Testy lutowności: po co i jak?

Często zadawanym pytaniem jest, czym jest test lutowności i jaką pełni funkcję. Testowanie lutowności nie jest jak się czasem sądzi wstępnym przygotowaniem elementów, ale stanowi miarę łatwości, z jaką można wykonać połączenie lutowane. Testy lutowności służą do oceny lutowalności wyprowadzeń komponentów a ich wyniki różnią się w zależności od rodzaju użytego stopu lutowniczego: na przykład, przy użyciu różnych stopów bezołowiowych, lutowność może znacznie różnić się od wyników testów prowadzonych przy użyciu lutu wykonanego na bazie ołowiu.

Wprowadzenie

Jeszcze w roku 1983 departament obrony USA ustalił, że ponad 40% awarii systemów elektroniki wojskowej miało charakter elektryczny, a około 50% spośród nich było spowodowanych złymi połączeniami lutowniczymi. Stwierdzono, że wykończenia wykańczane niklem (Ni) lub cyną (Sn) są porowate i trudno tworzą warstwy międzymetaliczne, umożliwiając penetrację tlenków w głąb aż do metalu podstawowego, co prowadziło do słabej integralności połączenia lutowanego, a zatem powodowało awarie podczas funkcjonowania urządzenia. W rezultacie ustanowiono normę testowania lutowności MIL-STD-883, aby zapewnić, że wszystkie komponenty w zastosowaniach o wysokiej niezawodności rzeczywiście nadają się do lutowania.

Metody testowania lutowności

Metoda MIL-STD-883 2003 jest jednym z najstarszych i najczęściej stosowanych standardów testowania lutowności w branży montażu elektroniki. Standard ten stanowi też bazę poniższej dyskusji, przedstawiającej bardziej szczegółowe informacje na temat wykonywania testów lutowności. Norma MIL-STD-883 wykorzystuje metodę lutowania zanurzeniowego, wymagającą następującego sprzętu:

1) tygiel lutowniczy o wystarczającej objętości, który może utrzymać lut w określonej temperaturze,

2) sprzęt do starzenia parowego do starzenia próbek przed badaniem,

3) mechanizm zanurzania zdolny do kontrolowania szybkości zanurzenia i prędkości wyjściowej, a także czasu przebywania wyprowadzeń w kąpieli

4) optyczny system kontroli i oświetlenia, umożliwiający co najmniej 10-krotne powiększenie.

Po co testować lutowność?

Testy lutowności umożliwiają określenie lutowalności wyprowadzeń komponentu, które mają być połączone z inną powierzchnią lutowniczą za pomocą cyny i ołowiu (SnPb) lub bezołowiowych stopów lutowniczych. Celem przeprowadzania testów lutowności jest ustalenie, czy komponent zapewnia odpowiedni stopień zwilżania, niezbędny do utworzenia solidnego połączenia lutowanego. Słaby wynik testu lutowności wskazuje, że może powstające połączenie może być nieoptymalne. Testowanie lutowności jest również skuteczne w różnych aspektach produkcji płytek drukowanych, takich jak ocena różnych wykończeń PCB, stopów lutowniczych, pasty lutowniczej lub topników.  

Oprócz elektroniki konsumenckiej istnieje wiele branż, które wymagają urządzeń półprzewodnikowych o dłuższym cyklu życia, takich jak sektor przemysłowy, motoryzacyjny, medyczny, lotniczy i obronny, który wymaga między innymi długoterminowego przechowywania komponentów. Wszędzie tam, gdzie wymagane jest długoterminowe przechowywanie komponentów, kluczowe znaczenie ma zapewnienie niezawodności komponentów elektronicznych, a kluczową miarą jakości jest wynik testu lutowności.

Procedury testowe

Testy lutowności mają na celu określenie, jak dobrze roztopiony lut zwilży się na lutowanych powierzchniach. Najczęstsze kategorie testów lutowności to testy jakościowe i testy ilościowe. Najpopularniejszą jakościową metodą testowania jest metoda zanurzania i oceny wizualnej (dip-and-look), która obejmuje subiektywne badanie, polegające na analizie porównawczej próbek testowych. Najpopularniejszą metodą badań ilościowych jest metoda wetting balance, co można by przetłumaczyć jako test równowagi zwilżania, która wymaga interpretacji krzywej zwilżenia. Test równowagi zwilżania służy do pomiaru sił zwilżania między stopionym lutowiem a powierzchnią próbki testowej w funkcji czasu. Powierzchnie lutowane różnią się szybkością i siłą adhezji, dlatego test równowagi zwilżania mierzy czas zwilżania wyprowadzeń (względnie padów) komponentów przez różne stopy lutownicze.

Test zanurzania i kontroli wizualnej to metoda, w której badana próbka jest całkowicie zanurzana w stopionym lutowiu, a następnie sprawdzana wizualnie. Zwykle próbka jest zanurzana przez operatora a łączone powierzchnie są najpierw zwilżane topnikiem.

W celu symulacji wydłużonych warunków przechowywania komponentów SMD/THT stosowany jest sprzęt do starzenia próbek. Jeśli wymagane są dodatkowe testy w zastosowaniach o znaczeniu krytycznym, do pomiaru grubości lutów wyprowadzeń komponentów można też użyć fluorescencji rentgenowskiej (XRF). Niekiedy do analizy warstwy międzymetalicznej stosuje się też mikroskopię elektronową (SEM).

Kryteria akceptacji

Zgodnie ze standardem MIL-STD-883 Method 2003, głównym kryterium dopuszczalności wyników badania lutowności jest pokrycie 95% zanurzonej części wyprowadzenia nowo utworzonym i ciągłym lutem. Dlatego pory, pustki, niezwilżona lub ponownie odsłonięta powierzchnia nie może  przekraczać 5% całkowitej powierzchni zanurzonego wyprowadzenia.

Rysunek 1. Próbka do lutowania wykazująca porowatość (po lewej) i próbka do badań wykazująca brak zwilżania (po prawej) © Hentec Industries

Oprócz standardu MIL-STD-883 Method 2003, inne popularne standardy testowania lutowności to przede wszystkim standard IPC J-STD-002, jak również MIL-STD-202 Method 208, J-STD-001 (dodatek dotyczący urządzeń stosowanych w przestrzeni kosmicznej), J-STD-001ES, J-STD-003, JEDEC JESD22-B102 i MIL-STD-750 Method 2026.

Metody jakościowe i wartościowe

Jak już wspomniano, dwie najpopularniejsze metody to zanurzanie i inspekcja wizualna oraz

metoda równowagi zwilżania. Pierwszą z metod można opisać jako test jakościowy, przeprowadzany poprzez analizę porównawczą po zanurzeniu próbek w kąpieli z topnikiem i roztopionym lutem. Metoda równowagi zwilżania jest testem wartościowym, opartym na interpretacji krzywej zwilżania mierzącej wypór próbki. Również dla tego testu istnieje kilka standardów testowania lutowności, ale najpopularniejsze to MIL-STD-883 Method 2003, IPC J-STD-002 i MIL-STD-202 Method 208.

Chociaż metoda badania równowagi zwilżania jest precyzyjna i mierzy siły zwilżania między stopionym lutowiem a próbką testową w funkcji czasu, jednak wymaga interpretacji krzywej zwilżania przez wykwalifikowany personel w środowisku laboratoryjnym. Inną wadą jest to,  że jeśli system nie jest odpowiednio skalibrowany lub jeśli test zostanie wykonany nieprawidłowo przez niewykwalifikowany personel, krzywe zwilżania mogą być łatwo zniekształcone.

W przypadku niektórych zastosowań o wysokiej niezawodności mogą być wymagane dodatkowe testy lutowności. Przykładowo, mogą one obejmować starzenie parowe, które jest wykorzystywane do testowania w warunkach symulujących wydłużone przechowywanie.

Procedura testu lutowności

Zgodnie z normą MIL-STD-883 Method 2003, ogólna procedura badania lutowności składa się z następujących etapów:

1) właściwe przygotowanie próbek, które nie może obejmować wycierania, czyszczenia, skrobania ani ścierania testowanych wyprowadzeń

2) starzenie próbek w piecu parowym, które polega na wystawieniu testowanych powierzchni na działanie pary wodnej przez osiem godzin i wysuszeniu ich albo poprzez wypalanie w 100ºC przez nie więcej niż jedną godzinę w suchej atmosferze albo suszenie powietrzem w temperaturze otoczenia przez co najmniej piętnaście minut

3) prawidłowa aplikacja topnika na wyprowadzenia

4) zanurzanie w roztopionym lutowiu,

polegające na zanurzeniu końcówek w statycznej kąpieli lutowniczej o jednolitej temperaturze 245C ± 5ºC

5) badanie wyprowadzeń w powiększeniu 10-15x.

Artykuł został opracowany na podstawie obszernych fragmentów pracy 'The Role of Solderability Testing and Its Importance in Successful Soldering' autorstwa Henrego Reid'a z © Hentec Industries/RPS Automation