201306_PSpaw_5i5a.pdf 11Przegląd sPawalnictwa 6/2013 Andrzej Ambroziak Piotr Białucki Wiesław Derlukiewicz Artur Lange Leszek Łatka Badania połączeń elektrotechnicznych lutowanych na miękko study of soldered electrotechnical joints Prof. dr hab. inż. Andrzej Ambroziak, dr inż. Piotr Białucki, dr inż. Wiesław Derlukiewicz, dr inż. Artur Lange, dr inż. Leszek Łatka – politechnika Wrocławska. Streszczenie Przedmiotem badań były złącza elektrotechniczne przewodów miedzianych do miedzianej ścieżki płytki ob- wodu drukowanego lutowanych lutem miękkim bezoło- wiowym na osnowie cyny. Zakres badań obejmował określenie wytrzymałości złączy lutowanych na ścinanie przy siłach rozciągają- cych złącze oraz wykonanie badań makro- i mikrosko- powych. Abstract The electrotechnical soldered joints of copper wires to copper track printed circuit board were the object of investigations. The scope of research included determining the shear strength of soldered joints and macro- and microscopic investigations. Badania złączy Zgodnie z unijną dyrektywą RoHS producenci elektroniki i urządzeń elektrotechnicznych zobowią- zani są do stosowania lutów niezawierających sub- stancji niebezpiecznych, w tym ołowiu Pb [1]. Warun- ki te spełniają dwuskładnikowe stopy Sn-Cu, Sn-Ag oraz trójskładnikowe Sn-Ag-Cu zwane powszechnie lutami SAC. Bezołowiowe, ekologiczne luty, które spełniają dy- rektywę RoHS, zapewniają równie dobre połączenia między lutowanymi elementami jak luty Sn-Pb, jednak mają wyższą o ok. 50oC temperaturę topnienia. Stopy bezołowiowe uważa się za luty o gorszej zwilżalno- ści niż luty Sn-Pb, lecz złącza nimi lutowane osiągają wyższe właściwości wytrzymałościowe [2]. Złącza do badań wykonano przy użyciu lutu S-Sn96,5Ag3Cu0,5 (SAC 305) o temperaturze topnie- nia 217÷219oC, w postaci drutu rdzeniowego o śred- nicy 0,7 mm z topnikiem 1.1.3 B o zawartości 3% [3]. Zawartość pierwiastków stopowych w lucie SAC 305 przedstawiono w tablicy I, a wygląd badanych złą- czy na rysunku 1. Tablica I. Skład chemiczny lutu S-Sn96,5Ag3Cu0,5 wg PN-EN ISO 9453:2006 [4], % wag. Table I. The chemical composition of the S-Sn965Ag3Cu0,5 solder, acc. to PN-EN ISO 9453:2006 [4], % mas. Sn Ag Cu Pb Cd Sb Bi Fe Zn Al As Inne re sz ta 3, 0 0, 5 0, 05 0, 00 2 0, 10 0, 10 0, 02 0, 00 1 0, 00 1 0, 03 0, 08 Rys. 1. Złącza lutowane przeznaczone do badań wytrzymałościo- wych i metalograficznych Fig. 1. Soldered joints intended for strength tests and metallographic investigations 12 Przegląd sPawalnictwa 6/2013 Badania wytrzymałości na ścinanie połączeń lutowanych Połączenia drucików elektrycznego przewodu mie- dzianego tworzą ze ścieżką miedzianą na płytce druko- wanej złącze zakładkowe. Ten rodzaj złącza projektuje się do przenoszenia naprężeń ścinających. Wytrzyma- łość na ścinanie złączy lutowanych na miękko określa- no na podstawie próby rozciągania. Płytka drukowana złącza lutowanego jest bardzo cienka i ma małą powierzchnię, w związku z czym nie można jej bezpośrednio zamocować w szczękach maszyny wytrzymałościowej. W związku z tym prób- ki do badań wymagały odpowiedniego przygotowa- nia. Do obu stron płytki drukowanej i przylutowanego przewodu doklejano nakładki aluminiowe o grubości 1 mm, powiększając powierzchnię mocowania próbki w szczękach maszyny wytrzymałościowej. Próbę ścinania badanych złączy lutowanych prze- prowadzono na uniwersalnej maszynie wytrzymało- ściowej Tinius Olsen H25KT zakresie do 200 N. Dwa badane złącza po próbie rozciągania pokaza- no na rysunku 2. W wyniku przeprowadzonych prób stwierdzono, że wytrzymałość złączy jest większa niż wytrzymałość przewodu miedzianego. Siła niszcząca przewody mie- dziane złączy mieściła się w przedziale 150÷160 N. Badania metalograficzne Badania na mikroskopie świetlnym Badania metalograficzne złączy lutowanych wyko- nano na mikroskopie świetlnym OLYMPUS CK40M oraz na mikroskopie elektronowym TESCAN. Na rysunkach 3 i 4 pokazano budowę złączy luto- wanych na przekrojach poprzecznych, a na rysunkach 5 i 6 na przekroju wzdłużnym. Obserwacje mikroskopowe złączy lutowanych na zgładach poprzecznych i wzdłużnych wykazały wy- soką jakość połączenia miedzianych drucików prze- wodów ze sobą oraz ze ścieżką miedzianą o grubo- ści 0,07 mm płytki drukowanej. Przy powierzchniach granicznych między drucikami oraz drucikami i ścież- ką miedzianą występują wyraźne, charakterystyczne Rys. 2. Próbki złączy lutowanych na miękko po badaniach wytrzy- małości na ścinanie Fig. 2. View of soldered joints after shear tests Rys. 3. Makrostruktura złącza lutowanego na przekroju poprzecz- nym. Zgład nietrawiony. Pow. 50x Fig. 3. Macrostructure of solder joint on the cross-section. Unetched. Magn. 50x Rys. 4. Mikrostruktura złącza lutowanego na przekroju poprzecznym. Zgład nietrawiony. Pow. 200x Fig. 4. Microstructure of solder joint on the cross-section. Unetched. Magn. 200x Rys. 5. Mikrostruktura złącza lutowanego na przekroju wzdłużnym. Zgład nietrawiony. Pow. 200x Fig. 5. Microstructure of solder joint on the longitudinal section. Unet- ched. Magn. 200x 13Przegląd sPawalnictwa 6/2013 strefy reakcyjne lutu z miedzią o szerokości kilku, a miejscami kilkunastu mikrometrów, świadczące o wy- stąpieniu procesów rozpuszczania miedzi w lucie, co jest bardzo ważne dla powstania prawidłowego złącza lutowanego. Badania metalograficzne na mikroskopie elektronowym skaningowym Do badań na elektronowym mikroskopie skanin- gowym wybrano zgład poprzeczny. Budowę złącza w obszarze obserwowanym przy ścieżce miedzianej pokazano na rysunku 7. Wykonano również analizę składu chemicznego wzdłuż linii obejmującej drucik miedziany, strefę reakcyjną oraz lutowinę (rys. 8), a także skład chemiczny punktowy (średnica plamki 2 µm) w strefie reakcyjnej (rys. 9). Przedstawione na rysunkach 8 i 9 mikrofotografie z mikroskopu skaningowego potwierdzają prawidło- wą budowę złącza lutowanego zaobserwowanego wcześniej na mikroskopie świetlnym. Punktowa analiza w strefie reakcyjnej wskazu- je na obecność miedzi, cyny i srebra, co potwierdza wzajemne rozpuszczanie się składników złącza lu- towanego i świadczy o jego prawidłowej budowie (rys. 9). Z analizy EDx na rysunku 8b widać, że strefa reakcyjna osiąga szerokość nawet 16 µm. Rys. 6. Mikrostruktura złącza lutowanego na przekroju wzdłużnym. Zgład nietrawiony. Pow. 500x Fig. 6. Microstructure of solder joint on the longitudinal section. Unet- ched. Magn. 500x Rys. 7. Mikrofotografia SEM złącza lutowanego na miękko. Zgład nietrawiony. Pow. 1020x Fig. 7. SEM micrograph of soldered joint. Unetched. Magn. 1020x Rys. 8. Mikroanaliza rozkładu pierwiastków wzdłuż linii w pobliżu strefy reakcyjnej: a) SEM obszaru badanego złącza, b) i c) analiza EDx rozkładu pierwiastków Fig. 8. Microanalysis of the distribution of elements along the line near the reaction zone: a) SEM study area of joint, b) and c) EDx analysis of the distribution of elements a) b) c) 14 Przegląd sPawalnictwa 6/2013 Rys. 9. Punktowa mikroanaliza zawartości pierwiastków w strefie reakcyjnej: a) SEM obszaru badanego złącza, b) analiza EDx rozkładu pierwiastków Fig. 9. Spot microanalysis of elements in the reaction zone: a) SEM study area of joint, b) EDx analysis of the distribution of elements Wnioski Wyniki próby rozciągania złączy wykazały, że ich wytrzymałość na ścinanie jest większa niż wytrzyma- łość drucików miedzianych przewodów złącza. Siły niszczące przewody złącza mieściły się w przedziale 150÷160 N. Badania metalograficzne makro- i mikroskopo- we wykonane na mikroskopie optycznym wykazały wysoką jakość złączy lutowanych. Pomiędzy luto- winą a powierzchnią elementów złączy widoczne są Literatura [1] http://www.rohs-weee.pl/rohs.php. 2013-05-07. [2] http://www-old.wemif.pwr.wroc.pl/dydaktyka/etd8022/Montaz w elektronice_cz.12_Lutowanie bezolowiowe.pdf. 2013-05-07. wyraźnie strefy reakcyjne o szerokości wynoszącej od kilku do kilkunastu mikrometrów. Mikrofotografie SEM z mikroskopu elektronowego potwierdziły wyniki badań z mikroskopu świetlnego. Analiza EDx wykazała obecność w strefie reakcyjnej składników lutu oraz powiększoną zawartość miedzi pochodzącej z drucików przewodu lub ze ścieżki płyt- ki drukowanej. [3] PN-EN ISO 9454-2:2004 Topniki do lutowania miękkiego – Klasyfikacja i wymagania – Część 2: Wymagania użytkowe. [4] PN-EN ISO 9453:2006 Luty miękkie -- Skład chemiczny i postać. a) b) Spotkania Spawalników w 2013 r. 6 Warmińsko-Mazurska Biesiada Spawalnicza Olsztyn, 13.06.2013 Kontakt: Wiesława Bączyk, tel.: 89 535 10 00, e-mail: olsztyn@rywal.com.pl II Dolnośląskie Sympozjum Spawalnicze Wrocław, 19.06.2013 Kontakt: Artur Lange, tel.: 71 320 21 45, Artur.Lange@pwr.wroc.pl XII Szczecińskie Seminarium Spawalnicze Szczecin, 5.09.2013 Kontakt: Katarzyna Rudzka, tel.: 91 462 42 75, Katarzyna.Rudzka@pl.linde-gas.com II Kieleckie Spotkanie Spawalników Kielce, 12.09.2013 Kontakt: Ewelina Janus, tel.: 41 368 74 80, Ewelina.Janus@pl.linde-gas.com XVII Pomorskie Spotkanie Spawalników Gdańsk, 17.10.2013 Kontakt: Iwona Janson, tel.: 58 511 28 00, Iwona.Janson@pl.linde-gas.com