pełny cykl trwa 90 minut, a wymagane 1000 cykli wymaga odpowiednio 2 miesięcy. Jest to wprawdzie znacznie krótszy czas niż planowany okres użytkowania, ale wciąż stosunkowo długi, aby zapewnić weryfikację niezawodności zespołu w fazie rozwoju.
MOŻLIWOŚCI PRZYSPIESZONEGO STARZENIA
Systemy techniczne związane z bezpieczeństwem wymagają zarówno stosowania dobrych praktyk zachowania żywotności, jak i przemyślanych metod testowania, które symulują przyspieszenie starzenia się systemu. Test przyspieszonego starzenia po kilku tygodniach lub dniach powinien dać pogląd na to, co złego może wydarzyć się w praktyce dopiero po kilku latach. Ponadto, bardziej rygorystyczne warunki testowe nie powinny wykazywać błędów, które są całkowicie nieistotne w danej aplikacji.
Istnieją różne sposoby przyspieszania testów starzeniowych. Wraz z rozszerzeniem badanego zakresu temperatur wzrasta wydłużenie badanych części, a tym samym proces starzenia staje się przyspieszone - uszkodzenie może zostać wywołane przy mniejszej liczbie cykli temperaturowych. Jednak ten rodzaj przyspieszenia ma swoje ograniczenia. Zakresu temperatur nie można rozszerzać w nieskończoność, ponieważ nie można przekroczyć ograniczeń temperaturowych materiałów (np. temperatura zeszklenia płytki drukowanej). Dla FR4 wynosi ona zazwyczaj od 130°C do 150°C. Powyżej tej temperatury działałyby zupełnie inne mechanizmy uszkodzenia, które nie są porównywalne z rzeczywistym obciążeniem. Szczególnie w zastosowaniach motoryzacyjnej i elektronice mocy rzeczywisty zakres temperatur pracy jest już maksymalny, tak więc nie ma realnych możliwości jego zwiększenia.
To samo dotyczy w zasadzie dolnej granicy temperatury. Poniżej 0,4 temperatury homologicznej (tj. 40% bezwzględnej temperatury topnienia) lutowia nie występują odkształcenie plastyczne w wyniku pełzania, występują natomiast kruche pęknięcia. W przypadku lutu SnAgCu temperatura ta wynosi około -77°C, ale w zastosowaniach wojskowych powszechnie stosuje się już temperatury do -55°C. Ponownie, dalsze przyspieszenie poprzez obniżenie temperatury poniżej tej wartości jest ograniczone.
Szybsze zmiany temperatury również mogą skrócić czas testu. Obecnie powszechnie stosowane są dwuizbowe komory testowe z mobilnym kontenerem, dzięki czemu czas nagrzewania i chłodzenia zależy praktycznie tylko od pojemności cieplnej modułu i współczynnika przenikania ciepła między powietrzem a badanym obiektem. W zależności od masy zespołu i różnicy temperatur, realne jest założenie około 15 minut na wyrównanie temperatur, tak że minimalny czas trwania jednego cyklu wynosi 30 minut i w praktyce jest niemal niemożliwy do osiągnięcia. W efekcie na 1000 cykli potrzeba co najmniej 3 tygodni.
Oczywiście istnieje też możliwość dalszego skrócenia czasu testu poprzez zwiększenie współczynnika przenikania ciepła za pomocą odpowiedniego medium testowego. Można to osiągnąć za pomocą wymuszonej konwekcji lub za pomocą medium ciekłego. Takie medium musi być również samo w sobie stabilne termicznie i powinno zachowywać się wobec zespołu obojętnie pod względem chemicznym. Medium w fazie gazowej jest tutaj odpowiednim, choć stosunkowo drogim rozwiązaniem. Czas testu można skrócić przy użyciu stosując dwukomorowy system z zastosowaniem płynnego medium do około 5 minut na cykl. Odpowiada to całkowitemu czasowi 4 dni dla 1000 cykli.
Żródło: COMPARISON OF ACTIVE AND PASSIVE TEMPERATURE CYCLING Institute for Electronic Appliances and Circuits Rostok, Niemcy
Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 19 marca 2026. Zapisz się tutaj!
