Problémy s bezolovnatým pájením – Zkoušení

Tento příspěvek je pokračováním příspěvku „Terminologie pro montáž v elektronice“a věnuje se problémům bezolovnatého pájení a zejména souvisejícím kontrolám a zkoušení. Odchod od pájek PbSn byl vynucen řadou směrnic, které mimo jiné zdůrazňovaly nebezpečnost olova v elektroodpadu.

První problémy při zavádění bezolovnatého pájení byly známé vady pájených spojů (viz tab. 1), které se vyskytovaly i dříve [8], [9] a které souvisí s nedostatečně optimalizovaným procesem bezolovnatého pájení vlnou [1].

Růst intermetalických slitin ( intermetallic growth) je záludnějším problémem [2]. Vede například ke změnám elektrického odporu, změnám pevnosti ve smyku (shear strength) a pevnosti proti vytržení (pull strength).

Rozpouštění mědi (copper dissolution) je popsáno v dokumentu [2]. Jde o ubývání mědi až k přerušení povrchových měděných vodičů, což souvisí s opakovanou expozicí pájkám. Problém vede k nutnosti přepracování hotových zapájených výrobků.

Elektrochemická migrace ( Electrochemical Migration, [5], metoda 2.6.14.1) značí růst dentritů mezi vodiči na desce. Souvisí s nedostatečnou čistotou desky po pájení a s lokální intenzitou elektrického pole mezi příslušnými vodiči. Migrace byla populárním problémem již před řadou let (migrace stříbra mezi vývody integrovaných obvodů s roztečí 1,27 mm). Dnešní rozteč vývodů 0,4 mm tento problém obnovuje, zejména pro výkonové součástky –viz tab. 2.

Čistota desek (PCB/PCBA Cleanliness) se kontroluje již pro neosazené desky (IPC-5701) a zejména po pájení ([5], metody 2.3.25 a 2.3.28; [7], zkouška 3C13). Čistota se vyjadřuje v ekvivalentních mikrogramech chloridů, resp. bromidů na jednotku plochy desky. Měří se např. technikou iontové chromatografie. Měřená deska se omývá v uzavřeném systému deionizovanou vodou a měří se její rezistivita. Ta klesá ze základní hodnoty cca 18 MΩ.cm. Jiný způsob měření čistoty desek je založen na měření povrchového izolačního odporu (Surface Insulation Resistance, [5], metoda 2.6.3.5; [7], zkouška 5E01)

Eroze/vyluhování metalizace (Loss of Metallization & Leaching) součástek pro SMT je rovněž obvyklým problémem bezolovnatého pájení. Dokument [6], 9.1 obsahuje kritéria přijatelnosti pájených spojů s touto vadou.

Eroze materiálu pájecího nářadí/zařízení představuje druhotné problémy při zavádění bezolovnatého pájení. Jde o části, které dlouhodobě přicházejí do styku s roztavenou bezolovnatou pájecí slitinou, např. hrot páječky nebo vana pájecího zařízení. Dokument [4] popisuje zkoušení (viz obrázek 1) proužku vyříznutého z materiálu vany ze zařízení pro bezolovnaté pájení vlnou. Zkušební podmínky takové zkoušky jsou uvedeny v tabulce 3.

Obr. 1 Měření eroze dílů zařízení pro pájení vlnou [2]

Maximální hloubka eroze se určuje statistickým přístupem. Dokument [4] popisuje v příloze B metodu statistické analýzy extrémních hodnot. Proužkový vzorek se zkouší na sestavě podle obrázku 1 a rozdělí se na N sekcí. Pomocí optického mikroskopu se určí maximální hloubka eroze pro jednotlivé sekce a potom se použije tzv. Gumbelovo rozdělení pro stanovení nejpravděpodobnější maximální hodnoty hloubky eroze na vzorku. Tento statistický přístup se běžně používá např. v meteorologii (maximální dešťové srážky), stavebnictví (maximální tíha sněhu na stavební konstrukce), případně jako metoda modelování extrémních rizik ve finanční sféře [3].