HomeShare
Magazine

Nieuwe test doet je twee keer nadenken over de keuze van je printplaat

Scroll

We kennen het allemaal: elektronische toestellen die beginnen te haperen. Bijvoorbeeld: een druktoets van de gsm die niet meer werkt, een boordcomputer van een auto die vervangen moet worden of een GPU van een computer die het vroegtijdig begeeft. Bart Vandevelde – onderzoeker van imec’s center of Electronic Design and Manufacturing (cEDM-groep) – gaat op zoek naar het waarom van deze problemen.

In een recente paper beschrijft hij één specifiek probleem: brosse breuk bij loodvrije soldeerverbindingen. De fundamentele studie van deze en andere problemen is niet enkel belangrijk voor de onderzoekswereld. De inzichten die hieruit voortkomen, helpen bedrijven om doordachte keuzes te maken bij het maken van een product en zo een betere kwaliteit te leveren aan hun klanten. In het geval van brosse breuk in loodvrije soldeerverbindingen, leiden de inzichten tot aanbevelingen voor de afwerking van printplaten en componenten. 

Gesoldeerde componenten die los komen, het is een zorg van elke fabrikant van elektronische producten. En al zeker als je wagens, vliegtuigen of spaceshuttles maakt. Dan mag er echt niets mislopen. Daarom is het belangrijk om betrouwbaarheidsproblemen door en door te begrijpen.

Brosse breuk

Eén van deze problemen is ‘brosse breuk’ of brittle fracture. Het is een ‘mooie’ rechte breuk waardoor het soldeerbolletje afbreekt van de printplaat of component. Dit gebeurt typisch door een trekspanning die optreedt tijdens het assembleren van de printplaat, tijdens het testen of tijdens het transport van het product. Maar ook tijdens het gebruik van het product door de klant kan brosse breuk optreden, bv. bij temperatuurschommelingen, trillingen of het laten vallen van het product.

Met de overschakeling naar loodvrij soldeermateriaal, is het probleem van brosse breuk nog meer uitgesproken. De reden hiervoor is dat loodvrije soldeerbolletjes minder elastisch zijn dan hun tin-lood-voorgangers. Een andere reden is dat de IMC-lagen (intermettalic compound) die gevormd worden tussen de printplaatbovenlaag (de zogenaamde afwerking of finish) en het soldeerbolletje enerzijds en tussen de componentafwerking en het soldeerbolletje anderzijds dikker en complexer zijn wanneer loodvrij soldeermateriaal wordt gebruikt. De brosse breuk ontstaat steeds in deze IMC-lagen.

A Tin-Lead (SnPb) solder ball with NiAu finishing that has broken loose from the print board (magnification 300x en 5000x)

Een Tin-Lood (SnPb) soldeerbal die - ten gevolge van een schokbelasting – onderaan afgebroken is van de printplaat met een NiAu afwerking. (vergroting 300x en 5000x)

Welke afwerking gebruiken?

De vraag is nu of de materiaalkeuze voor de afwerking van printplaten en componenten een invloed heeft op het al dan niet optreden van brosse breuken. Technologisch gezien zijn er drie soorten afwerking die gebruikt worden voor printplaten en componenten: koper; elektrolytisch nikkel en goud; en electroless nikkel en immersiegoud. Huidige testen voor o.a. brosse breuk zijn valtesten (toestel van 2m hoogte laten vallen) en afschuiftesten. Deze zijn echter niet kwantitatief genoeg om conclusies te kunnen trekken over de invloed van het soort afwerking dat gebruikt wordt voor printplaat en component. Door het ontwikkelen van kwantitatieve testen voor specifieke problemen (bv. brosse breuk) kunnen onderzoekers tot inzichten komen waardoor een bedrijf zeer doordachte materiaalkeuzes kan maken en defecten in de producten kan voorkomen.

50 soorten falingen

Imec beschikt over een groot toestelpark voor het uitvoeren van betrouwbaarheidstesten. Er zijn makkelijk zo’n 50 soorten falingen die kunnen optreden in elektronische producten en voor elk van hen bestaan er specifieke testen. Imec heeft verschillende labo’s en geassocieerde labo’s die rond betrouwbaarheid, modellering en analyses werken. Op die manier kan imec elk van deze falingen in detail bestuderen. Indien nodig worden ook nieuwe testopstellingen uitgewerkt. Er is een nauwe samenwerking tussen de cEDM-groep – die bedrijven wil sensibiliseren en ondersteunen in het ontwikkelen van duurzame elektronische producten – en de meetlabo’s van imec. Deze labo’s staan in de eerste plaats ten dienste van imec-onderzoekers maar zijn zeker ook toegankelijk voor de industrie.

Nieuwe test voor brosse breuk

cEDM en het reliability en modelling labo van imec ontwikkelden een nieuwe testopstelling voor het kwantitatief testen van brosse breuk. Het is gebaseerd op de Charpy-meetopstelling om de schokweerstand van soldeerbolletjes te meten. Deze opstelling werd geminiaturiseerd en aangepast. Zo is het mogelijk om krachten van verschillende groottes te testen die langs opzij (shear mode) op de component worden aangebracht of langs onderen (pull mode). De stalen worden aangebracht op een blok dat kan gekoeld worden met vloeibaar stikstof. Op die manier kunnen de stalen bij temperaturen tot -100°C getest worden. De test laat toe om mechanische schoktesten uit te voeren bij soldeerbolletjes van ware grootte.

New test for brittle fractures

 

Wat leert de test ons over brosse breuk?

De resultaten van deze testen geven verschillende nieuwe inzichten:

  1. De soldeerbolletjes kunnen slechts een 6X lagere kracht aan wanneer ze loodrecht (pull mode) getrokken worden dan wanneer de component langs de zijkant wordt afgeduwd. De pull mode test is dus veel relevanter en gevoeliger dan de ‘klassiek’ gebruikte afschuiftest.
  2. NiAu-afwerking van printplaat en component maakt de loodvrije soldeerbolletjes meer gevoelig voor brosse breuk. Het wordt vaak gekozen omdat het heel makkelijk soldeerbaar is.
  3. Temperatuursveroudering (1000h bij 150°C) bevordert de sterkte van de soldeerbolletjes, maar daar speelt zeker de uitstekende kwaliteit van de bordleverancier mee in deze testen. Bij mindere kwaliteit zou het omgekeerde effect kunnen gebeuren, nl dat de soldeerballetjes nog brosser worden na veroudering.

Dit bewijst dus nog maar eens dat het niet enkel belangrijk is om defecten op te sporen maar om ook op zoek te gaan naar het waarom van bepaalde defecten. Voor alle info omtrent het ontwerpen en maken van duurzame elektronica kan je terecht bij Bart Vandevelde of één van zijn cEDM-collega’s.

Dit artikel is gebaseerd op de EMPC2013-paper “Impact of pad finish on mechanical shock resistance of lead-free solder joints tested under shear and in pull mode” – Bart Vandevelde et al.

Gerelateerd

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over.

Accepteer cookies