Bezolovnaté pájení - materiálová a procesní kompatibilita v inertní a inertně/redukční atmosféře. Ing. Jiří Starý

Transkript

1 VĚDECKÉ SPISY VYSOKÉHO UČENÍ TECHNICKÉHO V BRNĚ Edice PhD Thesis, sv. 343 ISSN Ing. Jiří Starý Bezolovnaté pájení - materiálová a procesní kompatibilita v inertní a inertně/redukční atmosféře

2 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ Ing. Jiří Starý BEZOLOVNATÉ PÁJENÍ - MATERIÁLOVÁ A PROCESNÍ KOMPATIBILITA V INERTNÍ A INERTNĚ/REDUKČNÍ ATMOSFÉŘE LEAD FREE SOLDERING MATERIAL AND PROCESS COMPATIBILITY IN INERT AND INERT/REDUCTION ATMOSPHERE Zkrácená verze Ph.D. Thesis Obor: Mikroelektronika a technologie Školitel: Prof. Ing. Jiří Kazelle, CSc. Oponenti: Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc., ČVUT Praha Doc. Ing. Vlastimil Skočil, CSc., ZČU Plzeň Datum obhajoby: 29. září 2005

3 Klíčová slova: Pájení, materiál, kompatibilita, bezolovnatý, dusík, formovací plyn, roztékání, smáčecí úhel, evoluce, SBSA (Sessile Ball Shape Analyse) Keywords: Soldering, Material, Compatibility, Lead Free, Nitrogen, Forming Gas, Spreading, Wetting Angle, Evolution, Sessile Ball Shape Analyse Method (SBSA) Práce je k dispozici na vědeckém oddělení děkanátu FEKT VUT v Brně, Údolní 53, Brno, Jiří Starý, 2005 ISBN ISSN

4 Obsah OBSAH DEFINICE PROBLÉMU, CÍL PRÁCE MATERIÁLOVÁ A PROCESNÍ KOMPATIBILITA SMÁČENÍ A ROZTÉKÁNÍ PÁJKY PO POVRCHU EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ROZTEČENÍ PÁJKY A STATICKÝ SMÁČECÍ ÚHEL Výpočet statického smáčecího úhlu Porovnání dosažených výsledků Aplikace statistických metod řízení experimentu MATERIÁLOVÉ I PROCESNÍ VLIVY VYHODNOCOVANÉ METODOU SMÁČECÍCH VAH METODA ANALÝZY PROCESU SMÁČENÍ A ROZTÉKÁNÍ PÁJKY PO POVRCHU Měřící pracoviště s optickým systémem Metoda zpracování dat Analýza děje smáčení a roztékání Teplotně časová závislost smáčecího úhlu Porovnání velikosti smáčecích úhlů stanovených rozdílnými metodami Nástin návrhu modelu smáčení a roztékání pájky po povrchu NÁVAZNÉ EXPERIMENTY - PEVNOST PÁJENÝCH SPOJŮ SLEDOVÁNÍM STŘIHOVÝCH SIL DOSAŽENÉ VÝSLEDKY POVRCH SUBSTRÁTU VZDUCH A ŘÍZENÉ ATMOSFÉRY, EFEKTY A INTERAKCE POROVNÁNÍ VÝSLEDKŮ DOSAŽENÝCH ROZDÍLNÝMI METODAMI A KORELACE VĚDECKÝ PŘÍNOS PRÁCE, PRAKTICKÉ APLIKACE SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY...26 ŽIVOTOPIS

5

6 1 Definice problému, cíl práce Technologický přechod na bezolovnaté pájení vyvolává další zcela logické snahy o lepší pochopení pájecího procesu v různých procesních a materiálových podmínkách. Správná volba materiálů i optimalizace procesu je důležitým krokem k bezdefektnímu pájecímu procesu. Aplikační výzkum, vývoj a sledování vhodnosti bezolovnatých pájek pro elektronické aplikace je postaven na hledání nových pájecích slitin, na sledování formování i spolehlivosti pájeného spoje. Vyvíjí se modely, které mohou předpovědět pájecí proces souborem vstupních parametrů a také naopak použít tento model pro optimalizaci parametrů za účelem zlepšení spolehlivosti elektronických zařízení. Jedním ze základních aspektů spolehlivosti pájeného spoje je problematika smáčení povrchu pájkou a jevy související. Pájka, tavidlo, pájený povrch a okolní prostředí je komplexní systém, do kterého dodáváme teplo. Během pájení dochází k chemickým reakcím i fyzikálním jevům jak na materiálových rozhraních, tak i uvnitř materiálů. Probíhají ireverzibilní termodynamické procesy, chemické a fyzikální změny. Práce je orientována do problematiky smáčení a roztékání zejména bezolovnaté pájky po povrchu rozdílných materiálových kombinací za spolupůsobení vzduchu nebo řízené ochranné atmosféry. Cílem práce je přispět k objasnění vlivu některých materiálových i procesních faktorů na děj smáčení a roztékání bezolovnaté pájky po povrchu mědí plátovaného organického základního materiálu. V experimentech soustředit pozornost na vliv řízených atmosfér dusíkové a dusíko-vodíkové a sledovat jejich vliv z pohledu materiálových a procesních efektů i interakcí během smáčení a roztékání pájky. Dalším cílem je pokusit se vyvinout jednoduchou metodu, která by umožnila sledování vlivů materiálových i procesních změn na roztékání pájky během procesu pájení přetavením v teplotně časové ose, což by mohlo vést k predikci některých defektů. 2 Materiálová a procesní kompatibilita Pájený spoj Z fyzikálního a fyzikálně chemického hlediska musíme procesem pájení dosáhnout mechanicky pevného a dlouhodobě spolehlivého pájeného spoje, tj. vytvořit kvalitní i stabilní metalurgické spojení vývodů součástky s pájecími ploškami správnou volbou: materiálové kombinace: povrchové úpravy pájených povrchů / tavidla / pájky procesního systému: teplota / doba / gradienty nárůstu a poklesu teploty environmentálního systému: vzduchu nebo řízené atmosféry/vakua Pájení je tak založeno na 3 aspektech: o na metalurgii o na termodynamických vlastnostech a chemii tekutého média o na procesní technologii 5

7 Požadavky na materiálovou a procesní kompatibilitu Při výběru vhodné povrchové úpravy pro daný systém pájky jsou zpravidla respektována tato kritéria: materiálová kompatibilita - fyzikálně-chemická kompatibilita (dobrá smáčivost povrchů (kinetická kompatibilita), slučitelnost s působením různých tavidel i ochranné atmosféry (mechanická, chemická i kinetická kompatibilita), kompatibilita s nepájivou maskou (chemická kompatibilita)) - metalurgická kompatibilita formovaného rozhraní mezi povrchem a pájkou (nebezpečí jevů odsmáčení, vytváření intermetalických sloučenin např. mezi, Sn a Cu, Ag, Au, rychlost růstu intermetalických vrstev) procesní kompatibilita - tepelná odolnost pro vícenásobný teplotní cyklus - mechanické a elektrické vlastnosti v relaci k technologickým i pracovním podmínkám - dlouhodobá skladovatelnost i spolehlivost - rovinnost povrchu, vhodnost pro fine pitch aplikace - možnost kontaktování environmentální kompatibilita - netoxická povrchová úprava - kompatibilita s environmentálními vlivy (migrace stříbra, růst intermetalických vrstev, růst whiskerů) 3 Smáčení a roztékání pájky po povrchu Během smáčení tuhého povrchu roztavenou pájkou působí na rozhraní mezi fázemi nevykompenzované meziatomární síly. Tyto nevykompenzované povrchově aktivní síly jsou mírou povrchové energie, mezifázové energie i mezifázového povrchového napětí. Smáčením a roztékáním pájky minimalizujeme volnou povrchovou energii. Dochází ke kompenzaci atomů s volnými povrchovými vazbami. Díky těsné atomární vazbě je na rozhraní pájky a substrátu jen malý přechodový odpor a současně existuje velká adhezní síla. Dobrý tepelný kontakt zahajuje vlastní pájecí proces. Vytváří se chemická vazba (vše za předpokladu dobré pájitelnosti) pomocí chemické reakce mezi pájecím materiálem a substrátem reaktivní smáčení, což je ve své podstatě termodynamický jev ireverzibilní [ 1 ] až [ 9 ]. Dobrá smáčivost povrchu roztavenou pájkou je prvním předpokladem pro vytvoření kvalitního pájeného spoje. Smáčivost povrchu je závislá na následujících faktorech: složení a vlastnosti pájky povrchová úprava substrátu, morfologie povrchu, materiál substrátu složení a aktivita tavidla povrchová úprava vývodu součástky, morfologie povrchu, materiál součástky pájecí proces, definované teplotně časové charakteristiky a parametry zajišťující přenos tepla k pájenému spoji pájecí atmosféra (vzduch/dusík/vodík), podrobněji [ 10 ] až [ 12 ]. 6

8 4 Experimentální část Testování roztékavosti pájky na daném povrchu je prvním krokem k určení materiálové kompatibility v pájecím procesu, zejména u technologie pájení přetavením. Tento krok je důležitý zejména při zavádění bezolovnatého pájení, neboť určením správné kombinace povrch - tavidlo - pájka - atmosféra předejdeme možným problémům při výrobě. 4.1 Roztečení pájky a statický smáčecí úhel Na izopropanolem očištěný vzorek substrátu s definovanou povrchovou úpravou se natiskne pastovité tavidlo přes kovovou šablonu. Objemové množství pastovitého tavidla je definováno a nastaveno v procesu tak, aby odpovídalo objemovému množství pájky, tj. 50%, jako přibližný objemový podíl tavidla v pájecí pastě, obr. 1. Obr. 1. Detail pohledu na kuličku pájky v pastovitém tavidle Obr. 2. Měření velikosti roztečení Výpočet statického smáčecího úhlu Pro jednoduchost předpokládáme, že se kulička pájky definovaného průměru rozteče do podoby kulového vrchlíku. Pro průměr roztečení pájky po povrchu 2b (b poloměr roztečení pájky po povrchu) dle obr. 2. platí: d 2 + d 4 + d d b = ( 1 ) 4 Z definovaného objemu pájky V jsme schopni určit smáčecí úhelθ podle rovnice ( 2 ) 2 2 3V 3V 3 6 3V 3V b b + b π π π π θ = arctg ( 2 ) V 3V 3 6 3V 3V b b + b π π π π 7

9 4.1.2 Porovnání dosažených výsledků Vypočítané smáčecí úhly pro jednotlivé kombinace povrchů, tavidel, pájek a pracovních atmosfér jsou uvedeny na obr. 3. a obr. 4. Přehled použitých pájek a tavidel je v tab. 1. Rozteklé pájky zejména povrchu OSP a Sn vykazovaly anizotropní směrové charakteristiky tečení. Smáčecí úhel [ ] AIR N2 N2 + 5% H2 0 L 2 Sn D 2 Sn M 2 Sn L 6 Sn D 6 Sn M 6 Sn L 5 Sn D 5 Sn M 5 Sn Materiálová kombinace Obr. 3. Hodnoty statických smáčecích úhlů po definovaném cyklu přetavení pájky na Sn (dle tab. 17. z práce) Smáčecí úhel [ ] AIR N2 N2 + 5% H L D M L D M L D M NiAu NiAu NiAu NiAu NiAu NiAu NiAu NiAu NiAu Materiálová kombinace Obr. 4. Hodnoty statických smáčecích úhlů po definovaném cyklu přetavení pájky na NiAu (dle tab. 18. z práce) Tab. 1: Přehled použitých pájek pro sledování roztékavosti Kód značení Pájka složení Kód značení Tavidlo J-STD-004 M Sn-3,5Ag-0,75Cu, SAC ROL1 D *) Sn-4,0Ag-0,5Cu, SAC ROL0 L Sn62- Pb 36-Ag2 5 ORH0 8

10 Pájky - byly použity kuličky pájky o průměru 0,500 mm - standardní (0,500 +/- 0,020) mm - *) s atestem kvality (92 % velikost (0,500-0,504) mm, 6 % velikost (0,495 0,499) mm, 2 % velikost (0,505-0,509) mm Povrchové úpravy Porovnávány vzorky se 3 druhy povrchových úprav OSP (organický inhibitor oxidace mědi), Sn (imerzní Sn) a NiAu (chemický Ni, imerzní Au), vyrobené z výrobní šarže 404, zpracované do 3 měsíců od data výroby, analyzované dle bodu 3.1. práce. Pájecí profily Pájecí profily pro oba typy pájek (olovnatou i bezolovnatou) byly zvoleny podle doporučených profilů pro tavidla se zohledněním typu použitých pájecích slitin. Vrcholová teplota přetavení (Tp) byla stanovena jako teplota tavení pájky + 25 C +/- 3 C pro olovnatou pájku i pro pájku bezolovnatou. Prodleva nad liquidem (TAL) byla stanovena na 70 s. Gradient nárůstu teploty 0,8 Ks -1, chlazení 3 Ks Aplikace statistických metod řízení experimentu Pro dosažení maximálního rozlišení případných významných faktorů a interakcí od nevýznamných v procesu smáčení, jsme aplikovali metodu plánovaného experimentu DOE. Použili jsme faktorové experimenty, tj. postupné nastavení vybraných řiditelných vstupních parametrů tzv. faktorů a sledování vlivu nastavení těchto faktorů na vybrané výstupní parametry úroveň roztečení, poměr smáčecí síla/smáčecí doba. Dle možností byly prováděny replikované experimenty. Ze získaných koeficientů regresní rovnice můžeme sestavit regresní rovnici - rovnicí procesu, která obsahuje všechny členy bez ohledu na jejich statistickou významnost [ 13 ]. Vzhledem k rozsáhlým materiálovým kombinacím i testovacím metodám jsme pro analýzu použili nespojité vstupní parametry (+1 a 1), s výstupním formátem plánu 2 4 s faktory povrch-tavidlo-pájka-environmentální vliv tab. 2., výsledky jsou uvedeny v tab. 3. a na obr. 5. Tab. 2: Faktory pro plán experimentu VYSVĚTLIVKY A B C D POVRCH TAVIDLO PÁJKA ENVIRONMENTÁLNÍ VLIV "-1 Sn "-1 ROL0 "-1 D "-1 VZDUCH Tab. 3: Výsledky plánu experimentu 2 4 "+1 NiAu "+1ROL1 "+1 M "+1 DUSÍK (< 1500 ppm O 2 ) A B C D AB AC BC AD BD CD ABC ABD ACD BCD ABCD EF 0,135 0,138 0,027 0,590 INT -0,025-0,015 0,057-0,353-0,055-0,025-0,025-0,057-0,037 0,010-0,043 KO 0,067 0,069 0,014 0,295-0,013-0,007 0,029-0,176-0,028-0,013-0,013-0,029-0,019 0,005-0,021 EFEKTY INTERAKCE 9

11 SBSA EFEKTY A INTERAKCE VZDUCH vs N2 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000-0,100-0,200-0,300-0,400 EFEKTY INTERAKCE A B C D AB AC BC AD BD CD ABC ABD ACD BCD ABCD EFEKTY Obr. 5. Roztečení pájky na povrchu efekty a interakce Sledování efektů a interakcí při použití dusíku oproti vzduchu: Projevuje se výrazně dominantní efekt pracovní atmosféry, menší je vliv povrchu substrátu a tavidla. Silnou interakci vykazuje povrch substrátu a pracovní atmosféra. Sledování efektů a interakcí při použití formovacího plynu oproti dusíku. Dominantním efektem je vliv tavidla a pracovní atmosféry, nejsilnější interakce vykazuje povrch substrátu a pracovní atmosféry a slabší interakce tavidlo s povrchem a tavidlo, pájka a pracovní atmosféra. V příloze 1 práce jsou uvedeny grafy s efekty hlavních faktorů a interakcí po přirozeném a zrychleném stárnutí. Pro grafické odlišení významných efektů od nevýznamných jsme použili rozhodovací hladinu 70%. 4.2 Materiálové i procesní vlivy vyhodnocované metodou smáčecích vah Měření části vzorků probíhalo metodou rovnováhy smáčení. Tato metoda měří smáčecí síly povrchového napětí pájky a vztlakovou Archimédovu sílu při ponoření testovacího vzorku po aplikovaném tavidlu do roztavené pájky [ 14 ]. Rovnováha smáčení vyhodnocuje změnu kontaktního úhlu mezi pájkou a destičkou v čase. Vertikální síly jsou úměrné kosinu kontaktního úhlu. Sledován vliv řízené dusíkové a dusíko-vodíkové atmosféry na proces smáčení. Měřící zeřízení, měřené vzorky, tavidla a předehřev byly vloženy do zákrytu. Zákryt byl utěsněn a napuštěn odpovídajícím plynem. Koncentrace zbytkového kyslíku byla průběžně sledována. 10

12 F 2 /t 2/3 v rúzných materiálových kombinacích i procesních vlivech Pro porovnání výsledků byly zvoleny parametry F 2 /t 2/3 ze smáčecích křivek. F 2 je maximální smáčecí síla a t 2/3 je čas, kdy smáčecí síla dosáhne 2/3 maximální síly. Ve vyhodnocení je uveden poměr parametrů F 2 /t 2/3. Výchozí smáčecí charakteristiky jsou uvedeny v příloze 2 práce. Porovnání závislostí F 2 /t 2/3 v různých materiálových podmínkách a environmentálních vlivech je na obr. 6. až obr. 8. SAC305-vzduch (1N) 8 6 F 2 /t 2/3 [10-3 Ns -1 ] T SAC305-vzduch-po stárnutí (1S) F 2 /t 2/3 [10-3 Ns -1 ] T SnNSX1D SnN0X1D AuNSX1D AuN091D CuNSX1D CuN0X1D SnASX1 SnA0X1 AuASX1 AuA0X1 CuASX1 CuA0X1 SnNSX1 SnN0X1 AuNSX1 AuN0X1 CuNSX1 CuN0X1 Obr. 6. Porovnání smáčivosti nestárnutých vzorků v pájce SnAg3,0Cu0,5 na vzduchu Obr. 7. Porovnání smáčivosti stárnutých vzorků v pájce SnAg3,0Cu0,5 na vzduchu SAC305 - N 2 (1ND) 10 8 F 2 /t 2/3 [10-3 Ns -1 ] T Obr. 8. Porovnání smáčivosti nestárnutých vzorků v pájce SnAg3,0Cu0,5 s ochrannou dusíkovou atmosférou. 11

13 Vysvětlivky: Vzorky šarže 404 s povrchovými úpravami imerzní cín (kód:sn), imerzní zlato (kód:au), OSP (kód:cu) o rozměrech 8 x 8 mm, prodleva mezi výrobou vzorkú a experimentem max. 3 měsíce. Analyzovány vzorky stárnuté (kód:a) a nestárnuté (kód:n), s předehřevem (kód:s) a bez předehřevu (kód:0), pájka: bezolovnatá Sn96,5Ag3,0Cu0,5 (kód:1), olovnatá Sn63Pb (kód:2), bezolovnatá Sn95.75Ag3,5Cu0,75 (kód:3), na vzduchu (-) i řízenou atmosférou dusíkovou (kód:d), atmosférou dusík 5 % vodík (kód:v), tavidla Litton Kester 977 (kód:7) a Litton Kester 959T (kód:9). Např.: SnN092 - vzorek s povrchovou úpravou imerzní cín, nestárnutý, bez předehřevu, s tavidlem 959T, v olovnaté pájce. 4.3 Metoda analýzy procesu smáčení a roztékání pájky po povrchu Pro účely sledování vlivu materiálových, procesních a environmentálních faktorů na proces smáčení povrchu substrátu pájkou byla aplikována a modifikována nepříliš známá metoda ADSA (Axisymetric Drop Shape Analyse) z oblasti měření povrchového napětí kapalin na polymerech ve fyzikální chemii. Metodu sledování procesu smáčení a roztékání pájky po povrchu a následné analýzy procesu jsme nazvali zjednodušeně SBSA (Sessile Ball Shape Analyse). Princip modifikované metody spočívá v horizontálním pozorování a záznamu tvarových změn a v následné analýze dynamického chování pájky během procesu smáčení a roztékání. Slitina pájky tuhého sférického tvaru je položena do definovaného množství pastovitého tavidla na rovný smáčivý povrch Cu plátovaného substrátu s organickým/anorganickým povlakem. Tato materiálová kombinace je vystavena programovatelnému teplotnímu cyklu, který simuluje metodu pájení přetavením. Vyhodnocením záznamu lze stanovit hodnotu smáčecího úhlu v teplotně časové ose Měřící pracoviště s optickým systémem Pro záznam děje je použita průmyslová CCD kamera PANASONIC typ GP KR 202 s přídavným zvětšením, pracující v normě NTSC s rozlišovací schopností 640 na 480 pixelů se záznamovou rychlostí 29,97 snímků.s -1. Kamera je propojena s řídícím počítačem za účelem archivace získaných dat a následné analýzy. Řídící počítač sleduje nárůst teploty spodní části substrátu pomocí teplotního profiloměru 1. Pomocný počítač je propojen s teplotním profiloměrem 2 a slouží k záznamu teploty v sekvencích 200 ms pomocí 2 Tč umístěných na horní straně substrátu. Temperovaný přípravek upevněný na nástroji TP70 je připojen k programovatelné pájecí stanici MBT 250 AE. Pájecí stanice s přípravkem a kamerou je fixována ve stojanu, který zajišťuje odpovídající tuhost systému a umožňuje pohyb kamery v ose x, y, z i pootočení. t W = 0S pro θ = 90 Záblesk LED t 10s = 0s 10s evoluce smáčecího úhlu θ = f ( ) analýza videa = f ( t 10s ) t K = 0S t MT0 t 10S0 t W90 video = f ( t K ) t W t MT = 0 měření teploty ϑ = f ( ) t MT 12

14 t K časová osa videozáznamu t W časová osa evoluce smáčecího úhlu t MT časová osa měření teploty t 10S časová osa analýzy videa a sledování dynamických jevů během smáčení a roztékání Obr. 9. Pohled na teplotně časovou osu Teplota na monitorované kuličce pájky Teplotně časová závislost monitorované kuličky pájky je určena nepřímo pomocí teploty měřené Tč1 a Tč2 na referenční kuličce pájky. Tč1 a Tč2 odebírají teplo referenční kuličce a tím posouvají dobu jejího smáčení a roztékání. Časová prodleva mezi teplotou tavení monitorované a referenční kuličky pájky stanoví posuv časové osy teploty monitorované kuličky pájky a tím i její teploty v relaci k referenční. Výsledky z nezávislých měření z měření teploty v časové ose t MT a z analýzy videa z kamery v časové ose t K prokázaly přibližnou shodu teplotních i rozměrových změn v relaci s teplotou tavení pájky i úbytkem tepla přechodem pájky ze stavu solidu do stavu liquidu na vzduchu i v řízených atmosférách. Vyhodnocením časových prodlev (0,9 s +/- 0,7 s), přepočtených pomocí teplotních gradientů na změnu teplot mezi roztečením obou kuliček pájky, z nichž jedna je v kontaktu s termočlánkem dostáváme teplotní rozdíl v intervalu (0,3 2,4) C. Rozdíl je způsoben ne ideálním přestupem tepla mezi vyhřívaným přípravkem a substrátem, mezi nerovnostmi povrchu substrátu a kuličkami pájky i termočlánky. Existují rozdíly i v přítlačné síle Tč k povrchu vzorku. Analýza zbytkového kyslíku je prováděna analyzátorem zbytkového kyslíku typ AMS Metoda zpracování dat Metoda zpracování dat spočívá ve vyhodnocování jednotlivých snímků, výpočtu smáčecího úhlu a grafickém zpracování smáčecího úhlu v teplotně časové ose dle obr. 9. Ze zesynchronizovaného videozáznamu smáčení a roztékání pájky po povrchu je vybrán 10s úsek pro analýzu, obsahující děj smáčení a roztékání. Jednotlivé záběry bočního pohledu v rovině substrátu jsou analyzovány. Postup analýzy: Pomocí programu ADOBE PAGE MILL v načteme souřadnice sférického oblouku. Pomocí šesti dvojic tětiv a metody nejmenších čtverců stanovíme souřadnice středu kružnice a poloměr. Výpočet opakujeme pro každý z analyzovaných oblouků v časové ose analýzy SW1 - výpočet pomocí kontaktní linie Z 8 bodů bočního pohledu na rovinu substrátu aproximujeme metodou nejmenších čtverců rovnici přímky, která určuje kontaktní linii pohybu TPL pájky i změny smáčecího úhlu. Určíme vzdálenost středu kružnice od přímky. Pro výpočty aplikujeme standardní metody matematické analýzy a program MICROSOFT EXCELL a stanovíme hodnotu 13

15 smáčecího úhlu v časové ose i v teplotně časové ose. Data použijeme pro analýzu procesu smáčení a roztékání. Příklad výpočtu je uveden v příloze č. 3 práce SW 2 - výpočet pomocí konstantního objemu Stanovíme poloměr r 0 nerozteklé kuličky pájky (θ = 180 ) Tuto hodnotu použijeme jako referenční pro výpočet objemu koule V 0 a následně pro výpočet výšky kulového vrchlíku h z nově zjištěného poloměru r. Opět analyzujeme snímky sedající a roztékají se pájky po povrchu. Pro výpočet smáčecího úhlu řešíme rovnice ( 3 ) až ( 6 ): V 0 = V V, ( 3 ) V 0 4 = π r objem koule ( 4 ) π 2 2 ( h + 3b ) = h( h + 3( r ( r h) ) 2 π V V = h 6 6 h = r 1 cosθ a dostáváme ( 6 ) dosadíme ( ) objem vrchlíku ( 5 ) 3 3 4r0 cos θ 3cosθ + 2 = 0 ( 6 ) 3 r Smáčecí úhel θ z rovnice ( 6 ) určíme graficky pomocí přílohy 4, která je součástí práce Analýza děje smáčení a roztékání Analýza křivek časových závislostí evoluce smáčecích úhlů Na vyhodnocených závislostech θ = f ( t W ) analyzujeme časové intervaly poklesu θ ve zvoleném rozsahu, případně gradienty i hodnotu θ ve zvoleném čase po smočení povrchu. Počátek smáčecího procesu t w90 - okamžiku dosažení 90 tj. do oblasti s největší dynamikou probíhajícího procesu smáčení a roztékání nastavíme t W = 0 s v časové ose evoluce smáčecího úhlu θ = f ( t W ). Analyzované oblasti a porovnávaná data: - časový interval poklesu θ v rozsahu , , 90 60, event. i hodnota smáčecího úhlu v čase 4 s od počátku smočení substrátu pájkou - příp. i rychlost průchodu inflexním bodem v intervalu Z výše zvolených charakteristických hodnot určujících dynamiku procesu je možno stanovit náhradní matematickou funkci θ n = f ( t W ). Proces smáčení řešíme pro θ < 90. Pro zjednodušení výpočtu posuneme inflexní bod do počátku souřadného systému a budeme průběh křivky z naměřených hodnot aproximovat na exponenciální závislost smáčecího úhlu v časové ose ve 4. kvadrantu. Z důvodu probíhajících dějů je aplikována náhradní matematická funkce ve tvaru ( 7 ): 14

16 () t = 90 k + k ( k t) θ n 1 2 exp 3 ( 7 ) k 1, k 2, k 3 jsou konstanty náhradní matematické funkce Pozn.1.: Pro evoluci procesu byla volena kulička pájky s průměrem < 1 mm, abychom mohli zanedbat gravitační síly [ 7 ] Pozn.2: Lit. [ 15 ] udává pro sférické vrchlíky a poloměr roztečení R organické látky v závislosti na čase vztah ( 8 ): 1 10 R t ( 8 ) Vyhodnocení bylo provedeno pro materiálové kombinace - substrát (NiAu, Sn, Cu) tavidlo (ROL0 -TSF 6516) pájka (SAC 405 typ 7097) - vzduch a řízené atmosféry. Ohřev teplotním profilem pro nástroj TP70 dle obr. 26 práce. V tab. 30. práce jsou uvedeny výsledky měření a analyzované parametry. Příklad křivky evoluce smáčecího úhlu a snímky z kamery jsou uvedeny v příloze 5 práce. Křivky evoluce smáčecího úhlu pro bezolovnatou pájku roztékající se po rozdílném povrchu na vzduchu jsou na obr. 10. Pro vzduch a řízené atmosféry jsou křivky zprůměrovány a pro Sn povlak jsou uvedeny na obr. 11. Evoluce smáčecího úhlu na rozdílném povrchu ve vzduchu Smáčecí úhel θ [ ] Čas t 10s = 0 s + x-tý snímek. 1/30 [ s ] Snímek [ - ] Povrch Au-A-(0822) Povrch Sn-A-(0504) Povrch Cu-A-(2545) Obr. 10. Evoluce smáčecího úhlu na rozdílném povrchu vzduch. Během ohřevu pájky, sedání, smáčení a roztékání pájky po povrchu substrátu dochází k chemicko - fyzikálnímu působení tavidla na složky pájecího procesu, dochází ke změnám povrchového napětí tavidla i ovlivnění přenosu tepla ze substrátu na kuličku pájky. Dle videoanalýzy tavidlo vzlíná do výšky rovné poloměru sférické částice při teplotě kolem 100 C a zajišťuje tak velmi dobrý přenos tepla (průměr kontaktní plochy tavidla na substrátu je cca dvojnásobný průměr sférické částice). Kolem 150 C C se tavidlo rozptýlí po povrchu solidu a přenos tepla je minimalizován jen na malou plochu (průměr kontaktní 15

17 plochy tavidla na substrátu je cca poloměr sférické částice pájky). Kolem 200 C tavidlo opět navzlíná na sférickou částici, kde působí i během procesu smáčení a roztékání. Chemické reakce i vlivy tavidla na rozhraní pájka - substrát, pájka - okolní atmosféra a substrát - okolní atmosféra nebyly podrobněji studovány a vyhodnocovány. Evoluce smáčecího úhlu na Sn Smáčecí úhel θ [ ] Čas t W [ s ] Smáčecí úhel na Sn-A Smáčecí úhel na Sn-N Smáčecí úhel na Sn-NH Obr. 11. Evoluce smáčecího úhlu na povrchu Sn 1204 Studium mechanismů změn smáčecího úhlu Sledování procesu sedání, smáčení a roztékání kuličky pájky po povrchu lze dělit do 2 fází, přičemž hodnotícím parametrem je velikost smáčecího úhlu: 1. fáze ve které probíhá formace kontaktní linie zahájení smáčení povrchu substrátu pájkou a změna povrchového napětí pájky i substrátu. Na rozhraní mezi substrátem a pájkou probíhají fyzikálně chemické děje a reakce s dominantním vlivem úrovně přestupu tepla mezi substrátem a kuličkou pájky, za přítomnosti tavidla. Výrazný je vliv povrchu substrátu i pracovní atmosféry a jejich vzájemná interakce. i. přestup tepla je ovlivněn faktory: 1. rovinnost/drsnost povrchu 2. oxidy a nečistoty na povrchu substrátu a pájky 3. hmotnost kuličky pájky 4. tavidlo - typ, množství sušiny, povrchové napětí tavidla, aplikace definovaného množství a reprodukovatelnost nanášení 5. gradient nárůstu teploty, stabilita a homogenita teploty na povrchu substrátu - tloušťka základního materiálu i měděných 16

18 fólií, přestup tepla mezi kontaktní plochou pájecího přípravku s programovatelnou a regulovanou teplotou a substrátem 6. vyzařování tepla do okolí 7. postupná změna struktury pájky (energeticky ovlivněná i latentním teplem tavení pájky) ii. chemické a fyzikální reakce a jevy, které probíhají na povrchu, mají velký podíl redukčních a oxidačně-redukčních reakcí iniciovaných teplem aktivovaným tavidlem i vlivem atmosféry. Postupně dochází k narušení/odstranění oxidové i organické vrstvy na povrchu solidu Současně však probíhají i oxidační procesy vlivem přítomnosti atmosférického kyslíku i vlivem vlhkosti 1. odstraňování oxidů z povrchu substrátu i pájky změna velikosti povrchových napětí solidu substrátu i solidu pájky 2. další fyzikálně chemické jevy a oxidačně-redukční reakce na mezifázových rozhraních a. tavidlo-substrát b. tavidlo-pájka c. tavidlo-okolní atmosféra d. substrát-okolní atmosféra e. pájka-okolní atmosféra 3. počátek rozpouštění a difůze mezi jednotlivými kovy Dominantní je zřejmě otázka přestupu tepla. 2. fáze 90 lim θk ve které pokračuje proces smáčení a roztékání pájky po povrchu. t U této fáze se dominantní jeví chemicko-fyzikální vlivy s následujícími faktory a reakčními mechanismy: i. energetická otázka povrchových napětí pájky, substrátu a mezifázového napětí, změna s teplotou sledováno pohybem TPL ii. kinetika/změna kinetiky pohybující se pájky, vliv viskozity pájky i změny s teplotou i koncentrací iii. setrvačnost/změna setrvačnosti pohybující se pájky iv. přestup tepla je zajištěn kontaktem pájky s povrchem, dostatečnou tepelnou kapacitou substrátu i gradientem nárůstu teploty v. fyzikálně - chemické reakce na mezifázových rozhraních: rozpouštění a difúze kovů substrátu a pájky, na povrchu i do vnitřního objemu vi. materiálu, tak i po povrchu, dále oxidační a oxidačně redukční reakce: 1. tavidlo-substrát 2. tavidlo-pájka 3. tavidlo-okolní atmosféra 4. substrát-okolní atmosféra 5. pájka-okolní atmosféra V druhé fázi jsou dominantní zřejmě síly povrchového napětí a viskozity pájky spolu s velkým povrchovým napětím solidu. Děje rozpouštění i difúze zejména v povrchové vrstvě napomáhají rychlosti smáčení i rychlost roztékání. Rychlost smáčení a roztékání se postupně zpomaluje, což je dáno úrovní mezifázových i povrchových energií, částečně způsobené i změnou složení pájky rozpuštěným substrátem, formováním intermetalické fáze aj. 17

19 4.3.4 Teplotně časová závislost smáčecího úhlu K výraznějšímu odebírání tepla kuličkou pájky z povrchu substrátu začíná docházet při poklesu smáčecího úhlu na přibližně 150. Odebrané teplo z povrchu mění viskozitu i povrchové napětí pájky a pájka postupně smáčí povrch. Dynamika smáčení je typická pro povlak i pro vzduch a řízenou atmosféru. Z naměřených závislostí je zřejmé, že po dosažení roztečení pájky, se velmi rychle zacelí energetická ztráta na povrchu vzorku, způsobená přechodem kuličky ze stavu solidu do stavu liquidu a povrch se dostane do exponenciální úrovně nárůstu teploty, např. dle obr. 12. systému NiAu/ ROL0/SAC 405/N 2 Z dosažených výsledků je zřejmé, že řízená atmosféra mění nejen rychlost změn smáčecího úhlu, ale v časové ose posouvá i počátek stagnace teploty, kdy dochází k přechodu mezi solidem a liquidem, což je zřejmě ve značné míře ovlivněno velikostí povrchového napětí. Smáčecí úhel θ [ ] Evoluce smáčecího úhlu θ = f (t) a korigovaná závislost teploty pájky υ Κ = f (t) na povrchu Au-N Čas t W [ s ] Teplota pájky υ[ C ] Smáčecí úhel na Au-N Korigovaná závislost teploty kuličky pájky na Au - N Obr. 12. Teplotně časová závislost smáčecího úhlu Porovnání velikosti smáčecích úhlů stanovených rozdílnými metodami Rozdílné metody vyhodnocení a měření jsou porovnány. Hodnoty θ tw+ 4s a θ VZ + 4s se liší v rozsahu do 10 % a pro běžné určení a stanovení dynamiky smáčecího úhlu je výsledek postačující, θ tw + 4s = θ K je smáčecí úhel určený kamerou a výpočtem pomocí SW1, θ VZ + 4s - smáčecí úhel určený kamerou a výpočtem pomocí SW 2. 18

20 Statický smáčecí úhel θ R vypočtený z průměru roztečení dle rovnice ( 1 ) a ( 2 ), je menší, což je způsobeno delší prodlevou roztékání pájky po povrchu během celého cyklu přetavení (50 s - 70 s). Porovnání některých hodnot smáčecích úhlů je na obr. 13. Sn1204-A, Cu-A Kód foto-video θ R [ ] 13 θ K [ ] Obr. 13. Porovnání některých hodnot smáčecích úhlů Nástin návrhu modelu smáčení a roztékání pájky po povrchu Pro modelování smáčení a roztékání pájky, z důvodu malých smáčecích úhlů na sledovaných materiálových kombinacích je možno využít znalosti z oblasti hydrodynamických jevů. Pro statický model jsou používány termofyzikální vlastnosti, které nezávisí na teplotě (dynamická viskozita, povrchové napětí, tepelná vodivost, a specifické teplo). Během smáčení a roztékání pájky po povrchu je nutno se zabývat následujícími jevy a řešit tyto otázky: - hydrodynamické jevy - kapilární jevy na rozhraní solidus-liquidus - otázky přenosu tepla - jevy rozpouštění a difúze probíhající na rozhraní - otázky vlivu vzduchu/řízených atmosfér, adsorpční jevy 4.4 Návazné experimenty - pevnost pájených spojů sledováním střihových sil Návazné experimenty, které jsou dlouhodobého charakteru probíhají a měly by potvrdit nebo vyvrátit korelaci - dynamika smáčecího úhlu a mechanická pevnost spoje a korelaci - dynamika smáčecího úhlu a elektrická rezistivita propojení v průběhu cyklování. 19

21 Podmínky realizace experimentu Dva substráty s vodivým motivem a definovaným typem povrchové úpravy, byly k sobě pájeny 6 kuličkami bezolovnaté pájky obr. 14. Pro spojení dvou substrátů pájkou a vytvoření sendvičové struktury bylo aplikováno tavidlo v definovaném množství. Testovány různé kombinací sad vzorků a environmentálních vlivů. Obr. 14. Uspořádání struktury pro test pevnosti pájeného spoje Testovaný vzorek byl vložen do přípravku. Celý přípravek byl upevněn v testovacím zařízení, které definovanou silou střihem oddělilo obě DPS testovaného vzorku. Dané zařízení bylo propojeno s počítačem, který vyhodnotil velikost síly nutné k oddělení obou částí vzorku od sebe. Z dílčích naměřených výsledků je patrno, že z hlediska řízených atmosfér bylo nejlepších výsledků dosaženo v ochranné atmosféře dusíku s vodíkem. Na výsledek mohly mít vliv i částečné redukční vlastnosti vodíku, což se odrazilo v lepší pevnosti pájeného spoje. Z hlediska povrchových úprav dopadly v testu celkově nejlépe vzorky s imerzním cínem. Kombinace s Au dosáhly srovnatelných výsledků jen za použití dusíkové + vodíkové ochranné atmosféry. 5 Dosažené výsledky K vyhodnocení využity poznatky ze statistické metody 4 - faktorové analýzy. Metoda je použita jako podpůrný nástroj pro řešení otázek materiálové a procesní kompatibility prostřednictvím sledování vlivů jednotlivých efektů i vzájemných interakcí a následného studia jevů z dynamických změn smáčecího úhlu a z metalografické analýzy na mezifázových rozhraních. Jsou hodnoceny nejsilnější efekty a vlivy některých faktorů, porovnány metody i sledované korelace. 5.1 Povrch substrátu Morfologie povrchu substrátů všech druhů povlaků se vyznačuje poměrně velkou drsností. Důvodem je technologická předúprava měděné vrstvy, která je provedena standardním výrobním postupem technologií kartáčování. Po úpravě povrchu dodatečným bombardováním svazkem iontů nedošlo k výrazným změnám. Laboratorně byly sledovány korelace mezi roztečením pájky na úpraveném měděném povrchu substrátu broušením a leštěním. Z výsledků je zřejmé, že povrch substrátu a mikrostruktura povrchu výraznou měrou ovlivňují smáčení i směr roztékání pájky po povrchu a tedy i adhezní práci a je možné, že i spolehlivost. Dále lze konstatovat, že v případě, kdy je drsnost primární příčinou změny smáčecího úhlu, tak smáčecí úhel v relaci 20

22 Youngovy rovnice už není tak významný. Takto modifikovaný smáčecí úhel už tak dobře nereflektuje povrchovou energii jako rovný povrch. Toto zjištění je v též v souladu s [ 16 ]. Je zřejmé, že pro další experimenty je nutno stanovit mezní úroveň drsnosti povrchu, aby mělo smysl řešit i energetické otázky spojené např. s adhezní prací i se spolehlivostí. NiAu Dynamika smáčení a roztékání Dynamika roztékající se pájky na povlaku Au je odlišná od Sn, což zřejmě souvisí s efekty rozpouštění a difúze viz kap a práce. Analogicky s [ 17 ] lze předpokládat, že difúze roztavené pájky do tuhého kovu ovlivňuje energii stykové plochy a tedy povrchové napětí γ LS. Úroveň difúze lze řídit přidáním prvků do slitiny i typem povlaku. Řízené atmosféry mají pozivní vliv na smáčení a roztékání pájky po povrchu a snižují velikost smáčecího úhlu. Jevy na povrchu Na povrchu NiAu se u všech vzorků projevila povrchová difúze pájky do zlata a následné rozpouštění zlata. Difúze pokračuje do nasycení se zpomalením rychlosti a zastavením pochodu dle výsledků na obr. 39. práce. Povrchová difúze pozorována na NiAu s výrazným vlivem řízených atmosfér, Toto lze vysvětlit zvýšením povrchového napětí SAC pájky. Pájce tak síly povrchového napětí brání dynamičtěji sledovat povrchovou difúzi. Povrchová difúze je tedy funkcí teploty, času, vlivu okolní atmosféry, pravděpodobně i složení pájky, typu tavidla i tloušťky povlaku Au na Ni. Jev analyzován a diskutován v kapitole práce. Vliv dusíku Dusík má výrazný vliv na smáčení a roztékání pájky po povrchu ve všech provedených experimentech dle kapitol 3.2., 3.3, 3.4. práce. Vliv dusíko-vodíkové atmosféry Dusík s 5 % vodíku má výrazný vliv na smáčení a roztékání pájky po povrchu NiAu ve všech provedených experimentech v kap. 3.2., 3.3, 3.4. práce ve srovnání se vzduchem. Vliv dusíko-vodíkové atmosféry ve srovnání s dusíkem je nepříliš výrazný, lehce pozitivní dle výsledků experimentů v kap a 3.3. práce. Větší množství tavidla v kombinaci s větším teplotním gradientem profilu 2 (obr. 26. práce) oproti profilu 1 (obr. 25. práce) blokuje zřejmě pozitivní vliv vodíku a výsledky roztečení jsou na úrovni dusíku nebo horší. Pevnost pájených spojů dle dílčích výsledků vychází nejpříznivěji na kombinaci NiAu/NiAu a formovací plyn. Rozdíl mezi kombinacemi povrchových úprav Sn/Sn pájeno na vzduchu, Sn/Sn pájeno ve formovacím plynu, NiAu/Sn pájeno ve formovacím plynu je však minimální. Sn Na tomto povrchu se nejvíce projevilo směrové tečení asymetrické roztékání a to zejména při pájení na vzduchu. Příčinu lze spatřovat v kapilárních silách, které jsou výrazně ovlivněny morfologií přeúpravy. Lze předpokládat, že tento jev je způsoben kvalitou povrchů jednotlivých materiálů a je v souladu s analýzou AFM. Měření ukazují korelaci mezi vlivy řízené atmosféry a smáčecím úhlem u pájky rozteklé na povrchu. 21

23 Vliv dusíku Dusík má výrazný vliv na smáčení a roztékání pájky po povrchu ve všech provedených experimentech uvedených v kapitolách 3.2., 3.3, 3.4. práce. Vliv dusíko-vodíkové atmosféry Dusík s 5 % vodíku má výrazný vliv na smáčení a roztékání pájky po povrchu cínu ve všech provedených experimentech v kapitolách 3.2., 3.3, 3.4. práce ve srovnání se vzduchem. Naopak vliv dusíko-vodíkové atmosféry ve srovnání s dusíkem je nevýrazný, spíše negativní dle výsledků experimentů v kap a 3.3. práce. Pevnost pájených spojů dle dílčích výsledků vychází celkově nejpříznivěji s kombinacemi Sn. Rozdíl mezi kombinacemi s povrchovými úpravami Sn/Sn pájeno na vzduchu, Sn/Sn pájeno ve formovacím plynu, NiAu/Sn pájeno ve formovacím plynu je minimální. Srovnatelně kvalitního výsledku dosáhla pouze kombinace NiAu/NiAu pájená ve formovacím plynu. Je pozorován nárůst významu efektů A (povrchu) i B (tavidla) během přirozeného stárnutí dle přílohy 1 práce. Jako nejvýraznější interakce se projevuje vliv řízené atmosféry s povrchem. 5.2 Vzduch a řízené atmosféry, efekty a interakce Z grafických závislostí je zřejmé, že dusík i dusík s příměsí vodíku mají velký vliv na tečení kuliček pájky zejména na imerzním cínu a imerzním zlatě. Dusík se nejvíce projevil na cínovém povrchu, dusík s 5 % vodíku na povrchu NiAu. Přínos ochranné atmosféry ovšem nespočívá pouze ve zmenšení smáčecího úhlu, ale i ve snížení oxidace Je zřejmé, že s vlivy řízených atmosfér v pájecích procesech úzce souvisí i další adsorpční jevy, které nejsou plně doceněny. Větší rozptyl parametrů v N 2 a N % H 2 může souviset se snadnějším rozpouštěním a difúzí i se zvýrazněním vlivů nehomogenit povrchu. Energetická otázka - přestup tepla není výrazná. Rozpouštění a difúze v povrchových vrstvách NiAu je větší v N 2 a N % H 2, než na vzduchu viz práce. Na základě rozboru efektů a interakcí i sledování velikosti roztečení pájky po povrchu kap a 3.3. práce je zřejmé, že řízená dusíková a dusíko-vodíková atmosféra výrazným způsobem ovlivňuje proces smáčení a roztékání pájky po povrchu. U všech sledovaných povlaků je větší roztečení v řízených atmosférách, než na vzduchu. Rozdíl mezi řízenou dusíkovou a dusíko-vodíkovou atmosférou není výrazný. Lze říci, že pozitivní vliv na velikost roztečení je pozorován u NiAu, naopak pokles roztečení byl zaznamenán u Sn. Přítomnost vodíku se u námi používaných pracovních teplot výrazněji neprojevuje, což je i v relaci s hodnotami iniciační teploty pro redukci některých kovů, uvedenými v [ 12 ]. Vliv přirozeného i zrychleného stárnutí Pro výzkum smáčivosti byly povlaky podrobeny přirozenému i umělému stárnutí. Přirozeným stárnutím dle přílohy 1 práce dochází k zesílení vlivu NiAu na úkor povlaku Sn. Tavidlo postupně získává na významu, naopak vliv dusíku se stává měné významný. Na základě porovnání výsledků řízených atmosfér (N 2 vs. N % H 2 ) je možno konstatovat, že dochází k výraznému posilování efektu substrátu s NiAu povlakem i tavidla, zmenšuje s vliv atmosféry a analogicky se zvětšuje vliv tavidla. V obou případech výrazné interakce povrch- 22

24 atmosféra přechází stárnutím na interakce povrch-tavidlo. Očekávaný výrazný nárůst vlivu tavidla se projevil i po zrychleném stárnutí. 5.3 Porovnání výsledků dosažených rozdílnými metodami a korelace Metoda smáčecích vah vs. úroveň roztečení pájky na povrchu Metoda smáčecích vah používá quasi neomezené množství pájky k relativně malému vzorku i metodiku testu je více vhodná pro simulaci strojního pájení vlnou a testování dynamiky smáčení za vlivu řízeného a regulovaného předehřevu. Metoda sledování úrovně roztečení pájky na povrchu je limitována množstvím pájky s definovaným poměrem pájka/tavidlo a je vhodnější pro simulaci pájení přetavením. SBSA metoda má systém optického sledování a vyhodnocování chování pájky na mezifázovém rozhraní v časové i teplotně časové ose. Předností je snadné pozorování a vyhodnocování dynamiky smáčení a roztékání pájky po povrchu. Perspektivně zajímavá metoda i pro sledování energetického hlediska materiálového rozhraní i dynamiky smáčecího úhlu s rozdílnými vlivy materiálovými, procesními i environmentálními. Pro eliminaci některých defektů i studium jevů se jeví zajímavé použití náhradní matematické funkce. Vzhledem k metodě vyhodnocování i rozdílným použitým tavidlům nelze očekávat velké shody v dosažených výsledcích. Rámcově byly dosaženy shody ve vlivu atmosfér. Statický a dynamický smáčecí úhel určený rozdílnými metodami Statický smáčecí úhel θ R určený ze stupně roztečení pájky po povrchu je menší, než dynamický smáčecí úhel θ K což je způsobeno delší prodlevou roztékání pájky po povrchu během celého cyklu přetavení tj. 50 s až 70 s. Rozdílné metody vyhodnocení dynamických úhlů používajících SW1 a SW2 prokazují velmi dobrou shodu. Měření jsou porovnány v tab. 32. práce. Hodnoty θ tw+ 4s a θ VZ + 4s se liší v rozsahu do 10 %. Zvýšení přesnosti výpočtu dynamického smáčecího úhlu lze očekávat zvětšením počtu vyhodnocovaných bodů na analyzovaném vrchlíku ze 12 na 16 a tedy přechodem na 8 tětiv. Další variantou je přechod na optický systém určení souřadnic dle stupně šedi a následného vyhodnocení s výrazným snížením pracnosti. Je pravděpodobné, že řešení a sledování dynamických parametrů smáčeního úhlu v časové a teplotně časové ose otevírá nové možnosti sledování materiálových a procesních vlastností na rozhraní pájka-povlak substrátu. Perspektivně zajímavá se jeví aplikace několikafaktorové spojité analýzy DOE v kombinaci s metodou SBSA. Metoda může být přínosná i ve sledování změny smáčecího úhlu během reakcí tavidla s povrchem v reálném systému během přetavení. 6 Vědecký přínos práce, praktické aplikace Problematika práce byla v hlavní míře věnována studiu procesu smáčení a roztékání pájky po povrchu kovového povlaku organického substrátu v rozdílných materiálových kombinacích i procesních vlivech v průmyslově zajímavých ochranných atmosférách (N 2 a N % H 2 ) s úrovněmi zbytkového kyslíku do 1500 ppm. Pomocí úrovně roztečení i velikosti smáčecího úhlu je v práci vyhodnocována materiálová kompatibilita a některé aspekty kompatibility procesní vliv předehřevu, vliv teplotního gradientu u pájení přetavením i environmentální vlivy. Byla zjišťována míra 23

25 korelace mezi roztečením pájky po povrchu a vlivem inertní a inertně redukční atmosféry na smáčení a roztékání SAC pájky. Přínosy práce lze spatřovat v následujících sférách: Užitečný výstup práce je v oblasti poznatků vlivu ochranné atmosféry na smáčecí proces u metody smáčecích vah i u metody roztékání definovaného množství pájky po povrchu. Užitečné jsou zjištěné efekty a interakce v procesu smáčení a roztékání pájky na kovovém povrchu substrátu probíhajících na rozdílných materiálových kombinacích. Další užitečná zjištění jsou z oblasti vlivů procesních podmínek i vlivů řízené atmosféry. Jedním z dalších přínosů disertační práce je navržená a vyvinutá jednoduchá a unikátní metoda pro sledování materiálových a procesních vlivů pomocí procesu smáčení a roztékání kuličky pájky v definovaném množství tavidla na povrchu substrátu. Přetavovací proces může být řízen konvekcí, kondukcí nebo kombinovanou metodou kondukce/konvekce s naprogramovaným teplotním profilem. Metoda používá průmyslovou videokameru s rychlostí záznamu 29,97 snímků.s -1, se snadnou archivací získaných dat a s možností následné analýzy. Byl navržen a použit původní podpůrný program SW1 a SW2 pro vyhodnocování dynamických charakteristik smáčecího úhlu na mezifázovém rozhraní. Sledování dějů je rozšířeno i o teplotně časovou osu, díky průběžnému monitorování teploty kuličky nepřímou metodou pomocí dvou termočlánků a referenční kuličky pájky během děje smáčení a roztékání. Pro sledování teploty a její záznam je kamerový systém propojen s teplotním profiloměrem pomocí časové osy zaznamenaného děje. Byl realizován speciální zákryt pro aplikaci řízených atmosfér, kde je dosahována koncentrace zbytkového kyslíku v úrovni (250 +/- 50) ppm O 2. Mezní dosažená koncentrace při běžném průtoku (1 2) m 3 hod -1 činila 32 ppm O 2, což je více než vhodné pro aplikaci speciálních průmyslových atmosfér v pájecích procesech. Metoda byla nazvána SBSA (Sessile Ball Shape Analyse). Práce přispěla i k rozšíření znalostí z reálného děje smáčení a roztékání pájky po povrchu substrátu, ke kterému dochází během pájení pouzder např. BGA i u jejich reballingu. Zajímavým a přínosným hlediskem je i sledování míry korelací mezi smáčecím úhlem a pevností pájeného spoje a mezi smáčecím úhlem a rezistivitou propojení u simulovaných µbga pouzder. Na základě současných výsledků se ukazuje možnost korelace mezi úrovní roztečení pájky na povrchu rozdílných materiálových kombinacích za vlivu rozdílných ochranných atmosfér / vzduchu a pevností pájeného spoje. Testování rozsáhlejšího statistického souboru materiálů i vlivu procesních podmínek pokračují. Pozitivním aspektem je i v hlavních bodech teoretické provedení nástinu statického modelu smáčení a roztékání pájky po povrchu. Pozornost byla věnována pouze komplexnímu jevu, který probíhá během procesu smáčení a roztékání kuličky pájky po povrchu substrátu, ne dílčím fyzikálním jevům i chemickým reakcím. Znalost dynamiky smáčení a roztékání pájky je nezbytná pro studium reálných dějů smáčení eventuálně i pro snadnou predikci jevů na mezifázových rozhraních. Smáčecí úhel je důležitým ukazatelem kvality smáčení a roztékání pájky a do značné míry i spolehlivosti pájeného spoje. V neposlední řadě lze za přínos považovat i zpracování poměrně rozsáhlé literatury. Další směry a náměty SBSA metoda s definovaným teplotním profilem je zajímavá nejen z pohledu studia dynamiky procesu smáčení a roztékání pájky bez ohledu na velikost sférické částice pájky na 24

26 rozdílných materiálových kombinacích. Je přínosná i z pohledu snadného studia vlivu procesních charakteristik na morfologickou strukturu intermetalických oblastí mezi substrátem a pájkou i na morfologické změny mezifázového rozhraní při vícenásobných teplotních cyklech, které vedou ke změně smáčecího úhlu. Zajímavá se jeví i možnost následného sledování korelací se spolehlivostí pájeného spoje. Perspektivní se jeví kombinace měření SBSA kontaktního úhlu s metodou AFM, kdy bude možno lépe predikovat vlastnosti chování pájky na povrchu a lépe pochopit molekulární příčiny makroskopického jevu smáčení a roztékání pájky po povrchu v relaci s pevností pájeného spoje. Analýza fyzikální a chemické struktury povrchové úpravy smáčeného povrchu a znalosti o vrstvě jsou důležité pro studium smáčecích charakteristik. Výzkum nutno orientovat i do sledování korelací mezi roztečením pájky po povrchu a mikrostrukturou povrchu. Metodický návrh, příprava experimentů i technického zázemí prováděného měření a sledování dějů bylo provedeno se širším záměrem realizace modelu reaktivního smáčení a roztékání pájky po povrchu substrátu v rozdílných atmosférách. K tomu by měla napomoci jak teoretická část práce, tak i znalosti z teplotně časové evoluce smáčecího úhlu získané na materiálové kombinaci NiAu/ ROH0/ SAC/vzduch, dusík, formovací plyn/. Informace o dynamice smáčení se znalostmi smáčecích úhlů mohou být pravděpodobně využity i pro realizaci propojení v technologii C2 (Capilary Connection). Získané poznatky z analýzy smáčení a roztékání pájky po povrchu mohou napomoci predikci možných výrobních defektů. Problémy často spojené s volbou materiálů i profilováním lze výrazně redukovat pochopíme-li a budeme-li správně optimalizovat proměnné v pájecím procesu. Smáčení povrchu a eliminace defektů během pájecího procesu je tak v širším kontextu k traceabilitě i logistice výrobního procesu s cílem zvyšování spolehlivosti elektronických systémů pájených bezolovnatou technologií. 25

27 7 Seznam použité literatury [1] ADAMSON, A., W., GAST, A., P. Physical Chemistry of Surfaces, A Willey Interscience Publication, 1997, ISBN [2] ANONYM. Spreading Metallurgical aspects [3] LAENTZSCH, H. Fundamentals of Soft Soldering for Surface Mount Technology, EIPC Winter Conference, Zurich, 1986 [4] HVANG, J., S. Ball Grid Array and Fine Pitch Peripheral Interconnections, Electrochemical Publications Ltd. 2005, ISBN [5] KELLO,V., TKÁČ, A. Fyzikálna chémia, 3.upravené vydání, ALFA Bratislava 1969 [6] DONG, C., CH., ROSS, B., F., SCHWARZ A. N 2 Inerting for Reflow of Lead Free Solders, Advanced Packaging, Nov. 2003, [7] WASSINK, R., J., K. Soldering in Electronics, Electrochemical Publications Limited, 1984, ISBN [8] BOETTINGER, W. J., HANDWERKER, C., A., KATTNER, U., R. Reactive Wetting and Intermetallic Formation, in The Mechanics of Solder Alloy Wetting and Spreading, F. G. Yost et al. ed., New York, Van Nostrand Reinhold (1993) pp [9] ROMIG, A., D., CHANG, Y., A., STEPHENS, J., J., MARCOTTE, V., LEA, C., FREAR, D., R. Physical Metallurgy of Solder-Substrate Reactions in Solder Mechanics: A state of the art assessment, (Ed.D. R. Frear et al.), Warrendale, PA, The Minerals, Metals and Materials Society, 1991, pp [10] DONG, C., Ch., SCHWARZ, A., ROTH, D., V. Effect of Atmosphere Composition on Soldering Performance of Lead-Free Alterantives, Nepcon West 97, Proceeding of the Technical Program, , Feb. 1997, Anaheim, California [11] DONG, C., Ch., ARSLANIAN, G., K., BONDA, R. Fluxless Soldering of Flip Chip Assemblies, Nepcon West 96, Proceedings of the technical Program, , 1996 [12] DONG, C., Ch., SCWARZ, A., ROTH, D. Feasibility of Fluxless Reflow and Leadfree Solders in Hydrogen and Forming Gas, Nepcon Malysia 97, Manufacturing Session, 1997 [13] ŠPETÍK, Z.: Návrh a analýza plánovaných experimentů I, školicí materiál pro technické pracovníky Tesla SEZAM, a. s., Rožnov p.r [14] STARÝ, J., KLIKA, P., KONRÁD, J.: Lead Free Soldering Wetting Characteristic Study, In. The Socrates Workshop. Intensive Training Programme in Electronic System Design : The Socrates Workshop,Technological Institute of Crete, Chania, Greece, 2003, s [15] KAVEHPOUR, P., OVRYN B., KINLEY, G., H.: Evaporatively-Driven Marangoni Instabilities of Volatile Liquid Films Spreading on Thermally Conductive Substrates, Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 206 (2002) [16] KWOK, D.,Y., NEUMANN, A., W. Contact Angle Measurement and Contact Angle Interpretation, Advances in Colloid and Interface Science 81 (1999), str [17] RUŽA, V. Pájení, 2. upravené vydání, SNTL/ALFA