Disertační práce - České vysoké učení technické v Praze

Transkript

České vysoké učení technické v Praze
Fakulta elektrotechnická
Disertační práce
Červenec 2012
Ing. Pavel Žák
České vysoké učení technické v Praze
Fakulta elektrotechnická
Katedra elektrotechnologie
SPOLEHLIVOSTNÍ RIZIKA
BEZOLOVNATÝCH DRUHŮ
MONTÁŽE
Disertační práce
Ing. Pavel Žák
Praha, červenec 2012
Doktorský studijní program: Elektrotechnika a informatika
Studijní obor: Elektrotechnologie a materiály
Školitel: Doc. Ing. Ivan Kudláček, CSc.
v
Poděkování
Především děkuji svému školiteli Doc. Ing. Ivanu Kudláčkovi, CSc. za jeho trpělivost, podporu
a vedení v průběhu celého studia a za možnost spolupracovat na grantu EUREKA Σ 3517
BESTPRODUCT. Dále pak Ing. Kateřině Kreislové, Ph.D. za možnost spolupracovat na grantu
TA ČR 01031043. Můj dík patří i Doc. Ing. Janu Urbánkovi, CSc. za nasměrování na problematiku
cínových whiskerů.
V neposlední řadě velmi děkuji svým nejbližším za neutuchající podporu a trpělivost.
Anotace
Práce analyzuje současný pohled na spolehlivost elektrických zařízení, jeho změny vyvolané nejen
technickým a technologickým pokrokem posledních patnácti let a částečně i změnami v logistice
průmyslové výroby a snahou výrobců o trvalé snižování výrobních nákladů.
Největší technologickou změnou v současné elektrotechnické výrobě je přechod na bezolovnatou
technologii pájení i povrchových úprav všech částí elektrických zařízení v důsledku nezbytného
plnění požadavků směrnic EU RoHS i jejich pozdějších dodatků.
Na základě výsledků provedených experimentů jsou v práci hodnoceny technologické i spolehlivostní dopady tohoto legislativně vynuceného přechodu na technologie bezolovnaté montáže.
Dále jsou analyzovány dopady těchto technických a technologických změn na metodiky predikce
spolehlivosti produktů, hodnoceny možnosti jejích použití pro bezolovnaté technologie i možnosti
zvyšování spolehlivostních parametrů produktů s ohledem na změny výrobních nákladů.
Zároveň je v práci řešen nový a v současné době velmi aktuální vztah mezi problematikou spolehlivosti produktů, jejich ekologickými parametry a možnostmi následné recyklace. Na základě
experimentálních poznatků jsou analyzovány a následně formulovány nutné předpoklady vzniku
i realizace spolehlivého a současně ekologického produktu.
vii
Obsah
Termíny, definice, pojmy a zkratky
xxi
0 Úvod
1
1 Současný stav problematiky
5
1.1
Spolehlivost současné elektrotechnické produkce . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
1.2
Omezení používání některých nebezpečných látek v elektronických zařízeních . .
8
1.3
Přechod na bezolovnaté technologie montáže . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
1.3.1
Bezolovnaté pájky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
1.3.2
Elektricky vodivá lepidla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
1.3.3
Bezolovnaté povrchové úpravy
15
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Bezolovnaté technologie montáže z pohledu spolehlivosti
2.1
2.2
17
Degradační mechanismy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
2.1.1
Teplota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
2.1.2
Koroze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
2.1.3
Poškození DPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
2.1.4
Poškození součástek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
2.1.5
Problematika kovových whiskerů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
2.1.6
Cínový mor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
Predikce spolehlivosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
2.2.1
30
Srovnání dostupných metodik predikce spolehlivosti . . . . . . . . . . . .
ix
x
OBSAH
2.2.2
Metodiky s konstantní intenzitou poruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 Matematika spolehlivosti
32
35
3.1
Exponenciální rozdělení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
3.2
Weibullovo rozdělení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
3.3
Matematický popis vanové křivky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
3.4
Odhad parametrů Weibullova modelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
4 Hypotéza disertační práce
41
5 Cíle práce
43
6 Chování bezolovnatých technologií v průběhu stárnutí
45
6.1
Stárnutí při zvýšené teplotě . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
6.2
Vlhkostní namáhání . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
6.3
Zkoušky šokovým namáháním . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
6.4
Kombinované namáhání . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
6.5
Vliv provozního prostředí na stabilitu spojů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
6.5.1
Simulace provozního stárnutí elektroniky v automobilu a mobilního telefonu 66
6.5.2
Simulace stárnutí elektroniky během provozu v prostředí městského automobilového tunelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 Dominantní degradační mechanismy
68
75
7.1
Homogenita spojů vytvořených pomocí ECA
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
75
7.2
Změna odporu dvousložkového ECA během stárnutí . . . . . . . . . . . . . . . .
82
7.3
Cínové whiskery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
84
7.3.1
Dynamické metody akcelerovaného růstu cínových whiskerů . . . . . . . .
84
7.3.2
Whiskery – ohrožení spolehlivosti elektrotechnických zařízení . . . . . . .
85
8 Metodika predikce spolehlivosti
93
xi
OBSAH
8.1
Otázky věrohodnosti prognostických metod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
8.1.1
Vliv bezolovnatých technologií montáže . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
8.1.2
Vliv elektricky vodivých spojů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
94
8.1.3
Životní cyklus bez období konstantní intenzity poruch . . . . . . . . . . .
96
9 Shrnutí výsledků práce
99
9.1
Problematika ECA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2
Problematika bezolovnatých pájek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
9.3
Problematika whiskerů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
9.4
Ověření metod predikce spolehlivosti v praxi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
10 Splnění cílů práce
99
109
10.1 Vyhodnocení hypotézy práce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
10.2 Disertabilní přínosy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
10.3 Možný další vývoj problematiky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
11 Závěr
115
Literatura
125
A Metodika provedených zkoušek spolehlivosti
128
A.1 Testované vzorky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
A.2 Metodika měření elektrického odporu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
A.3 Metodika mechanických zkoušek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
A.4 Metodika vyhodnocení výsledků . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
A.5 Skript pro vyhodnocení dat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
A.6 Zkušební zařízení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
B Výsledky realizovaných zkoušek spolehlivosti ECA
135
B.1 Zkouška suchým teplem při 75 ◦C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
xii
OBSAH
B.1.1 Parametry zkoušky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
B.1.2 Výsledky zkoušky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
B.2 Zkouška suchým teplem při 125 ◦C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
B.3 Zkouška suchým teplem s různými profily vytvrzení a různými teplotami stárnutí 143
B.4 Zkouška vlhkým teplem 50 ◦C, 98 % r. v. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
B.5 Zkouška kombinovaným namáháním . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
B.6 Zkouška šokovým namáháním . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
B.7 Nezrychlené zkoušky spolehlivosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
B.7.3 Klimatický profil prostředí automobilového tunelu Mrázovka . . . . . . . . 184
C Seznam vybraných poruch způsobených whiskery
186
D Katalogový list – AX 12LVT
188
E Katalogový list – AX 20
190
F Katalogový list – S62-325GM5
192
OBSAH
xiii
G Katalogový list – CuAg-XM3S
193
H Katalogový list – EnviroMark 907
194
Seznam obrázků
1.1
Průzkum zaměřený na příčiny přechodů evropských výrobců na technologii bezolovnaté montáže realizovaný v roce 2003 [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2
5
Rozdělení segmentu elektrotechnické výroby dle objemu, délky technického života
a důsledků poruchy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.3
Používané bezolovnaté pájecí slitiny v EU [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
1.4
Voidy v pájeném spoji vytvořeném bezolovnatou pájkou EM 907 (nestárnuté spoje). 13
1.5
Výzkum zaměřený na typy používaných povrchových slitin (120 dodavatelů, leden
2005 [2]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
2.1
Schéma činností při řešení výrobku se zadanou úrovní spolehlivosti. . . . . . . . .
17
2.2
Výsledky analýzy hlavních příčin poruch elektroniky (kromě výkonové elektroniky) [3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
2.3
Naznačení souvislostí mezi jednotlivými vlivy prostředí. . . . . . . . . . . . . . .
21
2.4
Příklad degradačního mechanismu – koroze vlivem reziduí tavidla v pájecí pastě
– výsledky realizované poruchové analýzy řídicího systému. [4] . . . . . . . . . . .
2.5
24
Pájecí špička kontaktního svazku z Ms 63 s cínovou povrchovou úpravou porostlé
whiskery [5]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
2.6
Faktory ovlivňující vznik a růst whiskerů. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
3.1
Matematický model vanové křivky. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
6.1
Porovnání časových změn mediánu elektrického odporu lepených a pájených spojů
během zkoušky suchým teplem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
xv
46
xvi
SEZNAM OBRÁZKŮ
6.2
Odhadnuté průběhy intenzit poruch lepených spojů stárnutých při zkoušce suchým
teplem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
6.3
Porovnání vzorků po zkoušce odtrhu ve smyku. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
6.4
Příklad delaminace DPS vlivem nedomyšleného návrhu obvodového schématu i nekvalitního návrhu spojového obrazce DPS [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
6.5
Závislost procentní změny mediánu odporu vzorků během zkoušky vlhkým teplem. 52
6.6
Spoje vytvořené pomocí ECA AX 12LVT a stárnutých vlhkým teplem po zkoušce
odtrhu ve smyku. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7
Vzorky spojů vytvořené pomocí ECA AX 20 v kombinaci s DPS s povrchovou
vrstvou Sn (HAL) stárnutých vlhkým teplem – po zkoušce odtrhu ve smyku. . . .
6.8
6.9
53
53
Spoje vytvořené pomocí ECA AX 20 a stárnuté vlhkým teplem po zkoušce odtrhu
ve smyku. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
Rozdíly v adhezi ECA k aktivovanému a neaktivovanému Cu povrchu DPS. . . .
57
6.10 Závislost procentní změny mediánu elektrického odporu pájek a ECA – zkoušky
šokovým namáháním.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
6.11 Spoje vytvořené pomocí ECA po zkoušce šokovým namáháním klimatickými vlivy. 60
6.12 Profil namáhání ve zkoušce kombinovaným namáháním. . . . . . . . . . . . . . .
63
6.13 Průběh mediánu změny elektrického odporu lepených spojů během zkoušky kombinovaným namáháním. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
6.14 Závislost procentní změny mediánu odporu lepených spojů – dlouhodobé zkoušky.
66
6.15 Změna síly odtrhu ve smyku u vzorků stárnutých v dlouhodobých zkouškách simulujících provoz automobilu a mobilního telefonu. . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
6.16 Fotografie tunelu Mrázovka s vyznačenou pozicí stojanů se vzorky. . . . . . . . .
68
6.17 Fotografie vzorků a senzorů umístěných tunelu Mrázovka. . . . . . . . . . . . . .
69
6.18 Průběhy naměřené v tunelu Mrázovka. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
6.19 Vliv koroze na vybrané kovy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
6.20 Povrch Cu kuponu Rohrback po expozici v tunelu Mrázovka o délce 4 měsíce. . .
71
6.21 Povrch kuponů vystavených klimatickému prostředí silničního tunelu. . . . . . . .
72
SEZNAM OBRÁZKŮ
xvii
7.1
Fotografie výbrusu spoje ECA AX 20 z elektronového mikroskopu (nestárnutý spoj). 75
7.2
Fotografie výbrusu spoje ECA AX 20 se vzduchovými dutinami. . . . . . . . . . .
76
7.3
Porovnání struktury spoje ECA AX 12LVT – vliv data expirace. . . . . . . . . .
77
7.4
Fotografie DPS se spojem vytvořeného pomocí ECA AX 20 po zkoušce v odtrhu
– detail výrazně nehomogenní struktury spoje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
7.5
Porovnání struktury lepených spojů – vliv profilu vytvrzení. . . . . . . . . . . . .
79
7.6
Porovnání struktury lepených spojů po zkoušce odtrhu ve smyku. . . . . . . . . .
80
7.7
Závislost procentní změny el. odporu ECA AX 12LVT na teplotě stárnutí. . . . .
83
7.8
Cínové whiskery na různých površích po dynamickém namáhání vzorků. . . . . .
85
7.9
Fotografie cínových whiskerů z elektronového mikroskopu. . . . . . . . . . . . . .
86
7.10 Cínové whiskery na konektorech typu FASTON. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
87
7.11 Cínové whiskery na konektorech typu Cannon 25. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88
7.12 Zářezové svorkovnice izolované vodiče Cu 0,4 mm až 0,8 mm PVC. Horní svor-
kovnice je vyráběna podobu cca dvaceti let, spodní již po dobu více než padesáti
let. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
90
7.13 Zářezová kontaktní špička – detail naprosto promyšleně zvolený tvar zářezu. . . .
91
8.1
Závislosti procentní změny el. odporu na teplotě u vzorků pájek. . . . . . . . . .
95
8.2
Závislosti procentní změny el. odporu na teplotě u ECA AX 12LVT . . . . . . . .
96
8.3
Závislosti procentní změny el. odporu na teplotě u ECA AX20. . . . . . . . . . .
97
8.4
Závislost intenzity poruch jednosložkového a dvousložkového lepidla na čase během
zkoušky suchým teplem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
Seznam tabulek
1.1
Charakteristika DPS typických zástupců jednotlivých skupin výrobků . . . . . . .
11
2.1
Základní vlastnosti cínu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
2.2
Metodiky predikce spolehlivosti elektronických komponent . . . . . . . . . . . . .
31
6.1
Odhadnuté koeficienty Arrheniova zákona vzorků ECA.
. . . . . . . . . . . . . .
50
6.2
Test pevnosti ve smyku – zkouška suchým teplem při teplotách 75 ◦C a 125 ◦C. .
50
6.3
Mediány změny elektrického odporu vzorků ECA na konci zkoušky vlhkým teplem. 52
6.4
Test pevnosti ve smyku vzorků ECA po zkoušce vlhkým teplem – vypočtená průměrná síla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
6.5
Odhadnuté parametry Weibullova modelu (zkouška šokovým namáháním). . . . .
61
6.6
Test pevnosti ve smyku po zkoušce šokovým namáháním. . . . . . . . . . . . . .
62
6.7
Odhadnuté parametry Weibullova modelu (zkouška kombinovaným namáháním) .
63
6.8
Test pevnosti ve smyku po zkoušce kombinovaným namáháním. . . . . . . . . . .
64
6.9
Odhadnuté parametry Weibullova modelu (dlouhodobé zkoušky) . . . . . . . . .
67
6.10 Klimatické parametry změřené v tunelu Mrázovka [7]. . . . . . . . . . . . . . . .
70
7.1
Test pevnosti ve smyku ECA AX 12LVT – vypočtená průměrná síla F (N). . . .
82
8.1
Odhadnuté parametry Weibullova modelu zkoušky suchým teplem ECA . . . . .
97
xix
SEZNAM ZKRATEK A SYMBOLŮ
xxi
Termíny, definice, pojmy a zkratky
Termíny a definice
bezporuchovost
schopnost objektu plnit požadovanou funkci v daných podmínkách
a v daném časovém intervalu
cenzurování
ukončení zkoušky buď po určitém počtu poruch, nebo po určité
době, po které některé objekty dosud vykazují předepsané parametry
doba do poruchy
celková doba provozu objektu od okamžiku jeho prvního uvedení
do provozuschopného stavu až do poruchy
intenzita poruch
pravděpodobnost, že k poruše výrobku dojde v nekonečně malém
časovém úseku po stanoveném okamžiku za podmínky, že do tohoto
okamžiku k poruše nedošlo
kritérium poruchy
sada pravidel používaných k rozhodnutí, zda pozorovaná událost
znamená poruchu
mechanismy poruch
fyzikální, chemické nebo jiné procesy, které vedly k poruše
období časných poruch
počáteční úsek doby používání, během kterého klesá intenzita poruch
období konstantní in-
období, během kterého vznikají poruchy s přibližně konstantní in-
tenzity poruch
tenzitou poruch
období poruch dožitím
koncový úsek doby používání, během kterého se intenzita poruch
zvětšuje
odhadovaný ukazatel
ukazatel vypočtený z konečného počtu zkušebních údajů v podobě
horní a/nebo dolní konfidenční meze
porucha
ukončení schopnosti plnit požadovanou funkci
xxii
platná porucha
SEZNAM TABULEK
porucha, která se má začlenit do interpretace výsledků ze zkoušky
nebo z provozu nebo do výpočtu hodnoty ukazatele bezporuchovosti
spolehlivost
souhrnný termín používaný pro popis pohotovosti a činitelů, které
ji ovlivňují: bezporuchovost, udržovatelnost a zajištěnost údržby
stresor
faktor namáhání
ukazatel spolehlivosti
kvantitativní charakteristika jedné nebo několika vlastností, tvořící
spolehlivost objektu
void
v praktické metalurgii „plynný vměstek“ , slangově – bublina, Lunker (německý jazyk), void (anglický jazyk) – dutina uvnitř pájeného nebo lepeného spoje
zkouška spolehlivosti
zkouška prováděná za účelem odhadování, ověřování nebo srovnávání ukazatelů spolehlivosti u objektů z jedné nebo více prototypových nebo výrobních dávek
zrychlená zkouška spo-
zkouška, při které je použitý stupeň namáhání vybrán tak, aby pře-
lehlivosti
výšil úroveň stanovenou v referenčních podmínkách, s cílem zkrátit
dobu požadovanou k pozorování odezvy objektu na namáhání
SEZNAM ZKRATEK A SYMBOLŮ
xxiii
Zkratky
DPS
deska plošných spojů
ECA
elektricky vodivé lepidlo
(Electrically Conductive Adhesive)
JIP
jednotka intenzivní péče
MEMS
mikroelektromechanické prvky
(Micro-Electro-Mechanical Systems)
MLE
odhad metodou maximální věrohodnosti
(Maximum Likelihood Estimation)
MRR
regrese prostřední hodnoty
(Median Rank Regression)
MTTF
střední doba do poruchy
(Mean Time To Failure)
MTBF
střední doba mezi poruchami
(Mean Time Between Failure)
RoHS
směrnice o omezení používání některých nebezpečných látek v elektrických a elektronických zařízeních
(directive on the Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment)
SAC
skupina slitin na bázi SnAgCu používané jako bezolovnaté pájky
SMD
součástka pro povrchovou montáž
(Surface Mount Device)
SMT
technologie povrchové montáže
(Surface Mount Technology)
xxiv
SEZNAM TABULEK
Veličiny
t
doba – proměnná (jednotkou je počet hodin, počet cyklů, atd.)
f (t) (-)
hustota rozdělení pravděpodobnosti
F (t) (-)
kumulativní distribuční funkce
ϕ
hustota pravděpodobnosti normovaného normálního rozdělení
N(0,1)
φ
distribuční funkce normovaného normálního rozdělení N(0,1)
σ
směrodatná odchylka normálního rozdělení, jednotkou je stejná
jednotka jako má veličina t
µ
střední hodnota normálního rozdělení, jednotkou je stejná jednotka
jako má veličina t
λ(t) (-)
okamžitá intenzita poruch – limita poměru podmíněné pravděpodobnosti, že časový okamžik T vzniku poruchy objektu leží v daném časovém intervalu (t,t + ∆t) k délce časového intervalu ∆t,
jestliže ∆t se blíží k nule, za podmínky, že na začátku intervalu
je objekt v použitelném, stavu, jednotkou je převrácená hodnota
jednotky jako má veličina t
β (-)
Weibullův parametr tvaru
η
Weibullův parametr měřítka (ve spolehlivosti někdy známý pod
pojmem Weibullova charakteristická doba života), jednotkou je
stejná jednotka jako má veličina t
t0
parametr polohy Weibullova rozdělení (výchozí bod nebo počátek
rozdělení, doba bez poruchy), jednotkou je stejná jednotka jako má
veličina t
λ
parametr exponenciálního rozdělení (v konstantní části vanové
křivky někdy nazývaný střední doba do poruchy MTTF), jednotkou je stejná jednotka jako má veličina t
A
frekvenční faktor v Arrheniově rovnici
k
rychlostní konstanta při dané teplotě v Arrheniově rovnici
v m3 ·mol−1 ·s−1
E
aktivační energie v J·mol−1
T
teplota zkoušky v K
R
univerzální plynová konstanta (8,314 J·mol−1 K−1 )
1
0 Úvod
Z řady důvodů úroveň spolehlivosti elektrických zařízení vykazuje v posledních desetiletích dlouhodobý pokles. Ukazuje se, že s rostoucí mírou společenské spotřeby elektrických a elektronických
produktů nepřímo úměrně klesala i míra spolehlivosti produktů. Segment, na který se tento trend
nevztahuje, je např. výroba obvodů velmi vysoké integrace (zejména procesorů a jejich podpůrných obvodů). U tohoto segmentu výroby je spolehlivostní hledisko návrhu i stability výroby
a vlastností základním ekonomickým kritériem jak z hlediska výrobce, tak i z hlediska zákazníka.
Toto tvrzení však v žádném případě neplatí pro jejich běžné aplikace. Systém „marketingových
nanoinovací“ v podstatě stále téhož produktu v souběhu s vhodnou reklamou ve své podstatě
zastírá (pravděpodobně záměrně) nepodporovanou spolehlivost velké většiny produktů, nejen
produktů elektrotechnických. O vysoké pravděpodobnosti takového záměru do jisté míry svědčí
i většinou poměrně hladký průběh procesů reklamací zejména u elektronického zboží spotřební
povahy. Z tohoto je zřejmé, že výrobci již v marketingových plánech počítají s nezanedbatelnou
finanční rezervou na reklamační náklady.
Hospodářská recese posledních let však přináší pozvolný nárůst zájmu o spolehlivost produktů
z několika důvodů. Hlavním důvodem jsou stále rostoucí problémy dostupnosti a následně růstu
cen surovin významných pro elektrotechnickou výrobu (a to vzhledem k tématu práce zejména
cínu nebo stříbra), které přirozeně zvýší cenové napětí na trhu s elektronickými produkty a přibrzdí tempo inovací. Dalším důvodem je i hledisko ekologické, kde tempo vývoje recyklačních
metod stále zaostává za tempem růstu objemu elektrotechnického odpadu a postupně začíná
prohlubovat surovinový deficit na světovém trhu. Nezanedbatelným důvodem jsou i ne zcela
promyšlené a vědecky propracované legislativní zákroky, které i když jsou ve své svém základním záměru zcela správné, předbíhají vědeckotechnický vývoj základních technologií. Příkladem
může být snaha o minimalizaci objemu olova v segmentu elektrotechnických výrob, například
v oblasti montážních technologií. V této oblasti i přes veškeré dobře míněné snahy legislativa
poněkud předstihla vývoj technologií výroby součástek, ale i procesů montážních technologií jejich spojování do účelných funkčních celků. Právě problematikou některých aspektů spolehlivého
spojování se zabývá tato práce.
Po dlouhou řadu let byla v elektrotechnickém průmyslu nejčastěji používanou metodou spojování
vodičů, součástek a montáže desek plošných spojů metoda pájení slitinami na bázi cínu a olova.
Tato technologie byla procesně zvládnuta a díky dlouhé době používání bylo provedeno i dostatečné množství analýz zaměřených na její stabilitu a spolehlivost. Díky tomu byly definovány
2
0 ÚVOD
všechny oblasti jejího použití z pohledu technologických omezení a mezních parametrů využití.
Významná změna nastala od 1. července. 2006, kdy vstoupila v platnost směrnice Evropského
parlamentu a Rady Evropy 2002/95/ES o omezení používání některých nebezpečných látek
v elektrických a elektronických zařízeních (RoHS1 ) [8]. Tato směrnice omezila běžné použití šesti
prvků. Z nichž je pro elektrotechnický průmysl nejvýznamnější zákaz dalšího používání olova.
Olovo je používané ve více oblastech elektrotechnického průmyslu, ale zákaz uvedený v této směrnici se týká především použití olova v procesu pájení pájkami obsahujícími olovo a v procesech
depozice slitinových povrchových úprav součástek a dílů (např. žárové pokovování dílů ponorem
do roztavené pájky).
Kvůli této změně bylo tedy nutné v poměrně krátkém časovém intervalu nalézt a uvést do praxe
nové technologie montáže a spojování v elektrotechnických zařízeních. V současné době jsou
preferovány dvě hlavní technologické větve – pájení bezolovnatými pájkami a v menší míře a ve
vybraných případech vytváření vodivých spojů použitím elektricky vodivých lepidel (dále je
používán termín lepené spoje či zkratka ECA2 ). Bezolovnaté pájky jsou nejčastěji založeny na
binárních až ternárních slitinách povolených kovů a v dnešní době se nejčastěji využívá slitiny
na bázi SnAgCu (SAC). Hlavní technologickou nevýhodou bezolovnatých pájek je vyšší teplota
pájení (až 260 ◦C u SAC pájky), ale existují zde i další technologické problémy. V dnešní době
je navíc již zřejmé, že technologie lepených spojů nejsou rovnocennou náhradou za pájky na
bázi slitin SnPb a zřejmě ani za spojování pájením bezolovnatými pájkami. Elektricky vodivá
lepidla zatím našla spíše využití v oblastech, kde vysoká teplota pájení bezolovnatými pájkami
v podstatě vylučuje jejich použití.
Problémem obou technologií je také jejich výrazně rozdílná úroveň spolehlivosti. Zatímco montáž
SnPb pájkami byla dobře zvládnutou technologií a spolehlivost vytvořených spojů byla relativně
jednoduše predikovatelná a kvalita spoje byla i vizuálně jednoduše ověřitelná, u bezolovnatých
technologií tomu tak není. Jejich technologie montáže se ustálila až v poměrně nedávné době
a u některých aplikací není dořešena ani dnes. Spolehlivost spojů vytvořených bezolovnatými
pájkami je na tom poněkud hůře. Lze konstatovat, že již byla provedena řada experimentů založených na zrychlených a velmi zrychlených zkouškách spolehlivosti a z oblasti aplikací dostáváme
již první data o jejich spolehlivosti v provozním prostředí. Díky těmto údajům již můžeme začít
odhadovat spolehlivost produktů s kratším životním cyklem a lze říci, že tyto odhady nejsou
zatím příliš optimistické.
1
2
Directive on the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment
ECA – Electrically Conductive Adhesive (elektricky vodivá lepidla)
3
Do roku 2011 směrnice RoHS platila zejména pro oblast spotřební elektroniky (tedy elektroniky s relativně krátkým životním cyklem). V roce 2011 byla směrnice RoHS inovována s číslem
2011/65/EU [9]. Tato směrnice nahrazuje předchozí směrnici a upravuje některé oblasti jejího
použití. Hlavní změnou této nové směrnice je snaha o rozšíření oblasti vynucení bezolovnatých
technologií směrem k vysoce spolehlivým aplikacím, např. pro medicínské aplikace a řídicí systémy, ale i o techniku stojící na rozhraní obou uvedených kategorií např. telekomunikační techniku
apod. Jedná se tedy často o aplikace, u kterých při poruše může dojít k zásadním ohrožením
finančních zdrojů i lidských životů. Stejně tak je pro tyto aplikace typický delší životní cyklus,
např. komponenty jaderných elektráren, které jsou velmi často plánovány a testovány na požadovanou životnost 40 let. Zatímco spolehlivost produktů s kratším životním cyklem je dnes již
částečné ověřitelná a predikovatelná, dlouhodobé zkoušky spolehlivosti bezolovnatých technologií
nejsou dodnes dokončeny, a to vesměs z časových i finančních důvodů. Je zde tedy vidět zásadní
riziko pro věrohodnost údajů o spolehlivosti produktů, na které jsou oprávněně kladeny vysoké
požadavky na dlouhodobou spolehlivou funkci.
Praxe posledních let navíc ukazuje, že i u zdánlivě nedůležitých a život neohrožujících aplikací
jako jsou např. notebooky nebo mobilní komunikační prostředky, může při nedomyšlené aplikaci bezolovnaté technologie pájení a nerespektování provozních nebo skladovacích klimatických
podmínek prostředí dojít k fatálním poruchám ohrožujícím nejen majetek, ale i lidské životy3 .
3
Příkladem může být selhání notebooků využívaných elitní jednotkou americké armády Rangers v Afghá-
nistánu v roce 2010 vlivem cínového moru [10].
5
1 Současný stav problematiky
V elektrotechnickém průmyslu se olovo používá v různých technologiích od počátku elektrotechnické produkce. Sloučeniny olova jsou vesměs jedovaté s tendencí ukládání se v těle živočichů
a jsou v současné době považovány také za sloučeniny karcinogenní a teratogenní. Snaha o omezení výskytu olova v elektrotechnických zařízeních je tedy zcela legitimní. Na druhé straně je
ovšem pravda, že jeho slitiny s cínem – pájky mají natolik výborné vlastnosti, že přechod na
technologii bezolovnaté montáže byl v podstatě vynucen až legislativními kroky některých zemí.
Jedná se zejména o tyto geografické oblasti:
• Evropská Unie – směrnice evropské unie RoHS – Směrnice o omezení používání některých
nebezpečných látek v elektrických a elektronických zařízeních. Tato legislativa je platná od
1. července 2006.
• Asie – například čínská legislativa Administration on the Control of Pollution Caused by
Electronic Information Products (Nařízení o omezení znečištění způsobeného elektronickými sdělovacími zařízeními). Tato legislativa je platná od 1. března 2007.
• Severní Amerika – Kalifornie schválila legislativu SB 20: Solid waste: hazardous electronic
waste. Tato legislativa je platná od 1. ledna 2007.
Většina legislativních dokumentů omezujících použití vybraných ekologicky závadných prvků
periodické tabulky je ve světě odvozena od legislativy Evropské unie RoHS.
V roce 2003 byl proveden průzkum mezi výrobci v EU, kde bylo, mimo jiné, cílem zjistit důvody
jejich přechodu na technologii bezolovnaté montáže. Výsledky tohoto průzkumu jsou uvedeny na
obr. 1.1. Z tohoto průzkumu vyplývá, že pro více než třetinu firem je zásadní právě legislativní
omezení. Za výhodu na trhu považuje přechod na bezolovnaté technologie montáže pouze 8 %
výrobců.
Obr. 1.1 Průzkum zaměřený na příčiny přechodů evropských výrobců na technologii bezolovnaté montáže
realizovaný v roce 2003 [1].
6
1 SOUČASNÝ STAV PROBLEMATIKY
1.1
Spolehlivost současné elektrotechnické produkce
Elektrotechnická produkce v dnešní době obsahuje široké spektrum typů výrobků. Jedná se o výrobky od čistě spotřební povahy (např. mobilní telefon, hrací konzole, apod.) přes produkci
náročnějších aplikací (automobil, průmyslová PC) až po zařízení investiční nebo speciální povahy a další aplikace s vysokými nároky na dlouhodobou spolehlivost. Toto rozdělení je nezbytné
pro pochopení technologické náročnosti aplikací, jejich vyžadované kvality a spolehlivosti a následně i náklady na jejich spolehlivost. Základní rozdělení segmentů produkce elektrotechnických
zařízení lze popsat následovně:
1. Spotřební technika.
Technika běžné denní potřeby určená koncovým zákazníkům pro komunikační nebo zábavní
využití, ve vyšší úrovni běžné prostředky výpočetní techniky (zde je nutno vyjmout segment pevných disků, na který jsou oprávněně kladeny vysoké nároky i ze strany běžného
zákazníka – např. zálohování dat). Charakteristický je pro tuto produkci velký objem výroby (hromadná výroba), snaha minimalizovat náklady na výrobu v každém kroku výroby
a snaha po marketingově velmi rychlém inovačním cyklu1 . Z povahy tohoto druhu výroby
však při poruše nehrozí vysoká rizika. Životní cyklus těchto výrobků je často kratší než
garanční doba. Spolehlivost, jak často vidíme v praxi, není příliš zohledněna – spíše se vyznává metoda řešení nespolehlivosti garanční formou oprav, popřípadě výměnou kus za kus.
Patří sem například herní konzole, mobilní telefony a bohužel v poslední době i základní
desky jinak potencionálně kvalitních PC.
2. Investiční technika.
Zde se jedná se o sortimentně velmi rozsáhlou skupinu produkce – od řídicí techniky technologických nebo energetických celků a rozvodných soustav energií, bankovní informační
a obslužné systémy, přes datová úložiště na všech úrovních, prostředky telekomunikační
infrastruktury, medicínské aplikace a nakonec i od určité cenové úrovně i automobily. Charakteristický pro tuto produkci je menší objem výroby (sériová až malosériová produkce).
Na produkty jsou kladeny výrazně vyšší nároky z pohledu životnosti, kvality a spolehlivosti.
Zatímco automobil nižší cenové úrovně má v současnosti předpokládanou délku životního
cyklu přibližně 5 let, u telekomunikační infrastruktury nebo datového úložiště (serveru nebo
skupiny serverů) se předpokládá velmi výrazně delší životní cyklus i spolehlivá funkce. Navíc nové produkty a jejich systémy musí v tomto odvětví prokazatelně ve většině parametrů
1
Velmi často vidíme v praxi inovační změny téměř nepřinášející vyšší kvalitu zákazníkovi, snad vyjma vyšší
ceny a „módnosti“ produktu.
1.1 SPOLEHLIVOST SOUČASNÉ ELEKTROTECHNICKÉ PRODUKCE
7
překonávat zařízení stará, která nahrazují – tedy je potřebný podstatně delší inovační cyklus během kterého jsou průběžně využívány starší produkty a soustavy, které jsou schopny,
i když v omezeném rozsahu, plnit stávající požadavky.
Základními podněty pro inovaci v oblasti investiční techniky jsou požadavky na:
• zvládnutí zvýšeného rozsahu nároků na vykonávané služby a jejich uživatelský komfort, případně přínos nové kvality do služeb;
• významné zvýšení úrovně spolehlivosti;
• podstatnou úsporu materiálu, elektrické energie, prostoru, atd.
Zároveň však případné poruchy způsobují výrazně větší ztráty, často ohrožující majetek
i životy občanů, a to jak výpadky energetických a zabezpečovacích soustav nebo přímo
finanční ztráty (poruchy datových serverů bank, e-banking, atd.), ztráty důležitých nebo
bezpečnostně citlivých datových informací, popřípadě dokonce i přímé ztráty na životech,
např. medicínské aplikace (klasickými případy mohou být dnes zcela masově nasazené kardiostimulátory, implantované defibrilátory nebo přístroje instalované na JIP), letecká a výzbrojní technika atd. Dalšími charakteristickými znaky této produkce jsou – velké spektrum
výrobních technologií a rozsah výroby od velkosériové až po kusovou.
3. Speciální produkce.
Do této skupiny patří výrobky, které pocházejí často spíše z kusové nebo malosériové produkce. Historicky sem dříve patřila produkce armádní techniky či aplikace pro kosmický
program, atd. Dnes i tuto produkci lze v globálním měřítku označit, až na malé výjimky
spíše vývojové povahy, za výrobu sériovou. Vždy se však jedná (nebo spíše má jednat)
o vysoce spolehlivé aplikace, kde jsou kladeny vysoké požadavky na jakost a spolehlivost
výrobku. Zároveň však je umožněn relativně dlouhý vývoj a důsledné testování těchto
výrobků, včetně speciálních zkoušek. Finanční hledisko v této produkci nehraje zdaleka
tak důležitou roli jako u předchozích typů produkcí. Dalším charakteristickým znakem
této produkce je zdroj nových výrobních technologií, dříve nebo později měnící nejen segment elektrotechnické výroby, ale také přinášejících novou kvalitu do lidského života a jeho
ochrany.
Na konkrétním druhu produkce závisí finanční náklady na vývoj a výrobu zařízení a tím následně
i použitá technologie a úroveň zajištěné spolehlivosti. Základní rozdělení typu elektrotechnické
produkce z pohledu délky životního cyklu a spolehlivosti je uveden na obr. 1.2.
8
Obr. 1.2 Rozdělení segmentu elektrotechnické výroby dle objemu, délky technického života a důsledků
poruchy.
1.2
Omezení používání některých nebezpečných látek v elektronických zařízeních
První směrnice evropské unie o omezení používání některých nebezpečných látek v elektrických
a elektronických zařízeních RoHS byla vydána 27. ledna 2003 a nesla označení 2002/95/ES. Tato
direktiva vstoupila v platnost na území Evropské Unie od 1. července 20062 .
V této direktivě bylo definováno omezení použití následujících látek:
1. kadmium (Cd),
2. rtuť (Hg),
3. olovo (Pb),
4. šestimocný chrom (Cr),
5. polybromované bifenyly (PBB),
6. polybromované difenylethery (PBDE).
2
Tato směrnice byla implementována do české legislativy zákonem č. 185/2001 Sb., O odpadech a o změně
některých dalších zákonů – tedy zejména do paragrafu § 37j odstavec 3.
1.2 OMEZENÍ POUŽÍVÁNÍ NĚKTERÝCH NEBEZPEČNÝCH LÁTEK
V ELEKTRONICKÝCH ZAŘÍZENÍCH
9
Tyto látky není nadále povoleno užívat v následujících skupinách zařízení:
1. velké spotřebiče pro domácnost,
2. malé spotřebiče pro domácnost,
3. zařízení informačních technologií a telekomunikační zařízení,
4. spotřební zařízení,
5. osvětlovací zařízení,
6. elektrické a elektronické nástroje (s výjimkou velkých stacionárních průmyslových nástrojů),
7. hračky, vybavení pro volný čas a sporty,
8. výdejní automaty.
V roce 2011 byla tato směrnice nahrazena novou směrnicí RoHS s označením 2011/65/EU. V inovované směrnici je několik zcela zásadních změn. Nejdůležitější a zároveň nejrizikovější změnou
z hlediska spolehlivost je přidání tří nových kategorií, pro které tato směrnice platí:
9. zdravotnické prostředky;
10. monitorovací a kontrolní přístroje včetně průmyslových monitorovacích a kontrolních přístrojů;
11. jiná EEZ, která nespadají do žádné z výše uvedených kategorií.
Z těchto nových kategorií je vidět zásadní posun této směrnice zcela nerespektující problémy,
se kterými se autor setkával již od počátku své práce na diplomové práci. Zatímco předchozí
směrnice postihovala segment spotřební elektrotechniky jako téměř nedělitelný celek, v nové edici
tato směrnice začíná navíc zdůrazňovat segment investiční techniky, a to zcela nepochopitelně
oblast medicínských aplikací na prvním místě. Tento trend je překvapivý, naprosto nerespektující
aktuální stav vědeckého poznání problematiky, pomíjející dosud získané praktické zkušenosti.
Změna přináší výrobcům v současném právním prostředí ve vyspělých zemích téměř neřešitelný
problém právních záruk za korektní a život neohrožující funkci produktu3 . Problematická bude
jistě i reakce zákazníka provozujícího řídicí technologický systém s výskytem cínových whiskerů,
který zakoupil a tento při tom nevykazuje deklarovanou úroveň spolehlivosti. Současný krok
bruselské administrativy lze označit za ne dost promyšlený, přivádějící výrobce dbající na kvalitu
a zejména spolehlivou funkci svých produktů do obtížně řešitelné situace.
3
Autor si dovede představit reakci informovaného technika na situaci, kdy zjistí, že některý z jeho blízkých
zemřel na destrukci implantovaného zařízení způsobenou použitím nevhodně zvolenou technologie (a zejména,
když zjistí, že toto zařízení bylo zhotoveno bezolovnatou technologií pájení a v němž výrobce nerespektoval
současný stav vědeckého poznání).
10
Patrně největší dopad na elektrotechnický průmysl má směrnice RoHS v zákazu použití olova
v procesu pájení – v olověných pájkách, povrchových úpravách součástek a desek plošných spojů
a kulových vývodech pouzder typu BGA.
Z hlediska elektrotechnického průmyslu je tedy nejzásadnější změnou zákaz použití olova ve všech
kategoriích produkce, které spadají do působnosti směrnice RoHS. Tento zákaz postihuje zejména
tři části technologie montáže: nahrazení SnPb pájecích slitin bezolovnatými slitinami, rozšíření
aplikace elektricky vodivých lepidel a nahrazení používaných povrchových úprav na bázi SnPb
bezolovnatými povrchovými úpravami. Bude jistě velice zajímavé pozorovat budoucí reakce jak
zákazníků, tak i výrobců na tato jistě dobře míněná rozhodnutí. V závěru práce budou uvedeny
některé reakce, s nimiž se autor ze strany některých významných zákazníků, kteří s ním tento
problém konzultovali nebo pro které autor pracoval.
1.3
Přechod na bezolovnaté technologie montáže
Elektricky vodivé spoje jsou nepochybně početně nejčastější součástí elektronických zařízení
(většina součástek má alespoň dva vývody), za podmínky, že budeme považovat integrované
obvody za samostatné součástky nehledě na počet dílčích součástek (např. tranzistorů, diod,
atd.), které jsou v nich integrovány. Vodivé spoje jsou realizovány různými způsoby. Obecně je
lze rozdělit na vodivé spoje mechanické a metalurgické.
Elektricky vodivé spojení musí splnit tato základní kritéria:
• splňovat požadavky kladené vývojářem zařízení z hlediska elektrického odporu, indukčnosti,
kapacity, stínění atd.;
• vykazovat minimální možné ztráty vlivem své impedance nebo jejích změn v čase;
• být technologicky slučitelné s danou konstrukcí a být rozměrově adekvátní danému účelu;
• neovlivňovat procházející signál nežádoucím způsobem nebo mírou;
• splňovat požadavky na mechanické vlastnosti a jejich časovou stabilitu;
• musí být v dnešní době také ekologicky akceptovatelné.
Úrovně propojení v elektronice lze rozdělit na pět kategorií [11]:
1. vývody čipu k vývodům pouzdra součástky;
2. součástky k desce plošného spoje;
3. desek plošných spojů mezi sebou do vyšších funkčních celků, například:
• jednotlivé přídavné karty počítače k jeho základní desce;
11
1.3 PŘECHOD NA BEZOLOVNATÉ TECHNOLOGIE MONTÁŽE
• ve funkční vaně se vzájemně propojenými konektory (případně zadním propojovacím
panelem, volně položenými drátovými spoji a jejich kombinacemi);
• plochými kabely a individuálními konektory (např. BNC, Canon apod.);
4. funkčních celky (vany, lišty apod.) v rámci bloku (skříně, stojany apod.) zařízení;
5. bloky zařízení do funkčního celku (skříně, stojany, ovládací pulty apod.).
Příklad typické montáže pro různé segmenty elektrotechnické výroby je znázorněn v následující
tabulce 1.1.
Tab. 1.1 Charakteristika DPS typických zástupců jednotlivých skupin výrobků
Charakteristika
Mobilní telefon
Stolní počítač
Server
Tloušťka DPS
0,5 mm
1 mm až 2 mm
Počet vrstev
4 až 6
≈ 12
>18 až 52
Velikost DPS
30 cm2
≈ 900 cm2
do 6200 cm2
Velikost komponent
malé
mix malých
obsahuje více
a středních
velkých
Hustota montáže
velká
střední
velká
do 10 mm typicky
2 mm až 4 mm
Jak již bylo konstatováno, v současnosti reálně existují dvě základní možné cesty náhrady SnPb
pájek pro spojování v elektronice. Jedná se buď o použití bezolovnatých pájek nebo použití ECA.
1.3.1
Bezolovnaté pájky
Pájené spoje jsou v elektronice nejčastěji realizovány měkkými pájkami, tedy slitinami různých
kovů. Dlouhou dobu byly dominantními pájkami slitiny na bázi SnPb. S příchodem první redakce
direktivy RoHS však vzrostl důraz na ekologičnost výroby i výrobků. Proto jsou v současné době
SnPb pájky nahrazovány „ekologičtějšími“ slitinami, které neobsahují olovo.
V současné době používané bezolovnaté pájky jsou většinou tvořeny binárními až ternárními
slitinami kovů. Samotný pájený spoj je pak tvořen, ve většině případů, přibližně 75 % pájky,
zbylých 25 % tvoří povrch pájecí plochy desky plošných spojů a vývodu součástky.
Při volbě konkrétní pájky je posuzována řada požadavků, z nichž rozhodující jsou ve většině
případů následující kritéria (seřazení kritérií přihlíží k názorům technologů v podnicích):
12
(a) Ruční pájení.
(b) Pájení přetavením.
Obr. 1.3 Používané bezolovnaté pájecí slitiny v EU [1].
• elektrické a mechanické vlastnosti;
• cena a dostupnost;
• pájitelnost v daném procesu (úhel smáčení, teplota pájení, atd.);
• spolehlivost pájeného spoje;
• použitelnost na stávajícím technologickém zařízení výrobce.
Prozatím se v převážné většině vyráběných typů komerčně dostupných slitin bezolovnatých pájek
používá cín (minimálně 60 %) a dotující prvky – měď, zinek, antimon a stříbro.
Graf podílu nejčastěji používaných pájecích slitin v EU je vidět na obr. 1.3. Je zde patrné, že
v současné době se v hromadné výrobě nejčastěji využívá slitiny na bázi SAC. Některé, s vysokou
pravděpodobností postupně řešitelné, nevýhody bezolovnatých pájek je možné ilustrovat právě
na příkladu SAC pájky, například:
• Bezolovnaté pájky vyžadují většinou vyšší teplotu přetavení než nejčastěji užívaná přibližně
eutektická pájka Sn60Pb40. Teplota tavení u pájky se složením SnAg3,8Cu0,7 je 219 ◦C
a SnAg3Cu0,5 je 217 ◦C u pájky Sn96,5Ag3,5 je to pak dokonce 221 ◦C. Všechny teploty
jsou tedy vyšší než bod tavení eutektické slitiny SnPb, který je 183 ◦C. Maximální teplota
během pájení přetavením se v současné sériové elektrotechnické výrobě pohybuje nejčastěji
v rozmezí 240 ◦C až 250 ◦C.
• Smáčivost SAC pájek není tak dobrá jako u SnPb slitin především z důvodu vyššího povrchového napětí [12]. Zlepšení výsledků lze dosáhnout pájením v dusíkové atmosféře; ta
se však většinou z finančních důvodů často nepoužívá vůbec, nebo je koncentrace dusíku
příliš nízká a tedy téměř neúčinná.
• SAC pájené spoje mají větší náchylnost k vytváření plynných vměstků během tuhnutí
13
taveniny (nazývaných „bublina“ ,„lunker“ , voids)4 , způsobených zvýšenou rychlostí tuhnutí
taveniny a následně v tavenině uzavřenými rezidui plynných zplodin tavidla. Příklad voidů
v pájeném spoji je ilustrován na obr. 1.4. Tyto plynem vyplněné dutiny ve spoji představují
riziko např. během transportu při sníženém atmosférickém tlaku v transportních prostorách
dopravních letadel (tlak 60 kPa).
• Podobně je problémem při osazování DPS za použití bezolovnatých pájek efekt náhrobního
kamene (tombstone effect).
• Vzhledová odlišnost – lesklý povrch pájeného spoje eutektickou pájkou je nahrazen matným
(mikroskopicky – vizuálně „drsným“ ) povrchem spoje provedeného bezolovnatou pájkou
a již nadále není parametrem pro vizuální hodnocení kvality zapájení5 .
Obr. 1.4 Voidy v pájeném spoji vytvořeném bezolovnatou pájkou EM 907 (nestárnuté spoje).
1.3.2
Elektricky vodivá lepidla
Složení ECA je na bázi kompozitu, obsahuje pojivo a elektricky vodivé plnivo. Pojivem je nejčastěji epoxidová pryskyřice, ve speciálních případech také např. silikonová či akrylová pryskyřice.
Vodivá složka je tvořena nejčastěji stříbrem, v některých případech i zinkem. Kov bývá ve formě
šupin (resp. vloček), kuliček nebo například nanotrubic. Obsah kovu v izotropně vodivých lepidlech se pohybuje v rozmezí 50 % až 80 % (hmotnostních procent). Teplota vytvrzení ECA je
4
5
V praktické metalurgii „plynný vměstek“ , slangově – bublina, Lunker (německý jazyk), void (anglický jazyk)
Spoje SnPb jsou jasné a lesklé, zatímco spoje SAC mají matný a drsnější povrch. Tato skutečnost při-
náší problémy pro dílenské kontroly kvality zapájení produktu, které jsou v praxi důležitou operací obsaženou
v technologických kontrolních návodkách.
14
nižší než teplota během pájení – například nejnižší doporučená teplota vytvrzení dvousložkového
ECA AX 12LVT je 80 ◦C, u jednosložkového ECA AX 20 je to 150 ◦C. Tyto vytvrzovací teploty
jsou dány charakteristickými vlastnostmi organických pojiv a jsou významnou výhodou pro celou
řadu aplikačních použití.
ECA se dělí na izotropní a anizotropní. Izotropní ECA mají elektrickou vodivost stejnou ve všech
směrech, zatímco anizotropní ECA mají vysokou elektrickou vodivost pouze v jednom směru.
Anizotropní ECA se používají zejména pro součástky s malou roztečí vývodů. V této práci je
věnována pozornost pouze izotropně vodivým ECA, protože jejich aplikace je častější. Zatímco
elektrická vodivost Sn60Pb40 pájky je 3.10−7 Ω·m, elektrická vodivost ECA je přibližně jen
1.10−6 Ω·m.6
Součástky a připojovací plochy při použití ECA vyžadují vhodnou povrchovou úpravou – například podle provedených experimentů se jako nevhodná povrchová úprava jeví vrstva čistého
cínu. U těchto povrchových úprav dochází k velmi vysokému přechodovému elektrickému odporu.
Ve zvláštních případech – například pro připojování jednoho typu pouzdra, zejména při využití
anizotropní vodivého lepidla nebo při použití lepidla na velké ploše k zajištění dobrého tepelného
kontaktu – je využíváno nanášení lepidla ve formě tenké fólie.
ECA bývá obvykle vytvrzováno buď ve standardní horkovzdušné sušárně (obvykle existují do
250 ◦C) nebo v průběžné peci s horkovzdušným, případně infračerveným ohřevem. Pro vytvrzení
lepidla udávají výrobci obvykle několik možných teplotních profilů, některá lepidla je možno
nechat vytvrdit i při pokojové teplotě. Obecně samozřejmě platí, že čím vyšší je použitá teplota
vytvrzování lepidla, tím kratší dobu vytvrzení je možno zvolit.
V současné době se ukazuje, že ECA nejsou schopna v plném rozsahu spektra použití plně nahradit pájený spoj. Existují však oblasti, kde jsou nenahraditelná např. při kontaktování LCD
panelů, vytváření vodivých struktur u tepelně citlivých součástek apod. Hlavní výhodou ECA
je zejména nižší teplota vytvrzování umožňující omezení tepelných šoků, kterým jsou vystaveny
součástky i desky plošných spojů, a tím prodloužení jejich životnosti. Navíc je možné osazovat
i prvky, které by ze svého principu nesnesly teploty při pájení – například OLED a další zobrazovací prvky. Spoj vytvořený vodivým lepidlem může být zároveň při vhodném materiálu pojiva
podstatně pružnější než pájený spoj. To může přispívat k prodloužení životnosti prvků i montážních skupin při cyklických změnách teplot, protože jsou lépe vyrovnávány jevy rozdílné teplotní
roztažnosti materiálů. V současné době se začínají vodivá lepidla používat i v montáži nižších
6
V praxi tato nižší vodivost v řadě aplikací není důležitá, zvláště pokud je ECA aplikováno v obvodech
s vysokými vstupními odpory apod.
15
úrovní. Jako příklad lze uvést např. aplikaci elektricky a tepelně vodivého lepidla pro připojení
tělesa LED k montážní bázi nebo chladiči.
1.3.3
Bezolovnaté povrchové úpravy
Povrchové úpravy se v zařízení vyskytují na mnoha místech – úpravy konstrukčních částí zařízení, povrchové vrstvy na DPS a součástkách atd. Po dlouhá desetiletí byla nejčastěji používanou
povrchovou úpravou elektrických i elektronických komponent žárově nebo galvanicky nanášená
vrstva slitiny cín-olovo. Po přechodu na technologii bezolovnatého pájení se převládající povrchovou úpravou stal čistý cín a slitiny s vysokým (většinou zcela převažujícím) obsahem cínu (viz
obr. 1.5). Tyto vrstvy jsou většinou galvanicky nanášené a téměř ve všech případech, výhradně
z marketingových důvodů, jsou to vrstvy lesklé. Galvanické lázně pro nanášení lesklého cínu obsahují organické leskutvorné přísady pro zvětšení lesku výsledného povrchu7 . Vzhledem k výsledné
ceně celého galvanického procesu jsou nanášeny cínové vrstvy minimální tloušťky a je vynechávaná mezivrstva, která by oddělovala základní materiál od galvanicky nanášené povrchové vrstvy
cínu.
Obr. 1.5 Výzkum zaměřený na typy používaných povrchových slitin (120 dodavatelů, leden 2005 [2]).
7
Leskutvorné přísady do lázní jsou v lepším případě na kyselé anorganické bázi, ale také poměrně často
organického původu (např. methanal). Tyto látky často způsobují nepravidelnosti ve struktuře nanášené vrstvy
a jsou jednou z příčin tvorby whiskerů.
17
2 Bezolovnaté technologie montáže z pohledu
spolehlivosti
Vznik spolehlivého elektrotechnického výrobku je výsledkem vědomé snahy managementu i všech
zaměstnanců daného konkrétního podniku vedoucí k organizačně vysoce sofistikované posloupnosti po sobě následujících kroků. Posloupnost začíná v okamžiku zadání požadavků zákazníkem,
rozborem předpokládaných provozních podmínek (klimatického prostředí, mechanického zatížení
apod.), předpokládané nebo požadované životnosti, funkčních parametrů a vlastností. Základní
schéma kroků pro zajištění produkce spolehlivého výrobku je uveden na obr. 2.1.
Obr. 2.1 Schéma činností při řešení výrobku se zadanou úrovní spolehlivosti.
18
2 BEZOLOVNATÉ TECHNOLOGIE MONTÁŽE Z POHLEDU SPOLEHLIVOSTI
Metody zajištění požadované spolehlivosti závisí na povaze finálního produktu. Je tedy nutné využít rozdělení elektrotechnické produkce na segmenty zmíněné v kap. 1.1 a ke každému segmentu
výroby přistupovat odděleně. Obecně je možné konstatovat, že mezi klíčová rizika přechodu na
bezolovnatou technologii pájení patří zejména:
• horší smáčivost většiny bezolovnatých pájek ve srovnání s eutektickou slitinou SnPb;
• mechanická deformace podložky vlivem vyšších pájecích teplot (závažné překročení skelného bodu běžně užívaného laminátu podložky, např. FR 4);
• zvýšené riziko zničení součástky nebo snížení její budoucí spolehlivosti vlivem vyšších pájecích teplot (např. kondenzátorů s plastovým dielektrikem nebo kondenzátorů elektrolytických apod.; obecně součástek citlivých na teplotní šoky);
• ztížená detekce kvality spoje pájeného bezolovnatou pájkou způsobená odlišnou povahou
povrchové struktury spoje (již výše zmíněný praktický problém dílenské kontroly po pájení
produktu – potíže při vizuální kontrole);
• použití agresivnějších tavidel a vliv jejich korozní agresivity;
• častý výskyt efektu „náhrobního kamene“ (tombstone effect);
• zvýšené riziko relativně rychlé tvorby whiskerů;
• zvýšený výskyt plynných vměstků (bublin, lunkrů, voids) ve struktuře spoje.
Při přechodu na technologii ECA jsou rizika spojena zejména s obtížným zajištěním dlouhodobé
spolehlivosti a stabilitou elektrických a mechanických vlastností spojů. Lepené spoje na rozdíl
od pájených spojů obsahují organické sloučeniny, které vykazují specifické vlastnosti při praktické aplikaci v technologickém procesu vytvoření spoje. Degradační mechanismy probíhající na
úrovni vazeb v molekulární struktuře (např. termooxidační stárnutí) tedy úzce souvisí se stavbou polymerů. Této skutečnosti si nejsou zatím konstruktéři dostatečně vědomi a předpokládají
u lepených spojů podobné chování jako u spojů pájených, např. stejnou a zejména dlouhodobou
tepelnou odolnost. Tento předpoklad je ovšem časově omezený a lze říci, že velmi pravděpodobně
platí po záruční dobu zboží, ale v žádném případě ne pro časové měřítko kladené na investiční
celky.
U povrchových úprav je situace opět odlišná. Největším rizikem spojeným s používáním čistého cínu jsou cínové whiskery a cínový mor. Riziko vzniku whiskerů se poprvé objevilo v roce
1946. Cínový mor je fenomén, který je znám již delší dobu. Cínový mor dosud působil starosti
pouze pracovníkům památkové péče při snaze zachovat historické cínové předměty i následujícím
generacím. Cínové whiskery oproti cínovému moru již způsobily v průběhu let mnohé poruchy
ve všech oblastech průmyslu, tedy i v investiční elektrotechnice, jako jsou telekomunikace nebo
2.1 DEGRADAČNÍ MECHANISMY
19
aplikace ve vesmírném programu, leteckém průmyslu, automobilovém průmyslu, vojenské výrobě, zdravotnické technice (např. kardiostimulátory) atd. Oba poměrně opomíjené mechanismy
se však s příchodem bezolovnaté technologie montáže staly vysoce aktuálními, což lze ilustrovat
úrovní aktivit při výzkumu a normotvorné činností v obou oblastech.
Dalším zcela zásadním problémem přechodu na bezolovnaté technologie montáže je jejich zpětná
nekompatibilita – z technologických důvodů nelze doporučit kombinovat komponenty s bezolovnatými povrchovými úpravami s technologií pájení pájkami SnPb, a naopak využívat ECA
v místech s povrchovými úpravami Sn, a to ani jako metodu oprav nebo repase pájených dílů,
např. při opravách v terénu.
2.1
Degradační mechanismy
Degradační mechanismy jsou nevratné procesy změn vlastností konstrukčních materiálů použitých v produktu během jeho provozu. Následkem degradačních procesů je zkrácení životnosti
produktu. Na specifikum degradačních mechanismů je nutno pohlížet z pozice fyzikálně chemického nazírání. Vznik poruchy považujeme za výslednici společného působení jednotlivých
fyzikálně chemických degradačních reakcí. Autor měl možnost seznámit se s výsledky analytických prací a výsledky analýz poruch za téměř čtyři desetiletí prací v oboru telekomunikací. Po
prostudování řady písemných zpráv a laboratorních protokolů může jen konstatovat, že spektrum
degradačních procesů a šíře spektra záběru poruchových analýz skutečně patří v oboru elektrotechniky k nejrozsáhlejším i nejproměnlivějším oblastem. Spektrum problematiky vyžaduje od
pracovníků působících v této oblasti výjimečně široký rozsah i hloubku znalostí celé řady oborů
i zdánlivě nesouvisejících s elektrotechnikou.
Autor se oprávněně domnívá, že v této oblasti je obrovská rezerva pro práci vědeckých týmů
složených z vybraných pracovníků oborů elektrotechnologie, nauky o materiálu, chemie, fyziky,
korozního inženýrství, matematiky – asi nelze ani vyjmenovat všechny nezbytné obory. Jen jednou
věcí si je autor zcela jist – doba, kdy se mohlo jednat o „one man show“ , je pravděpodobně,
vzhledem současné obvyklé úrovni znalostí z oblasti materiálů a technologií, zcela nenávratně
pryč.
Navíc každý skutečný odborník v oblasti poruchové analýzy musí být i dobrým psychologem při
prezentaci svých výsledků, neboť téměř vždy prezentuje chyby svých kolegů, ať již vyplývající
z jejich neznalostí nebo jejich nepozornosti. I tato skutečnost mluví spíše pro týmovou práci s
konstruktéry již během vývoje zařízení.
20
S rostoucím množstvím poznatků a rozvojem elektrotechniky je téměř nejvyšší čas začít s budováním týmů specializovaných na problematiku spolehlivosti a jejího zajištění. Poruchová analýza
je naprosto nezbytnou zpětnou vazbou korigující celé snažení. Uvážíme-li, že fyzika poruch zahrnuje problémy nejen detekce poruch a jejich analýzu, ale také jejich predikci a exaktní stanovení
parametrů spolehlivosti včetně jejich věrohodnosti. Při řešení problematiky je nutno přihlížet
zejména k:
• základním vlastnostem materiálů a surovin, z nichž jsou prvky zařízení vyrobeny;
• druhům vlivů vnějších energií ovlivňujících degradační procesy (např. energie elektrická,
elektromagnetická, tepelná, mechanická atd.);
• druhům degradačních procesů (např. sorpční, difúzní, deformační, ionizační, tepelně ovlivňované, korozní a rozkladné, procesy vedoucí ke změnám objemu nebo rozměrům apod.);
• konkrétnímu místu nebo rozhraní materiálů, kde probíhají degradační procesy;
• provozním podmínkám zařízení (dodržení předepsaných provozních podmínek, vlivům spadajícím do oblasti EMC, klimatickým a mechanickým extrémům apod.);
• míře stability technologického výrobního procesu, stejnorodosti výrobních dávek i materiálových vstupů;
• dodržení dopravních a skladovacích podmínek a celé řadě dalších vlivů.
Je tedy zřejmé, že na každý výrobek a jeho součásti působí během jeho technického života řada
vlivů, které ovlivňují jeho spolehlivostní vlastnosti a ukazatele. Vlivy lze rozdělit na vnější (klimatické, provozní a personální – tedy vlivy prostředí, kde má výrobek pracovat) a vnitřní (kvality
vývojového návrhu po stránce elektrické i mechanické konstrukce, po stránce materiálové, technologické, atd. – tedy vlivy související s návrhem a výrobou výrobku). Pokud hladina provozních
vlivů stoupne nad kritickou mez, může dojít u výrobku k poruše. Porucha je definována jako
jev, kdy výrobek přestane plnit požadovanou funkci, a to částečně nebo zcela. Přehled hlavních
příčin poruch elektrotechnických komponent u leteckých složek americké armády je uveden na
obr. 2.2.
Vlivy vyvolávající poruchy elektrotechnických výrobků (klimatické, provozní, atd.) se nazývají
činitelé provozního prostředí. Jedná se komplex vlivů, které mohou působit izolovaně nebo v kombinacích a jejich působení může být časově proměnné. Typickými činiteli provozního prostředí
jsou elektromagnetické pole, spektrum klimatických podmínek i mechanické namáhání.
Analýza provozního prostředí, zejména u teprve vznikajícího – vyvíjeného výrobku, je jedním ze
zcela zásadních kroků v rámci budoucího vzniku poté provozního cyklu spolehlivého výrobku.
Tato analýza vyžaduje na jedné straně poměrně rozsáhlé znalosti z oblasti klimatotechnologie
21
Obr. 2.2 Výsledky analýzy hlavních příčin poruch elektroniky (kromě výkonové elektroniky) [3].
a jejího zkušebnictví, na druhé straně obdobné znalosti z oblasti elektrotechniky a elektroniky.
Posouzení pracovních režimů výrobku až do úrovně pracovních režimů jednotlivých součástek
je nedílnou součástí posloupnosti kroků vedoucích ke vzniku spolehlivého výrobku. Základním
problémem je rozsah problematiky. Obvykle je výhodnější, podaří-li se sestavit funkční vývojový
tým z odborníků na jednotlivé oblasti, v ideálním případě od konstruktéra se znalostmi vlastností
jednotlivých součástek, přes technologa až po korozního inženýra.
Obr. 2.3 Naznačení souvislostí mezi jednotlivými vlivy prostředí.
U každého výrobku je možné životní profil rozdělit tak, že jednotlivé faktory jsou v tomto intervalu konstantní. Tento interval je poté možné popsat následující maticí namáhání:

z11
...


Z(∆t) =  ... zij

zm1 ...
z1n



... 

zmn
(2.1)
kde zij je i-tý činitel provozního prostředí v j-té kombinaci činitelů během časového intervalu ∆t
[13]. Na základě této teorie je možné uskutečňovat zrychlené zkoušky spolehlivosti.
22
Degradačních mechanismů je celá řada – liší se podle charakteru produktu, není zde tedy možné
provést kompletní výčet, pouze stručný přehled, jak bylo uvedeno výše.
Zásadní změnou z hlediska degradačních mechanismů je v případě aplikací bezolovnatých technologií teplota pájecího procesu, která, jak již bylo uvedeno výše, významně vzrostla. V souběhu je
nutno nezapomenout i na doprovodné dočasné změny v objemech komponent i podložky a s tím
spojené různě velké vlivy dočasných změn mechanických rozměrů vlivem rozdílných koeficientů
teplotní roztažnosti jednotlivých složek pájené sestavy. Je tedy na místě počítat s nárůstem zbytkových mechanických napětí v pájené soustavě. Právě změnu pájecí teploty je možno považovat
za hlavní změněný stresor a důsledkem toho i za zdroj určité nestability technologického procesu.
2.1.1
Teplota
Za nejvhodnější metodu pro výpočet urychlení chemické reakce se již dlouhou dobu považuje
aplikace Arrheniovy rovnice1 . Arrheniův zákon2 popisuje rychlost chemické reakce v závislosti
na teplotě. Vhodnou úpravou lze získat vztah pro hodnotu střední doby do poruchy (MTTF) ve
tvaru:
E
(2.2)
M T T F = Ae R.T
kde A je frekvenční faktor, T je teplota zkoušky v (K), E je aktivační energie v (J·mol−1 ) a R je
univerzální plynová konstanta (8,314 J·mol−1 K−1 ). Pro výpočty v laboratorní praxi se poměrně
často používá její logaritmovaný tvar:
lg(k) = lg(A) −
E
2, 3.R.T
(2.3)
kde je možné ze směrnice linearizovaného průběhu logaritmu k na 1/T v grafickém vynesení určit
hodnotu aktivační energie. Po určení hodnot aktivační energie je možné určit koeficient urychlení
reakce (popř. zrychlené zkoušky spolehlivosti). Koeficient urychlení reakce lze určit z rovnice:
F =
k1
−E
=e R
k2
1
− T1
T1
1
(2.4)
kde k1 a k2 jsou rychlostní konstanty při teplotách T1 a T1 (m3 ·mol−1 ·s−1 ),
1
August Svante Arrhenius (1859-1927), švédský vědec, laureát Nobelovy ceny za chemii za rok 1905, teorie
chemické disociace a zejména pro náš účel důležité teorie reakční rychlosti.
2
Pro platnost vztahů předpokládáme izochorický děj, tj. musíme zanedbat změny objemu v soustavě.
23
Zatímco Arrheniův model bere v úvahu pouze vliv teploty, tzv. Eyringův model zohledňuje vliv
více stresorů. Eyringův model je definován následující rovnicí:
E
1
C
M T T F = AT α e R.T e R.T (E+ T )
(2.5)
kde α, A, B, C jsou konstanty. Hlavní nevýhodou Eyringova modelu je velké množství konstant,
které musí být určeny (příp. odhadnuty), což komplikuje praktické využití tohoto modelu.
Oba tyto modely jsou stále ještě používány pro plánování a popisy zkoušek za zvýšené teploty.
Aktivační energie i konstanty modelů (rovnice 2.2 – 2.5) závisí na stavu zkoumané soustavy,
např. součástky nebo celého produktu a je možné je použít také k odhadu ukazatelů spolehlivosti.
Zároveň existují i jiné fyzikální zákony a modely, které popisují další mechanismy poruch zejména
ve specifických případech, např. Coffin-Mansonův model.
Teplota je kritickým technologickým bodem procesu pájení bezolovnatými druhy pájek. Jak již
bylo popsáno v kapitole 1.3.1, většina bezolovnatých pájek vyžaduje vyšší teplotu pájení. Ta se
pro dosud nejčastěji používané pájky na bázi SAC pohybuje v rozsahu 240 ◦C až 250 ◦C, tedy
o cca 30 ◦C výše než u standardně používané Sn62Pb36Ag2 pájky. Tato vyšší procesní teplota
představuje výrazně negativní vliv jak na součástky tak i na DPS a jejich spolehlivost.
2.1.2
Koroze
Při použití bezolovnatých pájek je nutné použít agresivnější tavidla než v případě SnPb pájek.
Příčinou je podstatně nižší smáčivost bezolovnatých pájek vůči měděnému povrchu plošných
i drátových spojů. Vzhledem ke skutečnosti, že nelze ve všech případech aplikovat technologickou operaci omytí zapájené DPS od residuí tavidla po pájecím procesu, představují tyto zbytky
tavidla (včetně reziduí ve struktuře hmoty spoje) nepříjemné riziko pro dlouhodobou mechanickou i korozní stabilitu pájeného spoje, součástky a jejich okolí. Zejména v prostředí se zvýšenou
vlhkostí hrozí vznik obtížně zvládnutelných korozních procesů. Další nepříliš příznivým jevem je
nedostatek zkušeností s reakční aktivitou residuí tavidel při současném požadavku zákazníka na
dlouhodobou ochranu zapájených DPS lakováním nebo zalévání do pryskyřic nebo silikonů.
2.1.3
Poškození DPS
Teplota je kritickým technologickým bodem procesu pájení bezolovnatými druhy pájek i v případě účinku na vlastní materiál DPS. Pájecí teploty v rozsahu 240 ◦C až 250 ◦C jsou již velmi
24
Obr. 2.4 Příklad degradačního mechanismu – koroze vlivem reziduí tavidla v pájecí pastě – výsledky
realizované poruchové analýzy řídicího systému. [4]
blízko skelného přechodu3 laminátu DPS a při průmyslovém procesu toto riziko roste s možností, že může dojít k nestabilitě hodnot pájecí teploty vlivem rychlých změn teplot okolí na
pracovišti. Pracoviště pájecích linek zejména pro pájení vlnou bývají klimatizována spíše jen
výjimečně, zejména v sektoru hromadné výroby v oblasti výroby elektroniky pro automobilový
průmysl.
Při zvýšené teplotě pájení rostou nároky na reálné plnění deklarovaných parametrů základní
plátovaných laminátů pro výrobu DPS. Klasický a nejčastěji používaný materiál typu FR 4
v praxi vykazuje značné tolerance nejen rozměrové, ale i co do kvality laminátu. Autor ve své
laboratorní praxi řešil problém místních delaminací DPS celé série desek zapájených bezolovnatou technologií. Nastavení pájecí linky pro pájení vlnou bylo deset dní před pájením validováno
servisním technikem přímo pro daný druh DPS. Při poruchové analýze bylo zjištěno nedodržení
kvality základního materiálu co do tepelné odolnosti i co do kvality nepolymerované pryskyřice,
která obsahovala zbytky roztoku NaCl (konduktometrická analýza oplachů nevykazovala příznivé výsledky ani u neosazených desek plošných spojů), které se poté vyskytovaly podél vláken
skleněné tkaniny. Při pájecím procesu jejich páry expandovaly a způsobily místní vyboulení DPS
a v místech Cu vodivých drah jejich odtržení. V tomto případě byla reklamace asijského produktu
uznána, ale způsobila problémy s termíny dodávek a s dobrým jménem výrobního podniku.
3
Teplota skelného přechodu se pohybuje nejčastěji v rozmezí 120 ◦C až 160 ◦C podle chemických procesů
použitých při výrobě [14]. Typická hodnota se pohybuje okolo 120 ◦C (např. u materiálu LAMPLEX FR-4 [15])
2.1.4
25
Poškození součástek
Jak již bylo popsáno v kapitole 1.3.1, většina bezolovnatých pájek vyžaduje vyšší teplotu pájení.
Ta se pro dosud nejčastěji používané pájky na bázi SAC pohybuje o cca 30 ◦C výše než u standardně používané Sn62Pb36Ag2 pájky. Tato vyšší procesní teplota představuje výrazně negativní
vliv i pro celou řadu součástek. Prozatím stále ještě není na trhu dostatečný sortiment kvalitních
a vyšší pájecí teplotě bezpečně odolávajících součástek v segmentu kondenzátorů4 s dielektrikem
z plastových folií, elektrolytických kondenzátorů a speciálních součástek, jako jsou např. oscilační
křemenné krystaly nebo krystalové oscilátory zapouzdřené v kovových pouzdrech5 . Je zde nutno
upozornit, že celá řada výrobců součástek se stále ještě beze zbytku nevyrovnala se zvýšenými
nároky na teplotní odolnost svých produktů [16].
2.1.5
Problematika kovových whiskerů
Whiskery jsou mechanicky velmi odolné krystaly kovů, které jsou z počátku svého růstu jehlicovité, v pokročilé fázi růstu pak spíše vláknité nepravidelné formy samovolně vyrůstající z povrchu
kovu. Ukázky whiskerů vytvořených na vrstvě galvanicky naneseného lesklého cínu jsou uvedeny
na obr. 2.5.
Whiskery typicky nepotřebují pro svůj růst elektrické ani magnetické pole a nesmí být zaměňovány s produkty elektrochemické migrace, tj. s dendrity. Dendrity jsou navíc i tvarově odlišné
a obvykle nerostou do prostoru, ale jejich výskyt je podmíněn např. alespoň částečně vodivě
znečištěným izolantem (např. DPS) na kterém dendrity vlivem migračních proudů vyrůstají6 .
Do současnosti bylo zjištěno, že whiskery mohou vyrůstat z povrchů řady kovů, nejčastěji však
u cínu, zinku a kadmia. Mnohem méně se vyskytují u stříbra, zlata, hliníku, olova atd. V současné
době se začíná analyzovat možný růst i z povrchu slitin jako je např. slitina cín-měď-stříbro.
Autorem byly detekovány whiskery cínu, zinku a kadmia na různých aplikacích u zákazníků
v ČR [18], [19], [20], [5], [21]. Přesto za nejnáchylnější k jejich tvorbě je na základě výsledků
celé řady laboratorních experimentů a poruchových analýz postižených elektronických zařízení
a součástek v současné době považován cín, který je současně nezastupitelným kovem pro použití
4
5
V obou případech kondenzátorů dochází u některých sérií k jejich vydutí, příp. až roztržení.
Při poruchové analýze křemenného oscilátoru bylo zjištěno, že byl zapájen uvnitř pouzdra pájkou SnPb. Tato
nevydržela zvýšenou pájecí teplotu při bezolovnatém pájecím procesu a vnitřní sestava se rozpadla.
6
Zvýšený výskyt dendritů byl autorem analyzován na osazených DPS asijské provenience, zejména u produktů
provozovaných za měnících se podmínek, změnách teploty a zvláště při zvýšené hodnotě relativní vlhkosti. Ve
všech případech bylo prokázáno vysoké iontové znečištění DPS. V několika případech postačil ke zjištění acidity
jen universální indikátorový papírek [17].
26
(a) Zvětšení 15×.
(b) Zvětšení 100×.
(c) Zvětšení 1000×.
Obr. 2.5 Pájecí špička kontaktního svazku z Ms 63 s cínovou povrchovou úpravou porostlé whiskery [5].
v elektronických zařízeních.
Výskyt whiskerů představuje velmi závažné nebezpečí pro správnou funkci a spolehlivost elektronických zařízení. Mezi základní mechanismy poruch způsobených whiskery patří7 :
1. Trvalý elektrický zkrat. Elektricky vodivý whisker může vytvořit elektrický zkrat spojením dvou vodičů se vzájemně různými potenciály. Tento jev nastává zejména v elektrických
obvodech s velkou impedancí a relativně malým napětím. Experimentálně bylo zjištěno, že
whiskerem může trvale protékat proud o velikosti přibližně do 40 mA.
2. Krátkodobý elektrický zkrat. Při krátkodobém zkratu může whiskerem protékat proud
větší než 50 mA, navíc není předem zcela jisté přerušení whiskeru jeho přetavením nebo
odpařením.
3. Vznik volně se pohybujících úlomků whiskerů. V aplikacích, kde se vyskytují mechanické vibrace nebo šoky, může dojít k odlomení whiskerů od podložky a vzniku volně
se pohybujících úlomků whiskerů. Ty mohou poté znehodnotit optické soustavy, poško7
Seznam vybraných poruch způsobených whiskery je uveden v příloze C.
27
dit mikromechanické struktury MEMS nebo mohou opakovaně působit nahodilé elektrické
zkraty mezi vývody elektronických součástek, špiček konektorů nebo vodičů s dočasnými
případně i nevratnými důsledky pro funkci zařízení.
4. Vznik elektrického oblouku odpařením whiskeru po zkratu. Při specifických podmínkách, např. za sníženého atmosférického tlaku, vhodných rozměrových nebo elektrických
parametrů soustavy může průchodem zkratového proudu dojít k nárůstu teploty whiskeru,
odpaření jeho materiálu a k následnému zažehnutí obloukového výboje. Takto může výbojem protékat špičkový proud o velikosti několika set ampér, dokud nedojde k uhasnutí
oblouku. Toto nebezpečí je mimořádně vysoké v případě elektronických zařízení provozovaných za sníženého atmosférického tlaku, např. u vesmírné, letecké nebo raketové elektronické výstroje.
Základní body z historie diagnostiky whiskerů jsou uvedeny v [22] a [18]. Vlivů na tvorbu whiskerů je mnoho. Mezi hlavní patří vlastnosti povrchové úpravy – tedy materiál, způsob nanášení,
tloušťka, atd. Všechny důležité faktory jsou shrnuty na obr. 2.6. Více o této problematice bylo
autorem napsáno např. v [23], [24] a [25].
Obr. 2.6 Faktory ovlivňující vznik a růst whiskerů.
28
2.1.6
Cínový mor
Základní materiálová data k cínu (Stannum – Sn), prvku čtvrté hlavní podskupiny (5. skupina)
Mendělejovovy periodické tabulky prvků uvádí např. Beneš v [26].
Cín modifikace α existuje v práškové formě a je stálý při teplotách pod 13,2 ◦C. Vznik této modifikace z modifikace β a zpět při změně okolní teploty probíhá relativně pomalu. Tato přeměna
modifikací může být velmi významná u zařízení dlouhodobě pracujících nebo skladovaných za snížených teplot. To částečně zdůvodňuje i striktní zákaz používání bezolovnatých pájek u zařízení
pro telekomunikační, kosmické a vojenské aplikace. Pro aplikace v elektrotechnice je použitelná
pouze modifikace β, která z taveniny krystalizuje ve čtverečných (tetragonálních) krystalitech8
tvořících mřížku (u jiných kovů nepozorovanou), na kterou lze pohlížet jako na mřížku diamantu,
deformovanou ve směru osy c.
S používáním prakticky čistého cínu se objevilo nejen zvýšené riziko vzniku cínových whiskerů,
ale ve stejné míře, zvláště při dlouhodobém skladování součástek v netemperovaných skladech9 ,
i riziko tzv. cínového moru na vývodech součástek a s ním spojené potíže s jejich pájitelností. Je
nutné říci, že oba tyto fyzikální jevy jsou známé již dlouhou řadu let, ovšem při používání Sn/Pb
slitin byl jejich výskyt zcela minimální. Problematika tzv. „cínového moru“ byla do nedávné
minulosti spíše jen starostí památkářů při péči o cínové nádobí, svícny, předměty zdobené čistým
cínem a další podobný mobiliář ohrožený dlouhodobým uložením při nízkých teplotách v expozicích i depozitářích. Přeměna modifikace β do modifikace α sice probíhá pomalu, ale pokud se
Tab. 2.1 Základní vlastnosti cínu.
Hustota při
Kov
Modifikace
20 ◦C
(kg·dm−3 )
Krystalická
Rekrystalizační
Teplota
Teplota
soustava
teplota (◦C)
tavení (◦C)
varu (◦C)
231,9
2 270
Cín
α
5,76
diamant.typu Stálý pod 13,2
(Sn)
β
7,298
tetragonální
8
Stálý nad 13,2
Kovy, které tuhnou vcelku, nemohou na rozdíl od krystalizace z roztoku vytvářet povrchové plochy jednot-
livých krystalků volně. Každé jednotlivé částici – krystalitu – je tvar vnucen stykem s jejími sousedy. Krystality
jsou i přesto pravidelně utvářeny a vzájemně odděleny nečistotami obsaženými v kovu nebo slitině.
9
Požadavek na možnost skladování v netemperovaných skladech nebo přepravu netemperovaných nákladových
prostorech letadel je jednou z podmínek kladených na základní vlastnosti nejen telekomunikačních, ale i zbraňových
systémů.
2.2 PREDIKCE SPOLEHLIVOSTI
29
v zařízení na jednom místě vyskytne, pokračuje relativně rychle. Za zmínku stojí i skutečnost, že
přeměnu modifikace β do modifikace α lze navodit např. „naočkováním“ stopovým množstvím
modifikace α do zařízení. Z autorových zkušeností ze spolupráce s památkáři a restaurátory je
oprava zasaženého předmětu poměrně obtížná a možná jen za cenu poměrně drastického zásahu
do předmětu [27]. Zkušenosti s opravou takto zasaženého elektrického zařízení zatím chybí, ale
velmi pravděpodobně bude taková oprava poněkud nejistá.
Přechod Sn z modifikace β do modifikace α se stává aktuální i v technické praxi. S nástupem
bezolovnatého pájení a příklonu k povrchovým vrstvám z čistého Sn jsou potenciálně ohroženy
součástky při skladování a je ohrožena jejich pájitelnost. V oblasti letecké, kosmické, vojenské
a automobilní techniky je při jejím dlouhodobém skladování nebo dlouhodobém provozu při
teplotách nižších než 13,2 ◦C ohrožena nejen spolehlivost uvedených zařízení, ale i schopnost
jejich funkce.
Autor byl již jedním ze zahraničních zákazníků informován o identifikaci tohoto jevu u zařízení
uloženého více než rok v netemperovaném skladu náhradních dílů, kde klesla po několik měsíců teplota hluboko pod bod mrazu [28]. Riziko zde představuje zejména skladování produktů
v nouzových podmínkách a do značné míry i neznalost tohoto jevu v laické veřejnosti. Zanedbat
nelze toto nebezpečí ani u dlouhodobě ukládané záložní výzbrojní techniky skladované obvykle
na volných plochách10 .
2.2
Predikce spolehlivosti
Spolehlivost je vlastností, kterou nelze vložit do produktu pouze během etapy výroby. Spolehlivost je součástí kvality produktu ve smyslu normy ČSN EN ISO 9001:2010, tj. primárně je do
produktu vložena během jeho vývoje a konstrukce. Zároveň je podmíněna dobrým a stabilním
technologickým procesem výroby. Zejména výrobci investiční techniky měli ve zvyku provádět
první analýzy spolehlivosti výsledného produktu již během etapy návrhu. Tento postup poskytoval konstruktérům první informace o správnosti konstrukční koncepce, tj. vhodnosti okruhového
návrhu výrobku, použitých součástech i mechanické konstrukce již od okamžiku vzniku funkčního
vzorku a měl téměř vždy vliv na jeho účelné modifikace.
Analýza spolehlivosti se tedy prolínala celým procesem vzniku produktu až po jeho exploataci
u zákazníka. Sběr konkrétních spolehlivostních dat navíc zpřesňoval následující spolehlivostní
odhady a výpočty.
10
Tzv. NZ technika, obvykle zařízení velkých rozměrů (automobilní, obrněná, raketová nebo letecká technika).
30
Dříve také bylo dobrým zvykem udávat v zákaznické dokumentaci intenzitu poruch nebo jiný
ukazatel spolehlivosti (např. MTBF) jak pro finální zařízení, tak i pro součástky. Navíc byly
tyto údaje doprovázeny i daty o podmínkách specifikace těchto parametrů. Bohužel, jak bylo již
řečeno, tyto postupy do jisté míry vymizely, a to zejména z oblasti spotřební techniky.
Pro první odhady ukazatelů spolehlivosti v etapě koncepce produktu se používá některá z metod
predikce intenzity poruch. Dle normy ČSN IEC 60300-3-1:2003 [29] existují tři základní metodiky:
1. Předpověď intenzity poruch za referenčních podmínek (analýza počítáním z dílů) – lze říci,
že za současných logistických podmínek dosáhneme velmi vágního výsledku.
2. Předpověď intenzity poruch za provozních podmínek (analýza namáhání dílů) – zde je
nutno vložit značné množství vlastních zkušeností a vlastních výsledků ze spolehlivostních
zkoušek.
3. Předpověď pomocí analýzy podobnosti, platí totéž, co bylo řečeno v předchozím bodu.
Volba metodiky závisí zejména na dostupných znalostech o zkoumaném produktu.
2.2.1
Srovnání dostupných metodik predikce spolehlivosti
Patrně nejznámější metodikou pro predikci spolehlivosti se stala norma MIL-HDBK-217 (Military Handbook: Reliability Prediction of Electronic Equipment). První edice této normy byla
vydána již v padesátých letech, poslední revize MIL-HDBK-217F [30] byla vydána v roce 1995.
Jedná se o vojenskou normou vydávanou Ministerstvem obrany USA. Tato metodika využívá
exponenciálního rozdělení poruch.
Norma byla od samého počátku vyvinuta pro potřeby predikce bezporuchovosti armádních elektronických zařízení, ale postupem doby se její použití rozšířilo do mnoha dalších oborů, zejména
do oblasti výroby zařízení investiční povahy, do kosmických aplikací, oblasti výroby zdravotnické
techniky nebo telekomunikačních zařízení a v současnosti je zatím stále ještě nejčastěji používanou metodikou predikce bezporuchovosti elektronických prvků i s nimi realizovaných zařízení.
Tato norma zahrnuje dvě odlišné metody predikce bezporuchovosti, a to metodu namáhání prvků
a metodu počítání z prvků. Hodnoty veličin uvedené v normě užívané pro výpočet intenzity poruch byly získány odhady založenými na statistických analýzách reálných rozborů poruch z provozu vybraných zařízení. Vzhledem k její snadné aplikovatelnosti a také faktu, že je poskytována
zdarma, se stala velmi populární v oblasti průmyslu.
Modernější, možno říci podpůrnou, verzi databáze obsažené v již uzavřené normě MIL-HDBK-217
představují dvě další databáze EPRD-97 [31] a NPRD-95 [32] vytvořené americkou společností
31
Tab. 2.2 Metodiky predikce spolehlivosti elektronických komponent
MIL-HDBK-217
IEC-TR-62380
FIDES
Telecordia
PRISM
Guide
Poslední verze
Verze F, Změna 2
Edice 3
SR-332, Issue 1
1.5
Edition A
Datum vydání
2/1995
8/2004
1/2011
6/2003
9/2010
Cena (eur)
zdarma
232
na vyžádání
1 662
zdarma
Druh
manuál
manuál
manuál
software
manuál
Sw. zpracování
ano
ano
ano
ano
ano
Parametry modelu
Druh výpočtu
z prvků
multiplikativní
multiplikativní
multiplikativní
aditivní
aditivní
14
12
5
37
7
konst. část
konst. část
kles. a konst. λ
ne
ano
ne
ano
ano
ne
ano
ne
ano
ano
Environmentální
profily
Simulované části
vanové křivky
Poruchy
pájených spojů
Vliv data výroby
součástky
kles., konst.
a rost. část
konst. část
RAC (Reliability Analysis Center), která je podřízena Ministerstvu obrany USA a obsahující data
i o modernějších prvcích. Tyto doplňující databáze jsou z uživatelského hlediska vzájemně provázány a umožňují předvídání bezporuchovosti mnoha současných elektrických, elektronických
typů i mechanických prvků.
Společnost RAC na základě databází EPRD-97 a NPRD-95 vytvořila SW produkt PRISM (Predikce a databáze bezporuchovosti pro elektronické a neelektronické prvky), který je souborem
metod predikce bezporuchovosti prvků. Metodika předpovědi bezporuchovosti PRISM se skládá
ze dvou kroků. V prvním kroku jsou stanoveny intenzity poruch pro jednotlivé prvky, v druhém kroku na úrovni sestavy jsou tyto intenzity korigovány provozními faktory, včetně prognózy
intenzity poruch SW.
Další metodikou pracující na velmi podobném principu je např. standard IEC-TR-62380 [33].
Jednou z chronologicky posledních metodik predikce bezporuchovosti je metodika FIDES, obsažená v příručce Guide FIDES 2009 Edition A – Méthodologie de fiabilité pour les systèmes
utilisant les COTS. Metodika byla zpracována z iniciativy francouzských firem leteckého a zbrojního průmyslu FIDES a zastřešovaná Ministerstvem obrany FR [34]. První verze byla vydána
32
v roce 2004 a její zatím poslední revize pak v roce 2010. Tato metodika byla vypracována s využitím sběru údajů o bezporuchovosti od výrobců z oblasti leteckého a zbrojního průmyslu s cílem
získat data z podmínek reálného provozu zařízení a na nich postavit koncepci současné predikce
v investičním sektoru výroby.
Základní odlišností této metodiky je princip přístupu k predikci – tato metodika je založena na
fyzice poruch. Touto metodou je možno podstatně zpřesnit výsledky predikce. V metodice jsou
akceptovány technologické faktory i faktory vnášené vlivy vnějších provozních podmínek. Jsou
akceptovány vlivy použití zařízení – elektrická, mechanická a teplotní zatížení i vlivy vnesené procesy vývoje, výroby, provozu a údržby. Danou metodiku lze použít ve většině oblastí elektroniky,
pro většinu moderních součástek, jako jsou integrované obvody, diody, tranzistory, kondenzátory, rezistory, indukčností a transformátory, relé, jednoduché i vícevrstvé desky plošných spojů
a také vodivé spoje. Metodika zahrnuje poruchy zapříčiněné celkovou koncepcí zařízení, jeho vývojem a konstrukcí, výrobou i exploatací, včetně možných provozních elektrických, mechanických
a teplotních přetížení. Konkrétní hodnoty všech faktorů a potřebných vstupních hodnot se určují
podle tabulek, vztahů a doporučení uvedených v příručce k metodice FIDES.
Více informací o rozsahu použití jednotlivých prognostických metod je obsaženo v tabulce 2.2
a v příspěvku [35].
2.2.2
Metodiky s konstantní intenzitou poruch
První metodiky predikce spolehlivosti výrobku nejčastěji používaly modely předpokládající v době
exploatace výrobku konstantní intenzitu poruch. Tento průběh lze popsat pomocí exponenciálního rozdělení poruch. Mnohé metodiky tento předpoklad využívají dodnes. Dle Ohringa [36]
není důvodem jejich vysoké oblíbenosti snad jen pouhé snadné používání takto definovaného modelu, ale především jisté rutiny vyplývající z historického vývoje elektrotechniky a elektroniky,
zejména:
• První spolehlivostní modely vzniklé v padesátých letech minulého století byly formulovány
pro popis spolehlivosti zařízení osazených převážně elektronkami, uhlíkovými lakovými rezistory, kondenzátory s dielektrikem z metalizovaného papíru a elektrolytickými kondenzátory s tekutým dielektrikem; všechny tyto součástky v průběhu zkoušek prokázaly, že po
převážnou část své životnosti podléhají výskytu pouze náhodných poruch, tj. konstantní
intenzitě poruch a tedy jejich exponenciálnímu rozdělení poruch.
• Soubory spolehlivostních dat vznikající postupně v minulých desítkách let byly často „zamořeny“
chybnými údaji – špatnými záznamy o poruchách, smícháním spolehlivostních dat z více
33
ne vždy stejnorodých výrobních sérií (včetně dat získaných na základě provozu zařízení
různého stáří), dat z provozu v rozmanitých provozních podmínkách atd. V souhrnném
výsledku se tedy často spíše jen zdálo, že dané zařízení podléhá po převážnou část své
životnosti konstantní intenzitě poruch.
• Výroba prvních polovodičových součástek nebyla zcela stabilní. To se projevilo vysokými
a zejména kolísajícími hodnotami intenzity poruch během období časných poruch i poruch
dožitím v různých výrobních sériích. Po sloučení všech získaných dat se intenzita v období
náhodných poruch jevila jako konstantní.
Při hlubší analýze však nejsou všechny tyto argumenty relevantní. Základním předpokladem
volby vhodné metodiky predikce je definice analyzovaného produktu. Pokud se zaměříme na
produkty z oblasti leteckého průmyslu, vojenských aplikací popřípadě zabezpečovací techniky,
můžeme konstatovat následující námitky:
• Závisí pouze a zcela jen na výrobci, aby aplikoval vhodné zkoušky zahořování popřípadě
komplexnější ESS zkoušky a tím zajistil eliminaci produktů s poruchami ve fázi časných
poruch ještě ve výrobním podniku. V tomto segmentu sortimentu již není možné „ladit“
produkty během fáze použití.
• Stejně tak není relevantní zohledňovat fázi poruch dožitím – tyto výrobky mají velmi přesně
specifikovanou dobu požití a je jen na výrobci, aby návrhem a zkouškami spolehlivosti
zajistil, že se žádná z komponent nedostane do této třetí fáze vanové křivky.
• Většinou se jedná o komplexnější výrobky s mnoha druhy prvků. Pokud dojde k poruše,
vzhledem k rozmanitosti používaných součástí dochází k poruchám, které v celé zkoumané
skupině se jeví jako exponenciální (a to i při zkoumání na jedné osazené DPS).
U produktů zejména spotřební techniky je situace poněkud jiná. U těchto výrobků se nepožaduje vysoká úroveň spolehlivosti, v některých případech se výrobci dokonce snaží o „časovanou
životnost“ . V těchto případech je mnohdy výrobek využíván, i když se ještě nachází v oblasti
časných poruch a mnohdy pružně z této fáze provozního života přechází do oblasti stárnutí, aniž
by existovala fáze s konstantní intenzitou poruch.
35
3 Matematika spolehlivosti
Při řešení spolehlivosti jsou využívány metody matematické pravděpodobnosti a statistiky. Většina experimentů uvedených v této práci využívá spojitých statistických rozdělení, přesto v některých případech je možné využívat i diskrétní rozdělení. Neparametrické testy byly použity
k testování homogenity vyrobených vzorků. K analýze dat však byly použity pouze parametrické
metody umožňující snadnější porovnání mezi jednotlivými zkouškami.
Zejména v etapě výroby je nejdůležitějším rozdělením Gaussovo normální rozdělení, které by mělo
dostatečně dobře popisovat statistické rozdělení jak znaků kontrolovaných v této etapě životního
cyklu, tak i procesy náhodných odchylek během měření kontrolované veličiny (např. metodiky
six sigma). Gaussovo normální rozdělení má následující tvar hustoty pravděpodobnosti:
f (x) =
1
σ (2π)1/2
e
−
(x−µ)2
2σ 2
(3.1)
kde µ je střední hodnota a σ rozptyl. Ve spolehlivosti se někdy toto rozdělení používá pro popis
oblasti stárnutí některých objektů. Intenzita poruch normálního rozdělení je popsána následujícím vztahem:
λ (t) =
3.1
ϕ t0σ−t
σ.φ t0σ−t
(3.2)
Exponenciální rozdělení
Dalším rozdělením, které je využíváno v teorii spolehlivosti, je rozdělení exponenciální. Toto
rozdělení je dosud nejčastěji používané rozdělení v teorii spolehlivosti a to z důvodů, které byly
rozebrány zejména v kapitole 2.2.2. Hustota pravděpodobnosti exponenciálního rozdělení má
následující tvar:
f (t) = λe−λ(t−A)
(3.3)
kde A je parametr posunutí (ve spolehlivosti často roven nule) a λ je intenzita poruch [37].
Intenzita poruch má tvar:
λ (t) =
f (t)
=λ
1 − F (t)
(3.4)
36
3 MATEMATIKA SPOLEHLIVOSTI
z rovnice je patrné, že v případě intenzity poruch normálního rozdělení se jedná o konstantu λ.
3.2
Weibullovo rozdělení
Weibullovo rozdělení se pro své příznivé vlastnosti často používá jako rozdělení pro modelování
dat o době života ve všech odvětvích elektrotechnické výroby. Jeho hlavní výhodou je schopnost
modelovat pomocí změny jednoho parametru všechny tři části vanové křivky.
Weibullovo rozdělení existuje ve dvou tvarech – v dvouparametrické a tříparametrické formě.
Dvouparametrická forma má následující tvar rovnice hustoty pravděpodobnosti:
β
f (t, β, η) = .
η
β−1
β
t
− ηt
.e
η
(3.5)
kde β > 0 je Weibullův parametr tvaru, η je Weibullův parametr měřítka a t je doba vyjádřená
jako proměnná. Pro Weibullův parametr měřítka se ve spolehlivosti vžil pojem Weibullův charakteristický čas. Je to okamžik, kdy dojde k poruše 63,2 % prvků. Distribuční funkce Weibullova
dvouparametrického rozdělení má následující tvar rovnice:
−
β
F (t, β, η) = 1 − e
t
η
(3.6)
Tvar okamžité intenzity1 poruch dvouparametrického Weibullova rozdělení je uvedena v následující rovnici:
λ (t, β, η) = β.
tβ−1
ηβ
(3.7)
Parametr β ovlivňuje tvar rozdělení. Existuje několik význačných hodnot tohoto parametrů.
• β < 1 – objekt se nachází v oblasti časných poruch. Intenzita poruch je klesající.
• β = 1 – Weibullovo rozdělení je identické s exponenciálním rozdělením. Intenzita poruch
je konstantní.
• β = 2 – Weibullovo rozdělení je identické k Rayleighovu rozdělení. Pro β > 1 je intenzita
rostoucí, tedy objekt se nachází v oblasti stárnutí.
• β = 2, 5 – Weibullovo rozdělení aproximuje lognormální rozdělení.
1
Okamžitá intenzita poruch – limita poměru podmíněné pravděpodobnosti, že časový okamžik T vzniku
poruchy objektu leží v daném časovém intervalu (t,t + ∆t) k délce časového intervalu ∆t, jestliže ∆t se blíží
k nule, za podmínky, že na začátku intervalu je objekt v použitelném, stavu, jednotkou je převrácená hodnota
jednotky jako má veličina t (viz seznam veličin).
37
3.3 MATEMATICKÝ POPIS VANOVÉ KŘIVKY
• β = 3, 6 – Weibullovo rozdělení aproximuje normální rozdělení.
Tříparametrická forma rozdělení má následující tvar rovnice hustoty pravděpodobnosti:
f (t, β, η, t0 ) =
β
.
η
t − t0
η
β−1
.e
t−t0 β
−
η
(3.8)
kde t0 je parametrem polohy. Parametr polohy se ve spolehlivosti nazývá doba bez poruch nebo
doba minimálního života. Dvouparametrické rozdělení je zobecněním rozdělení tříparametrického
(tj. případ, kdy parametr polohy t0 je roven nule). Přestože je tříparametrická forma obecnější,
v praxi se výrazně více využívá dvouparametrické forma rozdělení. Je to dáno povahou dat ze
zrychlených zkoušek spolehlivosti. Dalším důvodem je i komplikovanější metoda odhadu parametrů a tedy i prozatím nedostatečná softwarová podpora. V případech, kdy je nezbytné provést
korekci o konstantní časový úsek, je vhodnější tuto korekci provést u všech časů poruch a dále
pracovat s dvouprametrickou formou.
3.3
Matematický popis vanové křivky
Weibullovým rozdělením lze postihnout různé průběhy hustoty pravděpodobnosti (tedy i intenzity poruch. Presto je nezbytné pro simulaci celého průběhu vanové křivky použít lineární
kombinaci alespoň dvou průběhů (např. bimodální Weibullovo rozdělení). Bimodální rozdělení
lze vyjádřit následujícím vztahem:
f (t) = p.f1 (t) + (1 − p) .f2 (t)
(3.9)
Rovnici bimodálního Weibullova rozdělení lze poté popsat následující rovnicí:
f (t) = p.
β1
η1
β1 −1
β2 −1
β1
β2
t
β2
t
− t
− t
.
.e η1
.
.e η2
+ (1 − p) .
η1
η2
η2
(3.10)
Pro odhad parametrů bimodálního Weibullova rozdělení je možné využít metodu maximální věrohodnosti. Metodika je komplikovanější než při odhadu pouze jednoduchého Weibullova rozdělení.
Podrobněji je metodika je popsána např. v [38], [39] a v [40].
Důsledky změn parametrů jsou dokumentovány simulovanými příklady, odhadnuté vanové křivky
jsou zobrazeny na obr. 3.1. Na obr. 3.1(a) je vidět příklad průběhu intenzity poruch výrobku,
který je dlouhou dobu v oblasti náhodných poruch a poté přechází do oblasti stárnutí – tedy
neobsahuje periodu s konstantní intenzitou poruch. Typicky se jedná o výrobky spotřební elektro-
38
3 MATEMATIKA SPOLEHLIVOSTI
(a) β1 = 0.80, η1 = 10; β2 = 20, η2 = 62.
(b) β1 = 0.50, η1 = 5; β2 = 20, η2 = 62.
(c) β1 = 0.99, η1 = 10; β2 = 20, η2 = 85.
Obr. 3.1 Matematický model vanové křivky.
techniky. Na obr. 3.1(b) a obr. 3.1(c) jsou průběhy intenzity poruch výrobků z oblasti investiční
techniky. Na obr. 3.1(b) je stále patrná relativně dlouhá perioda dětských poruch, ale již je možné
definovat úsek s relativně konstantní intenzitou poruch. Typickým průběhem výrobku z oblasti
investiční a zejména speciálního segmentu výroby je vanová křivka zobrazená na obr. 3.1(c).
Tento průběh obsahuje krátké období dětských poruch a výraznou oblast konstantní intenzity
poruch.
3.4
Odhad parametrů Weibullova modelu
Pro odhad parametrů je možné použít některou z numerických či grafických metod. Mezi grafické
metody patří například Weibullův pravděpodobnostní graf spolu s metodou regrese prostřední
hodnoty (MRR2 ). Mezi numerické metody patří zejména metoda maximální věrohodnosti (dále
jen MLE3 ) a metoda momentů.
2
3
MRR – median rank regression (regrese prostřední hodnoty)
MLE – maximum likelihood estimation (odhad metodou maximální věrohodnosti)
3.4 ODHAD PARAMETRŮ WEIBULLOVA MODELU
39
Výrazně komplikovanější je odhad parametrů rozdělení pokud sada analyzovaných dat obsahuje
cenzurovaná pozorování. Cenzurovaná data jsou data o době života objektů z výběru, která
nevykázala fatální poruchu nebo poruchu zjištěnou poruchovou analýzou dle předem stanovených
podmínek spolehlivostní zkoušky (více viz ČSN IEC [41]).
Nejistota správnosti odhadu parametrů Weibullova rozdělení úzce souvisí s rozsahem výběru
a počtem platných poruch4 . Parametry Weibullova rozdělení mohou být odhadnuty dokonce na
základě pouhých dvou poruch [42] (avšak nejistota takto odhadnutých parametrů je poměrně
velká). Platí zde tedy, stejně jako u všech u ostatních statistických analýz, že čím více dat je
k dispozici, tím přesnější je odhad.
Dle normy ČSN EN 61649 [42] jsou předpovědi poruch založené na MRR u malých rozsahů
výběru obvykle přesnější, ale silně závisí na tvaru rozdělení a rozdělení stáří u vyloučení. Většinou
můžeme využít počítačových prostředků a analyzovat tak data pomocí MRR nebo metodou MLE.
Vhodnost volby mezi jednotlivými metodami je autorem podrobněji rozebrána v příspěvku [43].
V praxi se totiž ukázalo, že využití Weibullova modelu k popisu a vyhodnocení spolehlivostních
zkoušek v průmyslové praxi je vzhledem k ucelenému popisu všech tří etap průběhu vanové křivky
spolehlivosti testovaných objektů mnohem výhodnější než rozdělení postupu vyhodnocení na tři
samostatné etapy života objektů.
V řadě případů nebyl doposud tento model používán pro svou grafickou složitost vyhodnocení.
Tento důvod s rozvojem výpočetní techniky pominul a opomíjení tohoto modelu je pouze dáno
zažitou rutinou pracovníků zabývajících se spolehlivostí.
Celkový popis výsledků zkoušek je pak konzistentní, graficky názorný i pro použití do prezentací
pro laiky v oboru spolehlivosti (osvědčil se např. pro porady vrcholového managementu podniků).
Vzhledem k pokroku ve výpočetní technice i SW je pro laboratorní praxi neproblémový i při
větších souborech zpracovávaných dat.
4
Termín platná porucha je vysvětlen v seznamu termínů a definic.
41
4 Hypotéza disertační práce
Z analýzy provedené v kapitole současný stav problematiky spolehlivosti elektrických zařízení
i z konkrétních potřeb výrobní praxe v oblasti prognostiky spolehlivosti, stability, kontroly a validace procesů spojování, zejména pájením je možno formulovat základní hypotézu práce, a to:
„Použití moderních technologií montáže nemusí vést ke vzniku produktu s vyšší spolehlivostí.“
S touto hypotézou souvisí následující předpoklady:
1. „Problematika spolehlivosti není v současné době základní prioritou výrobců. Toto se projevuje již i v citlivé oblasti investiční a speciální techniky. Podcenění významu spolehlivosti
vede k plýtvání surovinovými zdroji, prostředky zákazníků a může způsobit škody na zdraví
a majetku.“
2. „Prognostické metody spolehlivosti používané před legislativním zavedením povinnosti implementace bezolovnatých technologií spojování a povrchových úprav výrobků nejsou bez
dalšího výzkumu a ověřovacích zkoušek aplikovatelné do prognostiky spolehlivosti v etapách
vývoje a konstrukce nových produktů.“
3. „Legislativně kodifikovaná povinnost zavedení bezolovnatých technologií není dostatečně
dopracována z hlediska spolehlivosti produktů vyráběných s pomocí těchto technologií. Je
nutno metodami vědecké analýzy experimentálních poznatků a syntézou výsledků formulovat pravidla pro jejich účelnou implementaci do výrobní praxe.“
Tyto předpoklady odrážejí současně navíc i problematiku výrobní praxe. Cíle disertační práce
jsou v souladu s názory pracovníků vývoje i výroby elektronických zařízení investiční povahy.
Metody práce vedoucí k dosažení dále stanovených cílů i k prokázání či vyvrácení formulované
hypotézy byly voleny adekvátně k daným účelům, a to zejména:
• Studium vlastností jednotlivých složek a surovin používaných v oblasti bezolovnatých technologií a analýzu jejich vlivů na spolehlivost pájených a lepených spojů.
• Poruchová analýza součástek, bloků a celých investičních celků a v návaznosti posouzení
možných vlivů bezolovnatých technologií na spolehlivost provozu objektů investičního charakteru.
• Laboratorní experimenty na stejnorodých souborech laboratorních vzorků (mechanické
a klimatické zkoušky) zhotovených v definovaných podmínkách, dále experimenty se stejnými vzorky v reálných terénních podmínkách [44], [45].
42
4 HYPOTÉZA DISERTAČNÍ PRÁCE
• Studium rizik vzniklých ne zcela promyšleným použitím bezolovnatých technologií v praxi,
a to zejména v investičních celcích a průmyslových řídicích systémech.
• Studium rizik implementace bezolovnatých technologií vytváření vodivých spojů v oblasti
výroby elektronických zařízení a jejich exploatace v nepříznivých klimatických, dopravních
a skladovacích podmínkách.
Metody zpracování byly po stránce teoretické i praktické zvoleny adekvátně k dále stanoveným
cílům disertační práce. Navíc byl kladen zvláštní důraz na volbu metod aplikovatelných a akceptovatelných nejen v laboratorních podmínkách vědeckého pracoviště, ale i v aktuálních podmínkách
podnikové praxe. Snahou autora bylo i tam, kde to bylo možné, své teoretické hypotézy a získané
poznatky vždy ověřit v praxi.
43
5 Cíle práce
Formulace cílů práce vychází z hypotézy disertační práce. Současně reagují na aktuální potřeby
výrobních podniků v oblasti prognostiky spolehlivosti a validace procesů bezolovnatého pájení
jeho použití v oblasti investiční a speciální techniky.
Na základě získaných a zobecněných poznatků dané problematiky je možné po provedení jejich
kritické analýzy předpokládat splnění následujících bodů:
1. Vymezení vlivu bezolovnatých technologií montáže na spolehlivosti elektrických produktů.
2. Analýza prognostických metod používaných ke stanovení odhadů spolehlivosti elektrického
produktu s ohledem na jeho vývoj a konstrukci před přijetím směrnice RoHS a po nabytí
platnosti této směrnice.
3. Průběžná aplikace získaných poznatků v podnikové sféře v reálném čase.
Výsledky disertační práce by měly být využitelné ve vývojové, konstrukční i výrobní praxi ke
zvýšení spolehlivosti produktů, a to již během celého časového průběhu prací na vzniku produktu.
45
6 Chování bezolovnatých technologií v průběhu stárnutí
Provedené zkoušky spolehlivosti a klimatické testy byly zaměřeny na analýzu chování tří druhů
pájek (tj. SnPb pájky S62-325GM5, dvou bezolovnatých pájek CuAg-XM3S a EM 9071 ) a dvou
druhů ECA (jednosložkové ECA AX 20 a dvousložkové ECA AX 12LVT2 ) během procesu stárnutí
v různých klimatických podmínkách.
Během procesu stárnutí v různých klimatických podmínkách byly vždy voleny podmínky adekvátní dané technologii spojování i odpovídající požadovaným provozním podmínkám. Pro srovnání byla provedena analýza vlastností a spolehlivosti absolutně bezolovnatého způsobu spojování – spojování pomocí zářezového spoje. O této technologii spojování bude krátce pojednáno
v kapitole 7.3.2.
Vyhodnocování kvality pájených a lepených spojů bylo ve všech experimentech založeno na měření základních elektrických a mechanických parametrů. Za hlavní ukazatel kvality spoje z hlediska elektrických vlastností byl, vzhledem k aplikačním požadavkům, zvolen elektrický odpor
spoje a jeho stabilita3 . Pro hodnocení mechanických vlastností spojů byla u prvních dvou technologií využita metoda odtrhu SMD součástky ve smyku.
Z důvodu snadnějšího porovnání byla data transformována na procentní změny vztažené vždy
k minimální naměřené hodnotě (ohmického odporu či síly nutné k odtrhu součástky). Minimální
naměřená hodnota byla zvolena za referenční hodnotu zejména z důvodů rychlého poklesu elektrického odporu u dvousložkového ECA během jejich stárnutí v prostředí suchého tepla. Okamžik
poruchy byl definován jako okamžik, kdy hodnota procentní změny elektrického odporu je větší
nebo rovna zvolené prahové hodnotě. Tato prahová hodnota v praxi závisí na typu zařízení a na
jeho obvodových parametrech. Během vyhodnocení experimentů v této práci byly zvoleny dvě
hodnoty – 5% a 10% hranice kritéria poruchy4 . K odhadu parametrů bylo použito Weibullovo
rozdělení (důvody volby tohoto rozdělení viz kap. 3.2). Zároveň je možné porovnat odhadnuté
koeficienty Weibullova modelu s parametry uvedenými v databázích spolehlivostí, jedna z nich je
např. dostupná i na webových stránkách [46]. V této databázi je hodnota Weibullova koeficientu
tvaru spoje udávaná v rozmezí 0, 5 – 6, s typickou hodnotou 1, 2.
Katalogové listy všech tří pájek jsou uvedena v příloze F, G a H.
Katalogové listy obou ECA jsou uvedena v příloze D a E.
3
Elektrický odpor jednoho spoje není možné určit, byla tedy měřena soustava spoj-rezistor-spoj (více viz
1
2
příloha A.2). Jiné metody hodnocení kvality spoje (např. měření nelinearity VA charakteristiky spoje) nebyly
použity s ohledem na zatím problematickou aplikovatelnost v průmyslové praxi.
4
Volba kritéria poruchy je velmi složitá – závisí zejména na aplikaci, kde budou tyto spoje použity, proto byly
zvoleny dvě často používané hladiny poruch.
46
6 CHOVÁNÍ BEZOLOVNATÝCH TECHNOLOGIÍ V PRŮBĚHU STÁRNUTÍ
Více podrobností o metodice provedených zkoušek spolehlivosti je uvedeno v příloze A.
6.1
Stárnutí při zvýšené teplotě
Studium chování spojů během stárnutí při zvýšené teplotě bylo provedeno pomocí zkoušek suchým teplem5 . Zkoušky byly provedeny při dvou základních teplotách 75 ◦C a 125 ◦C. Další změny
parametrů spojů realizovaných dvousložkovým ECA pak ještě při teplotách 85 ◦C a 100 ◦C. Detaily parametrů zkoušek jsou uvedeny v kapitole B.1 a kapitolách následujících.
Během klimatických zkoušek suchým teplem bylo zjištěno, že zatímco průběhy elektrického odporu spojů třemi druhy pájek jsou podobné, průběhy elektrického odpor spojů vytvořených
pomocí jednosložkového a dvousložkového ECA má výrazně odlišný průběh. Závislost průběhu
mediánu elektrického odporu na době stárnutí obou ECA je uveden na obr. 6.1.
Průběh elektrického odporu lepených spojů a stárnutých při teplotě 75 ◦C je zobrazen na obr. 6.1(a).
Je patrné, že zatímco elektrický odpor spojů vytvořených pomocí jednosložkového ECA AX 20
(a) ECA – teplota stárnutí 75 ◦C.
(b) ECA – teplota stárnutí 125 ◦C.
(c) Pájky – teplota stárnutí 125 ◦C.
Obr. 6.1 Porovnání časových změn mediánu elektrického odporu lepených a pájených spojů během
zkoušky suchým teplem.
5
Zkoušky byly provedeny dle normy ČSN EN 60068-2-2:2008 [47], zkouška Bb.
6.1 STÁRNUTÍ PŘI ZVÝŠENÉ TEPLOTĚ
47
(a) AX 20, 5% práh kritéria poruchy, teplota stárnutí
75 ◦C.
(b) 5% práh kritéria poruchy, teplota stárnutí 125 ◦C. (c) 10% práh kritéria poruchy, teplota stárnutí 125 ◦C.
Obr. 6.2 Odhadnuté průběhy intenzit poruch lepených spojů stárnutých při zkoušce suchým teplem.
monotonně roste, elektrický odpor spojů vytvořených pomocí dvousložkového ECA AX 12LVT po
většinu expoziční doby klesá. Tento průběh elektrického odporu je charakteristický pro všechny
zkoušky spojů vytvořených pomocí dvousložkového ECA při zvýšené teplotě. Podobný průběh
nastal i u spojů vytvořených pomocí jednosložkového ECA AX 20, ale pouze při vysoké teplotě
stárnutí (125 ◦C – viz obr. 6.1(b)) a nízké teplotě vytvrzení6 . Při maximální dovolené teplotě vytvrzení tento průběh již nebyl zjištěn. Podrobnější výsledky chování dvousložkového ECA během
stárnutí suchým teplem jsou uvedeny v kap. 7.2.
Při zkouškách spolehlivosti se obvykle oprávněně předpokládá, že kontrolovaný parametr má
trend ke zhoršování – např. elektrický odpor pájených spojů z dlouhodobého hlediska roste,
pouze krátkodobě může klesnout, a to většinou spíše z důvodu nepřesnosti měření. Proto je
znalost konkrétního poruchového mechanismu pro dané zkoušky spolehlivosti důležitá z hlediska
jejího vyhodnocení a proto byly experimentální výsledky dále vyhodnocovány.
Odhadnuté průběhy intenzit poruch jsou uvedeny na obr. 6.2. Během zkoušky suchým teplem
na hladině 75 ◦C nebyl detekován dostatek poruch pro odhad parametrů spojů vytvořených po6
Nejnižší výrobcem doporučené teplota vytvrzení jednosložkového ECA AX 20 je 150 ◦C po dobu
5 minut až 10 minut, zatímco nejvyšší dovolená teplota vytvrzení je 200 ◦C po dobu 6 minut.
48
(a) ECA – Teplota stárnutí 75 ◦C.
(b) ECA – Teplota stárnutí 125 ◦C.
(c) SAC pájka – Teplota stárnutí 125 ◦C.
Obr. 6.3 Porovnání vzorků po zkoušce odtrhu ve smyku.
mocí dvousložkového ECA AX 12LVT na obou zvolených hladinách kritéria poruchy a u spojů
vytvořených pomocí jednosložkového ECA AX 20 na hladině kritéria poruchy 10 %.
Z odhadnutých průběhů intenzity poruch je zřejmé, že:
• Při teplotě 75 ◦C se neobjevila žádná porucha u spojů vytvořených pomocí ECA AX 12LVT.
Spoje vytvořené pomocí ECA AX 20 se při této teplotě a 5% hladině kritéria poruchy
nachází v oblasti stárnutí s parametry Weibullova modelu β = 1, 350 a η = 4248 h.
• Při teplotě 125 ◦C a 5% hladině kritéria poruchy spojů vytvořených pomocí ECA AX 12LVT
lze poruchy rozdělit do dvou částí vanové křivky – oblast s téměř konstantní intenzitou
poruch (β = 1, 139) a oblast stárnutí (β = 13, 83). Spoje vytvořené pomocí ECA AX 20 se
nacházejí v oblasti stárnutí, kde je možné detekovat dva mechanismy poruch.
• Při teplotě 125 ◦C a 10% hladině kritéria poruchy, se spoje vytvořené pomocí obou ECA
nacházejí pouze v oblasti stárnutí s parametry β = 1, 355 (AX 12LVT) a β = 1, 183
49
(a) Detail pájeného spoje.
(b) Detail zničené vodivé cesty.
(c) Detail substrátu FR 4.
Obr. 6.4 Příklad delaminace DPS vlivem nedomyšleného návrhu obvodového schématu i nekvalitního
návrhu spojového obrazce DPS [6].
(AX 20). Tomu odpovídají tyto parametry měřítka η = 6184 h (AX 12LVT) a η = 4680 h
(AX 20).
Vzhledem k měření na nejméně dvou teplotních hladinách u zkoumaných vzorků mohl být využit Arrheniův zákon k odhadu obou koeficientů tohoto zákona (viz rovnice 2.2). Koeficienty
pájek nebylo vzhledem k nedostatku platných poruch možno odhadnout. Odhadnuté koeficienty
Arrheniova zákona obou ECA jsou uvedeny v tab. 6.1. Odhadnutá aktivační energie je v případě ECA AX 12LVT 156,18 kJ·mol−1 a v případě ECA AX 20 50,66 kJ·mol−1 . Například ve
vojenském standardu ČOS [48] se uvažuje aktivační energie poruch elektrotechnických vojenských aplikací v rozmezí 29 kJ·mol−1 až 221 kJ·mol−1 . Odhadnuté parametry obou ECA se tedy
pohybují uvnitř tohoto intervalu. Odhadnuté hodnoty aktivační energie jsou nezbytné pro určení
koeficientu urychlení zkoušky (viz rovnice 2.4).
Na obrázku 6.3 také stojí za povšimnutí vysoký stupeň degradace podložky epoxidového laminátu
50
Tab. 6.1 Odhadnuté koeficienty Arrheniova zákona vzorků ECA.
Druh lepidla
A (−)
E (kJ·mol−1 )
AX 12LVT
5,759 · 1025
156,18
AX 20
8,245 · 109
50,66
Tab. 6.2 Test pevnosti ve smyku – zkouška suchým teplem při teplotách 75 ◦C a 125 ◦C.
Druh lepidla
75 ◦C
125 ◦C
x (N)
vx (−)
(N)
vx (−)
AX 12LVT
62,6
0,377
71,8
0,242
AX 20
89,3
0,133
69,3
0,173
S62-325GM5
–
–
42,5
0,080
CuAg-XM3S
–
–
38,5
0,163
EM 907
–
–
49,4
0,162
FR 4 po stárnutí vzorků při teplotě 125 ◦C. Při zkoušce odtrhu ve smyku došlo u vzorků, které
byly stárnuty při teplotě 125 ◦C, k odtrhu části epoxidové pryskyřice ze základního materiálu
FR 4. V případě odtrhu pájeného spoje došlo dokonce k odtrhu celé Cu pájecí plošky. Na druhé
straně je to i příklad velmi dobré adheze bezolovnaté pájky k Cu povrchu.
Obdobný proces poškození pozorujeme i v praxi. Např. podobná degradace je často pozorována
při poruchových analýzách spínaných napájecích zdrojů, kde konstruktéři velmi často podceňují
reálnou míru disipace výkonu v některých částech DPS. Stejná degradace byla analyzována například na svisle umístěné základní desce PC v oblasti nad procesorem7 . Degradace této míry
pak prakticky vylučují opravu zařízení i v případech, kdy by to bylo technicky reálně možné –
při pokusu o opravu prováděnou špičkově kvalifikovanou pracovnicí, v takovém stupni degradace
podložky okamžitě nastává konečná fáze delaminace s odtržením Cu vodivé dráhy od laminátové
podložky. Lze říci, že značná část analyzovaných poruch návrhů vznikla nerespektováním fyzikálních možností disipace výkonů jednotlivých součástek, včetně nerespektování reálných vlastností
konstrukčních materiálů, nejen podložky FR 4, ale např. plastu pouzdra zdroje. Na obr. 6.4 je
znázorněn příklad, jak může vypadat destrukce sklolaminátu DPS. Je zřejmé, že v tomto pří7
V poslední době je tento typ poruchy desek stále častější. Často degradace vysokou teplotou zasahuje i ně-
které součástky. Snaha konstruktérů o úspory zde naráží na poměrně obtížnou změnitelnost fyzikálních zákonů
a zákonitostí.
51
padě konstruktér pozapomněl na nutnost ověřit si provozní elektrofyzikální režim nepříliš složité
součástky jako je rezistor i proudovou zatížitelnost spoje SW navrženého spoje desky8 .
Z hlediska mechanických vlastností vykazují lepené spoje větší sílu odtrhu ve smyku. Toto je způsobeno zejména adhezí epoxidové složky ECA k DPS. Bylo zjištěno, že hlavní vliv na velikost síly
odtrhu ve smyku má právě velikost plochy mimo Cu připojovací plošky pokryté hmotou lepeného
spoje. Z hlediska srovnání obou druhů ECA dosahují spoje vytvořené pomocí jednosložkového
ECA AX 20 vyšší pevnost při nižší teplotě stárnutí (pokles o 22,4 %). Spoje vytvořené pomocí
dvousložkového ECA AX 12LVT dosahují vyšší pevnost naopak při vyšší teplotě stárnutí (růst
o 14,7 % – více viz tab. 6.2). Rozdíly velikostí sil odtrhu ve smyku mezi jednotlivými pájkami
nejsou zásadně odlišné. Nejlepších výsledků dosahují spoje vytvořené pomocí pájky EM 907
(SAC) a poté SnPb pájecí slitina S62-325GM5.
Výrobcem doporučený rozsah teplot jednosložkového ECA AX 20 je dle katalogového listu (viz
příloha E) −55 ◦C až 180 ◦C, maximální teplota pak 200 ◦C po dobu 1,5 hodiny. Rozsah pracovních teplot dvousložkového ECA AX 12LVT není v katalogovém listu uveden. Takto široký
rozsah pracovních teplot u ECA AX 20 je velice překvapivý zejména z těchto důvodů:
• Doporučené profily vytvrzení tohoto ECA jsou na teplotních hladinách 150 ◦C, 180 ◦C, resp.
200 ◦C v případě průběžné pece (vrcholová teplota profilu). Maximální pracovní teplota
180 ◦C je tedy na hladině maximální vytvrzovací teploty – tedy sám výrobce předpokládá
dotvrzování ECA během fáze použití, která ovšem při takto vysoké teplotě může přejít
velmi rychle ve fázi degradace.
• Tento rozsah je výrazně jak nad teplotou skelného přechodu běžné FR 4 (nejčastěji 120 ◦C
(např. u materiálu LAMPLEX FR-4 [15]) tak i nad teplotou skelného přechodu samotného
ECA. Teplota skelného přechodu jednosložkového ECA AX 20 je přibližně 92 ◦C [49]. Teplota skelného přechodu dvousložkového ECA AX 12LVT je dle katalogového listu tohoto
ECA 95 ◦C (takto nízká udávaná teplota je překvapující, protože teplota skelného přechodu
obdobného dvousložkové ECA AX 12MN byla v citované práci určena ve velikosti 198 ◦C
[49]).
• Z výsledků provedených zkoušek je patrná výrazná degradace již na provedené hladině
125 ◦C. Tato degradace je patrná jak z určených ukazatelů spolehlivostních (viz průběh
intenzity poruch na obr. 6.2(c)), tak i z poklesu průměrné velikosti síly odtrhu ve smyku
(pokles o 22,4 %).
8
Politováníhodná je skutečnost, že autor se s touto poruchou setkal v zařízení ovládajícím technologický proces,
tedy zařízení investiční povahy.
52
Tab. 6.3 Mediány změny elektrického odporu vzorků ECA na konci zkoušky vlhkým teplem.
Druh lepidla
∆R (%)
Min. teplota vytvrzení
Max. teplota vytvrzení
AX 12LVT
117
273
AX 12LVT expirované
1750
560
AX 20
12 560
303
S62-325GM5
6,86
CuAg-XM3S
4,16
EM-907
10,1
Lze předpokládat, že při vyšších teplotách stárnutí by došlo k ještě výrazně horším výsledkům (viz
Arrheniův zákon). V případě dvousložkového ECA AX 12LVT výrobce tyto hodnoty neudává.
Lze však předpokládat, že ani toto ECA není schopno pracovat při tak vysokých teplotách.
6.2
Vlhkostní namáhání
Vliv vlhkosti na stabilitu spojů byl ověřován zkouškou vlhkým teplem s teplotou θ = 50 ◦C
a vlhkostí 98 % r. v. (více parametrů zkoušky viz kap. B.4). Zároveň byl v této zkoušce sledován
vliv doby expirace ECA na stabilitu vlastností vytvořených spojů, vliv povrchové úpravy SMD
součástek a profilu vytvrzení spojů vytvořených pomocí ECA.
(a) ECA (VT – maximální teplota vytvrzení, NT – mi-
(b) Vzorky pájek.
nimální teplota vytvrzení, EXP – vzorek ECA po době
expirace).
Obr. 6.5 Závislost procentní změny mediánu odporu vzorků během zkoušky vlhkým teplem.
53
6.2 VLHKOSTNÍ NAMÁHÁNÍ
(a) Expirované ECA, nízká teplota vytvrzení.
(b) Expirované ECA, vysoká teplota vytvrzení.
(c) Neexpirované ECA, vysoká teplota vytvrzení.
Obr. 6.6 Spoje vytvořené pomocí ECA AX 12LVT a stárnutých vlhkým teplem po zkoušce odtrhu ve
smyku.
(a) Spoj vytvořený s rezistorem s povrchovou úpra- (b) Spoj vytvořený s rezistorem s povrchovou úpravou určenou pro ECA.
vou určenou pro pájení (Sn).
Obr. 6.7 Vzorky spojů vytvořené pomocí ECA AX 20 v kombinaci s DPS s povrchovou vrstvou Sn (HAL)
stárnutých vlhkým teplem – po zkoušce odtrhu ve smyku.
54
(a) Spoje vytvrzené při nízké teplotě vytvrzení – spoj. (b) Spoje vytvrzené při nízké teplotě vytvrzení –
spodní strana rezistoru.
(c) Spoje vytvrzené při vysoké teplotě vytvrzení – spoj. (d) Spoje vytvrzené při vysoké teplotě vytvrzení –
spodní strana rezistoru.
Obr. 6.8 Spoje vytvořené pomocí ECA AX 20 a stárnuté vlhkým teplem po zkoušce odtrhu ve smyku.
Průběh mediánu elektrického odporu všech vzorků během stárnutí je uveden na obr. 6.5. Číselné hodnoty mediánu změny elektrického odporu na konci zkoušky jsou uvedeny v tab. 6.3.
Z grafů i z tabulky je patrná silná závislost změny odporu všech vzorků osazených pomocí ECA.
U pájek je změna řádově menší.
Dle výsledků provedených zkoušek spolehlivosti je profil vytvrzení lepeného spoje zásadním faktorem ovlivňujícím stabilitu spoje v prostředí se zvýšenou relativní vlhkostí. Prokázalo se, že
všechny vzorky s nízkou teplotou vytvrzení9 vykazují výrazně vyšší hodnoty elektrického odporu
a zejména tento trend zhoršujících se vlastností je velmi prudký hned na začátku zkoušky.
Nejlépe je to možné dokumentovat na spojích vytvořených pomocí jednosložkového ECA AX 20,
9
Nejnižší teplota vytvrzení dvousložkového ECA AX 12LVT je 80 ◦C po dobu 25 minut, nejvyšší pak 120 ◦C
po dobu 15 minut, resp. 150 ◦C po dobu 5 minut při využití pece k přetavení.
55
u kterého mají vzorky s vysokou teplotou vytvrzení medián změny elektrického odporu roven
trojnásobku, zatímco při vytvrzení při minimální doporučené teplotě je to 125násobný. Dvousložkové ECA AX 12LVT dosahuje výrazně lepších výsledků zejména při vytvrzení při nízké teplotě
– zde se jedná o zhoršení elektrického odporu o 117 % (neexpirované ECA), resp. 1750 % (expirované ECA) – tedy výsledek nejméně o jeden řád lepší. Pájky se pohybují v rozmezí přibližně
do 10 %.
Výrazné zhoršení elektrického odporu lepených spojů je dáno jejich složitou vnitřní strukturou.
Struktura lepených spojů je výrazně poréznější než je tomu ve srovnání se strukturou pájeného
spoje10 . Díky tomu mohou do pórů lepených spojů proniknout některé složky okolní atmosféry
– v tomto případě vodní pára. Ta poté způsobuje oxidaci a popřípadě i sulfataci11 kovového
plniva ve spojích. Zejména nejčastěji používané stříbro je velmi citlivé na vliv okolní atmosféry,
hlavně na SO2 a H2 S jejichž vliv na vlastnosti spoje nelze žádném případě ani v budoucnosti
podceňovat. Obsah těchto exhalací v ovzduší bude i přes veškeré snahy klesat jen velmi pomalu.
Na základě velikostí mediánů změn elektrického odporů vzorků po zkoušce vlhkým teplem lze
předpokládat, že při použití výrobcem doporučovaného teplotního profilu vytvrzení za nízké
teploty nedojde k úplnému vytvrzení. Tento fakt je potvrzen jak průběhem změn elektrického
odporu, tak i hodnotami pevnosti ve smyku vzorků ECA po zkoušce vlhkým teplem, což je uvedeno v tabulce 6.4. Tedy po zkoušce suchým teplem i tento test potvrdil výše uvedený fakt. Vliv
nedotvrzení ECA je však v případě prostředí s vysokou relativní vlhkostí popřípadě i znečištěnou
atmosférou zcela zásadní.
Dalším faktorem ovlivňujícím stabilitu spoje, je doba expirace ECA. Přesto je vliv tohoto faktoru
překvapivě méně důležitý než parametry vytvrzení ECA12 . Pokud srovnáme konečné hodnoty
změn mediánů elektrického odporu dvousložkového ECA AX 12LVT použitého před a po lhůtě
zpracování, je tento nárůst roven jen 105 % v případě vysoké teploty vytvrzení. Z hlediska síly
odtrhu ve smyku se jedná o pokles o 22 %. V případě nízké teploty vytvrzení se jedná o řádově
vyšší hodnotu mediánu změny elektrického odporu.
Dalším studovaným kritériem byla volba Sn povrchové úpravy DPS a SMD rezistorů. Zkouška
10
11
Je zde myšlen spoj vytvořený pájkou SnPb. Pro spoj vytvořený bezolovnatou pájkou toto nemusí platit.
Na vzorcích, které byly stárnuty šokovým namáháním vlhké teplo – nízká teplota byla provedena ověřovací
zkouška vlivu prostředí s 0,01 % koncentrace H2 S (doba expozice byla 100 hodin). Odpor všech testovaných spojů
vystavených tomuto prostředí vykazovala po zkoušce odpor větší než 1 Ω (maximální naměřená hodnota byla
21,56 Ω). Póry zřejmě nejsou v plném rozsahu svého výskytu uzavřeny.
12
Možnost použití expirovaného lepidla nelze v reálných výrobních podmínkách zanedbat. Přihlédneme-li k jeho
ceně, bude v praxi častou snahou technologa tyto zbytky zpracovat a vyhnout se potížím s nadřízenými. Vzorky
označené jako „expirované“ byly osazeny pomocí ECA, které bylo použito maximálně 9 měsíců po expirační době.
56
Tab. 6.4 Test pevnosti ve smyku vzorků ECA po zkoušce vlhkým teplem – vypočtená průměrná síla.
Druh lepidla
F (N)
Min. teplota vytvrzení
Max. teplota vytvrzení
AX 12LVT
21,5
28,5
AX 12LVT expirované
27,9
34,8
AX 20
51,2
74,5
S62-325GM5
43,8
CuAg-XM3S
37,9
EM 907
41,3
vlhkým teplem potvrdila předchozí experimenty a prokázala nutnost používat ušlechtilé povrchové úpravy SMD součástek a materiálově vhodně zvolenou povrchovou úpravu DPS – nejčastěji
tedy čistá měď popřípadě vrstva zlata u DPS a kombinace NiPdAu u vývodů SMD součástek.
U vzorků s Sn povrchovou úpravou DPS či rezistorů se hodnoty elektrického odporu radikálně
zhoršily a tyto vzorky vykazovaly velikost odporu po 24 hodinách zkoušky v řádech ohmů. Proto
tyto vzorky nebyly dále vyhodnocovány. Fotografie DPS po zkoušce odtrhu ve smyku jsou uvedeny na obr. 6.7.
Parametry Weibullova modelu byly vzhledem k prudkému zhoršení spojů vytvořených pomocí
obou typů ECA odhadnuty pouze pro základní profil vytvrzení a rezistory určené pro ECA a jsou
uvedeny v příloze B.4.
Mechanické vlastnosti lepených spojů po zkoušce vlhkým teplem nevykazují neočekávané anomálie (velikosti jednotlivých průměrných sil odtrhu ve smyku jsou uvedeny v tab. 6.4). Lze se
domnívat, že velikost síly v odtrhu je spíše závislá na parametrech lepidla a procesu vytvrzení.
Vliv vysoké relativní vlhkostí lze hodnotit jako relativně malý. To lze dokumentovat porovnáním
naměřených výsledků v této zkoušce a vzorků, které nebyly uměle stárnuty.
Na obr. 6.6 jsou zobrazeny DPS po zkoušce odtrhu ve smyku osazené pomocí dvousložkového
ECA AX 12LVT. Pokud srovnáme výsledné hodnoty sil v odtrhu a zbytky ECA na DPS po
odtrhu (viz fotografie), je zřejmé, že lepené spoje vytvrzené při vysoké teplotě mají lepší adhezi
jak k substrátu, tak i k měděné vrstvě. Je zde také vidět menší kontaminace povrchu Cu (menší
plocha pokrytá oxidovou vrstvou, která je patrná jako zčernalé plošky) vzniklá porušením adheze
lepidla k části Cu plošky v průběhu zkoušky.
Na výsledcích testů odtrhu ve smyku je dále zřejmé, že povrchová vrstva cínového rezistu výrazně
57
(a) DPS s aktivovaným povrchem.
(b) DPS s Cu pokrytou oxidovou vrstvou bez aktivovaného povrchu.
Obr. 6.9 Rozdíly v adhezi ECA k aktivovanému a neaktivovanému Cu povrchu DPS.
snižuje hodnotu odtrhové síly, což potvrzuje nekompatibilitu cínového povrchu s ECA. Tento
fakt je také patrný na obr. 6.7, na kterých jsou zobrazeny DPS osazené pomocí ECA AX 20
v kombinaci s DPS s Sn povrchovou vrstvou a rezistory určenými pro ECA a pro pájení. Z obrázku
je patrna větší adheze ECA v případě rezistoru určeného pro ECA. DPS bez povrchové úpravy
s lepenými spoji vytvořenými pomocí ECA AX 20, které byly namáhány v prostředí vlhkého
tepla a poté byly testovaný na velikost síly v odtrhu jsou uvedeny na obr. 6.8. Obdobná situace
ovšem nastane při použití ECA na povrch Cu pokrytý korozními zplodinami13 . Zde se osvědčila
experimentálně odzkoušená aktivace povrchu14 Cu spojů (dekapování) před lepením odmaštěním
a poté mořením v aktivačních lázních (např. 10 % H2 SO4 a 10 % HNO3 nebo koncentrovaná
H2 SO4 a roztok chloridu železitého FeCl3 ) s následným oplachem destilovanou vodou a testem
neutrality pH. V průmyslové praxi přichází v úvahu spíše použití spojů s galvanicky nanesenými
vrstvami Au, případně Ni+Au nebo ve zvlášť odůvodněných případech u vybraných produktů
i vrstva NiPdAu zatím používaná na kontaktních plochách u součástek určených k lepení.
Další průběhy a hodnoty jsou uvedeny v příloze B.4.
13
14
Např. vinou dlouhodobého nevhodného skladování DPS v průmyslové praxi.
ECA na rozdíl od pájek neobsahují tavidla, která zajišťují tuto aktivaci. Přesto výrobce dle katalogového
listu tuto aktivaci nevyžaduje. Z experimentálních výsledků je však zřejmé, že u DPS s povrchem Cu pokrytým
korozními zplodinami je nutné tuto aktivaci provést.
58
6.3
Zkoušky šokovým namáháním
Ve zkoušce šokovým namáháním byl sledován vliv tří druhů šokového namáhání, a to teplotní
šoky, rychlé přechody z prostředí vlhkého tepla do suchého tepla a rychlé přechody z prostředí
vlhkého tepla do prostředí s nízkou teplotou. Parametry zkoušek byly zvoleny takto:
• teplotní šoky
– délka zkoušky: 182 šoků;
– horní extrémní teplota: 125 ◦C;
– spodní extrémní teplota: −40 ◦C;
– doba expozice: 15 min na obou teplotních hladinách;
– zkouška dle normy: JEDEC JESD 22-A104-B (přísnost TC2) [50];
• šoky vlhké teplo – nízká teplota
– vlhké teplo: 50 ◦C, 98 % r. v.;
– doba expozice: 4 hodiny (vlhké teplo) / 1 hodina (nízká teplota);
• šoky vlhké teplo – suché teplo
– vlhké teplo: 50 ◦C, 98 % r. v.;
– suché teplo: 125 ◦C;
– doba expozice: 4 hodiny (vlhké teplo) / 2 hodiny (suché teplo).
Průběhy změny mediánu elektrického odporu jednotlivých vzorků během stárnutí jsou znázorněny na obr. 6.10.
Odhadnuté parametry Weibullova modelu jsou uvedeny v tab. 6.5. Hodnoty se vztahují k počtu
cyklů. Fotografie spojů testovaných ve zkouškách šokovým namáháním jsou uvedeny na obr. 6.11.
Z výsledků lze vyvodit tyto závěry:
1. Na fotografiích spojů testovaných teplotními šoky je zřejmý vliv rozdílného koeficientu
teplotní roztažnosti (obr. 6.11(a) – AX 12LVT a obr. 6.11(b) – AX 20). Všechny spoje vytvořené pomocí ECA AX 20 a testované teplotními šoky obsahovaly tyto trhliny ve spojích,
zatímco spoje osazené pomocí ECA AX 12LVT přítomnost žádných trhlin nevykazovaly.
Přesto medián elektrického odporu a průměrná síla v odtrhu je nižší u spojů vytvořených
pomocí ECA AX 20. Odlišné chování spojů osazených pomocí ECA AX 20 je však patrné
na krabicovém grafu na obr. B.60 (příloha B) a z odhadnutých parametru Weibullova mo-
59
6.3 ZKOUŠKY ŠOKOVÝM NAMÁHÁNÍM
(a) ECA – Teplotní šoky.
(b) Pájky – Teplotní šoky.
(c) ECA – Šoky vlhké teplo – suché teplo.
(d) Pájky – Šoky vlhké teplo – suché teplo.
(e) ECA – Šoky vlhké teplo – nízká teplota.
(f) Pájky – Šoky vlhké teplo – nízká teplota.
Obr. 6.10 Závislost procentní změny mediánu elektrického odporu pájek a ECA – zkoušky šokovým namáháním.
60
(a) Teplotní šoky, ECA AX 12LVT.
(b) Teplotní šoky, ECA AX 20 – detail trhliny ve
spoji způsobeném rozdílným koeficientem teplotní roztažnosti.
(c) Šoky vlhké teplo – nízká teplota, EC AX 12LVT – (d) Šoky vlhké teplo – nízká teplota, EC AX 20 – detail
detail porušeného spoje.
trhliny.
(e) Šoky vlhké teplo – vysoká teplota – detail poškození
spoje AX 12LVT.
Obr. 6.11 Spoje vytvořené pomocí ECA po zkoušce šokovým namáháním klimatickými vlivy.
61
6.3 ZKOUŠKY ŠOKOVÝM NAMÁHÁNÍM
delu. Příčinou neexistence trhlin u spojů vytvořených pomocí ECA AX 12LVT je nejspíše
větší pružnost základní složky lepidla, která zajišťuje dostatečné přizpůsobení odlišným koeficientům teplotní roztažnosti DPS a součástky. Po případném dotvrzení ECA provozem
s možným výskytem vysoké teploty (jako např. automobilní technika apod.) tato výhoda
mizí. Stejně tak při větším počtu teplotních šoků lze předpokládat výrazné zhoršení vlastností spojů osazených ECA AX 20 vlivem trhlin ve spojích. Obdobně je v praktickém
provozu zařízení možná degradace vlastností lepidel přirozenými klimatickými šoky (rozdíly den/noc, zvláště v jarním a podzimním období), jak se projevilo ve spolehlivostní
zkoušce uvedené v kapitole 9.4 této práce.
2. Naopak lepších výsledků dosahuje jednosložkové ECA během šokového namáhání vlhké
teplo – suché teplo. V tomto experimentu nevzniklo dostatečné množství poruch u spojů
vytvořených pomocí ECA EX 20 a parametry Weibullova modelu tak nemohly být odhadnuty. Velikost sil odtrhu ve smyku obou ECA jsou podobné. Na obr. 6.11(e) je navíc vidět
poškození spoje vytvořeného lepidlem AX 12LVT. Příčinou tohoto poškození je nejspíše
vodní pára sorbovaná do pórů spoje během fáze vlhkého tepla a u kterého došlo k jeho
rychlému odpaření během přechodu do prostředí suchého tepla. Síly odtrhu ve smyku jsou
u obou ECA přibližně stejné.
3. Během namáhání šoky vlhké teplo – nízká teplota vykazují lepší výsledky spoje osazené
pomocí dvousložkového ECA AX 12LVT, a to jak z pohledu elektrického odporu tak i mechanických parametrů. Příčiny lepších výsledků spojů vytvořených pomocí dvousložkového
Tab. 6.5 Odhadnuté parametry Weibullova modelu (zkouška šokovým namáháním).
5% hladina poruchy
Druh šoků
Druh lepidla
η (šoků)
β (−)
35,12
1,383; 11,787
169,2
(p1 = 0, 2874)
AX 20
172,7
suché teplo –
AX 12 LVT
16,37
vlhké teplo
AX 20
vlhké teplo –
AX 12 LVT
6,656
2,838
nízká teplota
AX 20
0,4187
2,8897
AX 12 LVT
teplotní šoky
10% hladina poruchy
η (šoků)
β (−)
227,5
1,264
2,778
268,38
3,960
1,353
42.63
1,314
Nelze určit
13,95
5,423; 13,16
10,67
(p1 = 0, 4560)
1,030
1,417
62
Tab. 6.6 Test pevnosti ve smyku po zkoušce šokovým namáháním.
Druh šoků
teplotní šoky
suché teplo – vlhké teplo
vlhké teplo – nízká teplota
Druh lepidla
x (N)
vx (−)
AX 12 LVT
53,8
0,173
AX 20
78,1
0,192
S62-325GM5
51,9
0,118
CuAg-XM3S
60,6
0,102
EM 907
55,8
0,192
AX 12 LVT
54,2
0,267
AX 20
55,8
0,272
S62-325GM5
47,9
0,225
CuAg-XM3S
45,4
0,155
EM 907
53,6
0,107
AX 12 LVT
36,0
0,155
AX 20
26,3
0,264
S62-325GM5
56,5
0,127
CuAg-XM3S
57,8
0,249
EM 907
56,9
0,134
ECA jsou velmi pravděpodobně dvě. První příčinou je opět lepší přizpůsobení teplotním dilatacím DPS a spoje, které se projevilo ve zkoušce teplotními cykly a druhou pak je zřejmě
méně porézní struktura spoje než v případě jednosložkového ECA. Nedošlo tedy k poškození vnitřní struktury vlivem mrazových trhlin uvnitř struktury ECA. Naopak u spojů
vytvořených pomocí ECA AX 20 jsou vidět mrazové trhliny ve spoji (viz obr. 6.11(d)).
4. Chování všech vzorků pájek je v porovnání mezi sebou u všech tří druhů namáhání velmi
podobné. V každé zkoušce se změna elektrického odporu spojů pohybuje v rozmezí do
2,5 %. Příčinou dobrých výsledků pájek je nejspíše povaha vytvořeného spoje – tedy nepropustnost spoje vůči vlhkosti a zároveň relativně dobré vlastnosti z hlediska koeficientu
teplotní roztažnosti. Na podrobnější analýzu spojů po namáhání teplotními šoky by bylo
nezbytné provést detailní rentgenovou analýzu spojů s cílem nalézt mikrotrhliny ve spojích.
63
6.4 KOMBINOVANÉ NAMÁHÁNÍ
6.4
Kombinované namáhání
V předchozích provedených zkouškách spolehlivosti byl testován pouze vliv jednoho klimatického
faktoru. Složitější zkoušky obsahují kombinaci více faktorů, a to buď současně nebo postupně působících. Stejně tak v tomto druhu zkoušky byl sledován vliv kombinace dvou druhů klimatického
namáhání, kombinace suchého tepla a teplotních šoků. Parametry namáhání byly tyto15 :
• teplotní hladiny: 75 ◦C, 85 ◦C, 125 ◦C;
• po každých 165 hodinách zkoušky bylo realizováno šest teplotních šoku s následujícími
Obr. 6.12 Profil namáhání ve zkoušce kombinovaným namáháním.
Tab. 6.7 Odhadnuté parametry Weibullova modelu (zkouška kombinovaným namáháním)
Teplotní
5% hladina poruchy
Druh lepidla
hladina
75 ◦C
85 ◦C
125 ◦C
β (−)
AX 20
1049
AX 12 LVT
β (−)
Nelze určit
4.155
Nelze určit
AX 12 LVT
AX 20
η (h)
Nelze určit
AX 12 LVT
AX 20
15
η (h)
10% hladina poruchy
564.8
5.183
996.8
8.251
263,5
5,093; 11,55
462,1
4,049; 22,29
666,8
(p1 = 0, 8570)
999,1
(p1 = 0, 7830)
328,8
4,987; 8,851
313,7
7,508; 4,839
175,0
(p1 = 0, 2874)
573,4
(p1 = 0, 4179)
Zkouška byla provedena pouze pro ECA.
64
(a) Spoje vytvořené pomocí ECA AX 12LVT.
(b) Spoje vytvořené pomocí ECA AX 20.
Obr. 6.13 Průběh mediánu změny elektrického odporu lepených spojů během zkoušky kombinovaným
namáháním.
Tab. 6.8 Test pevnosti ve smyku po zkoušce kombinovaným namáháním.
hladina
75 ◦C
85 ◦C
125 ◦C
Druh lepidla
x (N)
vx (−)
AX 12 LVT
70,7
0,202
AX 20
84,8
0,152
AX 12 LVT
76,4
0,206
AX 20
85,6
0,163
AX 12 LVT
71,4
0,222
AX 20
82,2
0,170
parametry, 75 ◦C / −15 ◦C, 85 ◦C / −25 ◦C, 125 ◦C / −45 ◦C.
Profil namáhání v této zkoušce je znázorněn na obr. 6.12.
Průběh mediánu změny elektrického odporu je znázorněn na obr. 6.13. I v této zkoušce se projevil
typický pokles elektrického odporu během stárnutí spojů vytvořených pomocí dvousložkového
ECA v prostředí suchého tepla. Naopak u spojů vytvořených pomocí jednosložkového AX 20 se
tento pokles neprojevil ani při nejvyšší teplotě stárnutí, která byla 125 ◦C. Trend růstu elektrického odporu v závislosti na teplotě je u spojů vytvořených pomocí obou ECA velmi podobný.
Nejrychlejší růst elektrického odporu zaznamenaly vzorky stárnuté při nejvyšší teplotě, naopak
nejmenší růst byl detekován u vzorků stárnutých při nejnižší teplotě.
Výsledky Weibullovy analýzy jsou uvedeny v tabulce 6.7. V některých případech nebylo možné
pro nedostatek zaznamenaných poruch parametry odhadnout. Jedná se zejména o nedostatek
platných poruch na teplotní hladině 75 ◦C a 85 ◦C a obou hladinách kritéria poruchy u ECA
AX 12LVT a na teplotní hladině 75 ◦C a hladině kritéria poruchy 10 %. Na teplotní hladině 75 ◦C
6.5 VLIV PROVOZNÍHO PROSTŘEDÍ NA STABILITU SPOJŮ
65
a 85 ◦C se vzorky v ostatních případech nacházejí v oblasti stárnutí s parametry Weibullova rozdělení β > 4. Na teplotní hladině 125 ◦C se všechny vzorky nacházejí v oblasti stárnutí a všechny
skupiny vzorků vykazují dva mechanismy poruch což je dokázáno nutností využít bimodální
Weibullovo rozdělení s dvěma parametry, které jsou ve všech případech větší než čtyři. Je patrné, že jedním mechanismem poruch je degradace vlivem vysoké teploty (125 ◦C) a druhým
mechanismem jsou poruchy zapříčiněné teplotními šoky.
Mechanické vlastnosti testované zkouškou odtrhu ve smyku jsou uvedeny v tab. 6.8. Také výsledky naměřené v této zkoušce prokázaly vyšší pevnost spojů vytvořených pomocí jednosložkového ECA AX 20. Maximum pevnosti ve smyku bylo dosaženo na teplotní hladině 85 ◦C, jenž
se tedy jeví jako blízká teplotní hladině, která je optimální z hlediska procesů dotvrzení ECA
a zároveň i z hlediska stárnutí. Toto bylo potvrzeno i faktorovým experimentem s různými profily
vytvrzení a různými teplotními hladinami stárnutí (viz příloha B.3). V tomto experimentu byla
jako optimální teplotní hladina vyhodnocena teplota 100 ◦C. Souhrnně tedy lze konstatovat, že
toto optimum se pohybuje uvnitř intervalu 85 ◦C až 100 ◦C.
6.5
Vliv provozního prostředí na stabilitu spojů
Principem zrychlených zkoušek spolehlivosti je simulace jen omezeného množství faktorů namáhání (klimatické namáhání je ve většině zkoušek zúženo pouze na jeden až dva dominantní
faktory). Tento princip představuje jak výhody (zejména opakovatelnost a rychlost zkoušky), tak
i nevýhody. Hlavní nevýhodou je neúplnost a tedy nepřesnost v porovnání s reálnými podmínkami.
Výsledky zrychlených zkoušek však musí být vždy dány do souvislosti s reálnými nezrychlenými zkouškami. S cílem porovnat výsledky realizovaných zrychlených zkoušek spolehlivosti byla
provedena série nezrychlených provozních zkoušek spolehlivosti zaměřených na studium chování
lepených a pájených spojů během stárnutí simulujícího provoz elektroniky v osobním automobilu, mobilním telefonu a elektroniky bezpečnostních a řídicích systémů v prostředí silničního
tunelu. Pro simulaci běžného (nezrychleného) namáhání byly vyrobeny zcela identické vzorky,
jako pro zkoušky zrychlené. Jedinou odlišností od ostatních zrychlených zkoušek spolehlivosti
bylo adjustování vzorků do plastových pouzder s cílem napodobit co nejvěrněji reálné provozní
podmínky. Podrobné informace o parametrech experimentů popisovaných v této sekci práce jsou
uvedeny v příloze B.7.
66
(a) ECA – Simulace provozu automobilu.
(b) Pájky – Simulace provozu automobilu.
(c) ECA – Simulace provozu mobilního telefonu.
(d) Pájky – Simulace provozu mobilního telefonu.
Obr. 6.14 Závislost procentní změny mediánu odporu lepených spojů – dlouhodobé zkoušky.
6.5.1
Simulace provozního stárnutí elektroniky v automobilu a mobilního
telefonu
Dvě nezrychlené zkoušky popisované v této části práce mají za cíl podrobněji zkoumat dlouhodobé chování16 spojů provozovaných jako dvě běžné aplikace – elektronika mobilního telefonu
a palubní elektronika běžného automobilu. Vzorky simulující provoz automobilu jsou umístěny
pod palubní deskou automobilu, který byl provozován v běžném provozu na pozemních komunikacích a nebyl garážován. Simulace mobilního provozu probíhá v podobě umístění vzorků v běžně
užívaném příručním zavazadle. Obě zkoušky byly započaty v lednu 2010 a dosud probíhají.
Cílem obou zkoušek je zejména tyto praxi se blížící kombinace faktorů:
• V případě simulace provozu v automobilu se jednalo o kombinaci změn teplot a relativní
vlhkosti ve velkém rozsahu mezí v kombinaci s proměnnými mechanickými vibracemi.
• V případě simulace pasivního provozu mobilního telefonu se jednalo zejména o kombinaci
změn teplot a relativní vlhkosti v malém rozsahu mezí v kombinaci s „měkkými“ vibracemi.
Průběh dosud vypočtených mediánů změn elektrického odporu vzorků jsou uvedeny na obr. 6.14.
Z průběhů je patrný vliv výrazně náročnějšího prostředí v případě simulace provozu elektroniky
16
K datu vydání práce obě zkoušky trvaly 17 375 hodin. Zkoušky nadále pokračují.
67
Obr. 6.15 Změna síly odtrhu ve smyku u vzorků stárnutých v dlouhodobých zkouškách simulujících provoz
automobilu a mobilního telefonu.
automobilu. V obou případech horší vlastnosti vykazují spoje osazené pomocí jednosložkového
ECA AX 20. Medián procentních změn elektrického odporu při dosud posledním měření v případě
simulace provozu mobilního telefonu je přibližně 6,5 %, v případě automobilu je to přibližně
dvojnásobek. Těmto hodnotám odpovídají odhadnuté parametry Weibullova modelu, které jsou
uvedeny v tabulce 6.9 – z důvodu nedostatku platných poruch nebyly odhadnuty parametry
u většiny skupin vzorků na hladině kritéria poruchy 10 %.
Časové změny průměrné síly odtrhu ve smyku vzorků stárnutých během nezrychlené zkoušky
simulující provoz automobilu a mobilního telefonu jsou uvedeny v grafu na obr. 6.15. Je patrné,
že u většiny vzorků se síla odtrhu zmenšuje – pouze v případě ECA AX 12LVT (automobil)
a pájky S62-325GM5 (mobilní telefon) dochází k nárůstu, což je nejspíše způsobeno náhodnou
Tab. 6.9 Odhadnuté parametry Weibullova modelu (dlouhodobé zkoušky)
Druh
5% hladina poruchy
Druh lepidla
namáhání
Automobil
AX 12 LVT
zkouška 2
AX 20
Mobilní
AX 12 LVT
telefon
AX 20
10% hladina poruchy
η (h)
β (−)
η (h)
11869
1,595
nebylo možno určit
4542,4
13,42; 1,247
1598,5
(p1 = 0, 5478)
14542
1,636
15002
2,389; 7,979
1593,0
(p1 = 0, 8621)
11120
β (−)
1.192
68
chybou. Zároveň je však patrné, že menších sil odtrhu ve smyku je u lepených spojů dosaženo
po stárnutí v prostředí automobilu, zatímco u pájených spojů je to naopak. I v této zkoušce
byly detekovány horší parametry (menší stabilita v průběhu stárnutí) spojů vytvořených pomocí
jednosložkového ECA AX 20.
6.5.2
Simulace stárnutí elektroniky během provozu v prostředí městského
automobilového tunelu
Silniční tunely jsou jedním z prostředí s vysokou agresivitou prostředí a kumulací fyzikálně
chemických stresorů, ve kterém se začínají stále častěji používat složité elektrotechnické prvky
jako součást technického vybavení tunelu, např. systém pro řízení dopravního režimu, řízení
osvětlení tunelu, zařízení bezpečnostního systému, spojovací a dorozumívací vybavení, požárně
bezpečnostní zařízení, systém videodohledu, řídicí systém, zásobování elektrickou energii, atd.
V prostředí silničních tunelů je více dominantních stresorů, zejména vysoká relativní vlhkost
v kombinaci s nižší teplotou a i přes nucenou ventilaci výrazné znečištění ovzduší exhalacemi.
Z těchto důvodů bylo toto prostředí zvoleno k testům zaměřeným na spolehlivost spojů vytvořených bezolovnatými druhy montáže17 . V rámci experimentů bylo z hlediska spolehlivosti
elektrotechnických výrobků sledováno:
• Chování spojů vytvořených bezolovnatými technologiemi (viz obr. 6.17(b));
– SnPb pájka S62-325GM5 – SnPb pájecí slitina se složením Sn62Pb36Ag2;
(a) Mapa tunelu Mrázovka s vyznačenou pozicí stojanů.
(b) Fotografie tunelu Mrázovka.
Obr. 6.16 Fotografie tunelu Mrázovka s vyznačenou pozicí stojanů se vzorky.
17
Měření bylo provedeno jako součást projektu TA ČR 01031043 Kvantifikace vlivu specifického znečištění na
degradaci materiálů a protikorozní ochrany v tunelech. Nositel (SVÚOM s.r.o.) tohoto grantu umožnili autorovi
této práce i výzkum vlivu prostředí silničních tunelů na spolehlivost bezolovnatých technologií montáže a koroze
elektrotechnických materiálů. Tento grant je primárně zaměřen na sledování korozní agresivity tohoto prostředí.
69
(a) Stojan se vzorky.
(b) Detail umístění vzorku DPS s povrchovou montáží.
(c) Rozmístění senzorů.
(d)
Korozní
senzor.
Obr. 6.17 Fotografie vzorků a senzorů umístěných tunelu Mrázovka.
– SAC pájka EM 907 – bezolovnatá pájecí slitina se složením Sn96,5Ag3,0Cu0,5;
– ECA ELPOX AX 12LVT – dvousložkové ECA na bázi fenolické pryskyřice s plněním
(55 ± 1) % Ag;
– ACA ECO SOLDER AX 20 – jednosložkové ECA na bázi fenolické pryskyřice s plněním (75 ± 1) % Ag;
• Určení korozní agresivity prostředí tunelu vůči kovům (viz obr. 6.17(d));
– Senzor Rohrback – Cu;
– Senzor Rohrback – Ag;
70
– Senzor Rohrback – Fe;
– Pasivní kupony základních kovů.
Vzorky byly umístěny v tunelu Mrázovka18 (viz mapa na obr. 6.16(a)). Obrázek stojanu se
vzorky je uveden na obr. 6.17(b). V rámci projektu byly zároveň měřeny klimatické parametry
pomocí dataloggeru Comet. Změřené průběhy jsou uvedeny v tabulce 6.10 a podrobněji rozvedeny
v příloze B.7.3.
(a) Průběh elektrického odporu.
(b) Průběh síly odtrhu ve smyku.
Obr. 6.18 Průběhy naměřené v tunelu Mrázovka.
V grafu na obr. 6.18(a) jsou uvedeny mediány změn elektrického odporu. Z něj vyplývá velmi
razantní zvýšení elektrického odporu spojů vytvořených jednosložkovým ECA AX 20. Zatímco
u spojů vytvořených pomocí jednosložkového ECA je medián procentních změn elektrického odporu přibližně 136 %, u spojů vytvořených pomocí dvousložkového ECA je to pouze přibližně
18 %. Takto prudký nárůst elektrického odporu u vzorku jednosložkového ECA je nejspíše způTab. 6.10 Klimatické parametry změřené v tunelu Mrázovka [7].
expozice
18
T (◦C)
r. v. (%)
Doba ovlhčení (h)
průměr
min
max
průměr
min
max
15.12. – 14.1.2012
7,5
4,1
10,8
69,3
40,3
100,0
212
15.1. – 14.2.2012
3,1
-11,4
16,0
58,3
22,2
100,0
144
15.2. – 14.3.2012
5,6
0,4
10,2
66,2
27,1
100,0
384
15.3. – 14.4.2012
10,0
6,1
13,5
58,3
32,5
100,0
75
Silniční tunel Mrázovka – délka 1298 m, rok zahájení provozu 2004, silnice Městského okruhu, r. 2008 – cca
435 tisíc vozidel/měsíc [51]
71
soben a zejména znečistěnou atmosférou a vysokou relativní vlhkostí vzduchu, která pronikla
do vysoce porézní struktury jednosložkového ECA. Z pohledu mechanických vlastností je také
nejhorší (nejnižší) hodnota síly odtrhu ve smyku u tohoto jednosložkového ECA. Síla odtrhu ve
smyku dvousložkového ECA je naopak relativně vysoká (viz graf na obr. 6.18(b)).
U pájek je změna elektrického odporu pod hranicí 1 %. Vyšší změna elektrického odporu je pak
u SnPb pájky. Zároveň však síla v odtrhu je vyšší u pájky SnPb než u pájky SAC.
(a) Rychlost korozního úbytku testovaných kovů.
(b) Celkový korozní úbytek testovaných kovů.
Obr. 6.19 Vliv koroze na vybrané kovy.
(a) Povrch Cu kuponu (zvětšení 1000×).
(b) Detail kuponu s viditelnou depozicí sazí (zvětšení
1000×).
Obr. 6.20 Povrch Cu kuponu Rohrback po expozici v tunelu Mrázovka o délce 4 měsíce.
Korozní účinky byly hodnoceny na základě pasivních vzorkovačů (z hlediska náplně této práce
jsou důležité zejména kovy Cu a Ag ) a senzorů Rohrback (senzory Cu, Fe a Ag). Určené průběhy
naměřené pomocí senzorů Rohrback jsou uvedeny na obr. 6.19. Na těchto grafech je jednak znázorněn celkový korozní úbytek a také rychlost korozního úbytku. Z průběhů je patrné, jak vysoce
agresivní prostředí je v silničních tunelech. Korozní agresivita je v tomto prostředí velmi vysoká
72
(a) Cu 6 měsíců.
(e) Ag 6 měsíců.
(b) Cu 7 měsíců.
(f) Ag 7 měsíců.
(c) Cu 8 měsíců.
(d) Cu 9 měsíců.
(g) Ag 8 měsíců.
(h) Ag 9 měsíců.
Obr. 6.21 Povrch kuponů vystavených klimatickému prostředí silničního tunelu.
– během zkoušky (2200 h) bylo dosud zničeno 5 senzorů (výpadky dat v grafech). Mikroskopické
fotografie s detaily korozních účinků na Cu senzoru je patrné na obr. 6.20. Na obrázku je povrch
vzorků s vytvořenými korozními produkty mědi a rovněž s deponovanými pevnými částicemi,
směsí polétavého prachu a černých částic sazí pocházejících převážně ze spalin nedokonale spalované motorové nafty, často nesplňující limity obsahu síry. Výška vrstvy deponovaných částic
sazí je cca 15 µm [52].
73
Pro pochopení korozních dějů základních kovů byly zároveň tomuto zhoršenému klimatickému
prostředí exponovány i kupony čistých kovů. Kupony byly poté v pravidelných měsíčních intervalech podrobeny optické inspekci. Výsledné makrofotografie postupného korozního znehodnocení
Cu a Ag kuponů jsou uvedeny na obr. 6.21. Na obrázcích je patrna progresivně postupující koroze
jak mědi, tak i stříbra. Zároveň je zde patrna závažná depozice tuhých částic na povrchu.
Například na Ag kuponu po devíti měsících (obr. 6.21(h)) je korozní úbytek stříbra tak velký, že
je již na fotografii patrný základní materiál (Cu19 ).
Korozní děje čistých kovů byly studovány v této práci zejména s cílem porovnání získaných údajů
o korozi čistých kovů s výslednou degradací pájených a lepených spojů. Zejména je zde patrná
korelace koroze čistých kovů v souvislosti s výrazným zhoršením vlastností lepených spojů, a to
jak z hlediska koroze mědi na DPS, tak i koroze stříbra uvnitř pórovité struktury lepeného spoje.
Z hlediska klimatických podmínek panujících v prostředí těchto dopravních staveb je nutno se
zmínit o zcela nové zkušenosti v našich klimatických podmínkách – v rámci tohoto projektu bylo
v zimním období zdokumentováno, že uvnitř dlouhých tunelů může teplota klesnout pod bod
mrazu. Toto je to další rizikový stresor pro bezolovnaté technologie spojovaní, je nutno počítat
se zvýšeným rizikem změny modifikace cínu β na modifikaci α u všech elektronických zařízení.
Po dosud provedených experimentech se jeví, že pro klimatické podmínky tunelů bude nutno
elektrická i elektronická zařízení hermetizovat.
19
Ag kupony byly vytvořeny galvanickou depozicí Ag na měděném základním materiálu
75
7 Dominantní degradační mechanismy
V této kapitole jsou podrobněji rozebrány tři vybrané degradační mechanismy, které jsou úzce
spojeny s přechodem na bezolovnaté technologie montáže.
7.1
Homogenita spojů vytvořených pomocí ECA
Během procesů přípravy a vytvrzování ECA dochází ke vzniku nehomogenit (dutin) uvnitř spoje
(viz obr. 7.1). Existence těchto dutin ve vytvrzeném spoji významnou měrou snižuje vnitřní
homogenitu, tím i spolehlivost vytvořeného spoje – jak z hlediska elektrických tak i mechanických
parametrů. Bylo zjištěno, že tyto nehomogenity způsobují zejména následující jevy:
• Snižují reálný vodivý průřez lepeného spoje, tím zvyšují jeho odpor a tím zvyšují proudovou
hustotu a teplotu ve spoji při průchodu elektrického proudu.
• Vzduchové bubliny patří mezi hlavní faktory, které zabraňují použití ECA pro aplikace
s vysokými proudy a napětím – např. z důvodu částečných výbojů.
• Podstatně ovlivňují mechanickou pevnost spoje. Obecně ji snižují, pokud však dojde k nežádoucímu zatečení ECA pod součástku, mohou ji za určitých okolností i zvětšit.
• Ovlivňují dlouhodobou stabilitu spoje, a to zejména ve zhoršených klimatických podmínkách – vysoká relativní vlhkost, snížený tlak či znečištěná atmosféra.
Příčin vzniku těchto nehomogenit je více. Mezi hlavní faktory, které jejich vznik ovlivňují, můžeme zařadit viskozitu ECA (jak viskozita zpracovávaného ECA, tak i změny viskozity během
Obr. 7.1 Fotografie výbrusu spoje ECA AX 20 z elektronového mikroskopu (nestárnutý spoj).
76
7 DOMINANTNÍ DEGRADAČNÍ MECHANISMY
procesu vytvrzení). Za hlavní příčiny byly autorem identifikovány následující faktory:
Prvním faktorem je nechtěné vmíchání vzduchových bublin do připravovaného lepidla. Tyto
vzduchové bubliny během procesu vytvrzování, na rozdíl od většiny pájek, ze spoje spontánně
neunikají.
Další riziko zanesení vzduchových bublin do spoje vzniká i při jejich nanášení dispenzery. Podmínky pro aplikaci jsou jen relativně příznivější u jednosložkového ECA. V tomto případě
v podstatě záleží pouze na technice plnění dispenzeru lepidlem tak, aby bylo zamezeno vnesení
vzduchových bublin. Možností je také odstranění případných vzduchových bublin z naplněného
dispenzeru pomocí podtlaku. Nepříznivá je skutečnost, že tato jednosložková ECA mají zpravidla vyšší viskozitu než lepidla dvousložková (např. u AX 20 je to 650 000 cps až 750 000 cps [53],
zatímco dvousložkového ECA AX 12LVT dosahuje viskozity v rozsahu (250 000 cps až 290 000 cps
[54]).
Technologicky je situace složitější u dvousložkových ECA, kde přibývá operace míchání obou
složek. V některých případech je problém vyhnout se vnesení vzduchových bublin při tomto
procesu míchání, zejména v závislosti na jejich aktuální viskozitě. Tato viskozita se významně
mění v průběhu stárnutí nezpracovaného ECA již před uplynutím expirační lhůty. Z tohoto
důvodu byla hlavní pozornost věnována technologii aplikace dvousložkových lepidel.
Po experimentech na jednosložkových ECA, kde fáze míchání odpadá a zůstává pouze problematika plnění dispenzeru, byly další experimenty prováděny na dvousložkových epoxidových
pryskyřicích převážně fenolického typu. V první fázi byly použity vzorky epoxidových pryskyřic
Obr. 7.2 Fotografie výbrusu spoje ECA AX 20 se vzduchovými dutinami.
7.1 HOMOGENITA SPOJŮ VYTVOŘENÝCH POMOCÍ ECA
77
od různých výrobců, v druhé fázi bylo použito několik vzorků pryskyřic s kovovým plnivem, např.
ocelovým prachem1 . Experimenty byly zaměřeny na minimalizaci tvorby vzduchových bublin ve
spojích při míchání obou složek.
U části vzorků dvousložkových lepidel bez plniva došlo při smíchání obou složek k podstatnému
snížení viskozity lepidla. Toto snížení bylo sice znatelné pouze po omezený časový interval, ale
došlo při něm k samovolnému úniku velké většiny vzduchových bublin vnesených mícháním
obou složek. Připravené lepidlo bylo před použitím prakticky bez vzduchových bublin. Přechodné
snížení viskozity v průběhu míchání bylo zvláště patrné u lepidel s urychlenou dobou vytvrzování,
kdy skutečně přispívá k minimalizaci problémů při aplikaci.
U dvousložkových lepidel s plnivem (byly zkoušeny dva vzorky plněné ocelovým prachem) se
přechodné snížení viskozity při míchání obou složek projevilo v menší míře než u lepidel bez
plniva. Totéž platí i pro klasické dvousložkové ECA (testováno bylo ECA AX 12LVT s plněním
(55 ± 1) % Ag. [54]). Příklad spoje, kde se i přes přechodné snížení viskozity vzduchovým bublinám nepodařilo ze spoje uniknout, je uveden na obr. 7.2. Z fotografie je patrné, že vzduchové
bubliny mají snahu postupovat ve vertikálním směru, z důvodu vysoké relativně viskozity ECA
však zůstávají ve vytvořeném spoji.
Navíc ECA s prošlou expirační lhůtou zvyšuje svou viskozitu, což platí obecně pro všechny
epoxidové pryskyřice, a tudíž problém s odstraněním vzduchových bublin narůstá. Porovnání
výbrusů spojů ECA AX 12LVT při aplikaci ECA před expirací (viz obr. 7.3(b)) a po expiraci (viz
obr. 7.3(a)). Obrázku dokládá, že ani velké vzduchové bubliny ze spoje nemusí uniknout. Obecně
(a) AX 12LVT – ECA použité po datu expirace.
(b) AX 12LVT – ECA použité před datem expirace.
Obr. 7.3 Porovnání struktury spoje ECA AX 12LVT – vliv data expirace.
1
Z důvodů minimalizace nákladů na zkoušky nebyly následující experimenty zaměřené na problematiku mí-
chání lepidla prováděny s ECA, ale pouze s běžně dostupnými epoxidovými lepidly.
78
Obr. 7.4 Fotografie DPS se spojem vytvořeného pomocí ECA AX 20 po zkoušce v odtrhu – detail výrazně
nehomogenní struktury spoje.
v chemických strukturách epoxidových pryskyřic dochází během stárnutí v nevytvrzeném stavu
ke strukturálním chemickým změnám, jejichž mechanismus je poměrně obtížné předvídat. Tyto
změny mají nepříznivý vliv na konečné hodnoty adheze i koheze vytvrzené pryskyřice. Lze říci, že
epoxidové lepidlo, nejen ECA, je obvykle technicky zpracovatelné i po uplynutí expirační lhůty,
ale zcela bez záruk původně deklarovaných parametrů. Riziku zpracovávání ECA po expiraci
vzhledem k jejich vysoké ceně bude pravděpodobně poměrně obtížné v praxi zabránit.
Odstranění vzduchových bublin z namíchaného dvousložkového ECA by bylo nejspíše také možné
vystavením namíchané směsi, případně i naplněného dispenzeru, působení sníženého tlaku v exsikátoru pomocí vodní (max. 10 Pa), lépe však rotační vývěvy (max. 10−4 hPa) [55].
Dalším faktorem ovlivňujícím vznik dutin ve spoji je proces vytvrzení. Proces vytvrzování je
odlišný u obou lepidel – jak u jednosložkového tak i dvousložkové ECA – zejména z hlediska
rozdílné reaktivity obou druhů ECA (vytěkání těkavých složek ECA). Unikání těkavých složek
spolu s poklesem viskozity naneseného ECA v počátku průběhu procesu vytvrzování představuje
významné nebezpečí pro zatečení lepidla pod součástku i roztečení kolem vodivé plošky, až
s mezním případem úplného zkratu. Příklad struktury spoje jednosložkového ECA AX 20 po
zkoušce odtrhu ve smyku je patrný na obr. 7.4. Tomuto problému lze čelit pouze sofistikovaným
a stabilizovaným procesem nanášení pouze nezbytného množství ECA na lepené místo. Množství
ECA je možno pro danou technologii určit pouze experimentálně i v závislosti na konkrétním
typu ECA a jeho aktuální viskozitě.
79
Po procesu vytvrzování nelze již používat termín „bubliny“ – nyní se již jedná o pevné dutiny
naplněné plynem, který je směsí vzduchu a plynných reakčních zplodin vytvrzovacího procesu.
Zcela nepřípustné je vytvrzování namíchaných směsí epoxidových lepidel ve vakuových sušárnách
při teplotách předepsaných výrobci epoxidů, neboť zde dochází k riziku destabilizace procesu
vytěkáním reakčních komponent (např. ředidel) ze směsí v průběhu vytvrzování. Tento jev byl
autorem testován na licích epoxidových pryskyřicích plněných anorganickými nekovovými plnivy
a platí i pro fenolické epoxidové pryskyřice jako základní surovinu ECA [55].
Výsledná nehomogenita byla studována pomocí mechanických metod – měření síly odtrhu ve
smyku, optické analýzy odtržených komponent i DPS a výbrusů ECA spojů.
Na základě provedených experimentů s lepenými spoji lze konstatovat následující výsledky.
(a) AX 12LVT – profil vytvrzení s minimální doporu- (b) AX 12LVT – profil vytvrzení s maximální doporučenou teplotou.
čenou teplotou.
(c) AX 20 – profil vytvrzení s minimální doporučenou (d) AX 20 – profil vytvrzení s maximální doporučenou
teplotou.
teplotou.
Obr. 7.5 Porovnání struktury lepených spojů – vliv profilu vytvrzení.
80
Při srovnání jednosložkového a dvousložkového ECA obsahuje více nehomogenit jednosložkové
ECA AX 20. Toto lze dokumentovat jak na následujících fotografiích výbrusů ECA spojů na obr.
7.5(a) a obr. 7.5(c) tak i na fotografiích DPS a rezistorů po zkoušce odtrhu ve smyku 7.6.
Experimenty prokázaly vliv profilu vytvrzení ECA. Obě testovaná ECA mají od výrobce doporučeny čtyři možné profily vytvrzení, mezi kterými si může zákazník zvolit. Autorem byly
provedeny experimenty zaměřené jak na vliv teplotního profilu, tak i na vnitřní strukturu spoje.
Na základě analýzy fotografií uvedených na obr. 7.5 je výrazně patrný vliv teploty během vytvrzení spoje. Spoje vytvrzené při vyšší teplotě vytvrzení obsahují výrazně méně nehomogenit ve
své vnitřní struktuře, a to jak u jednosložkového, tak i dvousložkového ECA.
Tyto výsledky jsou v souladu s hodnotami změřených sil odtrhu ve smyku. Výsledky všech
zkoušek odtrhu ve smyku jsou uvedeny v tabulkách v příloze B. Na základě těchto údajů lze
konstatovat, že obecně větší sílu odtrhu ve smyku má jednosložkové ECA AX 20. Při srovnání
(a) AX 12LVT – detail DPS.
(b) AX 20 – detail DPS.
(c) AX 12LVT – detail rezistoru.
(d) AX 20 – detail rezistoru.
Obr. 7.6 Porovnání struktury lepených spojů po zkoušce odtrhu ve smyku.
81
ECA AX 12LVT před a po expiraci je patrné, že ECA aplikované po expiraci má větší sílu
v odtrhu.
Vliv pórovitosti a vnitřní nehomogenity spojů ECA je možné dokumentovat na výsledcích zrychlených klimatických zkouškách, které byly autorem provedeny. Zejména je tento vliv patrný na
zkouškách vlhkým teplem (viz kapitola 6.2).
Shrneme-li výsledky experimentů, nehomogenity ECA spojů jsou zapříčiněny zejména těmito
faktory:
• Vzduchové bubliny jsou vnášeny do epoxidové pryskyřice při plnění dispenzeru (AX 20
i AX 12LVT), při míchání dvou složek AX 12LVT (A+B) i při nanášení na lepený spoj.
Vysoká viskozita většiny ECA je na jedné straně žádoucí vlastností, ale na druhé straně
i přes dočasný pokles viskozity při vytvrzování nedovolí únik všech plynů ani v procesu vytvrzování lepidla. Zde by mohlo pomoci pouze jejich odstranění za sníženého tlaku vzduchu
před aplikací lepidla (odplynění ECA).
• Během procesu vytvrzení dochází velmi pravděpodobně i k uvolňování plynných reakčních
zplodin, které jsou příčinnou vzniku dalších dutin obsahující v tomto případě již nejen
vzduch, ale spíše zbytky reakčních zplodin. Toto je příčinou velmi odlišné struktury mezi
jednosložkovým a dvousložkovým ECA, stejně tak i rozdíl mezi expirovaným a neexpirovaným ECA.
Ve výsledku tyto nehomogenity ovlivňují dlouhodobou spolehlivost spoje těmito mechanismy:
• Nehomogenity podstatně ovlivňují mechanickou pevnost spoje. Obecně ji snižují, pokud
však dojde k zatečení ECA pod součástku, mohou jí za určitých okolností i zvětšit. Tento
mechanismus snižuje věrohodnost všech mechanických zkoušek využívajících odtržení komponenty a měření sil v odtrhu.
• Dutiny naplněné směsí vzduchu a reakčních zplodin po vytvrzování lepidla vnášejí do spoje
mechanickou nestabilitu, vnitřní mechanické napětí, které se mění nebo i uvolňuje teplotními změnami. Vzniklé mikrotrhliny pak umožňují průnik vlhkosti spolu s korozními plyny
působícími nepříznivě na elektricky vodivé Ag plnivo. Výsledkem je nárůst ohmického odporu spoje a nestabilita elektrických a mechanických vlastností během stárnutí.
• Dotvrzování epoxidového pojiva ECA působením vysokých teplot okolí spoje v průběhu
provozu zařízení je velmi nežádoucím jevem, působí nepříznivě na adhezi i kohezi epoxidového pojiva a snižuje mechanickou odolnost spoje. Tento jev musí vzít v úvahu konstruktér
zařízení, má-li být výsledkem jeho činnosti spolehlivý produkt.
82
Odstranění vzduchových bublin z lepidel při jejich technologickém zpracování je zcela zásadním
krokem ke zvýšení spolehlivosti ECA spojů. V současné době je úspěšně testováno odplynění
namíchaných směsí epoxidů za sníženého tlaku vzduchu před plněním dispenzeru a i po naplnění
dispenzeru na funkčních vzorcích. Stejně tak je nutné zaměřit výzkum ECA na snížení vzniku
reakčních zplodin během vytvrzovacího procesu.
Poměrně znepokojivá je i skutečnost, že se v případě ECA jedná často o suspenzi vodivých
kovových částic, kde vzhledem k jejich specifické hmotnosti odlišné od pojiva nelze zabránit jejich
postupnému usazování. Tuto nerovnoměrnost rozložení vodivých částic lze jen poměrně těžko
eliminovat krátkým mícháním před aplikací lepidla. Nerovnoměrné rozložení vodivých částic ve
hmotě spoje vnáší do soustavy DPS – lepidlo – ploška součástky značnou míru nejistoty z hlediska
elektrických i mechanických vlastností a z hlediska spolehlivosti spoje je velice nežádoucí.
7.2
Změna odporu dvousložkového ECA během stárnutí
Během provedených klimatických zkoušek suchým teplem bylo zjištěno, že elektrický odpor jednosložkového ECA AX 20 vykazuje předpokládaný pozvolný růst, zatímco dvousložkové ECA
AX 12LVT dosahuje před začátkem zkoušky relativně vyšší hodnotu elektrického odporu, ale ta
během několika hodin razantně poklesne řádově o desítky procent (viz obr. 6.1(a)). Je zřejmé, že
tento charakteristický pokles elektrického odporu na začátku stárnutí nastává většinou u dvousložkového ECA a jen při vyšších teplotách stárnutí také u jednosložkového ECA (viz obr 6.1(b)).
Dále bylo prokázáno, že tento pokles také závisí na profilu vytvrzení ECA.
Tento fenomén byl podrobněji zkoumán ve faktorovém experimentu, kde byly porovnávány čtyři
výrobcem doporučené profily vytvrzení, vliv expirace ECA a tři různé teploty stárnutí dvousložkového ECA AX 12LVT. Výsledné grafy jsou uvedeny na obr. 7.7.
Z grafů je patrné, že zásadní vliv mají následující faktory:
Tab. 7.1 Test pevnosti ve smyku ECA AX 12LVT – vypočtená průměrná síla F (N).
Druh lepidla
Teplota stárnutí
85 ◦C
100 ◦C
125 ◦C
neexpirované
36,7
39,4
23,9
expirované
74,7
79,3
78,4
7.2 ZMĚNA ODPORU DVOUSLOŽKOVÉHO ECA BĚHEM STÁRNUTÍ
83
(a) AX 12LVT – profil vytvrzení 80 ◦C, 20 min.
(b) AX 12LVT – profil vytvrzení 100 ◦C, 15 min.
(c) AX 12LVT – profil vytvrzení 120 ◦C, 10 min.
(d) AX 12LVT – IR profil vytvrzení 5 min. s maximem
150 ◦C.
Obr. 7.7 Závislost procentní změny el. odporu ECA AX 12LVT na teplotě stárnutí.
• Teplota vytvrzení. Teplota vytvrzení je nejdůležitějším faktorem, který ovlivňuje průběh
stárnutí je teplota vytvrzení ECA. Čím je teplota vyšší, tím prudší je pokles elektrického
odporu. Zatímco u ECA, která byla vytvrzena při 80 ◦C, se jedná o pokles přibližně o 100 %,
ECA, která byla vytvrzena při 120 ◦C, se již jedná o pokles cca. 180 %.
• Teplota stárnutí. Okamžik, kdy pokles elektrického odporu přechází v růst je ovlivněn
teplotou stárnutí a vlivem expirace ECA. Čím vyšší je teplota stárnutí tím rychleji tento
bod zvratu nastane.
• Expirované/neexpirované ECA. Stejně jako v případě parametru teploty stárnutí platí,
že okamžik, kdy pokles elektrického odporu přechází v růst, nastane dříve u neexpirovaného
ECA.
Tyto poznatky jsou patrny na grafu 7.7, tedy u ECA vytvrzeného v klasické peci pro pájení.
Zkouška trvala 2352 hodin a kombinovala čtyři profily vytvrzení, přesto u některých vzorků za
celou dobu zkoušky nedošlo k bodu zvratu a tyto vzorky vykazovaly trvalý pokles elektrického
odporu.
Z výsledků je možné usuzovat, že přestože spoje vytvořené pomocí dvousložkového ECA AX
12LVT byly vytvrzeny dle profilu udávaného výrobce, tyto nebyly zcela dotvrzeny a v těchto
84
spojích pokračují během stárnutí při zvýšené teplotě procesy vytvrzování. Tato hypotéza byla
v nedávné době prokázána u ECA AX 20 pomocí simultánní termické analýzy [49].
7.3
Cínové whiskery
První zveřejněné pozorování whiskerů bylo dokumentováno v roce 1946 [56]. Před platností směrnice RoHS však byly whiskery relativně méně častým mechanismem poruch. Bylo to dáno tím,
že se téměř ve všech případech používaly slitiny SnPb, kde je olovo v dostatečné koncentraci2
k efektivnímu zpomalení vzniku těchto krystalů. To se změnilo s příchodem směrnice RoHS, kdy
bylo použití olova zakázáno a jak slitiny pájek, tak i povrchové úpravy se zaměnily za slitiny
s vysokým obsahem cínu.
7.3.1
Dynamické metody akcelerovaného růstu cínových whiskerů
Účinky statického mechanického napětí na tvorbu whiskerů byly prokázány jak experimenty
[22], tak i konkrétními, autorovi známými případy skutečných nežádoucích výskytů whiskerů
na výrobcích. Poměrně často jsou součástí elektrických zařízení mechanické konstrukční díly,
z cenových důvodů galvanicky pokovené vrstvami čistého cínu, které jsou pak v praxi podrobeny
převážně dynamickému mechanickému namáhání, tj. jsou vystaveny mechanickým vibracím nebo
mikrovibracím. Obdobnému namáhání jsou často v praxi vystaveny i pájené spoje, zejména
v případech ne zcela korektně propracované mechanické konstrukce jejich upevnění v zařízení.
Oblast dynamického namáhání stála doposud stranou zájmu a není známa zmínka o tomto typu
stresoru využívaného k akcelerovanému růstu whiskerů. Tato skutečnost vedla ke konstrukci zařízení vyvozujícího cyklické dynamické namáhání vzorků [58]. Toto namáhání je záměrně voleno
jako pomalé, ale zároveň jednoznačně definované a reprodukovatelné. V rámci práce byla vytvořena metodika urychleného růstu whiskerů a zkoumání odolnosti vzorků vrstev povrchových
úprav a žárově nanesených pájek vůči výskytu whiskerů.
Metodika je založena na použití testovacích kuponů, na které je nanesena vhodná povrchová
úprava nebo pájka. Testované vzorky byly připraveny z materiálu CuSn 8 o rozměrech jednoho
vzorku 40 mm × 22 mm × 0,3 mm. Kupony jsou vyráběny z materiálu se zúženými tolerancemi
2
U investiční techniky pro telekomunikace, řízení procesů a elektrickou výstroj vozidel byla až do padesátých
let minulého století používána pájka Sn40Pb60 pro zvýšenou plasticitu v rozhraní (menisku) pájka-drát v tuhém
stavu slitiny (tehdy užívaný drát 0,5 mm smalt + 2× hedvábí byl oproti (0, 4÷0, 5)mm PVC podstatně tvrdší!).
Důvodem byla vyšší spolehlivost pájených míst, zvláště u mobilních zařízení výzbrojní techniky (např. polních
telefonních přístrojů, manuálních telefonních ústředen apod.) [57].
85
7.3 CÍNOVÉ WHISKERY
mechanických vlastností a kontrolovaným složením slitiny. Na části vzorků byly testovány povrchové úpravy galvanicky naneseného čistého cínu a na části vzorků byla testována odolnost
pájecích slitin (SnCu, SnPb a SAC). Na všech vzorcích žárově nanesených slitin na bázi Sn
byly vypěstovávány cínové whiskery. Stejně jako na referenčním vzorku s galvanicky naneseným čistým cínem. Whiskery se vytvořily nejpozději po zátěži 84 000 ohybových cyklů. Příklady
vypěstovaných whiskerů jsou uvedeny na obr. 7.8.
7.3.2
Whiskery – ohrožení spolehlivosti elektrotechnických zařízení
Růst whiskerů byl pozorován zejména u vývodů elektronických součástek, na kovových krytech
a EMI stínících prvků, na povrchu galvanicky upravených desek plošných spojů a zejména pak
mezi kontaktními špičkami konektorů. Ve většině těchto případů se jednalo o tenké povrchové
vrstvy čistého cínu. Stupeň rizika destrukčních vlivů whiskerů na funkci zařízení velmi významně
roste se stupněm miniaturizace součástek i zařízení.
Riziko tvorby cínových whiskerů se tedy, pokud vůbec, řeší pouze u zařízení s bezolovnatou
technologií pájení. To je zásadní omyl, který byl autorem potvrzen. Cínové whiskery představují
v dnešní době riziko pro spolehlivost všech zařízení ze současné produkce. I když je zařízení
(a) Galvanicky nanesená vrstva Sn 1,21 µm (84 000 cyklů).
(b) Vrstva slitiny Sn99Cu1 (84 000 cyklů).
(c) Vrstva slitiny Sn95,5Ag3Cu0,7 (84 000 cyklů).
Obr. 7.8 Cínové whiskery na různých površích po dynamickém namáhání vzorků.
86
(a) Strana pinů.
(b) Strana připojovacích ploch.
(c) Strana připojovacích ploch.
Obr. 7.9 Fotografie cínových whiskerů z elektronového mikroskopu.
pájeno SnPb pájkou neřeší to problém rizika výskytu povrchových úprav na součástkách a DPS,
kde mohou být použity povrchové úpravy čistého cínu. I u zařízení, kde byla snaha osazovat
součástky určené pro SnPb montáž, není v dnešní době mnohdy možnost zakoupit vhodné komponenty. Příkladem dvou součástek, které se nacházejí v moderních zařízeních jsou konektory
typu FASTON (obr. 7.10) nebo konektory typu Cannon (obr. 7.11), případně jejich ekvivalenty
nebo konektory podobných konstrukcí. Tyto komponenty jsou v dnešní době většinou s povrchovou úpravou čistý cín a mnohdy neexistuje alternativní povrchová úprava.
Na tyto díly nemá velký vliv, zda jsou aktivně využívány nebo jsou jako studená záloha, případně pouze skladovány. Porovnání je možné na obr. 7.10(a), kde je fotografie konektoru FASTON, který je aktivně využíván i v zařízeních investiční nebo speciální povahy, ale masově také
v automobilní technice. Na obr. 7.10(c) je detail konektoru, který je stejně starý jako předchozí
konektor, ale byl pouze uskladněn jako záloha pro případné opravy. Alarmující je zde fakt, že po-
87
(a) FASTON konektor porostlý cínovými whiskery.
(c) FASTON konektor s cínovými whiskery – detail.
(b) FASTON konektor s cínovými whiskery – detail.
(d) FASTON konektor s cínovými whiskery – detail.
(e) Detail části nového konektoru FASTON.
Obr. 7.10 Cínové whiskery na konektorech typu FASTON.
kud si zákazník zakoupí nové konektory FASTON, je vysoká pravděpodobnost, že i ty již budou
obsahovat cínové whiskery, jejichž plošná hustota a střední délka bude záviset na datu výroby.
Více o této problematice viz [59].
88
(a) Strana pinů.
(b) Strana připojovacích ploch.
Obr. 7.11 Cínové whiskery na konektorech typu Cannon 25.
Podobný problém může nastat např. u konektoru Cannon. Na obr. 7.11(a), kde je vidět i příklad
možného zkratu mezi mechanickou – většinou stínící částí konektoru, která je většinou uzemněna a aktivním pinem konektoru. Stejně tak může dojít k elektrickému zkratu mezi stíněním
konektoru a okolím tohoto konektoru (viz obr. 7.11(b)).
V souvislosti s publikací výše uvedených poznatků ve specializovaném publikačním okruhu byl
autor požádán o naplánování a provedení spolehlivostní zkoušky konektorů typu FASTON s různými povrchovými úpravami [60]. Zákazník po dohodě dodal konektory vyrobené z materiálu
CuSn 8 se zúženými tolerancemi mechanických parametrů (HV a zrno). Materiál byl objednán
u renomované firmy v Německu. Dodané konektory byly vyrobeny v přebroušeném nástroji a galvanicky pokoveny v tuzemsku. Konektory byly podle povrchové úpravy rozděleny do tří souborů
po dvou stech kusech a autorem adjustovány do zákazníkem dodaných plastových těles konektorů
(Makrolon + 25 % skleněné stříže, třída hořlavosti V-0), vždy po deseti kontaktních vidlicích a no-
89
žích do dvou typů těles tak aby je bylo možno zkoušet na počet zasunutí na speciálním zařízení.
Vznikly tři zkušební soubory a to:
• 10 párů konektorů po 10 kontaktech s povrchovou úpravou 3 µm až 6 µm Ag;
• 10 párů konektorů po 10 kontaktech s povrchovou úpravou 2 µm až 4 µm lesklý Sn;
• 10 párů konektorů po 10ž kontaktech bez povrchové úpravy.
Konektory byly vybírány pro zařízení investiční povahy a zákazník požadoval test 500 cyklů
zasunutí a vysunutí při změně přechodového odporu kontaktů o 15 %, ale ne více než na hodnotu
15 mΩ.
Výsledek zkoušky byl pro zadavatele poněkud překvapivý. Při srovnání přechodových odporů
vůči konektorům bez povrchové úpravy se nižší přechodový odpor povrchové úpravy Ag přestal
projevovat již po 20 cyklech, u povrchové úpravy Sn se neprojevil vůbec. Po 1000 cyklech byly
všechny hodnoty přechodových odporů vyrovnané, rozdíly byly pouze v rámci přesnosti měření.
Je tedy zcela zjevné, že povrchové úpravy jsou u zářezových typů kontaktů zjevně nadbytečným,
technicky nefunkčním a pouze marketingovým nástrojem chránícím konektory během skladování
proti vzhledovým změnám.
U konektorů s povrchovou úpravou 2 µm až 4 µm lesklý Sn se objevily první whiskery již po:
• 100 cyklech zkoušky u vidlic a po 700 cyklech i u nožů a dále rostly;
• u skladovaných vidlic v nezasunutém stavu po dvou měsících skladování;
• u zasunutých párů byl poměrně silný výskyt whiskerů zaznamenán již po měsíci skladování.
Celá zkouška probíhala při teplotách 22 ◦C až 25 ◦C a relativní vlhkosti 35 % až 40 % r. v. po tři
měsíce s vloženými týdenními přestávkami, aby byly co nejlépe napodobeny podmínky praktického nasazení konektorů v zařízení. Výsledek zkoušky lze shrnout nejlépe takto:
• zářezové konektory typu FASTON jsou opatřovány povrchovou úpravou pouze z důvodů
obchodních;
• povrchová úprava lesklý cín skutečně ohrožuje spolehlivou funkci zařízení a kromě případů
aplikace v automobilním oboru, kdy převážná část zisku je realizována ve formě servisních
oprav, nemá žádný význam a konečného uživatele poškozuje;
• funkci povrchové úpravy jako jisté formy „mazání“ zářezové dráhy konektoru může s výhodou ceny obstarat neutrální kontaktní vaselina. Tato zkušenost se zářezovými kontakty
byla ještě konzultována s odborníky z oblasti automobilní techniky, kde je takto řešena celá
řada případů ochrany kontaktů konektorů vystavených nepříznivým klimatickým vlivům,
např. také ochrana kontaktů ve vozidlech.
90
Tato zkouška bude na žádost zákazníka opakována ve zvláště ztížených klimatických podmínkách
a na řádově větším souboru vzorků.
Z hlediska bezolovnatého spojování, případně kontaktování vodičů v modulech nebo instalačních skříních může být zajímavou náhradou konektorů FASTON zářezová kontaktní špička. Je
to druh elektrického spoje známý po poměrně dlouhou dobu, ale posledních čtyřiceti letech je
to jeden z nejspolehlivějších způsobů kontaktování a svou spolehlivostí překonává jak lisované
(krimpované) spoje, tak spoje vytvářené šroubovanými svorkovnicemi.
Autor dostal k posouzení možnost určení spolehlivosti a její další prognózu u zářezového spoje
určeného pro slaboproudé účely a průměry vodičů v rozsahu 0,4 mm až 0,8 mm Cu PVC. Typy
posuzovaných svorkovnic jsou uvedeny na obr. 7.12. K zaříznutí vodiče a odstřižení jeho přebývající délky je používán zvláštní nástroj. Zákazník měl zájem zejména o spodní model zobrazený na
uvedeném obrázku s tím, že obdobný výrobek asijské provenience vykazuje fatální neopravitelné
poruchy již po třech letech provozu.
Obr. 7.12 Zářezové svorkovnice izolované vodiče Cu 0,4 mm až 0,8 mm PVC. Horní svorkovnice je
vyráběna podobu cca dvaceti let, spodní již po dobu více než padesáti let.
Po seznámení s dokumentací výrobce zjistil, že plastové těleso je vyrobeno z nehořlavého plastu
Makrolon (třída V0 dle UL 94), zářezová špička z CuSn 8 se zúženými mechanickými vlastnostmi
základního materiálu, který je vyráběn na zakázku renomovaným výrobcem a dodáván s certifikátem pro každý svitek pasu. Maximální přechodový odpor ≤ 5 mΩ, po 1000 zaříznutích vodiče
≤ 5 mΩ. Autor provedl základní elektrické a životnostní zkoušky v laboratorních podmínkách
a měření v terénu u jednoho zákazníka. Výsledky vysoce překračovaly hodnoty deklarované výrobcem. Výrobce má v některých parametrech, zejména životnosti zářezu a jeho přechodového
91
odporu až 1000 % rezervu.
Při zjišťování počtu neshodných kusů bylo zjištěno, že ani u výrobku nasazených do provozu
v roce 1984 nebyla zatím zjištěna žádná porucha vybočující z mezní daných katalogovými údaji
výrobce ani u plastových dílů ani u kontaktních špiček [61]. Pokud se vyskytly poruchy u zákazníka, jednalo se vždy o nechtěná nebo náhodná mechanická poškození při montáži do zařízení.
Podle informace výrobce je výrobek od počátku vyráběn v režimu zvýšené kontroly jak vstupů,
tak i výsledků mezioperací a výstupů.
Zajímavý je zde i ekologický aspekt výroby – spojování je bezolovnaté, spolehlivé a ve výrobku se
nevyskytují žádné ekologicky nepřijatelné látky. Výrobek je 100% recyklovatelný a také výrobní
podnik na recyklaci odpadů při lisování významně profituje. Stejně tak je recyklován i plast,
postupně se z něj po regranulaci vyrábějí méně náročné díly, až skončí jako výlisek dopravních
držáků a poté jako vynikající a nenavlhavá skladovací podložka ve skladech zákazníka.
Autora zaujala i konstrukce vlastní zářezové špičky, kterou lze považovat za zcela výjimečný
příklad dokonale propracované spolehlivé konstrukce. Použití dvoupérového systému dlouhodobě
vyvozujícího konstantní tlak v zářezu jak je zřejmé na obr. 7.13.
Galvanické stříbření je v tomto případě pouze „kosmetická“ úprava, autor experimentoval i s galvanickým cínem nebo špičkami bez povrchování a musí konstatovat, že vliv na elektrické parametry spoje se pohyboval v mezích přesnosti měřicí aparatury a stabilita přechodového odporu
Obr. 7.13 Zářezová kontaktní špička – detail naprosto promyšleně zvolený tvar zářezu.
92
spoje zůstávala dlouhodobě stejná i v nepříznivých klimatických podmínkách3 [62].
3
Autor se zatím ve své praxi nesetkal s promyšlenějším a ekologičtějším výrobkem v oboru montážních tech-
nologií a musí si na jemu neznámého konstruktéra, který již pravděpodobně nežije, vzpomenout s úctou.
93
8 Metodika predikce spolehlivosti
Při posuzování validity výsledků získaných jednotlivými prognostickými metodami je nutno mít
na mysli, že většina vznikla na základě analýzy konkrétních výrobků montovaných do sestav
konkrétními technologiemi – zde jsou zejména myšleny technologie jejich montáže. Převážná
většina informací a dat, na nichž jsou založeny používané prognostické metody, byla získána
při výrobě a provozu elektrických zařízení realizovaných technologií pájení eutektickou pájkou
Sn60Pb.
8.1
Otázky věrohodnosti prognostických metod
Poslední revize normy MIL-HDBK-217F proběhla v roce 1995, tehdy byl její vývoj ze strany
ministerstva obrany USA definitivně ukončen. Zjevně tedy tato metodika nezohledňuje přechod
na použití nových materiálů a technologií. Stejně tak i ostatní metodiky byly vytvořeny před
tímto přechodem. Pouze metodika FIDES v její poslední aktualizaci vznikla v období používání
bezolovnatého pájení. I tak je však při jejím pozorném studiu zřejmé, že předpokládá ještě
použití SnPb technologie. Zároveň však již obsahuje mechanismus korekčního koeficientu pro
bezolovnatou montáž, která s jistým rizikem snížení věrohodnosti řeší tuto problematiku.
Věrohodnost výsledků prognostických metodik byla v poslední době zásadním způsobem dotčena
významnou změnou technologií montáže prvků:
1. Zavedením technologie pájení pájkami neobsahujícími olovo, tedy technologií vyžadující
ve většině případů velmi významné zvýšení pájecích teplot jak při pájení vlnou, tak i při
pájení přetavením, a to i včetně dalších doplňujících technologií, např. chlazení apod.
2. Rozšířením nových pájecích slitin a ECA, kde obě oblasti elektricky vodivého spojování
jsou poměrně nové a bez dostatečných zkušeností s jejich dlouhodobou spolehlivostí v
praktickém provozu.
8.1.1
Vliv bezolovnatých technologií montáže
Z pohledu metodik predikce spolehlivosti patří mezi hlavní rizika snižující spolehlivost predikce
tyto mechanismy:
• Deformace DPS vlivem podstatně vyšších procesních teplot;
• Dočasné deformace dílů a materiálů součástek vlivem vyšších procesních teplot;
94
8 METODIKA PREDIKCE SPOLEHLIVOSTI
• Zničení součástky nebo snížení její spolehlivosti vlivem vyšších procesních teplot;
• Tvorba whiskerů způsobujících zatím nepredikovatelné zkraty v montážních sestavách.
8.1.2
Vliv elektricky vodivých spojů
Při pohledu na tab. 2.2 je zřejmé, že zejména starší metodiky predikce spolehlivosti neuvažují
spolehlivost vodivého spojení mezi součástkami. Přitom vodivý spoj je nejčastěji se vyskytující „součástkou“ v elektrickém zařízení. Problematiku spolehlivosti elektricky vodivých spojů je
možné rozdělit na tři skupiny:
• vliv typu podložky (DPS);
• vliv spojovacího materiálu;
• vliv technologie realizace vodivého spoje.
Při řešení analýz spolehlivosti elektricky vodivých spojů na DPS je hlavním faktorem volba typu
spojovací technologie. Donedávna byla většina spojů realizována měkkými pájkami na bázi SnPb.
Po přechodu na technologii bezolovnatého pájení začala většina výrobců hledat vlastní druhy
slitin. V dnešní době je většina měkkého pájení řešena slitinami na bázi SAC. Přesto mnoho
výrobců zejména v oblasti Asie využívá stále vlastní pájecí slitiny, zejména z finančních důvodů.
Z výsledků spolehlivostních zkoušek provedených autorem je patrné, že samotné použití bezolovnatých pájecích slitin není kritickým bodem pro spolehlivost zařízení. Experimenty prokázaly
velmi podobné chování jak olovnatých tak i bezolovnatých pájek více viz např. [63], [64], [65], atd.
Zásadním faktorem je spíše nepřipravenost výrobců součástek i desek plošných spojů na nutnost
pájení s podstatně vyšší tepelnou zátěží, zejména s větším tepelným šokem pro součástky při
realizaci vodivých spojů. Dalším nepříznivým faktorem pro spolehlivost spoje vytvořeného bezolovnatou pájkou je jeho schopnost tvorby cínových whiskerů, která je zatím obtížně ovlivnitelná.
Podobnost chování olovnatých a bezolovnatých pájek je patrné i z průběhu závislosti elektrického
odporu pájených spojů na teplotě, která je vidět na obr. 8.1. Všechny tři pájecí slitiny vykazují
stejný lineární průběh elektrického odporu. Tato shoda byla navíc potvrzena statistickým testem
na hladině spolehlivosti 95 %, více viz [66].
Situace je výrazně komplikovanější při použití ECA. Výrazný rozdíl chování vykazují ECA, a to
jak ve srovnání bezolovnaté pájky oproti lepeným spojům, tak i v porovnání jednoho druhu ECA
vytvořeného za různých profilů vytvrzení. Výsledky srovnání spolehlivostních zkoušek bezolovnatých pájek a ECA jsou autorem publikovány např. v [67], [68], [69], atd.
8.1 OTÁZKY VĚROHODNOSTI PROGNOSTICKÝCH METOD
95
I v případě ECA byla autorem zjišťována závislost odporu lepených spojů na teplotě. V případě
ECA byly zjišťovány navíc tyto vlivy:
• vliv druhu lepidla: dvousložkové a jednosložkové ECA;
• vliv profilu vytvrzení ECA (výrobce u každého lepidla doporučuje 4 profily vytvrzení);
• vliv tepelného stárnutí;
• vliv expirace lepidla na výsledný průběh.
Přehledové grafy elektrického odporu dvousložkového ECA, které jsou uvedeny na obrázku 8.2.
Grafy 8.2(a) a 8.2(b) srovnávají chování dvou skupin dvousložkového ECA – první byla bez
počátečního tepelného stárnutí a druhá, která byla po výrobě vystavena tepelnému stárnutí
s parametry 80 ◦C po dobu 168 h. Grafy 8.2(c) a 8.2(d) zobrazují stejné závislosti, ale vzorek
lepidla byl již v době aplikace po době expirace.
Z grafů je vidět silná závislost parametrů průběhu jak na expiraci/neexpiraci ECA, ale zejména
však na parametrech profilu vytvrzení lepidla.
Závislosti elektrického odporu na teplotě jednosložkového ECA jsou uvedeny v grafu na obr.
8.1. I zde je z grafů vidět silná závislost parametrů průběhu na parametrech profilu vytvrzení
a předchozím stárnutí/nestárnutí.
Pokud shrneme tyto poznatky, dojdeme k následujícím závěrům. Zatímco bezolovnaté pájky
a pájky na bázi SnPb mají velmi podobné průběhy, chování ECA závisí nejen na druhu ECA
(jednosložkové/dvousložkové), ale je zde i silná závislost na parametrech výroby těchto spojů.
Z grafu je patrné, že při použití těchto ECA dostaneme volbou různých profilů vytvrzení různé
fyzikální vlastnosti výsledného spoje. Navíc se tyto fyzikální i chemické vlastnosti lepidel výrazně
odlišují od vlastností pájek. Stejně tak průběhy jednosložkového a dvousložkového ECA jsou
velmi odlišné a ještě více se od sebe liší skupina pájek a ECA.
Obr. 8.1 Závislosti procentní změny el. odporu na teplotě u vzorků pájek.
96
8 METODIKA PREDIKCE SPOLEHLIVOSTI
Tyto výsledky byly potvrzeny i mechanickými zkouškami a dalšími zkouškami spolehlivosti,
zejména pak studiem chování v počáteční fázi jejich stárnutí, tj. v oblasti časných poruch (např.
[70]).
Z těchto výsledků je patrné, že při použití jakéhokoliv predikčního modelu s pouze jedním koeficientem pro všechny druhy spojů je prakticky nemožné, neboť bychom se vědomě dopustili při
predikci spolehlivosti výrazných chyb a závažných nepřesností.
8.1.3
Životní cyklus bez období konstantní intenzity poruch
Dalším faktorem snižujícím věrohodnost metod predikce u bezolovnatých montážních technologií
je skutečnost, že ne ve všech případech jejich aplikace musí u zařízení existovat oblast s konstantní
intenzitou poruch pro daný druh vodivého spoje. Obr. 8.4 znázorňuje časový závislost odhadnuté
intenzity poruch jednosložkového a dvousložkového ECA na čase během zkoušky suchým teplem
při teplotě 125 ◦C. Parametry tohoto modelu jsou pak uvedeny v tabulce 8.1. Jak z grafu, tak
i z tabulky je patrné, že dvousložkové lepidlo během této zkoušky vykazuje jak oblast konstantní
intenzity poruch (b ≈ 1), tak i oblast období stárnutí. Jednosložkové lepidlo naopak vykazuje jen
oblast stárnutí ovlivněnou dvěma mechanismy poruch.
(a) Neexpirovaná šarže ECA.
(b) Neexpirovaná šarže ECA po tepelném stárnutí.
(c) Expirovaná šarže ECA.
(d) Expirovaná šarže ECA po tepelném stárnutí.
Obr. 8.2 Závislosti procentní změny el. odporu na teplotě u ECA AX 12LVT
8.1 OTÁZKY VĚROHODNOSTI PROGNOSTICKÝCH METOD
97
Obr. 8.3 Závislosti procentní změny el. odporu na teplotě u ECA AX20.
Tab. 8.1 Odhadnuté parametry Weibullova modelu zkoušky suchým teplem ECA
Druh lepidla
η (-)
β (h)
AX 12LVT
793,9; 2177
1,139; 13,83 (p1 = 0, 2116)
AX 20
995.5; 2085
3.117; 9.522 (p1 = 0, 4625)
Bohužel tato absence období konstantní intenzity poruch podléhající exponenciálnímu rozdělení
se začíná s nástupem bezolovnatých technologií významnou měrou objevovat zejména u výrobků
spotřební povahy. Výrazné zhoršení spolehlivosti s nástupem bezolovnatých technologií se projevily u řady dovozců spotřební elektroniky do států EU nezanedbatelným nárůstem nákladů
za garanční servis. Dovozní společnosti pozorují nový trend nákupů identických výrobků vyráběných v obou modifikacích technologie ve státech mimo EU a jejich následný „polosoukromý“
dovoz do EU [71].
Obr. 8.4 Závislost intenzity poruch jednosložkového a dvousložkového lepidla na čase během zkoušky
suchým teplem.
99
9 Shrnutí výsledků práce
V rámci této disertační práce byla realizována ucelená řada zkoušek spolehlivosti bezolovnatých
druhů montáže a to jak v laboratorních, tak i reálných podmínkách. Hlavním cílem všech dále
uvedených výsledků je analýza možných důsledků přechodu na bezolovnatou technologii montáže pro spolehlivost elektrických zařízení. Důsledky tohoto přechodu byly analyzovány pomocí
následujících experimentů a analýz:
• zkoušek spolehlivosti základních druhů elektricky vodivých lepidel (jednosložkové a dvousložkové ECA) a tří typů pájek (SnPb pájka a dva typy SAC pájek);
• experimentů s laboratorním pěstováním cínových whiskerů v dynamickém režimu;
• analýzou spolehlivosti reálných zařízení v laboratorních i provozních podmínkách.
Vzhledem k závažnosti problematiky byly všechny výsledky využity ke kritické analýze metodik predikce spolehlivosti jako prvního kroku při vývoji a konstrukci spolehlivých elektrických
zařízení. Cílem bylo posoudit možnosti jejich uplatnění i za významně změněných technologických
podmínek, jak z vzhledem k technologii bezolovnatého pájení, tak i vzhledem používání relativně
nové technologie spojování pomocí elektricky vodivých lepidel.
Souběžně byly i provedeny ve spolupráci s externími zadavateli spolehlivostní zkoušky na zvlášť
připravovaných vzorcích elektronických zařízení a expertní analýzy stávajícího a nově projektovaného řídícího a bezpečnostního systému. Získané výsledky nebyly právě povzbudivé a v obou
případech vedly k přijetí dokumentu upravujícího podmínky a meze provozního použití zařízení
vyrobeného pomocí technologie bezolovnaté montáže (v tomto případě zařízení investiční nebo
speciální povahy).
9.1
Problematika ECA
V problematice ECA byly zkoumány dvě hlavní oblasti, oblast jejich technologické aplikace a oblast jejich klimatické odolnosti:
• V oblasti jejich technologické aplikace, byla zásadním poznatkem detekovaná výrazná nehomogenita spojů vytvořených pomocí obou druhů ECA. Tato nehomogenita je způsobená
procesy míchání, plnění a vytvrzování ECA a projevuje se výraznou pórovitostí a zvýšeným obsahem plynných vměstků. Tato nehomogenita uvnitř vytvořeného spoje se projevuje
zejména v prostředí se zvýšenou relativní vlhkostí, sníženým atmosférickým tlakem a zne-
100
9 SHRNUTÍ VÝSLEDKŮ PRÁCE
čištěnou průmyslovou atmosférou. V těchto podmínkách se projevuje značným zvýšením
elektrického odporu spoje (obr. 6.5). V rámci experimentů bylo zjištěno, že hlavním vlivem
na míru vnitřní nehomogenity je použitý profil vytvrzení (ECA vytvrzené při nižší teplotě
vytvrzení vykazuje vyšší nehomogenitu) a dále samozřejmě typ ECA (nehomogenita je výraznější u jednosložkového ECA). Vliv doby expirace ECA má překvapivě méně důležitý
vliv.
• Na nehomogenitu spoje z elektrického hlediska mají vliv i samotné vlastnosti ECA jako
suspenze nevodivého pojiva (matrice lepidla) a vodivé složky. Tvar, velikost a hmotnost
Ag vodivého plniva do jisté míry rozhoduje o rychlosti jeho usazování a tím i časové délce
zachování homogenity vlastností soustavy pojivo – plnivo. Se stoupajícím množstvím plniva totiž klesají reálné hodnoty adheze i koheze lepidla jako takového, přičemž elektrické
vlastnosti mohou být naopak dočasně lepší. Zcela jistě na zlepšení homogenity déle skladovaného dvousložkového lepidla nepostačí promíchání při jeho míšení s tvrdidlem. Navíc
u jednosložkového lepidla toto míšení, ze zákaznického hlediska vlastně není nutné a nelze
pak vyloučit změny vlastností suspenze obou složek lepidla.
• Jako nepříliš vhodná se jeví adjustace lepidla k technologickému použití. Zvláště pro použití
v neautomatizované výrobě by autor považoval za vyspělejší formu adjustace dnes již běžný
systém plnění do formy jednorázových PE dispenzerů, u jednosložkového jednoválcové,
u dvousložkového dvouválcové. Tento způsob by omezil zanesení vzduchových bublin do
lepidla při jeho nanášení i míchání. Navíc je tato adjustace trhu lepidel již zcela běžná.
Použití dnes již běžného míchacího nástavce s labyrintem (např. lepidel typu „chemická
kotva“ ) by autor považoval za důkaz péče a zájmu o zákazníka. Pro velkovýrobu je nutno
řešit odpovídajícím způsobem větším balením použitelným v automatech pro nanášení
lepidel. Vážení složek a jejich míchání zákazníkem je v současnosti již poněkud zastaralý
způsob přípravy lepidla.
• Druhá oblast poznatků se týká chování ECA během stárnutí při zvýšené teplotě (zkoušky
suchým teplem, ale i zkouška vlhkým teplem, apod.). Během stárnutí při zvýšené teplotě
bylo zjištěno, že se zásadně odlišuje chování jednosložkového a dvousložkového ECA, kdy
elektrický odpor spojů vytvořených pomocí dvousložkového ECA na začátku tohoto stárnutí prudce klesá, zatímco odpor jednosložkového ECA většinu doby pozvolně roste (obr.
6.1). Lze se oprávněně domnívat, že tento prudký pokles elektrického odporu během stárnutí při zvýšené teplotě úzce souvisí s procesy dotvrzovaní ECA, které je i při dodržení
udaného vytvrzovací profilu reálně nedotvrzené. Tato skutečnost však nemusí být vždy na
závadu.
9.1 PROBLEMATIKA ECA
101
Z pohledu dlouhodobé spolehlivosti stojí dále za zmínku určité rozpory mezi výrobcem doporučenými rozsahy teplot použití. Rozsah teplot použití u jednosložkového ECA AX 20 je dle
katalogového listu −55 ◦C až 180 ◦C, maximální teplota pak 200 ◦C po dobu 1,5 hodiny. Rozsah
pracovních teplot dvousložkového ECA AX 12LVT není v katalogovém listu uveden. Udávaný
rozsah pracovních teplot u ECA AX 20 je při dlouhodobém používání nereálný, a to zejména
z následujících důvodů:
• Doporučené profily vytvrzení tohoto ECA jsou na teplotních hladinách 150 ◦C, 180 ◦C,
resp. 200 ◦C v případě průběžné pece (vrcholová teplota profilu). Maximální teplota použití
180 ◦C je tedy na hladině maximální vytvrzovací teploty – tedy sám výrobce předpokládá
dotvrzování ECA během fáze použití u zákazníka. Tato teplota však může, dle autorových
zkoušek, přejít velmi rychle ve fázi degradace.
• Doporučený rozsah je výrazně nad teplotou skelného přechodu běžné FR 4 (nejčastěji
120 ◦C, což může být odůvodnitelné při použití ECA na jiné podložce). Obtížné je korektní
odůvodnění proč pracovní teplota leží i výrazně nad teplotou skelného přechodu daného
ECA AX 20, tj. je přibližně 92 ◦C [49]. Teplota skelného přechodu dvousložkového ECA
AX 12LVT je dle katalogového listu tohoto ECA 95 ◦C.
• Z provedených zkoušek je patrná degradace již při 125 ◦C, jak z určených ukazatelů např.
průběhu intenzity poruch na (obr. 6.2(b)), tak i z poklesu průměrné velikosti síly odtrhu
ve smyku (pokles o 22,4 %). To pak znamená, že tzv. dotvrzení ECA může být pro jeho
užitné vlastnosti i spolehlivost nepříznivé a může degradovat jeho mechanické i elektrické
parametry.
• Lze předpokládat, že při vyšších teplotách použití dojde k ještě výrazně horším výsledkům,
neboť nelze předpokládat, že by struktura ECA by nepodléhala Arrheniovu zákonu.
• V případě dvousložkového ECA AX 12LVT výrobce tyto hodnoty rozsahu pracovních teplot
neudává. Lze však předpokládat, že ani toto ECA není schopno pracovat při vysokých
teplotách.
Jednosložkové ECA je navíc náročné na dopravní a skladovací podmínky již vzhledem k nízkým
vytvrzovacím teplotám. Doprava bez kontroly teploty v neklimatizovaných dopravních prostředcích vnáší do technologického procesu vysoký podíl nejistoty. Uživatel si jen zcela výjimečně
může provést kontrolu stupně polymerace před jeho technologickým použitím1 . U lepidel musí
být korektně a zejména s dostatečnou rezervou stanoveno datum expirace. Obecně je nutno říci,
1
Nároky na dopravu lepidel jsou obdobné jako u léků, kdy je pro balení do přepravních boxů předepsán
jednoúčelový datalogger, který kontroluje teplotu v boxu až do jeho rozbalení zákazníkem. U lepidel musí být
proto zajištěn korektní způsob dopravy respektující jejich povahu.
102
že jednosložkové lepidlo je pro zákazníka možná jednodušší z hlediska technologického procesu,
ale podstatnou měrou rizikovější směrem ke spolehlivosti produktu.
Zároveň byly úspěšně realizovány laboratorní experimenty k odplynění ECA a tím snížení vnitřní
pórovitosti pomocí vystavení namíchané směsi, případně i naplněného dispenzeru, působení sníženého tlaku.
Poslední oblast výzkumu spolehlivosti ECA byla zaměřena na vliv korozních produktů na Cu
plochách na DPS, kde byly realizovány experimenty s aktivací povrchu DPS, která vedla ke
snížení přechodového odporu lepených spojů.
Všechny poznatky lze shrnout do následujících bodů:
• Nezpochybnitelnou a často nenahraditelnou vlastností ECA a důvodem k jejich aplikaci
v technologickém procesu je nízká teplota jejich vytvrzení, která je činí obtížně nahraditelnými pro řadu aplikací.
• Vytvrzená ECA jsou z hlediska klimatických vlivů zatím poměrně nestabilní strukturou
s omezenými parametry prostředí, ve kterém mohou dlouhodobě spolehlivě pracovat.
• ECA jsou technologicky obtížně aplikovatelná z hlediska eliminace voidů (plynných vměstků)
při míchání i vytvrzení vlastního spoje.
• Voidy snižují klimatickou i mechanickou odolnost spoje a mohou vést k závažným poruchám
spoje a nezpochybnitelně ovlivňují výsledky zkoušek i výslednou dlouhodobou stabilitu
vlastností spoje a jeho spolehlivost.
• Pro vytvoření elektricky i mechanicky kvalitního spoje je ve velké většině případů nutná
aktivace povrchu Cu nebo jeho pokovení Au apod.
• Nevytvrzená ECA kladou poměrně vysoké nároky na dopravní a skladovací podmínky.
• Výroba ECA klade na jejich výrobce vysoké nároky, zejména na výrobu organické pryskyřice a její dlouhodobou stabilitu a korektně udávané podmínky jejího vytvrzení – kvalita
a spolehlivost lepeného spoje závisí převážně na podniku výrobce lepidla.
• Pro úspěšnou technologickou aplikaci ECA v průmyslu je rozhodující dlouhodobá stabilita
vlastností jednotlivých dodávek v čase.
9.2
Problematika bezolovnatých pájek
Z hlediska elektrických vlastností mají pájky, podle očekávání, dobrou časovou stabilitu a časové
změny parametrů jednotlivých pájek jsou velmi podobné jak u SnPb, tak i u obou SAC pájek.
Z hlediska mechanických vlastností jsou bezolovnaté pájky podstatně křehčí než SnPb pájky
9.3 PROBLEMATIKA WHISKERŮ
103
a obsahují větší množství voidů:
• Větší křehkost pájky je dána složením jednotlivých pájecích slitin a zejména vlastnostmi
čistého cínu (složení některých pájek je takového charakteru, že se spíše jedná o cín s mírnou
příměsí nečistot, byť úmyslných, než o slitinu).
• Větší množství voidů pak je způsobeno vyšší teplotou tavení většiny pájek, kdy plynné
vměstky nemohou v průběhu chladnutí roztavené pájky dostatečně rychle uniknout. Zvláště
je to patrné při použití technologie pájení vlnou. Spoj pájený bezolovnatou technologií již
z metalurgického hlediska vykazuje vyšší riziko vzniku nehomogenit, než tomu bylo u pájek
s obsahem olova.
• Voidy mají zásadní vliv na spolehlivost výsledného pájeného spoje.
• Vyšší pájecí teplota bezolovnatých pájek má zcela zásadní vliv na teplotní zatížení pájených součástek, tak i na teplotní zatížení běžné podložky (např. FR 4). Teoretické závěry
a dopady technologie na spolehlivost podléhají Arrheniovu zákonu i v případě bezolovnaté
montáže a navíc ne vždy jsou konstruktéry použity komponenty, které jsou určeny pro vyšší
teplotní zatížení2 , navíc pokud jsou v daném typu vůbec k dispozici.
• Zásadním problémem u bezolovnatých pájek je riziko růstu whiskerů, což je jev, s nímž řada
techniků při konstrukci nepočítá a zvláště u produktů s vyšší hustotou montáže může být
tento jev velmi nepříjemný a podstatnou měrou determinující pro spolehlivost i životnost
elektrického zařízení v praktickém provozu.
9.3
Problematika whiskerů
V rámci této disertační práce byla vytvořena metodika cyklického dynamického namáhání vzorků
vedoucí k časově akcelerovanému růstu cínových whiskerů v případech, kdy jsou pro jejich růst
vhodné podmínky. Whiskery byly takto vypěstovány jak na vrstvách čistého cínu, tak i na vzorcích s žárově nanesenou vrstvou pájek, a to jak bezolovnatých, tak i vzorcích s eutektickou
SnPb pájkou3 . Zároveň se autor zaměřil na vyhledávání a detekci whiskerů na površích běžných
průmyslových aplikací a vyhledání nejrizikovějších komponent a materiálových kombinací. Jako
jedna z vysoce rizikových aplikací byly definovány běžně používané násuvné konektory typu FASTON (viz výše), které mnohdy obsahují cínové whiskery nebo jejich zárodky již v době, kdy jsou
montovány do zařízení. Přitom konektory FASTON jsou masově používány nejen v automobilní
2
3
V praxi většinou konstruktér, z cenových důvodů, použije spíše součástku méně odolnou než naopak.
Výše zmíněné používání pájky Sn40Pb60 bylo, kromě uvedených důvodů, podmíněno i minimalizací růstu
whiskerů v zařízeních, kde bylo předpokládáno vyšší dynamické namáhání za provozu (mobilní zařízení, výzbrojní
technika, lodní technika apod.)
104
technice nebo spotřebním zboží, kde růst whiskerů v podstatě nevadí4 , ale i v řídicí, automatizační a zabezpečovací technice, kde výskyt whiskerů může mít poměrně nepříjemné, často až
fatální následky.
Riziko cínových whiskerů v oblasti investiční techniky je výrazně zvýšeno tím, že se již v dnešní
době nelze spolehnout ani na skutečnost, že zařízení, které je ještě pájeno pomocí SnPb technologie nebude obsahovat rizikové prvky s růstem cínových whiskerů i když jen např. ve formě
galvanicky nanesených vrstev čistého lesklého cínu na součástkách nebo mechanických dílech.
V průběhu celé řady poruchových analýz provedených v rámci této práce bylo prokázáno, že
i tato zařízení mohou obsahovat (a většinou také obsahují) komponenty s povrchovými úpravami typu „čistý cín“ nebo dokonce „čistý lesklý cín“ a stejně tak, že za mimořádně příznivých
podmínek cínové whiskery mohou růst i na SnPb pájkách s vyšším obsahem cínu.
Je nutno upozornit na skutečnost, že mechanismus růstu whiskerů není v současné době možno
zahrnout mezi faktory pro prognostiku spolehlivosti z důvodů nedostatečného stupně jeho vědeckého poznání.
9.4
Ověření metod predikce spolehlivosti v praxi
Pro ověření vztahů mezi výsledky predikce spolehlivosti a spolehlivostí reálných zařízení v provozu měl autor mimořádnou příležitost aktivně se podílet na práci týmu plánujícího provedení
a vyhodnocení rozsáhlé spolehlivostní zkoušky zařízení dálkového měření investiční povahy konstruovaného na bázi multiprocesorové mikropočítačové aplikace určené do velmi náročných klimatických podmínek5 .
Odhad spolehlivosti zařízení byl proveden podle normy MIL-HDBK-217F z poslední edice a obdobné normy (mutiplikativní metoda podobná filosofii Nokia) používané zadavatelem pro zařízení
této povahy (též určené původně pro montáž SnPb) a činil λ ≤ 3,2 · 10−5 h−1 pro poruchy ztráty
funkce zařízení (sériový model) a tento odhad hodnoty spolehlivosti λ byl zákazníkem akceptován.
Spolehlivostní zkouška probíhala v praktických podmínkách v terénu s tím, že veškerá zkoušená
zařízení byla realizována bezolovnatým pájením, část spojů byla, pro ověření jeho vlastností,
provedena lepením vodivým lepidlem na bázi fenolického epoxidu s příměsí 50 % Ag vloček.
Lepidlo dodal výrobci zadavatel zkoušky. Pro výrobu obou souborů byly použity součástky, které
prošly stanovenými a v praxi exaktně ověřenými třídicími zkouškami pro minimalizaci období
4
5
Spíše naopak. Lze říci, že i servisní organizace potřebují prosperovat.
Dopravní a skladovací podmínky tohoto zařízení jsou −60 ◦C až 85 ◦C, relativní vlhkost 98 % r. v. při 25 ◦C,
atmosférický tlak 60 hPa.
9.4 OVĚŘENÍ METOD PREDIKCE SPOLEHLIVOSTI V PRAXI
105
časných poruch.
Každé zařízení bylo ve své podstatě autonomním prvkem zkoušky s tím, že bylo vybaveno testovacím programem se střední úrovní detekce a určení poruchy. V plné míře byla každá vzniklá
porucha zaznamenávána v centrální jednotce zkoušky asi z 60 % již s identifikací typu poruchy
a v plné míře co do času od počátku zkoušky. Zkouška probíhala jeden kalendářní rok tak, aby
byl podle možnosti specifikován vliv klimatu ročního období na průběh zkoušky. Jako srovnávací
soubor byla použita identická zařízení realizovaná klasickou technologií montáže a vyrobená ze
stejného souboru součástek, pocházejícího vždy ze stejné dodávky.
Počet zařízení byl v obou souborech identický, tj. po padesáti kusech sestav vyrobených na
stejném technologickém zařízení a stejnými pracovníky. Pouze pro pájení vlnou bezolovnatou
pájkou SAC byla vyměněna pájecí vana s náplní SAC.
Výsledky zkoušky v podstatě potvrdily předpoklady, se kterými byla tato zkoušky započata:
• Obecně ECA na bázi fenolických epoxydových pryskyřic nejsou zřejmě prozatím použitelná
v zařízení pracujícím ve ztížených klimatických podmínkách a jen s výhradou v zařízení
investiční povahy pracujícím v normálních podmínkách. Navíc není zatím možno připustit
jejich aplikaci v částech zařízení s vysokými nároky na spolehlivost, ale spíše v částech
indikačních a pomocných.
• Skutečná spolehlivost zařízení vyrobeného bezolovnatou technologií (ECA a pájení SAC)
byla nižší než odhadovaná dle výše uvedených norem a činila λ = 6,2 · 10−3 h−1 . Prokázána
byla tím také nutnost stanovení korekčních koeficientů a autor bude pravděpodobně vyzván
ke spolupráci při jejich dalším stanovování.
• Cínové whiskery byly v zařízení nalezeny a byly identifikovány jako část příčin nespolehlivé
funkce (příčiny zkratů v poměru 42 % ku 58 % ostatním příčinám poruch).
• Kontrolní soubor provedený klasickou technologií splnil podmínky odhadu spolehlivosti
λ ≤ 1,4 · 10−5 h−1 .
Výsledkem zkoušky byl dočasný zákaz použití bezolovnatých technologií v tomto segmentu zařízení investiční povahy a posléze byl rozšířen administrativním rozhodnutím i do dalších citlivých
segmentů elektrotechniky. ECA budou nadále rozvíjena ve spolu práci se zákazníkem s cílem
nahradit speciální druhy pájek z drahých kovů (Ga, In apod.)
Dalším výsledkem zkoušky bylo pozastavení používání odhadů spolehlivosti dle dosavadních norem nebo postupů pro zařízení vyráběná při respektování bezolovnatých technologií až do doby
stanovení a verifikace korekčních koeficientů [72], [73].
106
Na základě nepříliš příznivých výsledků předchozí zkoušky byl zadavatel ochoten finančně zajistit opakování zkoušky spolehlivosti, ale již s vyloučením aplikace ECA, které byly pro tento
druh zařízení a dané klimatické podmínky označeny jako nepoužitelná. Autor měl tak znovu
příležitost zúčastnit se další poměrně rozsáhlé spolehlivostní zkoušky na konkrétním zařízení investiční povahy konstruovaného opět na bázi multiprocesorové mikropočítačové aplikace určené
k automatickému monitorování elektrických veličin objektů v náročných klimatických podmínkách. Zadavatel pro druhou zkoušku určil jiný typ zařízení, které je již vyráběno a provozováno
po dobu tří let a bylo doposud vyráběno technologií pájení klasickou pájkou SnPb s dosavadní
dosaženou hodnotou intenzity poruch λ = 2 · 10−5 h−1 . Zkouška spolehlivosti byla naplánována
opět na dvanáct měsíců provozu. Pro výrobu zkušebního souboru byly použity součástky, které
prošly stanovenými třídicími zkouškami pro minimalizaci období časných poruch.
Odhad spolehlivosti zařízení byl proveden již dříve, před dvěma lety, podle normy MIL-HDBK217F z poslední edice a obdobné normy používané zadavatelem pro zařízení této povahy (též
určené původně pro montáž SnPb) a činil λ ≤ 1,2 · 10−5 h−1 pro poruchy ztráty funkce zařízení
(sériový model) a tento odhad hodnoty spolehlivosti byl tehdy zákazníkem akceptován. Spolehlivostní zkouška probíhala v praktických podmínkách v terénu s tím, že veškerá zkoušená zařízení
byla realizována bezolovnatým pájením pájkou SAC.
Každé zařízení bylo ve své podstatě opět autonomním prvkem zkoušky s tím, že bylo vybaveno
testovacím programem se střední úrovní detekce a určení poruchy. V plné míře byla každá vzniklá
porucha zaznamenávána v centrální jednotce zkoušky asi z 50 % již s identifikací typu poruchy
a v plné míře co do času od počátku zkoušky. Zkouška probíhala opět jeden kalendářní rok tak,
aby byl podle možnosti specifikován vliv ročního období na průběh zkoušky. Jako srovnávací
hodnota intenzity poruch byla použita výše uvedená hodnota získaná z provozu více než dvou
set kusů zařízení po dobu tří let [74], [75], [76].
Výsledky zkoušky souboru zařízení pájených bezolovnatou pájkou SAC byly následující:
• Spolehlivost zařízení byla nižší než odhadovaná dle výše uvedených prognostických metod
a činila λ ≤ 5,1 · 10−5 h−1 . Značný podíl na poruchách zařízení měly kondenzátory s plastovým dielektrikem, kondenzátory elektrolytické, v menší míře polovodičové struktury vyšší
integrace, ale také poměrně neočekávané trhliny v pájených spojích.
• Cínové whiskery opět byly v zařízení nalezeny, a to ve vyšší míře a byly identifikovány jako
část příčin nespolehlivé funkce (většinou jako zkraty mezi pájenými body v poměru 44 %
ku 56 % ostatním příčinám poruch).
Zkouška opět prokázala praktickou nepoužitelnost dosavadních prognostických metod pro oblast
9.4 OVĚŘENÍ METOD PREDIKCE SPOLEHLIVOSTI V PRAXI
107
bezolovnatého pájení i lepení ECA. Současně prokázala technickou i praktickou rozporuplnost
legislativního opatření k vyloučení olova z pájecího procesu.
Zcela zásadním výsledkem této zkoušky bylo pozastavení používání bezolovnatých technologií
pájení a ECA na zařízení dané kategorie určení pro celý rezort zákazníka s platností i pro případné
dovozy obdobných zařízení.
Problematika odhadů spolehlivosti dle dosavadních prognostických metodik nebo postupů pro
zařízení vyráběná při respektování bezolovnatých technologií bude dále řešena s cílem získání
podkladů pro stanovení a verifikaci korekčních koeficientů pro dosavadní praxí ověřené metody.
Zkušební soubory obou zkoušek je možno považovat za homogenní a stejnorodé. Testovaná zařízení v obou zkouškách byla vyrobena v prostředí stabilizované výroby ze stejnorodých souborů
součástek navíc podrobených ověřeným postupům třídicích zkoušek pro zkrácení období časných
poruch.
Oba typy zkoušených zařízení byly konstruovány na bázi multiprocesorového řízení za použití
technologií povrchové montáže s minimem doplněných klasických součástí s vývody. Pájena byla
jak přetavením, tak i pájením vlnou. Jako mechanická konstrukce byly použity vybrané díly z hliníkové komerčně dodávané stavebnice. Celková konstrukce zařízení druhé zkoušky spolehlivosti
byla provozně ověřena nejméně dvouletým provozem totožných zařízení vyrobených technologií pájení klasickou pájkou SnPb. Neosazené dvouvrstvé DPS pocházely od jediného, ověřeného
a dlouhodobě pozitivně hodnoceného výrobce.
Veškerá zkoušená zařízení v obou zkouškách jsou svou funkční povahou i konstrukcí srovnatelná,
tj. jedná se distribuovaný terénní zkušební systém se SW řízením, automatickým testováním
stavu, dálkovou diagnostikou i přenosem informací. Moduly zařízení jsou zahořovány po dobu
500 h při teplotě okolí 40 ◦C. Sestavy zařízení byly zahořovány při stejné teplotě po dobu 48 h.
Údržba zařízení byla prováděna v servisním středisku s tím, že systém je sice ze spolehlivostního hlediska považován za sériový model, ale v praxi je do jisté míry schopen chovat se jako
inteligentní, částečně samoopravitelný, systém pomocí předinstalovaného bloku specializovaného
SW. Zkušební podmínky byly vždy závislé na konkrétních klimatických podmínkách v daném
ročním období. Tato skutečnost byla jediným náhodným jevem v celém zkušebním provozu, ale
naopak zákazník na základě svých zkušeností trval na zkoušce praktické, která dává poměrně
často pozitivnější a reálnější výsledky než urychlené laboratorní spolehlivostní zkoušky.
Přenosové části navazující na zkoušená zařízení pro přenos dat po vedení i vedení bezdrátové
dodal zákazník ze své výroby. Vzhledem k systému jejich aktivních záloh nebyla indikována
během zkoušek ani jediná porucha z příčiny výpadku dat [77].
109
10 Splnění cílů práce
Kontrola plnění cílů disertační práce vychází z jejich formulace v kapitole 5. Na základě získaných a zobecněných poznatků dané problematiky je možné, po provedení jejich kritické analýzy,
konstatovat následující plnění stanovených cílů:
1. Vymezení vlivu bezolovnatých technologií montáže na spolehlivosti elektrických produktů.
Z hlediska spolehlivosti elektrických a zejména elektronických produktů bylo specifikováno
a experimentálně odzkoušeno, že posun technologie směrem k naprosté eliminaci olova má
zcela zásadní vliv na výslednou spolehlivost zařízení. Tato spolehlivost významnou měrou
poklesla z následujících důvodů:
• Významného zvýšení pájecí teploty vinou vyššího bodu tavení bezolovnatých pájek.
• Absence některých součástek určených pro zvýšené pájecí teploty na současném trhu
a absence vhodné cenově dostupné náhrady laminátu typu FR 4 s tím, že vysoké překračování skelného přechodu při pájení není žádoucí z hlediska spolehlivosti produktu.
• Nehomogenity pájených spojů, křehkosti pájecích slitin (resp. pájení téměř čistým
cínem, nemožnosti vizuální kontroly pájeného spoje, specifických vlastností cínu jako
prvku).
• Tvorby cínových whiskerů a výskytu cínového moru.
Snaha o plošné nahrazení pájek elektricky vodivými lepidly nebyla dosud zcela úspěšná.
Z experimentů provedených autorem je patrné, že lepené spoje vykazují nižší spolehlivost
než spoje pájené, a to zejména v prostředí zhoršených klimatických podmínek. Především
v prostředí s vysokou relativní vlhkostí a vysoce znečištěnou průmyslovou atmosférou jsou
ECA dle autora dosud prakticky neaplikovatelná.
Spolehlivost zařízení se zavedením bezolovnatých technologií tedy významně klesá. Bezolovnaté technologie montáže se zatím příliš nehodí pro zařízení investiční nebo zvláštní
povahy a požadovanou korektní funkcí po delší časový interval1 .
2. Analýza prognostických metod používaných ke stanovení odhadů spolehlivosti elektrického
produktu s ohledem na jeho vývoj a konstrukci před přijetím směrnice RoHS a po nabytí
platnosti této směrnice.
Bylo zjištěno, že metody predikce spolehlivosti jsou významnou měrou nepříznivě ovlivněny
přechodem na bezolovnaté technologie montáže. V prvé řadě se jedná o nutnost více využít
metodiky, které zohledňují spolehlivost samotných spojů. Přesto však i metodiky, které
1
Naopak jsou vhodné pro produkty spotřebního charakteru, kde se s jejich pomocí může podařit významné
zvýšení obratu zboží s tím, že delší životnost, ani spolehlivost není nutná.
110
10 SPLNĚNÍ CÍLŮ PRÁCE
zohledňují spolehlivost elektricky vodivých spojů, nejsou schopny ve stávající podobě zohlednit nové metody spojování a ve většině případů jsou založeny pouze na spolehlivostních
datech SnPb pájek. Byly definovány tato zjištění:
• U spotřební elektroniky není zatím nutné řešit otázku spolehlivosti, zde je z marketingového hlediska spíše nežádoucí. Precisně provedená analýza poruch by lehce mohla
několikanásobně převýšit cenu vývoje a výroby daného produktu. Navíc by tato operace také prodloužila etapu návrhu což je při současné rychlosti inovačního cyklu
nemyslitelné. Pro přibližný odhad ukazatelů spolehlivosti zcela postačí využít kteroukoliv metodiku predikce spolehlivosti – např. metodiku MIL-HDBK-217 v softwarové
podobě a smířit se se skutečností, že odhad nebude příliš shodný s realitou (a navíc se
autor domnívá, že ke stanovování spolehlivosti v některých exponovaných segmentech
trhu ani nedojde). Většina podniků tento problém bude řešit na účet zákazníka zvýšením finančního objemu fondu garanční rezervy. Tento způsob je v současnosti zcela
běžný.
• U produktů investiční techniky je vhodné otázku spolehlivosti řešit podrobněji. Starší
metodiky predikce spolehlivosti není možné s dostatečnou výrokovou přesností použít
při zohlednění všech nových mechanismů poruch a technologických změn při přechodu
na bezolovnaté pájení nebo lepení. Je vhodné použít některou z novějších metodik
predikce zejména metodiku FIDES, případně v méně náročných aplikacích metodiku
IEC-TR-62380. Navíc je nutno dodat, že některé skupiny výrobků zatím nespadají
do oblasti působnosti direktivy RoHS (např. servery). Tento fakt zjevně ilustruje nedostatečnou spolehlivost nových technologií montáže [8] i vědomí exekutivy o určité
kontroverznosti současného rozhodnutí.
• U řídicích, medicínských nebo bezpečnostních systémů, zejména pak u implantovaných
lékařských přístrojů, vesmírných aplikací a aplikací zajišťujících bezpečnost státu je
zatím možné využít pouze některých metod predikce spolehlivosti, zejména metod
využívajících poznatků fyziky poruch, např. metodika FIDES. I tato metodika však
doposud postrádá dostatečné ověření její výrokové korektnosti.Tyto aplikace vyžadují
vysoký stupeň spolehlivosti a některé aplikace přímo vylučují servisní zásahy – např.
vesmírné aplikace. Navíc u těchto systémů se zatím ani v budoucnu nedá zaručit
úspěšný přechod na bezolovnatou technologii montáže [8].
3. Průběžná aplikace získaných poznatků v podnikové sféře v reálném čase.
Poznatky získané studiem dané problematiky a získané výsledky byly do podnikové sféry
průběžně aplikovány v podobě expertních analýz pro dva subjekty, v podobě dlouhodobé
111
spolupráce s jedním výrobním podnikem a řadou zákazníků. První expertní analýza spolehlivosti byla zaměřena na provedení zkoušek spolehlivosti inteligentních kontrolerů pro záložní zdroje elektrické energie. Výsledky těchto analýz byly publikovány v technické zprávě
[4]. Další čtyři expertní posudky byly vyhotoveny pro jiný subjekt a byly zaměřeny na
spolehlivost bezpečnostních systémů založených jak na olovnaté, tak i bezolovnaté technologii montáže a podmínky vzniku whiskerů a případná rizika jimi způsobená [18], [19],
[20]. Spolupráce s výrobním podnikem byla zaměřena na posouzení reálnosti přechodu na
bezolovnaté pájení u výrobku komunikační a speciální produkce pro zahraniční subjekty,
které výslovně nespadají do působnosti směrnice RoHS. Výzkumné zprávy pro zákazníky se
týkaly specializovaných zařízení a jejich zkoušek i rozboru poruch komponentů nebo jejich
sestav (viz technické zprávy uvedené v seznamu literatury). Zvláště zajímavé byly poruchové analýzy některých sestav z oblasti automobilní techniky, kde se zřejmě konstruktéři
i manažeři kvality snažili popřít některé přírodní zákony v zájmu snížení výrobních nákladů.
Všechny tyto technické zprávy jsou vázány mlčenlivostí a není možné tedy publikovat větší
detaily.
Tato disertační práce je zaměřena na zhodnocení metod predikce spolehlivosti v době přechodu
na bezolovnatou technologii montáže. Bylo experimentálně prokázáno, že se zejména s přechodem na technologie bezolovnaté montáže výrazně změnily ukazatele spolehlivosti jednotlivých
komponent, DPS a celých zařízení. Jedná se zejména o následující tři příčiny:
1. První příčinou je vliv bezolovnatých technologií montáže na elektronické prvky, zde se
jedná zejména o deformace DPS a jednotlivých dílů součástek vlivem vyšších procesních
teplot, zničení součástky nebo snížení jejich spolehlivosti vlivem vyšších procesních teplot
a tvorba cínových whiskerů.
2. Druhou příčinou snížení věrohodnosti metod predikce spolehlivosti je vliv elektricky vodivých spojů. Při podrobnějším prozkoumání jednotlivých metod predikce spolehlivosti je
zřejmé, že zejména starší metodiky predikce spolehlivosti neuvažují spolehlivost vodivého
spojení mezi součástkami. Přitom je vodivý spoj nejčastěji se vyskytující „součástkou“ .
Navíc, jak bylo prokázáno výše, ECA i pájky vykazují zcela rozdílné chování, je tedy nutné
začít oddělovat i tyto dvě metody vodivého spojování.
3. Poslední příčinnou je, že většina metodik predikce je zaměřena pouze na období s konstantní
intenzitou poruch. Přitom v dnešní době mnohé komponenty již mají svůj životní cyklus
bez období konstantní intenzity poruch. Toto je možné dokumentovat např. na výsledcích
realizovaných zkoušek spolehlivosti ECA (8.1.3), ale i na informacích získaných jako osobní
sdělení z obchodních a servisních organizací.
112
10.1
Vyhodnocení hypotézy práce
K základní hypotéze práce formulované ve čtvrté kapitole, která zní:
„Použití moderních technologií montáže nemusí vést ke vzniku produktu s vyšší spolehlivostí.“
Lze říci, že se jí podařilo potvrdit a to zejména v bodech:
1. Problematika spolehlivosti skutečně není v současné době základní prioritou velké řady
výrobců elektrotechnických produktů. S tímto trendem se autor však ve své praxi setkal
i v oblasti investiční a speciální techniky. Podcenění významu spolehlivosti vede k neekologickému plýtvání surovinovými zdroji, finančními prostředky zákazníků a navíc může
v konečném důsledku způsobit škody na zdraví a majetku.
2. Prognostické metody spolehlivosti používané před legislativním zavedením povinnosti implementace bezolovnatých technologií spojování a povrchových úprav výrobků skutečně
nejsou bez dalšího výzkumu a zejména korektních spolehlivostních zkoušek aplikovatelné
při prognózách spolehlivosti produktů vyvíjených a konstruovaných s cílem vyrábět je
bezolovnatými technologickými procesy. Toto tvrzení bylo prokázáno poměrně rozsáhlými
spolehlivostními zkouškami.
3. Legislativně kodifikovaná povinnost zavedení bezolovnatých technologií nebyla před zavedením dostatečně vědecky dopracována z hlediska vlivu na spolehlivosti produktů vyráběných s pomocí těchto technologií. Je i nadále nutno doplnit tuto mezeru a metodami
vědecké analýzy experimentálních poznatků a syntézou výsledků formulovat pravidla pro
jejich účelnou implementaci do výrobní praxe.
10.2
Disertabilní přínosy
Za hlavní disertabilní přínos práce autor považuje ověření platnosti doposud užívaných metodik
predikce spolehlivosti pro technologie bezolovnatého pájení a lepení elektricky vodivými lepidly
(ECA).
Z výsledků dvou poměrně rozsáhlých zkoušek spolehlivosti provedených v praktických provozních
podmínkách vždy po dobu jednoho roku bylo zjištěno, že je vyloučeno použití standardních
metodik (např. i nejužívanější MIL-HDBK-217F) pro hodnocení bezolovnatých technologií.
Do jisté míry byla předem nejistá míra věrohodnosti predikce pro zařízení provedená technologií spojováním pomocí ECA. Zde je prokázáno, že pro tento případ dává predikční metoda
10.2 DISERTABILNÍ PŘÍNOSY
113
nevěrohodné výsledky je tedy nepoužitelná.
Ani v případě technologie bezolovnatého pájení nejsou metody predikce použitelné bez dalších
výzkumů a zobecnění výsledků prováděných spolehlivostních zkoušek. Tato disproporce výsledků
predikčních metod není pouze problémem realizace vlastních pájených bodů, ale i důsledkem
vyššího tepelného zatížení některých součástek při pájecím procesu (zde je zřejmá jistá nepřipravenost výrobců součástek na změnu technologie). Lze tedy říci, že pro tento účel není v současné
době k dispozici použitelná metodika.
Autorovy závěry podporují výsledky dvou poměrně rozsáhlých zkoušek spolehlivosti uvedené
v kapitole 9.4 této práce. V případě první zkoušky, kde byla srovnávána spolehlivost stejného
zařízení vyrobeného za stejných logistických podmínek pouze s rozdílem použité technologie,
výsledná spolehlivost 50 kusů zařízení pájeného SnPb byla lepší než její prognostický odhad.
V druhé polovině souboru pájeného SAC a částí součástek lepenými ECA byla výsledná spolehlivost o přibližně dva řády horší oproti prognostickému odhadu. Podmínky roční provozní
zkoušky byly pro celý soubor 100 kusů zařízení identické co do času, klimatických i provozních
podmínek nasazení.
V případě druhé zkoušky bylo testováno 100 kusů zařízení vyrobeného bezolovnatým pájením
pájkou SAC, proti několika 100 kusů zařízení vyráběného již po dobu přibližně tří let. I zde byl
výsledek obdobný, výsledná spolehlivost byla opět o přibližně dva řády nižší proti prognóze.
Lze tedy s vysokou výrokovou jistotou říci, že použití stávajících dostupných predikčních metod
pro odhady spolehlivosti elektrických zařízení vyrobených bezolovnatou technologií není možné.
Za vedlejší disertabilní cíl autor považuje potvrzení závěrů práce týkající se problematiky cínových whiskerů [22]. Ve všech zkoušených zařízeních pájených pájkou SAC byly zkraty způsobené whiskery identifikovány (zařízení pracují se stejnosměrnými proudy do max. 0,5 A, zřejmě
proto nebyly nalezeny žádné stopy po výskytu obloukových výbojů). Obdobně autor identifikoval
výskyt cínových whiskerů v technologických zařízeních dvou zákazníků. V obou případech whiskery působily obtížně identifikovatelné poruchy způsobující výpadky některých funkcí zařízení.
Za další vedlejší disertabilní cíl považuje autor výsledky ze souboru klimatických a mechanických zkoušek ECA prováděných při dodržení technologie obvyklé ve výrobním podniku. Zde lze
říci, že použití ECA bez jeho odplynění před aplikací je značně rizikové pro jeho spolehlivost
nejen z hlediska změn klimatických podmínek, ale i z hlediska logistiky zařízení. Výskyt plynných vměstků při výše uvedené spolehlivostní zkoušce v praktickém provozu významně snižuje
spolehlivost spoje. Jako obdobný problém se ukázala nutnost aktivace povrchu Cu plošek při
delším, i když technologicky korektním skladování neosazených DPS.
114
Autor experimentálně prokázal významný a nepříznivý rozdíl ve výsledné reálné spolehlivosti
testovaného zařízení vyrobeného pomocí bezolovnatých technologií a výsledky její predikce stávajícími metodikami. Nové metodiky predikce spolehlivosti je nezbytné formulovat pro oblast
investiční a speciální techniky včetně aplikací pro medicínu. Zatímco investiční technika zatím
nepodléhá platnosti směrnice RoHS, aplikace pro medicínu již do působnosti této směrnice spadají a dle autorových zkušeností představují významné riziko pro zdraví a životy lidí. Rozšíření
platnosti směrnice RoHS v části bezolovnatého pájení do oblasti medicínských aplikací bez výjimky je do jisté míry morální i právní hazard s obtížně domyslitelnými výsledky. U spotřební
elektroniky není zatím nutné akutně řešit otázku spolehlivosti vzhledem k jiným podmínkám
použití i podstatně nižší požadované životnosti ovlivněné rychlejším inovačním cyklem.
10.3
Možný další vývoj problematiky
Na základě zkušeností získaných v průběhu zkoušek spolehlivosti, experimentů a poruchových
analýz při práci na tématu této disertační práce autor počítá s tím, že bude pokračovat v této
oblasti i nadále. Zejména se jeho další záměry týkají oblasti problematiky spolehlivosti, prognostiky spolehlivosti bezolovnatě pájeného spoje, studia vlastností bezolovnatých pájek, kde vidí
ještě řadu neřešených problémů, kterými by se rád dále zabýval.
Pro tuto práci bude nutno ještě dále prohloubit jak teoretické, tak i praktické dovednosti z oblasti
zkušebnictví kovů, metalurgie, krystalografie i anorganické chemie. Autor bude pokračovat ve
studiu vlastností cínu a jeho slitin ve vztahu ke spolehlivosti elektrických zařízení a ekologii.
V oblasti elektricky vodivých lepidel také existuje řada problémů čekajících na řešení, které
zcela jistě budou předmětem dalších disertačních prací. V tomto segmentu problematiky by
byla pravděpodobně vhodná spolupráce s pracovištěm zaměřeným na problematiku epoxidových
pryskyřic. U problematiky lepidel je nutno řešit především problém standardizace vzorků ECA,
především jejich odplyňování po namíchání a při aplikaci v průběhu zhotovování vzorků. Na
základě dosavadních zkušeností by bylo vhodné zajistit další referenční vzorky ECA od jiných
výrobců a opakovat alespoň zkrácený program zkoušek uvedený v této práci. Jako velmi dobrý
nástroj pro kontrolu homogenity ECA se autorovi osvědčily expozice vzorků v prostředí H2S
a pro kontrolu homogenity, koheze i adheze šokové zkoušky, které by neměly být vynechány
v žádné další práci.
115
11 Závěr
Objektivně je nutno říci, že Směrnice RoHS je zcela nesporným přínosem pro zlepšení ochrany
životního prostředí. Již jen snaha po eliminaci kadmia nebo rtuti je významným pozitivním
zásahem do životního prostředí. Poněkud složitějším problémem je eliminace olova. Oblasti munice, zejména malorážové se prakticky nedotkla ani ve vojenském použití, ani v myslivosti (zde se
ročně jedná o depozici mnoha tun olova přímo do přírody) nebo bylo olovo nahrazeno ochuzeným
uranem, což nelze jistě považovat za zlepšení ochrany životního prostředí. Zákaz používání olova
v pájkách je jistě myšlen dobře, ale nebyly zde ze strany odborníků vypracovávajících příslušné
odstavce směrnice, ani ze strany schvalující exekutivy a nebyly ani domyšleny skutečné dopady
takového zákazu.
Přechod na bezolovnaté spojování přinesl zatím více problémů než pozitivních přínosů. V podnikové praxi v podstatě znesnadnil vytvoření spolehlivého pájeného spoje a téměř znemožnil
jednoduchou vizuální kontrolu jeho kvality (tento případ je nejčastější stížností z praxe). Dalším
problémem je nadměrná koroze pájecích zařízení pro pájení vlnou. Bezolovnaté pájky svou vyšší
agresivitou podstatně rychleji opotřebují jak pájecí vany, tak i vrtule čerpadel a další doplňky,
což přináší zvýšení nákladů na pájení. Dalším problémem je jistá rigidita výrobců součástek.
Pouze část součástek je dnes schopna snést podstatně vyšší tepelný šok při pájení přetavením
nebo vlnou. Tato skutečnost není příliš příznivá pro budoucí spolehlivost vyráběných zařízení
neboť zatím platnost Arrheniova (příp. Eyringova) zákona nelze legislativně ovlivnit.
Samostatnou kapitolou je vlastnost některých kovů tvořit za jistých podmínek vodivé whiskery,
nepříznivá je skutečnost, že cín mezi ně také patří. Obdobně mezi ně patří i kadmium, ale to
směrnice RoHS z používání vyřadila. Možnosti technologicky ovlivnit tvorbu cínových whiskerů
na pájkách i galvanicky nanášených cínových vrstvách je nedostatečná. Autor se při svých výzkumech na zařízení v praktickém použití setkal s případy, kdy tento jev významnou měrou
ovlivňoval spolehlivou funkci zařízení a náhodnými výpadky funkcí znesnadňoval jejich obsluhu.
V tomto případě se zdá, že odborníci připravující tuto část směrnice RoHS rizika tohoto jevu
podcenili.
Na pováženou je však rozšíření platnosti směrnice RoHS v části bezolovnatého pájení do oblasti medicinských aplikací (výrobci autoelektroniky si odklad platnosti vymohli). Autor tuto
skutečnost považuje za ohrožení lidského života v okamžicích, kdy jsou již publikovány fatální
důsledky takových aplikací, např. selhání bezolovnatě pájených implantovaných přístrojů. Právní
důsledky mohou být v takovém případě pro výrobce dodržujícího požadavek RoHS velmi nepří-
116
11 ZÁVĚR
jemné, zvláště po zavedení institutu „psychické újmy“ do právního systému.
Nutno říci, že pájení zůstane zřejmě i nadále stále nejčastěji používanou metodou spojování
v elektrotechnickém průmyslu. Na metalurgickém výzkumu je nyní vývoj bezolovnatých pájecích
slitin s pájecí teplotou a dalšími vlastnostmi blížícími se klasické olovnaté pájce. Z publikačních
pramenů je zřejmé, že tento vývoj probíhá značně rychle a je oprávněná naděje dosažení pozitivních výsledků. Stejně tak se ukázalo, že není zatím možné pájky plně nahradit vodivými lepenými
spoji. Pro ně zůstanou vyhrazeny aplikace vyžadující např. schopnost vyrovnávání různých dilatačních koeficientů, aplikace vyžadující minimalizaci teploty při vytváření vodivého spoje apod.
Obě montážní technologie budou v budoucnosti existovat vedle sebe a velmi účelně navzájem
se doplňovat. Další vývoj ECA by se měl zaměřit na stabilitu vlastního pojiva a dále na minimalizaci sedimentace vodivého plniva. Řešením budou zřejmě částice plniva vytvořené pomocí
nanotechnologií, ale současně s vyřešením smáčivosti v pojivu.
Souběžně s řešením technologických aspektů procesu montáže bezolovnatými montážními technologiemi je nutné zvýšit úsilí o jejich dlouhodobou stabilitu a spolehlivost. Tento proces je stále
ještě samém počátku a zejména dlouhodobá stabilita takto vytvořených spojů není dostatečná.
Přechod na bezolovnaté technologie zatím ztížil výrobu spolehlivých zařízení.
Podstatně vyšší úsilí bude nutno věnovat metodikám predikce spolehlivosti a jejich korekcím
vzhledem ke změnám technologií. Dnes jsou tyto metody v podstatě nepoužitelné, neboť byly po
dlouhá léta precizovány pro zcela jiné technologické podmínky. Bez pozitivních výsledků v této
oblasti nebude možný úplný přechod na bezolovnaté technologie. Pro elektrická zařízení určená
do zhoršených klimatických podmínek, zařízení dlouhodobě skladovaná, pro speciální zařízení
a výzbrojní systémy to jejich zákazníci zatím v žádném případě nepřipustí a nadále budou trvat
na olovnatém pájení. Přesvědčit je mohou pouze pozitivní výsledky zkoušek spolehlivosti, a jak
se zatím zdá, jsou do jisté míry ochotni na těchto zkouškách se aktivně účastnit. Výsledky těchto
zkoušek by jednak přispěly ke korekcím koeficientů predikčních metod, ale také ke zpětnému zvýšení spolehlivosti bezolovnatými technologiemi vyráběné spotřební a zejména výpočetní techniky.
Spotřební technika je v současnosti asijskými výrobci vyráběná v obou provedeních a v porovnání např. základních desek PC vyrobených bezolovnatým pájením jejich spolehlivost významně
poklesla.
Za zcela zásadní problém autor považuje korekci predikčních metod pro nové technologie v co
nejkratším časovém horizontu. Výpadek možnosti predikce pro bezolovnaté technologie omezuje
výrobce investiční techniky ve všech oblastech jejího využití a limituje je v zavádění bezolovnatých technologií.
117
Dalším důležitým úkolem je zvýšit prestiž spolehlivých výrobků, alespoň v některých segmentech
elektrických produktů s cílem minimalizovat odpad, který je nutno recyklovat a minimalizovat
spotřebu celé řady stále hůře dostupných surovin. Autor se domnívá, že při pominutí dalších,
často zcela nepodstatných kritérií „modernosti“ , je spolehlivý výrobek dlouhodobě plnící očekávání zákazníka zároveň i výrobkem ekologickým.
LITERATURA
119
Literatura
[1] NIMMO, Kay. Second European Lead-Free Soldering Technology Roadmap (February 2003)
and Framework for an International Lead-Free Soldering Roadmap (December 2002). 2003.
[2] OSTERMAN, Michael. Being "RoHS Exempt" in a PbWorld. In: Capital SMTA Chapter
Pb-Free Tutorial program. Maryland: 2006.
[3] REYNELL, M. Avionics Integrity Program. 1990.
[4] KUDLÁČEK, Ivan and Pavel ŽÁK. Spolehlivostní zkouška inteligentních kontrolerů InteliCompact a InteliLite. Praha: ČVUT v Praze, FEL, Katedra elektrotechnologie. Technická
zpráva č. K313/2008/01. 2008. s. 5.
[5] ŽÁK, Pavel and Ivan KUDLÁČEK. Tin Whiskers - Reliability Risk For Electronic Equipment.
In: Umwelteinflüsse erfassen, simulieren, bewerten. Pfinztal (Berghausen): Gesellschaft für
Umweltsimulation e.V., 2009. s. 239–251. ISBN 978-3-9810472-7-1.
[6] ŽÁK, Pavel. Posouzení elektrických režimů součástek a dimenzování spojů DPS. Praha: SCH
Lab. Technická zpráva č. SCH Lab SP 18/2010. 2010. s. 35.
[7] KREISLOVÁ, Kateřina, Hana GEIPLOVá, Roman LIČBINSKÝ and Pavel ŽÁK. Corrosivity
of road tunnel microclimate. In: EUROCORR 2012. Turecko: 2012.
[8] Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2002/95/ES ze dne 27. ledna 2003 o omezení používání některých nebezpečných látek v elektrických a elektronických zařízeních. 2003. s. 19–32.
[9] Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2011/65/EU ze dne 8. června 2011 o omezení používání některých nebezpečných látek v elektrických a elektronických zařízeních. 2011. s. 88–110.
[10] LASKY, Ronald C. Tin Pest: A Forgotten Issue in Lead-free Soldering?. In: SMTA International Conference Proceedings. Chicago: 2004. s. 838-840.
120
LITERATURA
[11] MACH, Pavel, Vlastimil SKOČIL and Jan URBÁNEK. Montáž v elektronice: pouzdření aktivních součástek, plošné spoje. Vydavatelství ČVUT, 2001. ISBN 80-01-02392-3. In:
http://books.google.cz/books?id=Wvk9AQAACAAJ.
[12] SCHNEDERLE, Petr, Martin ADÁMEK and Ivan SZENDIUCH. Effect of nitrogen atmosphere on the soldering process for different types of lead-free solders. In: 35th International
Spring Seminar on Electronics Technology. Wien: Technische Universität, 2012. s. 1–4. ISBN
978-3-85465-015-7.
[13] KUDLÁČEK, Ivan. Přednáška v kurzu Ekologie pro elektrotechniky.
[14] SMT centrum. Základní materiály pro výrobu desek plošných spojů. [online]. [cit.
2012-05-16]. Dostupné z: http://www.smtcentrum.cz/vyroba-desek-plosnych-spoju/zakladnimaterialy-pro-vyrobu-desek-plosnych-spoju/.
[15] Základní materiál pro plošné spoje Lampirex FR-4. Pardubice: Podniková norma č. 39-68301. 2001.
[16] ŽÁK, Pavel. Poruchová analýza skládaných styroflexových kondenzátorů SMD. Praha: SCH
Lab. Technická zpráva č. SCH Lab PA 15/2008. 2008. s. 12.
[17] ŽÁK, Pavel. Příčiny poruch pájených desek plošných spojů a analýza desek dodávka Vrchlabí.
Praha: SCH Lab. Technická zpráva č. SCH Lab PA 23/2009. 2009. s. 29.
[18] KUDLÁČEK, Ivan, Marek TUČAN and Pavel ŽÁK. Problematika Tin Whiskers -část 1.
Praha: ČVUT v Praze, FEL, Katedra elektrotechnologie. Technická zpráva č. K313/2011/01.
2011. s. 57.
[19] KUDLÁČEK, Ivan, Marek TUČAN and Pavel ŽÁK. Problematika Tin Whiskers -část 2.
Praha: ČVUT v Praze, FEL, Katedra elektrotechnologie. Technická zpráva č. K313/2011/02.
2011. s. 22.
[20] KUDLÁČEK, Ivan and Pavel ŽÁK. Diagnostika změn na povrchu násuvných konektorů
typu Faston. Praha: ČVUT v Praze, FEL, Katedra elektrotechnologie. Technická zpráva č.
K313/2010/01. 2010. s. 16.
[21] ŽÁK, Pavel. Posouzení použitelnosti kadmiovaných spojovacích prvků v nové výrobě (RoHS).
Praha: SCH Lab. Technická zpráva č. SCH Lab PA 12/2008. 2008. s. 8.
[22] ŽÁK, Pavel. Tvroba whiskerů při měkkém pájení v elektronice. Praha: ČVUT v Praze, 2008.
Diplomová práce. ČVUT v Praze, FEL, Katedra elektrotechnologie.
LITERATURA
121
[23] ŽÁK, Pavel and Ivan KUDLÁČEK. Výskyt whiskerů rizikem pro funkci elektrárny. In: Proceedings of the 11th International Scientific Conference Electric Power Engineering 2010. Brno:
VUT v Brně, FEKT, 2010. s. 711–716. ISBN 978-80-214-4094-4.
[24] KREISLOVÁ, Kateřina, Jaroslava BENEŠOVÁ and Pavel ŽÁK. Korozní odolnost elektrolytických povlaků. In: Progresivní a netradiční technologie povrchových úprav. Jaroměř: Centrum
pro povrchové úpravy, 2009. s. 17–21. ISBN 978-80-904502-0-2.
[25] ŽÁK, Pavel. Reliability Risks of tin-rich alloys for Electronic Industry. In: Poster 2009.
Praha: ČVUT v Praze, FEL, 2009. s. 1–4.
[26] BENEŠ, Antonín. Kovové materiály: Vlastnosti a použití. Praha: Nakladatelství technické
literatury, 1968.
[27] Kovář, Miroslav. Problémy konzervace cínových předmětů z nálezového sběru. [Osobní sdělení]. 2008.
[28] ŽÁK, Pavel. Poruchová analýza DPS ATÚ – náhradní díly. Praha: SCH Lab. Technická
zpráva č. SCH Lab SP 09/2009. 2009. s. 13.
[29] ČSN IEC 60300-3-1:2003. Management spolehlivosti - Část 3-1: Pokyn k použití - Techniky
analýzy spolehlivosti - Metodický pokyn. Praha: Český normalizační institut, 2003.
[30] MIL-HDBK-217F. Military Handbook – Reliability Prediction of Electronic Equipment. Washington: US Department of Defense, 1991.
[31] EPRD-97. Electronic Parts Reliability Data. Rome: 1997.
[32] NPRD-95. Nonelectronic Parts Reliability Data. Rome: 1995.
[33] IEC TR 62380:1981. Reliability data handbook –Universal model for reliability prediction of
electronics components, PCBs and equipment. Geneva: International Electrotechnical Commission, 2004.
[34] DGA-DM/STTC/CO/477-A. GUIDE FIDES 2009 Edition A: Méthodologie de fiabilité pour
les systèmes utilisant les COTS. 2009.
[35] ŽÁK, Pavel and Ivan KUDLÁČEK. Prognostika spolehlivosti v období aplikace bezolovnatých
technologií montáže. In: Proceedings of the 13th International Scientific Conference EPE 2012.
Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií,
2012. s. 801–806. ISBN 978-80-214-4514-7.
122
LITERATURA
[36] OHRING, Milton. Reliability and Failure of Electronic Materials and Devices. 1. vyd, San
Diego: Academic Press, 1998. 692 s. ISBN 978-0-12-524985-0.
[37] MENTLÍK, Václav, Lumír ŠAŠEK, Magdalena TRNKOVÁ and Pavel TRNKA. Spolehlivostní aspekty elektrotechnologie. Praha: BEN – technická literatura, 2011. ISBN 978-80-7300412-5.
[38] RAZALI, Ahmad Mahir. Combining Two Weibull Distributions Using a Mixing Parameter.
European Journal of Scientific Research. 2009, roč. 31, č. 2, s. 296–305. ISSN 1450-216X. In:
http://www.eurojournals.com/ejsr.htm.
[39] MELOUN, Milan and Jiří MILITKÝ. Statistická analýza experimentálních dat. 2. vyd,
Praha: Academia, 2004. 953 s. ISBN 80-200-1254-0.
[40] NELSON,
Wayne.
Accelerated
Testing:
Statistical
Models,
Test
Plans,
and
Data Analysis. John Wiley & Sons, Inc., 2008. 601 s. ISBN 9780470316795. In:
http://dx.doi.org/10.1002/9780470316795.
[41] ČSN IEC 60300-3-5:2002. Management spolehlivosti - Část 3-5: Návod k použití́ – Podmínky
při zkouškách bezporuchovosti a principy statistických testů. Praha: Český normalizační institut, 2002.
[42] ČSN EN 61649:2009. Weibullova analýza. Praha: Český normalizační institut, 2009.
[43] ŽÁK, Pavel, Marek TUČAN and Ivan KUDLÁČEK. Estimation of Weibull Distribution
Parameters in Reliability Applications. In: Diagnostika ’11. Plzeň: Západočeská univerzita v
Plzni, 2011. s. 193–197. ISBN 978-80-261-0020-1.
[44] KOROLJUK, V. C. Raschožděnija empiričeskich razpredělenij dlja slučaja dvuch nezavisimich vyborok. Izvěstija akaděmii nauk SSSR. 1955, serija matematičeskaja 19, s. 81– 96.
[45] PRŮCHA, Ladislav. Neparametrické testy shody. [Osobní sdělení]. 2012.
[46] BARRINGER,
Paul.
Weibull
Database.
[online].
[cit.
2012-06-16].
Dostupné
z:
http://www.barringer1.com/wdbase.htm.
[47] ČSN EN 60068-2-2:2008. Zkoušení vlivů prostředí – Část 2-2: Zkoušky – Zkouška B: Suché
teplo. Praha: Český normalizační institut, 2008.
[48] ČOS 139501:2005. Postupy pro hodnocení životnosti munice. Úřad pro obrannou standardizaci, katalogizaci a státní ověřování jakosti, 2005.
LITERATURA
123
[49] PLAČEK, Martin. Teplotně-mechanická analýza elektricky vodivých lepidel. Praha: 2012.
Diplomová práce. ČVUT FEL, Katedra elektrotechnologie.
[50] JESD22-A104D:2009. Temperature Cycling. South Arlington: JEDEC Solid State Technology Association, 2009. In: http://www.jedec.org/.
[51] GEIPLOVÁ, Hana a kol. Technická zpráva I projektu TA ČR 01031043 Kvantifikace vlivu
specifického znečištění na degradaci materiálů a protikorozní ochrany v tunelech. Praha: 2011.
[52] GEIPLOVÁ, Hana a kol. Technická zpráva III projektu TA ČR 01031043 Kvantifikace vlivu
specifického znečištění na degradaci materiálů a protikorozní ochrany v tunelech. Praha: 2012.
[53] Emepox Ltd. ECO-SOLDER AX 20 (one-components ECA).
[54] Emepox Ltd. Elpox AX 12 LVT (two-component ECA).
[55] ŽÁK, Pavel. Experimenty s nanášení epoxidových pryskyřic. Praha: SCH Lab. Technická
[56] COBB, H. L. Cadmium Whiskers. Monthly Review of American Electroplaters Society. 1946,
roč. 33, č. 28, s. 280.
[57] Rodinný archiv. Výroba elektrotechnických zařízení během II. svět. války.
[58] ŽÁK, Pavel and Ivan KUDLÁČEK. Zařízení pro laboratorní tvorbu cínových whiskerů.
[Funkční vzorek]. 2010.
[59] ŽÁK, Pavel, Marek TUČAN and Ivan KUDLÁČEK. Tin coating of connectors - reliability
risk for electrical equipment. In: 34th International Spring Seminar on Electronics Technology.
Košice: Technická Univerzita Košice, 2011. s. 229–233. ISBN 978-1-4577-2111-3.
[60] ŽÁK, Pavel. Zkoušky konektorů FASTON. Praha: SCH Lab. Technická zpráva č. SCH Lab
TZ 04/2011. 2011. s. 41.
[61] ŽÁK, Pavel. Spolehlivost hlavního rozvaděče. Praha: SCH Lab. Technická zpráva č. SCH Lab
SP 23/2010. 2010. s. 36.
[62] ŽÁK, Pavel. Hodnocení spolehlivosti a kontrola výsledků periodických zkoušek. Praha: SCH
Lab. Technická zpráva č. SCH Lab SP 19/2011. 2011. s. 32.
[63] TUČAN, Marek, Pavel ŽÁK and Jan URBÁNEK. Long-Term Climatic Tests of Components
for Electronics. In: Electronic Devices and Systems, IMAPS CS International Conference 2011
Proceedings. Brno: VUT v Brně, FEKT, 2011. s. 91–94. ISBN 978-80-214-4303-7.
124
LITERATURA
[64] TUČAN, Marek and Pavel ŽÁK. Influence of Climatic Cycles on Properties of Leadfree
Solders. In: Cena nadace ČEZ o nejlepší vysokoškolský vědeckotechnický projekt. Praha: ČEZ,
a.s., 2010. s. 1–6.
[65] ŽÁK, Pavel, Marek TUČAN and Ivan KUDLÁČEK. Lead-free Car Electronics According to
Updated ELV Directive. In: Applied Electronic 2011. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni,
2011. s. 413–416. ISBN 978-80-7043-987-6.
[66] ŽÁK, Pavel, Marek TUČAN and Ivan KUDLÁČEK. ECA Resistance Measurement – Calibration for Temperature Change. In: 35th International Spring Seminar on Electronics Technology. Vídeň: Technická Univerzita, 2012. s. 1–5. ISBN 978-3-85465-015-7.
[67] TUČAN, Marek, Pavel ŽÁK and Jan URBÁNEK. Propeties of Leadfree Solders and Electrically Conductive Adhesives Subjected to Climatic Tests. In: Electronic Devices and Systems,
IMAPS CS International Conference 2010 Proceedings. Brno: VUT v Brně, FEI, 2010. s.
319–322. ISBN 978-80-214-4138-5.
[68] ŽÁK, Pavel, Marek TUČAN and Ivan KUDLÁČEK. Effects of operating conditions on
automotive electronics. In: Applied Electronic 2010. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni,
2010. s. 379–382. ISBN 978-80-7043-865-7.
[69] ŽÁK, Pavel and Ivan KUDLÁČEK. Spolehlivost elektrických zařízení 2.díl - Vliv prostředí
na spolehlivost elektrotechnických zařízení. Praha: SVÚOM Praha a.s., 2010. 60 s. ISBN 97880-903933-8-7.
[70] ŽÁK, Pavel, Marek TUČAN and Ivan KUDLÁČEK. Post-curing behavior of two-component
Electrically Conductive Adhesive. In: 34th International Spring Seminar on Electronics Technology. Košice: Technická Univerzita Košice, 2011. s. 258–261. ISBN 978-1-4577-2111-3.
[71] MATOUŠEK, Tomáš. Dovoz elektroniky ze zahraničí aneb problémy, které vás dříve či
později mohou potkat. [online]. [cit. 2012-07-06]. Dostupné z: http://nepp.nasa.gov/whisker/.
[72] ŽÁK, Pavel. Vyhodnocení spolehlivosti zvláštního zařízení AMS. Praha: SCH Lab. Technická
[73] ŽÁK, Pavel. Poruchové analýzy prvků ze spolehlivostní zkoušky zařízení AMS. Praha: SCH
Lab. Technická zpráva č. SCH Lab PA 01/2011. 2011. s. 36.
[74] ŽÁK, Pavel. Vyhodnocení spolehlivosti monitorovacího zařízení AMX za první tři roky provozu. Praha: SCH Lab. Technická zpráva č. SCH Lab SP 03/2012. 2012. s. 38.
LITERATURA
125
[75] ŽÁK, Pavel. Spolehlivost zařízení AMX pájeného SAC. Praha: SCH Lab. Technická zpráva
č. SCH Lab SP 04/2012. 2012. s. 42.
[76] ŽÁK, Pavel. Poruchová analýza vzorků AMX předaných zákazníkem. Praha: SCH Lab. Technická zpráva č. SCH Lab PA 01/2012. 2012. s. 37.
[77] ŽÁK, Pavel. Vyhodnocení spolehlivostních zkoušek zařízení AMS a AMX a doporučení k
jejich další výrobě. Praha: SCH Lab. Technická zpráva č. SCH Lab SP 05/2012. 2012. s. 76.
[78] DURAJ, Aleš. Vybrané vlastnosti elektricky vodivých lepidel. Praha: 2007. ČVUT FEL,
Katedra elektrotechnologie.
[79] PLAČEK, Martin. Sledování vybraných vlastností elektricky vodivých lepidel. Praha: 2010.
Bakalářská práce. ČVUT FEL, Katedra elektrotechnologie.
[80] PAPEŽ, Václav and David BUŠEK. Hlavice pro měření adhezní síly lepených spojů. [Fukční
vzorek]. 2010.
[81] ČSN EN 1465:2009. Lepidla – Stanovení pevnosti ve smyku při tahovém namáhání přeplátovaných lepených sestav. Praha: Český normalizační institut, 2009.
[82] ŽÁK, Pavel and Ivan KUDLÁČEK. Processing of reliability data sets containing extreme
values. In: Workshop 2010. Praha: České vysoké učení technické v Praze, 2010. s. 238–239.
ISBN 978-80-01-04513-8.
[83] ČSN EN 60068-2-78:2002. Zkoušení vlivů prostředí – Část 2-78: Zkoušky – Zkouška Cab:
Vlhké teplo konstantní. Praha: Český normalizační institut, 2002.
[84] NASA. Tin Whisker (and Other Metal Whisker) Homepage. [online]. [cit. 2012-05-16]. Dostupné z: http://nepp.nasa.gov/whisker/.
126
Přílohy
128
A METODIKA PROVEDENÝCH ZKOUŠEK SPOLEHLIVOSTI
A Metodika provedených zkoušek spolehlivosti
Vzhledem k tomu, že práce by měla odrážet dosažitelnou spolehlivost technologií spojování běžnou v průmyslové praxi, jsou v experimentech a během výroby vzorků používány prvky, technologie a technologická zařízení běžná ve vyspělé průmyslové výrobě.
A.1
Testované vzorky
V provedených klimatických a spolehlivostních zkouškách byly používány testovací DPS, které
umožňovaly osadit na jednu DPS sedm testovacích rezistorů s nulovým „odporem“ . Příklad
osazené DPS je vidět na obr. A.1. Struktura vývodů umožňuje měření elektrického odporu Kelvinovou čtyřbodovou metodou.
Základním materiálem testovací DPS je sklolaminátový kompozit FR4 (tloušťka 1,5 mm)1 . Ve
většině experimentů jsou použity DPS bez povrchové úpravy. Pouze v několika experimentech
byly použity DPS s povrchovou úpravou čistý cín (HASL)2 .
Na jednu testovací desku bylo technologií povrchové montáže (SMT) umístěno celkem sedm SMD
rezistorů o velikosti 1206. Byly použity následující dva typy SMD rezistorů:
1. SMD 0R0 1206 určené pro pájení, max. 0,25 W, bezolovnatá úprava vývodů součástky –
vrchní vrstva z čistého cínu a mezivrstvou niklu. Výrobcem je firma Vishay.
2. SMD 0R0 1206 určené pro ECA, max. 0,25 W, bezolovnatá úprava vývodů součástky (CrNiCu-Ag) – vrchní vrstva ze stříbra. Výrobcem je firma Microtech.
Pro testování byly vybrány dva typy ECA – jednosložkové ECA AX 20 a dvousložkové ECA
Obr. A.1 Testovací DPS pro lepené a pájené spoje.
1
2
Výrobcem je PCB Benešov.
Povrchová úprava DPS z čistého cínu se totiž projevila jako zcela nevhodná a v dalších experimentech již
tedy nebyla používána – viz kapitola 6.2.
A.1 TESTOVANÉ VZORKY
129
AX 12LVT. Obě ECA pochází z produkce polského výrobce Amepox. Tento výrobce byl zvolen
s ohledem na dlouhou historii zkoušek těchto ECA prováděných na katedře elektrotechnologie
a možné porovnání získaných výsledků s předchozími experimenty. Katalogové listy je možné
najít na v příloze D a příloze E nebo na webových stránkách výrobce ([53] a [54]). V obou
případech se jedná se o ECA na bázi fenolické pryskyřice s plnivem v podobě stříbrných šupin.
Předpokládá se nanášení šablonovým tiskem, dispenzním nebo jehličkovým nanášením. U obou
ECA výrobce udává čtyři možné profily vytvrzení. Parametry obou lepidel jsou tyto:
• ELPOX AX 12LVT – dvousložkové ECA na bázi fenolické pryskyřice s plněním (55 ± 1) %
Ag. Poměr míchání složky A a B je 1:1 (váhově). Teplota skelného přechodu je 95 ◦C.
• ECO SOLDER AX 20 – jednosložkové ECA na bázi fenolické pryskyřice s plněním (75 ± 1) %
Ag. Maximální provozní teplota je 200 ◦C po dobu 1,5 hodiny.
K ověření výsledků byly zároveň prováděny experimenty s třemi druhy pájek – dva druhy bezolovnatých pájek na bázi SAC a jeden referenční druh pájky na bázi SnPb.
• S62-325GM5 – SnPb pájecí slitina se složením Sn62Pb36Ag2. Obsah kovu v pastě je
86,50 %. Vrcholová teplota během přetavení je 205 ◦C až 225 ◦C, teplota liquidu 179 ◦C.
Výrobcem je firma Cobar (katalogový list je uveden v příloze F).
• CuAg-XM3S – bezolovnatá pájecí slitina se složením Sn95,5Ag4,0Cu0,5. Obsah kovu v pastě
je 89,12 %. Vrcholová teplota během přetavení je 232 ◦C až 250 ◦C, teplota liquidu 217 ◦C.
Výrobcem je firma Cobar (katalogový list je uveden v příloze G).
• EM 907 – bezolovnatá pájecí slitina se složením Sn96,5Ag3,0Cu0,5. Obsah kovu v pastě je
88,5 %. Vrcholová teplota během přetavení je 235 ◦C až 255 ◦C. Výrobcem je firma Kester
(katalogový list je uveden v příloze H).
Doba expirace jednosložkového ECA AX 20 je 6 měsíců od data výroby pokud jsou ECA v neotevřeném balení a skladována při teplotě 10 ◦C, u ECA AX 12LVT je to také 6 měsíců, avšak při
teplotě až do 25 ◦C. U pájek se doba zpracovatelnosti pohybuje v rozmezí od 3 měsíců (skladování
při teplotě 20 ◦C) do 5 měsíců (skladování při teplotě 4 ◦C až 10 ◦C). V provedených experimentech bylo vždy použito ECA, které bylo aplikováno před touto lhůtou. V některých experimentech
bylo srovnáváno chování ECA před a po této lhůtě. V těchto případech bylo použito ECA, které
se nacházelo maximálně rok po datu výroby. Pájecí slitiny byly ve všech experimentech použity
před datem expirace. U součástek a DPS byly také respektovány všechny lhůty technologické
zpracovatelnosti.
DPS byly před aplikací ECA a pájek očištěny a odmaštěny (isopropylalkohol, čistota 99,8 %)3 .
3
DPS byly vyrobeny v PCB Benešov a byly použity ve lhůtě technologické aplikovatelnosti.
130
Pájecí pasty byly nanášeny sítotiskovou metodou (sítotisk SAB 06). Jednosložkové ECA bylo
nanášeno dispenzní metodou (dispenzer SL 101-220), dvousložkové ECA bylo nanášena jehličkovou metodou4 . Rezistory byly poté osazovány pomocí manuálního osazovacího manipulátoru
MAN 32.
Vzorky s pájkami a vzorky s ECA s IR profilem vytvrzení byly přetavovány v třízónové průběžné
horkovzdušné peci Mistral 260. U každého vzorku byl respektován výrobcem definovaný profil
přetavení, který byl vždy kontrolován a dokumentován. Ostatní vzorky ECA byly vytvrzeny
v horkovzdušné sušárně FED 720.
Po vyhotovení byly vzorky vždy překontrolovány vizuální kontrolou a kontrolou elektrického parametru – elektrického odporu. U elektrických parametrů byla kontrolována homogenita vzorků.
A.2
Metodika měření elektrického odporu
Vyhodnocování kvality pájených a lepených spojů je nejčastěji založeno na měření základních
elektrických a mechanických parametrů. Za hlavní ukazatel kvality spoje byl, vzhledem k průmyslové aplikovatelnosti, zvolen elektrický odpor. Pro vyhodnocení dlouhodobé stability pak změna
elektrického odporu v čase během zkoušek.
Pro měření elektrického odporu spojů byla použita Kelvinova čtyřbodová metoda měření malých
odporů. Za tímto účelem byl použit LCR měřící přístroj Agilent 4263B. Parametry nastavení
měřicího přístroje byly následující:
• frekvence měření: 1 kHz,
• napětí: 1000 mV.
K přístroji byl připojen vyrobený přípravek s jehlovým polem (obr. A.2). Byl zvolen druh jehel,
které mohou porušit oxidové vrstvy na měděných ploškách DPS a tedy eliminovat tuto chybu
měření. Vliv termoelektrického jevu byl eliminován měřením na frekvenci 1 kHz. K eliminaci vlivu
rušení vyšších harmonických z napájecí sítě by měla být volena frekvence, která není celočíselným
násobkem frekvence napájecí sítě. Bohužel tento přístroj vhodnější frekvenci nenabízí5 .
Měřen byl tedy elektrický komplexu spoj-rezistor-spoj. Rezistory používané v experimentech mají
deklarovanou hodnotu 0R0, přesto jejich odpor není nulový. Rezistory mají následující hodnot
odporu:
4
ECA se na připojovací plochy nanáší šablonovým tiskem dispenzním nanášením nebo jehličkovou metodou.
Nejčastěji je však ECA nanášeno dispenzerem, protože jeho viskozita ztěžuje např. použití šablonového tisku.
5
Americká rozvodná síť využívá frekvenci 60 Hz.
A.2 METODIKA MĚŘENÍ ELEKTRICKÉHO ODPORU
131
Obr. A.2 Agilent 4263B s přípravek s jehlovým polem.
1. SMD 0R0 1206 určený pro pájení [78]: 8,1 mΩ.
2. SMD 0R0 1206 určený pro lepení [78]: 14,8 mΩ.
V několika experimentech bylo ověřeno, že parametry těchto rezistorů jsou během namáhání
v porovnání s ECA a pájkami relativně stabilní [79]. Není tedy nutno provádět korekci o tuto
změnu.
Průměrné velikosti odporů jednotlivých vzorků před počátkem stárnutí jsou uvedeny v tabulce
A.1.
Z důvodu relativně velké tepelné závislosti odporu zejména lepených spojů, byla všechna měření
prováděna po temperaci měřených vzorků na teplotu (35,0 ± 0,1) ◦C (více viz [66]). K tomuto
účelu bylo použito zařízení od firmy Prazitherm.
Tab. A.1 Medián velikostí elektrických odporů vzorků před klimatickými zkouškami.
Druh lepidla
R̃ (mΩ)
AX 12LVT
102,0
AX 20
77,3
S62-325GM5
10,0
CuAg-XM3S
9,1
EM 907
8,8
132
A.3
Metodika mechanických zkoušek
Kromě elektrických parametrů jsou často sledovány i mechanické vlastnosti spojů. Dobré mechanické vlastnosti spojů jsou nutnou podmínkou pro zaručení dlouhodobě stabilních vlastností
spojů. Pro hodnocení mechanických vlastností spojů byla využita metoda odtrhu SMD součástky
ve smyku.
V tomto druhu testu je síla působící na součástku rovnoběžná se substrátem a je zjišťována maximální síla, které systém substrát-spoj-součástka-spoj-substrát odolá během lineárního nárůstu
působící síly6 . Pro návrh a vyhodnocení této zkoušky byla vytvořena metodika, která se opírá o
postupy v normě ČSN EN 1465 [81].
Tab. A.2 Velikostí průměrných sil odtrhu ve smyku vzorků před klimatickými zkouškami.
A.4
Druh lepidla
F̄ (N)
vx (−)
AX 12LVT
27,5
0,222
AX 20
68,6
0,244
S62-325GM5
64,9
0,179
CuAg-XM3S
57,4
0,120
EM 907
69,9
0,162
Metodika vyhodnocení výsledků
Naměřené hodnoty elektrického odporu byly nejdříve zhodnoceny z hlediska výskytu odlehlých
hodnot. K tomuto hodnocení byly využity jak grafické metody (např. krabicový graf, Q-Q graf,
atd.) tak i statistické testy (Grubsův test, Dixonův test). Grafické metody byly použity pro první
zhodnocení kvality dat, pro podrobnější zhodnocení byl využit Dixonův. Hlavní výhodou Dixonova testu je jeho aplikovatelnost na malé výběry analyzovaných dat (n ≤ 25), které pocházejí z
normálního rozdělení. Test existuje v následujících formách:
Testová statistika Dixonova testu je dána následující rovnicí:
|T N | ≥ T N crα
6
(A.1)
Za tímto účelem byl vytvořen na katedře elektrotechnologie přípravek, který vhodně doplňuje trhačku
o vhodný nástavec pro uchycení vzorků DPS [80].
133
A.4 METODIKA VYHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ
Tab. A.3 Tvary Dixonova testu nejčastěji používané v této práci.
Označení test
Typ odlehlé hodnoty
Testová statistika
N7
Horní hodnota
N9
Horní hodnota
N11
Horní pár hodnot
N12
Horní pár hodnot
x(n) −x(n−1)
x(n) −x(1)
x(n) −x(n−1)
T N 9 = x −x
(n)
(2)
x(n) −x(n−2)
T N 11 = x −x
(n)
(1)
x(n) −x(n−2)
T N 12 = x −x
(n)
(2)
TN7 =
kde T N crα je kritická hodnota Dixonova testu na hladině významnosti α. Pokud je nerovnice A.1
splněna, lze konstatovat, že testovaná hodnota je odlehlá. Více k problematice hodnocení odlehlých hodnot v příspěvku [82]. Přestože tedy vliv odlehlých hodnot byl minimalizován, vzhledem
k charakteru naměřených dat byly při vyhodnocování využity robustní charakteristiky (např.
kvantily).
Dlouhodobá stabilita parametrů vodivých spojů byla hodnocena na základě změn od počáteční
hodnoty. Problémem jsou rozdílné počáteční hodnoty odporu spojů – zatímco pájky se pohybují
v rozmezí 8 mΩ až 11 mΩ, ECA se pohybují nejčastěji v rozmezí 120 mΩ až 140 mΩ. Z důvodu
snadnějšího porovnání byla tedy data transformována na procentní změny vztažené k minimální
hodnotě. Minimální hodnota byla zvolena za referenční hodnotu zejména z důvodů rychlého
poklesu elektrického odporu u dvousložkových ECA během stárnutí v prostředí suchého tepla.
Při volbě minimální hodnoty za hodnotu referenční jsou všechny průběhy v jednom kvadrantu
grafu. V experimentech byl hodnocen komplex DPS-spoj-rezistor-spoj-DPS. Jednotlivé složky
není možné hodnotit zvlášť.
Po těchto úpravách byly z těchto dat určeny časy poruch. Okamžik poruchy je definována jako
okamžik, kdy hodnota procentní změny elektrického odporu je větší nebo rovna zvolené prahové
hodnotě. Tato prahová hodnota závisí na typu zařízení a na jeho obvodových parametrech. Během
vyhodnocení experimentů v této práci byly zvoleny dvě hodnoty – 5% a 10% hranice poruchy.
Z jednotlivých časů poruch byly nakonec odhadnuty parametry Weibullova rozdělení. Weibullovo
rozdělení bylo zvoleno z důvodů jeho široké aplikovatelnosti na všechny tři části vanové křivky.
Využito bylo dvouparametrické Weibullovo rozdělení a lineární kombinace dvou Weibullových
rozdělení.
Na vyhodnocení dat získaných z provedených zkoušek byla autorem vytvořena sada skriptů pro
softwarové prostředí Matlab, které usnadňují vyhodnocení dat.
134
A.5
Skript pro vyhodnocení dat
Zkoušky spolehlivosti vyžadují větší množství vzorků a dostatečný počet měření. Je tedy nutné
analyzovat velké soubory dat. Pro poloautomatizované vyhodnocení naměřených dat byl autorem
naprogramován skript pro software Matlab – m-file. Skript obsahuje algoritmy s následujícími
volitelnými funkcemi:
• zobrazení krabicových grafu naměřených dat a dat transformovaných na procentní změny
od minimální hodnoty,
• výpočet okamžiků poruch – poruch definovaná jako n-procentní změna vůči minimální
hodnotě,
• odhad parametrů Weibullova modelu,
• vykreslení Weibullových grafů s odhadnutými parametry Weibullova modelu za účelem
zhodnocení kvality odhadnutých parametrů,
• výpočet a vykreslení průběhů základních ukazatelů spolehlivosti – zejména průběhy intenzity poruch.
Tyto funkce je také schopen provést s bimodální podobou Weibullova modelu.
A.6
Zkušební zařízení
Pro provedení klimatických testů byly využity tyto klimatické komory:
• Horkovzdušná sušárna FED 720 od firmy WTC Binder,
• Klimatická komora Weiss 203392/80001,
• Klimatická komora Liebish 33649,
• Nízkoteplotní zařízení NC 280/75.
135
B Výsledky realizovaných zkoušek spolehlivosti ECA
Zkouška suchým teplem při 75 ◦C
B.1
B.1.1
Parametry zkoušky
• Zkouška dle normy: ČSN EN 60068-2-2:2008 [47], zkouška Bb;
• délka zkoušky: 2689 h;
• teplota: 75 ◦C;
• druhy vzorků:
– dvousložkové lepidlo AX 12LVT – 42 vzorků;
– jednosložkové lepidlo AX 20 – 21 vzorků.
B.1.2
Výsledky zkoušky
Tab. B.1 Odhadnuté parametry Weibullova modelu (suché teplo 75 ◦C)
5% hladina poruchy
Druh lepidla
η (h)
β (−)
η (h)
β (−)
Nelze určit
AX 12LVT
AX 20
10% hladina poruchy
4248
Nelze určit
1,350
Tab. B.2 Test pevnosti ve smyku (suché teplo 75 ◦C)
Druh lepidla
x (N)
vx (−)
AX 12LVT
62,6
0,377
AX 20
89,3
0,133
136
B VÝSLEDKY REALIZOVANÝCH ZKOUŠEK SPOLEHLIVOSTI ECA
Obr. B.1 Závislost procentní změny mediánu odporu obou lepidel (suché teplo 75 ◦C).
Obr. B.2 Závislost relativní změny odporu lepidla AX 12LVT (suché teplo 75 ◦C).
Obr. B.3 Závislost relativní změny odporu lepidla AX 20 (suché teplo 75 ◦C).
B.1 ZKOUŠKA SUCHÝM TEPLEM PŘI 75 ◦C
Obr. B.4 Weibullův pravděpodobnostní graf poruch lepidla AX 20 (5% hladina poruchy).
Obr. B.5 Odhad distribuční funkce a hustota pravděpodobnosti poruch lepidla AX 20.
Obr. B.6 Odhad průběhu intenzity poruch λ lepidla AX 20 (5% hladina poruchy).
137
138
B.2
B.2.1
Zkouška suchým teplem při 125 ◦C
Parametry zkoušky
• délka zkoušky: 2363 hodin;
• druhy vzorků:
B.2.2
Výsledky zkoušky
Tab. B.3 Odhadnuté parametry Weibullova modelu (suché teplo 125 ◦C)
5% hladina poruchy
Druh lepidla
η (h)
AX 12LVT
793,9; 2177
AX 20
995.5; 2085
10% hladina poruchy
β (−)
1,139; 13,83
(p1 = 0, 2116)
3.117; 9.522
(p1 = 0, 4625)
η (h)
β (−)
6184
1.355
4680
1,383
Tab. B.4 Test pevnosti ve smyku (suché teplo 125 ◦C)
Druh lepidla
x (N)
vx (−)
AX 12LVT
71,8
0,242
AX 20
69,3
0,173
S62-325GM5
42,5
0,080
CuAg-XM3S
38,5
0,163
EM 907
49,4
0,162
Obr. B.7 Závislost procentní změny mediánu odporu obou lepidel (suché teplo 125 ◦C).
Obr. B.8 Závislost relativní změny odporu lepidla AX 12LVT (suché teplo 125 ◦C).
Obr. B.9 Závislost relativní změny odporu lepidla AX 20 (suché teplo 125 ◦C).
139
140
Obr. B.10 Weibullův pravděpodobnostní graf poruch obou lepidel (5% hladina poruchy).
Obr. B.11 Odhad distribuční funkce a hustota pravděpodobnosti poruch lepidla AX 12LVT.
Obr. B.13 Odhad průběhu intenzity poruch λ obou lepidel (5% hladina poruchy).
141
142
B.3 ZKOUŠKA SUCHÝM TEPLEM S RŮZNÝMI PROFILY VYTVRZENÍ A RŮZNÝMI
TEPLOTAMI STÁRNUTÍ
143
B.3
Zkouška suchým teplem s různými profily vytvrzení a různými teplotami stárnutí
B.3.1
Parametry zkoušky
• druh ECA: dvousložkové lepidlo AX 12LVT (expirovaný a neexpirovaný vzorek ECA) –
celkem 336 vzorků;
• druhy SMD součástek: rezistory určené pro pájení, rezistory určené pro ECA;
• teploty stárnutí: 85 ◦C, 100 ◦C, 125 ◦C;
• profily vytvrzení: (80 ◦C/20 min.), (100 ◦C/15 min.), (125 ◦C/10 min.);
B.3.2
Výsledky zkoušky
Tab. B.5 Test pevnosti ve smyku ECA AX 12LVT s rezistory určenými pro ECA – vypočtená průměrná
síla F (N).
Teplota vytvrzení
80 ◦C
100 ◦C
120 ◦C
IR vytvrzení 150 ◦C
Druh lepidla
Teplota stárnutí
85 ◦C
100 ◦C
125 ◦C
neexpirované
29
43,4
21,7
expirované
69,4
87,8
81,9
neexpirované
53,5
32,5
30,9
expirované
88,5
83,3
82,0
neexpirované
43,5
38,8
28,5
expirované
71,6
82,1
66,2
neexpirované
20,8
42,8
14,7
expirované
69,2
64,0
83,5
144
Obr. B.18 Průběh procentní změny elektrického odporu ECA AX 12LVT během tepelného stárnutí –
profil vytvrzení 80 ◦C, 20 min.
B.3 ZKOUŠKA SUCHÝM TEPLEM S RŮZNÝMI PROFILY VYTVRZENÍ A RŮZNÝMI
TEPLOTAMI STÁRNUTÍ
145
Obr. B.21 Změna procentní změny elektrického odporu ECA AX 12LVT během tepelného stárnutí – IR
profil vytvrzení 5 min. s maximem 150 ◦C.
Tab. B.6 Test pevnosti ve smyku ECA AX 12LVT s rezistory určenými pro pájení – vypočtená průměrná
síla F (N).
Teplota vytvrzení
80 ◦C
100 ◦C
120 ◦C
Druh lepidla
Teplota stárnutí
85 ◦C
100 ◦C
125 ◦C
neexpirované
48,5
29,0
25
expirované
79,8
84,3
53,5
neexpirované
55,8
41,3
23
expirované
87,8
60,0
48,5
neexpirované
40,5
26,3
19,8
expirované
74,5
77,3
60,5
146
Zkouška vlhkým teplem 50 ◦C, 98 % r. v.
B.4
B.4.1
Parametry zkoušky
• Zkouška dle normy: ČSN EN 60068-2-78:2002 [83];
• relativní vlhkost: 98 % r. v.;
• druhy vzorků:
B.4.2
Výsledky zkoušky
Tab. B.7 Odhadnuté parametry Weibullova modelu (vlhké teplo)
5% hladina poruchy
Druh lepidla
10% hladina poruchy
η (h)
β (−)
η (h)
β (−)
AX 12LVT
32,51
2,745
65,01
2,745
AX 20
81,55
3,959
157,9
4,789
Tab. B.8 Test pevnosti ve smyku (vlhké teplo)
Druh lepidla
x (N)
vx (−)
AX 12LVT
82,1
0,199
AX 20
39,4
0,128
S62-325GM5
43,8
0,101
CuAg-XM3S
37,9
0,124
EM 907
41,3
0,113
B.4 ZKOUŠKA VLHKÝM TEPLEM 50 ◦C, 98 % R. V.
Obr. B.22 Závislost procentní změny mediánu odporu obou lepidel (vlhké teplo).
Obr. B.23 Závislost relativní změny odporu lepidla AX 12LVT (vlhké teplo).
Obr. B.24 Závislost relativní změny odporu lepidla AX 20 (vlhké teplo).
147
148
B.4 ZKOUŠKA VLHKÝM TEPLEM 50 ◦C, 98 % R. V.
149
150
151
B.5 ZKOUŠKA KOMBINOVANÝM NAMÁHÁNÍM
B.5
Zkouška kombinovaným namáháním
B.5.1
Parametry zkoušky
• Zkouška suchým teplem dle normy: ČSN EN 60068-2-2:2008 [47], zkouška Bb;
• zkouška teplotními cykly dle normy: JEDEC JESD 22-A104-B (přísnost TC2) [50];
• délka zkoušky: 1000 hodin na každé teplotní hladině;
• teplotní hladiny: 75 ◦C, 85 ◦C, 125 ◦C;
• po každých 165 hodinách zkoušky bylo provedeno šest teplotních šoku s parametry:
– 75 ◦C / −15 ◦C;
– 85 ◦C / −25 ◦C;
– 125 ◦C / −45 ◦C;
• druhy vzorků:
B.5.2
Výsledky zkoušky
Tab. B.9 Odhadnuté parametry Weibullova modelu (zkouška kombinovaným namáháním)
Teplotní
5% hladina poruchy
Druh lepidla
hladina
75 ◦C
85 ◦C
125 ◦C
η (h)
β (−)
1049
AX 12LVT
AX 20
β (−)
Nelze určit
4.155
Nelze určit
AX 12LVT
AX 20
η (h)
Nelze určit
AX 12LVT
AX 20
10% hladina poruchy
564.8
5.183
996.8
8.251
263,5
5,093; 11,55
462,1
4,049; 22,29
666,8
(p1 = 0, 8570)
999,1
(p1 = 0, 7830)
328,8
4,987; 8,851
313,7
7,508; 4,839
175,0
(p1 = 0, 2874)
573,4
(p1 = 0, 4179)
152
Tab. B.10 Test pevnosti ve smyku (zkouška kombinovaným namáháním).
hladina
75 ◦C
85 ◦C
125 ◦C
Druh lepidla
x (N)
vx (−)
AX 12LVT
70,7
0,202
AX 20
84,8
0,152
AX 12LVT
76,4
0,206
AX 20
85,6
0,163
AX 12LVT
71,4
0,222
AX 20
82,2
0,170
Obr. B.33 Závislost procentní změny mediánu odporu lepidla AX 12LVT.
Obr. B.34 Závislost procentní změny mediánu odporu lepidla AX 20.
Obr. B.35 Závislost relativní změny odporu lepidla AX 12LVT (T = 75 ◦C).
153
154
Obr. B.38 Závislost relativní změny odporu lepidla AX 20 (T = 75 ◦C).
155
Obr. B.41 Weibullův pravděpodobnostní graf poruch lepidla AX 12LVT na úrovni 125 ◦C (5% hladina
poruchy).
Obr. B.42 Odhad distribuční funkce a hustota pravděpodobnosti poruch lepidla AX 12LVT na úrovni
125 ◦C (5% hladina poruchy).
Obr. B.43 Odhad průběhu intenzity poruch λ lepidla AX 12LVT na úrovni 125 ◦C (5% hladina poruchy).
156
Obr. B.44 Weibullův pravděpodobnostní graf poruch lepidla AX 20 (5% hladina poruchy).
Obr. B.45 Odhad distribuční funkce a hustota pravděpodobnosti poruch lepidla AX 20 na úrovni 75 ◦C
(5% hladina poruchy).
Obr. B.46 Distribuční funkce a hustota pravděpodobnosti lepidla AX 20 na úrovni 85 ◦C (5% hladina
poruchy).
157
Obr. B.47 Distribuční funkce a hustota pravděpodobnosti lepidla AX 20 na úrovni 125 ◦C (5% hladina
poruchy).
Obr. B.49 Weibullův pravděpodobnostní graf poruch lepidla AX 12LVT na úrovni 125 ◦C (10% hladina
poruchy).
158
Obr. B.50 Odhad distribuční funkce a hustota pravděpodobnosti poruch lepidla 12 LVT na úrovni 125 ◦C
Obr. B.51 Odhad průběhu intenzity poruch λ lepidla AX 12LVT na úrovni 125 ◦C (10% hladina poruchy).
Obr. B.52 Weibullův pravděpodobnostní graf poruch lepidla AX 20 LVT (10% hladina poruchy).
159
160
B.6
B.6.1
Zkouška šokovým namáháním
Parametry zkoušky
• Teplotní šoky
– horní extrémní teplota: 125 ◦C;
– doba expozice: 15 min na obou teplotních hladinách;
– zkouška dle normy: JEDEC JESD 22-A104-B (přísnost TC2) [50];
– druhy vzorků:
∗ Dvousložkové lepidlo AX 12LVT – 21 vzorků;
∗ Jednosložkové lepidlo AX 20 – 21 vzorků.
• Šoky vlhké teplo – nízká teplota
– vlhké teplo: 50 ◦C, 98 % r.v.;
– doba expozice: 4 hodiny (vlhké teplo) / 1 hodina (nízká teplota);
– druhy vzorků:
• Šoky vlhké teplo – suché teplo
– vlhké teplo: 50 ◦C, 98 % r.v.;
– suché teplo: 125 ◦C;
– doba expozice: 4 hodiny (vlhké teplo) / 2 hodiny (suché teplo);
– druhy vzorků:
161
B.6 ZKOUŠKA ŠOKOVÝM NAMÁHÁNÍM
B.6.2
Výsledky zkoušky
Obr. B.56 Teplotní profil teplotního šoku.
Tab. B.11 Odhadnuté parametry Weibullova modelu (zkouška šokovým namáháním).
5% hladina poruchy
Druh šoků
Druh lepidla
η (šoků)
β (−)
35,12
1,383; 11,787
169,2
(p1 = 0, 2874)
AX 20
172,7
suché teplo –
AX 12LVT
16,37
vlhké teplo
AX 20
vlhké teplo –
AX 12LVT
6,656
2,838
nízká teplota
AX 20
0,4187
2,8897
AX 12LVT
teplotní šoky
10% hladina poruchy
η (šoků)
β (−)
227,5
1,264
2,778
268,38
3,960
1,353
42.63
1,314
Nelze určit
13,95
5,423; 13,16
10,67
(p1 = 0, 4560)
1,030
1,417
162
Tab. B.12 Test pevnosti ve smyku (zkouška šokovým namáháním).
Druh šoků
Druh lepidla
x (N)
vx (−)
AX 12LVT
53,8
0,173
AX 20
78,1
0,192
AX 12LVT
54,2
0,267
AX 20
55,8
0,272
AX 12LVT
36,0
0,155
AX 20
26,3
0,264
teplotní šoky
suché teplo – vlhké teplo
vlhké teplo – nízká teplota
Obr. B.57 Závislost procentní změny mediánu odporu obou lepidel (teplotní šoky).
Obr. B.58 Závislost relativní změny odporu lepidla AX 12LVT (teplotní šoky).
163
Obr. B.59 Závislost relativní změny odporu lepidla AX 20 (teplotní šoky).
Obr. B.61 Odhad distribuční funkce a hustota pravděpodobnosti poruch lepidla AX 12LVT (teplotní
šoky).
164
Obr. B.62 Odhad distribuční funkce a hustota pravděpodobnosti poruch lepidla AX 20 (teplotní šoky).
Obr. B.64 Srovnání mediánu procentní změny obou lepidel (šoky vlhké teplo–suché teplo).
Obr. B.65 Závislost relativní změny odporu lepidla AX 12LVT (šoky vlhké teplo–suché teplo).
Obr. B.66 Závislost relativní změny odporu lepidla AX 20 (šoky vlhké teplo–suché teplo).
Obr. B.67 Weibullův pravděpodobnostní graf poruch lepidla AX 12LVT (5% hladina poruchy).
165
166
Obr. B.68 Odhad distribuční funkce a hustota pravděpodobnosti poruch lepidla AX 12LVT (šoky vlhké
teplo–suché teplo).
Obr. B.69 Odhad průběhu intenzity poruch λ lepidla AX 12LVT (5% hladina poruchy).
Obr. B.70 Závislost procentní změny mediánu odporu obou lepidel (šoky vlhké teplo–nízká teplota).
Obr. B.71 Závislost relativní změny odporu lepidla AX 12LVT (šoky vlhké teplo–nízká teplota).
Obr. B.72 Závislost relativní změny odporu lepidla AX 20 (šoky vlhké teplo–nízká teplota).
167
168
teplo–nízká teplota).
Obr. B.75 Odhad distribuční funkce a hustota pravděpodobnosti poruch lepidla AX 20 (šoky vlhké teplo–
nízká teplota).
169
Obr. B.78 Odhad distribuční funkce a hustota pravděpodobnosti poruch lepidla AX 12LVT (teplotní
šoky).
Obr. B.79 Odhad distribuční funkce a hustota pravděpodobnosti poruch lepidla AX 20 (teplotní šoky).
170
Obr. B.81 Weibullův pravděpodobnostní graf poruch lepidla AX 12LVT (10% hladina poruchy).
teplo–suché teplo).
171
teplo–nízká teplota).
172
Obr. B.86 Odhad distribuční funkce a hustota pravděpodobnosti poruch lepidla AX 20 (šoky vlhké teplo–
nízká teplota).
173
B.7 NEZRYCHLENÉ ZKOUŠKY SPOLEHLIVOSTI
B.7
B.7.1
Nezrychlené zkoušky spolehlivosti
Parametry zkoušky
Simulace provozu spojů v různých prostředích:
• simulace stárnutí elektroniky během provozu v automobilu – zkouška 1;
– délka zkoušky 3168 h;
• simulace stárnutí elektroniky během provozu v automobilu – zkouška 2;
– délka zkoušky 17 375 h;
– zkouška stále probíhá;
• simulace stárnutí elektroniky během provozu mobilního telefonu;
– délka zkoušky 17 375 h;
• simulace stárnutí elektroniky během provozu v prostředí automobilového tunelu Mrázovka;
– délka zkoušky 2232 h;
• druhy vzorků:
– Dvousložkové lepidlo AX 12LVT – 196 vzorků
– Jednosložkové lepidlo AX 20 – 203 vzorků.
B.7.2
Výsledky zkoušky
Tab. B.13 Test pevnosti ve smyku (dlouhodobé zkoušky).
Po 8 903 h
Druh namáhání
Druh lepidla
Po 17 375 h
x (N)
vx (−)
x (N)
vx (−)
AX 12LVT
76,9
0,245
77,5
0,363
AX 20
49,6
0,394
43,8
0,259
AX 12LVT
81,1
0,182
75,8
0,288
AX 20
77,5
0,278
54,6
0,131
Automobil zkouška 2
Mobilní telefon
174
Tab. B.14 Test pevnosti ve smyku (dlouhodobé zkoušky – automobil zkouška 1).
Druh namáhání
Druh lepidla
x (N)
vx (−)
Automobil zkouška 1
AX 12LVT
26,7
0,117
Tab. B.15 Odhadnuté parametry Weibullova modelu (dlouhodobé zkoušky)
Druh
5% hladina poruchy
Druh lepidla
namáhání
Automobil
zkouška 1
Automobil
AX 20
AX 12LVT
AX 20
AX 12LVT
telefon
AX 20
β (−)
η (h)
β (−)
Nelze určit
AX 12LVT
zkouška 2
Mobilní
η (h)
10% hladina poruchy
526,4
4,211; 1,741
134,68
(p1 = 0, 3067)
11869
1,595
4542,4
13,42; 1,247
1598,5
(p1 = 0, 5478)
14542
1,636
15002
2,389; 7,979
1593,0
(p1 = 0, 8621)
412,9
1,341
Nelze určit
11120
1.192
Nelze určit
Nelze určit
Obr. B.88 Závislost procentní změny mediánu odporu obou lepidel (automobil – zkouška 1).
Obr. B.89 Závislost relativní změny odporu lepidla AX 12LVT (automobil – zkouška 1).
Obr. B.90 Závislost relativní změny odporu lepidla AX 20 (automobil – zkouška 1).
175
176
Obr. B.92 Odhad distribuční funkce a hustota pravděpodobnosti poruch lepidla AX 12LVT (automobil
– zkouška 1).
177
– zkouška 1).
Obr. B.97 Závislost procentní změny mediánu odporu obou lepidel (automobil – zkouška 2).
178
Obr. B.98 Závislost relativní změny odporu lepidla AX 12LVT (automobil – zkouška 2).
Obr. B.99 Závislost relativní změny odporu lepidla AX 20 (automobil – zkouška 2).
179
– zkouška 2).
Obr. B.102 Odhad distribuční funkce a hustota pravděpodobnosti poruch lepidla AX 20 (automobil –
zkouška 2).
180
Obr. B.105 Odhad distribuční funkce a hustota pravděpodobnosti poruch lepidla AX 20 (automobil –
zkouška 2).
Obr. B.107 Závislost procentní změny mediánu odporu obou lepidel (Mobilní telefon).
Obr. B.108 Závislost relativní změny odporu lepidla AX 12LVT (Mobilní telefon).
Obr. B.109 Závislost relativní změny odporu lepidla AX 20 (Mobilní telefon).
181
182
Obr. B.111 Odhad distribuční funkce a hustota pravděpodobnosti poruch lepidla AX 12LVT (Mobilní
telefon).
Obr. B.112 Odhad distribuční funkce a hustota pravděpodobnosti poruch lepidla AX 20 (Mobilní telefon).
Obr. B.113 Odhad průběhu intenzity poruch λ obou lepidel (5% práh poruchy).
183
184
B.7.3
Klimatický profil prostředí automobilového tunelu Mrázovka
Obr. B.114 Průběh teploty a relativní vlhkosti vzduchu v tunelu Mrázovka – 01/2012.
185
186
C SEZNAM VYBRANÝCH PORUCH ZPŮSOBENÝCH WHISKERY
C Seznam vybraných poruch způsobených whiskery
V následující tabulce jsou shrnuty vybrané dokumentované poruchy způsobené whiskery. Při kompilaci této tabulky autor vycházel z těchto zdrojů: [22] a [84]. Výčet není kompletní, v dnešní
době se odhaduje, že přibližně pouhých 20 % poruch způsobených whiskery je správně analyzováno. To je způsobené jednak nedostatečnou informovaností obsluhujícího personálu a také
komplikovaností poruchových analýz – u některých aplikací je z podstaty jejich umístění téměř
nemožné provést dostatečnou poruchovou analýza (např. satelity) a stejně tak je komplikované
analýza poruch, při kterých byl whisker vlivem vysokých proudových hustot odpařen.
Dalším problémem je neochota výrobců a provozovatelů zařízení přiznat vady způsobené whiskery.
Rok
Druh zařízení
Příčina poruch
Medicínské aplikace
1994
Monitor pro kontrolu
dechu
Zinkový whisker způsobil zkrat přepínače.
Zkrat způsobený cínovým whiskerem, který vyrostl z
1986
Kardiostimulátor
pocínovaného pouzdra křemenného krystalu. Zkrat
způsobil úplnou ztrátu funkčnosti.
Jaderné elektrárny
2005
Dominion Millstone
Odstavení reaktoru – cínové whiskery na vývodu diody
1999
JE Jižní Texas
Odstavení reaktoru.
1997
JE Dresden
opětovný nález whiskerů.
1995
JE Duane Arnold
Opětovný nález whiskerů.
1990
JE Duane Arnold
Odstavení reaktoru.
1987
JE Dresden
Whiskery na kontaktech relé.
Aplikace pro vesmírný program
2006,
2000,
1998,
2000
Satelity Galaxy IIIR,
Solidaridad I, Galaxy
IV a Galaxy VII
Kompletní ztráta funkce, po poruše i záložního
procesoru.
187
2002,
1998,
1998,
2005
Satelity DirecTV 3,
PAS-4, DBS-1 a
Ztráta funkce primárního procesoru.
OPTUS B1
Vojenské aplikace
2002
US vojenské letadlo
Whiskery na kontaktech relé.
2000
Raketa patriot
Ztráta funkčnosti.
Raketa vzduch-vzduch
Zkrat způsobený cínovým whiskerem uvnitř pouzdra
Phoenix
hybridního obvodu.
1989
Zkrat způsobený cínovým whiskerem, který vyrostl mezi
1992,
1988
US raketový program
kolektorem a krytem u transistoru v pouzdře TO-3.
Zkrat chybně zapínal jednotku. V druhém případě
whisker, který vyrostl na vrstvě cínu na součástech relé.
1986
Radar bojového letadla
Zkrat způsobený cínovým whiskerem uvnitř pouzdra
F-15
hybridního obvodu.
188
D KATALOGOVÝ LIST – AX 12LVT
D Katalogový list – AX 12LVT
ELPOX AX 12LVT
ELECTRICALLY CONDUCTIVE, SILVER EPOXY
* TWO COMPONENTS EPOXY ADHESIVE
* FOR PROFESSIONAL – ELECTRONIC APPLICATIONS
* LOWER TEMPERATURE CURING VERSION
* LOWER VISCOSITY VERSION
_____________________________________________________________________
GENERAL DESCRIPTIONS:
ELPOX AX 12LVT is a two components, 100% solid (thinners free) epoxy base adhesive
containing the purest silver flakes, especially for surface mounting applications and popular
uses in electronics production process. This is generally modification of ELPOX AX 12LT
type with much floable (lower viscosity) properties of this formulation.
ELPOX AX 12LVT has soft paste consistency and it has very good adhesion to many
different types of materials - especially glass, quartz, semiconductor chips and oxide covered
metals. This formulation is very easy to use and has very convenient pot life time and curing
conditions.
SPECIFICATIONS:
Number of components
Mixing ratio A : B (by weight)
Consistency after mixing A+B
Color
Percentage of silver
Viscosity (A+B)
Thixotrophy index Ti = (10/100)
Recommended curing schedule
Recommended curing with IR heating tunnel
Pot life
Storage
(*) BROOKFIELD DVII; SSA#14;1 rpm;25C
Two.
1:1
Soft paste, 100% solids.
Silver.
55 ± 1%
250 000 – 290 000 cps (*)
5.4 - 6.0
80° C - 25 min.
100° C - 15 min.
120° C - 10 min.
150° C (peak) – 5 min (total time)
5 hours @ 25° C.
6 months with closed container @ 25° C.
189
PHYSICAL PROPERTIES (*):
Specific gravity
Thermal conductivity
Glass transition temp. ( Tg )
Resistivity after curing
2.35 – 2.65 g/ccm
3.0 - 3.5 W/mK
Ab. 95° C (TMS method).
0.00015 – 0.00025 Ωcm
(*) – Typical value for number of tests.
ATTENTION:
ELPOX AX 12LVT is supplied as a two component material and is available in a variety of
screw-top jar sizes. Minimum order quantity is 100 grams.
1. Mix ELPOX AX 12LVT – Part “A” and “B” inside containers separately first very
thoroughly before use. After adding hardener – Part “B”, mix mixture “A+B” very
thoroughly before use, with wood or plastic spatula. Mix smoothly from the bottom of the
container. Mix carefully - not to whip air into the product. INSURE ELPOX AX 12LVT IS
AT ROOM TEMPERATURE WHEN YOU WILL START WORKING WITH.
2. Prepare consistency before use according your SPECIFICATION.
3. If you need, use AXMC TH # 12 thinner. Thinner will change paste resistivity. Pls, do not
exceed 1% of weight. After first tests pls let us know about your viscosity requirements
– we will be able to change it for you.
4. Low conductivity and/or poor adhesion performance are symptomatic that ELPOX AX
12LVT is under curing conditions.
5. Refrigeration during shelf time is useful. Keep containers with both parts of adhesive in
temp. no less 10° C. Before use, increase temperature very slowly.
6. Use silver epoxy with adequate ventilation.
7. Avoid skin and eye contact. If ingested, consult a physician immediately.
8. Clean by MEK, alcohol or other suitable solvents.
WARNING:
Be careful on the case contacts with skin. When it occurs, wash immediately with soap and
water.
This information is based on data and tests believed to be accurate. AMEPOX MC makes no warranties
(expressed or implied) as to it`s accuracy and assumes no liability in connection with the use or inability to
use this product.
190
E KATALOGOVÝ LIST – AX 20
E Katalogový list – AX 20
ECO SOLDER AX 20
POLYMER BASE, SOLDER REPLACEMENT PASTE
* ELECTRICALLY CONDUCTIVE
* EPOXY-PHENOLIC HYBRIDE TYPE BINDER
* HARMLESS & SAFE TO USE (NO LEAD; NO CFC; NO VOC)
* USES REGULAR ON LINE EQUIPMENT
* STABLE TECHNOLOGICAL PROPERTIES.
______________________________________________________________________
GENERAL DESCRIPTIONS:
AMEPOX MC product, trade name ECO-SOLDER™ represents new generation of single component,
electrically conductive formulation designed for replacement of traditionally tin-lead solder pastes. Technology
with our new ECO-SOLDER™ materials eliminates all type of solvents used for pre- or post-cleaning, like it is
in conventional tin-lead solder technology.
One of the biggest advantages of ECO-SOLDER™ is, that it contains no lead or any other dangerous
ingredients. It may be used with standard dispensing, SMD stenciling (10/20 mil pitches with excellent
resolution) or screen printing application. ECO-SOLDER™ doesn’t dry out on open screens or stencils for up
to 2 weeks and refrigeration during storage of this material is not necessary.
ECO-SOLDER™ has extremely short curing time (especially with IR heating tunnel) and quite pleasant odor.
This is 100% solids formulation without any volatile thinners so, is no fear about safety conditions for work.
CFC solvent’s attack ozone layer in the stratosphere is widely known. Aqueous cleaning solvents usually
contain alcohol such a methanol, ethanol or isopropyl which are VOC (volatile organic compounds).
VOC’s are photochemically active and cause smog and ozone in the lower atmosphere. The use of ECOSOLDER™ requires no fluxes and therefore no solvent cleaning of the PCB is needed.
E-S AX 20 has high and stable electrical conductivity. This type is mostly for high-speed technological
process. It doesn’t change viscosity even on open area with thin layer.
SPECIFICATIONS:
Number of components
Consistency
Color
Percentage of silver (inside ready paste)
Specific gravity
Viscosity
Drying time before curing process
Recommended curing schedule with air-circulated
oven (time when adhesive will reach showing temperature)
Recommended curing schedule with heating tunnel
Shelf life
(*) - Brookfield DVII; SSA#14; 1 rpm; 25°C.
One
Medium visc.
Bright silver
75 ± 1%
3.5 – 3.7 g/cm³
650 000 – 750 000 cps (*)
Not necessary
150°C – (5 - 10) min.
180°C – (3 - 8) min.
200°C in peak – 6 min. curing total time inside tunnel
6 months (when storage at 10°C – unopened)
191
TECHNICAL PROPERTIES (*):
Electrical resistivity
Pencil hardness
Range of service for continuos temperature
Max. operating temperature
(*)
(3.0 – 3.5) x 10-6 Ωm
9H pencil hardness (one day after curing)
(-55)°C - (+180)°C
200°C for ab 1.5 h.
- Typical value for number of tests.
200°C
-
100°C -
0
6min.
Fig.1. Example of heating tunnel profile for curing E-S
AX 20
ATTENTION:
Product is ready for use, but should be mixed very thoroughly before use using wood or plastic
spatula. Mix smoothly from the bottom of the container. Mix carefully - not to whip air into the product.
INSURE E-S AX 20 IS AT ROOM TEMPERATURE WHEN YOU WILL START WORKING WITH.
Refrigeration during shelf time is not necessary.
2. Prepare consistency before use according your SPECIFICATION.
3. If you need, use AXMC 20 thinner. Thinner will change paste resistivity. Pls, do not exceed
1% of weight. After first tests pls let us know about your viscosity requirements – we will be able to
change it for you.
4. Low conductivity and poor adhesion performance are symptomatic that paste is under curing
conditions.
5. Refrigeration during shelf time not necessary, but useful. Keep container with lacquer in temp. no less
10 C. Before use, increase paste temperature very slowly.
6. Use paste with adequate ventilation.
7. Avoid skin and eye contact. If ingested, consult a physician immediately.
8. Clean by MEK or other suitable solvents. Allow screen to completely dry before using again.
9. Temperature during printing process must be kept between 20°C and 25°C, with relative humidity
(RH) between 40% and 65%. This condition reduces static charges on the substrate.
10. When stored – keep container closed.
1.
This information is based on data and tests believed to be accurate. AMEPOX MC makes no warranties ( expressed or implied ) as
to its accuracy and assumes no liability in connection with the use or inability to use this product. ( es-ax20 )
192
F KATALOGOVÝ LIST – S62-325GM5
F Katalogový list – S62-325GM5
Cobar Europe BV
Tel +31 (0) 76 544 55 66
PO Box 3251
Fax +31 (0) 76 544 55 77
4800 DG Breda
Internet http://www.cobar.com
Product Data Sheet
Product
S62-325GM5
Productgroup
Solder Paste Dispense
Date
06-12-2006
Release
06.1
55
Especially made for this purpose
44
33
Generally qualified for this purpose
22
11
Generally not usable for this purpose
Generally usable, but not the best choice
Wrong choice
ISO 9454-1
1.2.2.C
Flux code
325.GM5
JIS Z3284
1.2.3.N.I
Particle size code
H
IPC-ANSI-J-STD-004
REL1
Alloy code
Sn62
IPC-ANSI-J-STD-005 (Powder)
4.
Alloy type
Sn62/Pb36/Ag2
55
33
Liquidus [°C]
179.
Solidus [°C]
179.
11
11
Recommended peak temp. [°C]
205-225
Particle size [m]
25-38
11
33
Oxide content powder [ppm]
100.
Acid number [mgKOH] (+/-2.5%)
49.30
44
44
Halides [Silver-Chromate Test]
Pass
Halides [Potentiometric]
Detected
55
55
Flux [% w/w]
13.50
Metal [% w/w]
86.50
55
44
Filmformer(s)
Resin
Color of the residue
Colorless
44
44
Viscosity @25 °C [Pa's] Plate/Plate (+/-18%)
74.
Viscosity @ 25°C [Pa's] Malcom PCU205 (+/-18%)
64.
55
33
Min. Needle Diameter [swg]
26.
55
55
Size [mm]
< 65
Dwell [m/sec]
50.
44
44
Maximum Dot
Tackiness time 20°C/ 70%RH [H]
12.
44
55
Tackiness force Malcom TK1 [gr]
75.
Telcordia/Bellcore TR-NWT-000078/3
Compliant
55
44
IPC/ANSI-J-STD-004
Compliant
Test report(s)
-
ISO-TS-16949 (IATF nummer)
43973
ICCT compatible
44
44
Certificate of Compliance
Website
Conformal coating
55
SPC-data*
Auditable
Environmental Load Unit**
4.32
RoHS-Compliance Certificate
Not available
User's Guidelines
English
No-Clean process
Post-solder cleaning
Pb-Free process - Air, Standard
Pb-Free process - Air, Extended
Pb-Free process - N2
Vapor Phase
Consumer electronics
Mid-Rel electronics
Hi-Rel electronics
OSP compatible
Ni/Au compatibel
Ni/Pd compatible
Ag compatible
Sn compatible
Automatic Hi-Speed Dispensing
Manual Dispensing
Fine-pitch (=< 0.625 mm)
Reduces solder balling
Reduces solder beading
Reduces bridging
Reduces tombstoning
Reduces de-wetting
Brilliant joint appearance
Cosmetic cleanliness
Reduces flux build-up in reflow oven
Minimum Dot
Packaging
Jar (PP) [gram]
500
Small cartridge (HDPE) [gram]
500, 650
Large cartridge (HDPE) [gram]
1000, 1300, 1500
Syringe (HDPE) [gram]
25, 75
Recommended shelf-life (Weeks)
Storage 4-10 [°C]
20.
Storage 20 [°C]
13.
193
G Katalogový list – CuAg-XM3S
Cobar Europe BV
Tel +31 (0) 76 544 55 66
PO Box 3251
Fax +31 (0) 76 544 55 77
4800 DG Breda
Internet http://www.cobar.com
Product Data Sheet
Product
CuAg-XM3S
Productgroup
Solder Paste Printing
Date
13-02-2009
Release
06.3
55
Especially made for this purpose
44
33
Generally qualified for this purpose
22
11
Generally not usable for this purpose
Generally usable, but not the best choice
Wrong choice
ISO 9454-1
1.2.2.C
Flux code
M3S
JIS Z3284
1.2.3.N.II
Particle size code
X
IPC-ANSI-J-STD-004 (flux)
REL1
Alloy code
CuAg
IPC-ANSI-J-STD-005 (Powder)
3.
Alloy type
Sn95.5Ag4/Cu0.5
55
22
Liquidus [°C]
217.
Solidus [°C]
217.
44
22
Recommended peak temp. [°C]
232-250
Particle size [m]
25-45
55
33
Oxide content powder [ppm]
100.
Acid number [mgKOH] (+/-2.5%)
60.20
44
44
Halides [Potentiometric]
Pass
Halides [Silver-Chromate Test]
Detected
55
--
Flux [% w/w]
10.88
Metal [% w/w]
89.12
---
Filmformer(s)
Resin
Color of the residue
Colorless
44
55
Viscosity @25 °C [Pa's] Plate/Plate (+/-18%)
189.
Viscosity @ 25°C [Pa's] Malcom PCU205 (+/-18%)
179.
33
33
Max. print speed [mm/sec]#
100.
Rec.separation speed [mm/sec]
10.
44
55
Tackiness time 20°C/ 70%RH [H]
18.
Tackiness force Malcom TK1 [gr]
110.
55
22
Telcordia/Bellcore TR-NWT-000078/3
Compliant
IPC/ANSI-J-STD-004
Compliant
55
55
Test report(s)
Available
ISO-TS-16949 (IATF nummer)
0043973
55
55
Certificate of Compliance
Website
SPC-data*
Auditable
44
44
Environmental Load Unit**
3.02
RoHS-Compliance Certificate
Available
44
44
User's Guidelines
English
44
44
Jar (PP) [gram]
500
Small cartridge (HDPE) [gram]
500, 650
44
44
Large cartridge (HDPE) [gram]
1000, 1300, 1500
Cassette (HDPE) [gram]
800
55
55
Recommended shelf-life (Weeks)
Storage 4-10 [°C]
20.
44
44
Storage 20 [°C]
6.
No-Clean process
Post-solder cleaning
Pb-Free process - Air, Standard
Pb-Free process - Air, Extended
Pb-Free process - N2
Vapor Phase
Consumer electronics
Mid-Rel electronics
Hi-Rel electronics
1-layer, video/tv boards
2-layer boards
Multi-layer boards
OSP compatible
Ni/Au compatibel
Ni/Pd compatible
Ag compatible
Sn compatible
Squeegee
Closed Printhead (Proflow etc)
Dispensing [> awg 22]
Short cycle time
Long stencil-life
Long open time
Sharp print definition
Reduces dog ears
Reduces smearing
Reduces stencil wiping
Reduces solder balling
Reduces solder beading
Reduces bridging
Reduces tombstoning
Reduces de-wetting
Reduces slumping
Reduces voiding
Brilliant joint appearance
Cosmetic cleanliness
ICCT compatible
55
55
Conformal coating
55
Reduces flux build-up in reflow oven
Packaging
194
H KATALOGOVÝ LIST – ENVIROMARK 907
H Katalogový list – EnviroMark 907
®
TM
TM
EnviroMark 907
Lead-Free No-Clean Solder Paste
Product Description
Physical Properties
(Data given for Sn96.5 Ag3.0 Cu0.5, 88.5% metal, -325+500 mesh)
EnviroMark 907 is a lead-free, air and nitrogen
reflowable no-clean solder paste specifically
designed for the thermal requirements of lead free
alloys, including the Sn96.5Ag3.0Cu0.5 alloy. The
paste flux system allows joint appearances that
closely resemble that achieved with SnPb alloys.
EM907 is capable of stencil printing downtimes up
to 60 minutes with an effective first print down to
20 mils without any kneading. EM907 also
exhibits excellent continual printability for fine pitch
(0.4mm/16 mils) and is able to print at high speeds
up to 6”/s (150 mm/s). This solder paste also
exceeds the reliability standards required by
J-STD-004.
TM
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Lead free joints that closely resemble those
achieved with SnPb solder paste
Excellent solderability to a wide variety of
surface metallizations, including Ni/Au, Im Sn
and Im Ag
High print speeds up to 150 mm/s
Capable of 60 minute break times in printing
Stencil life: 12+ hours (process dependent)
Excellent printing characteristics to 16 and 20
mils pitch
Excellent print and reflow characteristics for
0201 applications
Stable tack life
Classified as ROL0 per J-STD-004
Viscosity (typical): 1800 poise
Malcom viscometer @ 10rpm and 25°C
Initial Tackiness (typical): 44 grams
Tested to J-STD-005, IPC-TM-650, Method 2.4.44
Slump Test: Pass
Solder Ball Test: Pass
Wetting Test: Pass
Reliability Properties
Copper Mirror Corrosion: Low
Corrosion Test: Low
Silver Chromate: Pass
Chloride and Bromides: None Detected
Fluorides by Spot Test: Pass
Tested to J-STD-004, IPC-TM-650, Method 2.3.35.1
Standard Applications
88.5% Metal – Stencil Printing
RoHS Compliance
This product meets the requirements of the RoHS
(Restriction of Hazardous Substances) Directive,
2002/95/EC Article 4 for the stated banned
substances.
SIR, IPC (typical): Pass
Tested to J-STD-004, IPC-TM-650, Method 2.6.3.3
Blank
Day 1
Day 4
Day 7
10
1.1 ×10 Ω
1.5 ×1010 Ω
1.4 ×1010 Ω
EM907
7.7 × 108 Ω
1.2 × 109 Ω
1.4 × 109 Ω
195
EM907
Application Notes
Availability:
Kester EM907 is available in the Sn96.5Ag3.0Cu0.5 and Sn96.5Ag3.5 alloys. Type 3 powder mesh is normally
recommended, but type 4 is available for fine pitch applications. EM907 is also compatible with other
SnAgCu alloys in a similar melting range to the listed alloys. For specific packaging information, see Kester's
Paste Packaging Chart for available sizes. The appropriate combination depends on process variables and
the specific application.
Printing Parameters:
Squeegee Blade
Squeegee Speed
Stencil Material
Temperature/Humidity
80 to 90 durometer polyurethane or stainless steel
Capable to a maximum speed of 150 mm/sec (6 in/sec)
Stainless Steel, Molybdenum, Nickel Plated, Brass
Optimal ranges are 21-25°C (70-77°F) and 35-65% RH
Kester Reflow Profile
SnAgCu Alloys
Recommended Reflow Profile:
300
Peak Tem p.
235 - 255 C
250
Temperature (C)
Full convection reflow method is most
commonly used to reflow the EM907
formula. The recommended convection
reflow profile for EM907 made with either
the Sn96.5Ag3.5 or SnAgCu alloys is
shown here.
200
150
Reflow Zone
tim e above 217 C
(90 sec m ax)
60-75 sec. typical
Soaking Zone
(2.0 m in.m ax.)
60-90 sec typical
<2.5 C/Sec
100
Pre-heating Zone
(2.0-4.0 m in. m ax.)
50
0
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
Time (sec.)
Cleaning:
EM907 is a no-clean formula. The residues do not need to be removed for typical applications. Although
EM907 is designed for no-clean applications, its residues can be easily removed using automated cleaning
equipment (in-line or batch) with a variety of readily available cleaning agents. Call Kester technical support
for details.
Storage, Handling, and Shelf Life:
Refrigeration is the recommended optimum storage condition for solder paste to maintain consistent viscosity,
reflow characteristics, and overall performance. EM907 should be stabilized at room temperature prior to
printing. EM907 should be kept at standard refrigeration temperatures, 0-10°C (32-50°F). Please contact
Kester if you require additional advice with regard to storage and handling of this material. Shelf life is 4
months from date of manufacture and held at 0-10°C (32-50°F).
Health & Safety:
This product, during handling or use, may be hazardous to health or the environment. Read the Material
Safety Data Sheet and warning label before using this product.
World Headquarters: 800 West Thorndale Avenue, Itasca, Illinois, 60143-1341 USA
Phone: (+1) 847-297-1600 • Email: [email protected] • Website: www.kester.com
Asia Pacific Headquarters
500 Chai Chee Lane
Singapore 469024
(+65) 6449-1133
[email protected]
European Headquarters
Zum Plom 5
08541 Neuensalz
Germany
(+49) 3741 4233-0
[email protected]
Japanese Headquarters
20-11 Yokokawa 2-Chome
Sumida-Ku
Tokyo 130-0003 Japan
(+81) 3-3624-5351
[email protected]
The data recommendations presented are based on tests, which we consider reliable. Because Kester has no control over the conditions of use, we disclaim any responsibility connected with the
use of any of our products or the information presented. We advise that all chemical products be used only by or under the direction of technically qualified personnel who are aware of the
potential hazards involved and the necessity for reasonable care in their handling. The technical information contained herein is consistent with the properties of this material but should not be used
in the preparation of specifications as it is intended for reference only. For assistance in preparing specifications, please contact your local Kester office for details.
Rev: 05Jun07

Disertační práce - České vysoké učení technické v Praze

Transkript

Podobné dokumenty

Minimum Tucan 695KB 23.2. 2010 09:36:03

CZ - O SMT-info

CZ - O SMT-info

prirucka pilates

koroze cvut

Individuální kurzy statistických metod a řízení jakosti.

Zatížení letounu - Ústav letadlové techniky

UNIVERZITA KARLOVA V PRAZE Materiálové toky a environmentální

Modelování statisticko-energetického vlivu velikosti betonových