Усталость паяного соединения

Любой материал под действием постоянных или повторяющихся механических напряжений «стареет», т.е. разрушается и теряет свои изначальные свойства. Усталость является одной из наиболее вероятных причин разрушения материала, причем она накапливается со временем. Этот эффект проявляется во всех материалах: металлы, полимеры и керамика. Особенно подвержен старению мягкий припой, температура плавления которого не превышает 400°C.
Если для пайки электронных схем используется мягкий оловянно-свинцовый или не содержащий свинец припой, то в качестве причины отказа ввиду отсутствия иных предпосылок называют именно старению припоя. В электронных схемах усталость припоя может быть вызвана не только механическими нагрузками, возникающими, например, при падении устройства, но и перепадом температур, который наблюдается в процессе работы схемы, когда отдельные блоки то включаются, то отключаются. В результате возникают циклические температурные напряжения, поскольку коэффициенты температурного расширения материалов платы, ИС и других компонентов различаются. Данный эффект приводит к температурному старению (в противовес механическому). На рисунке 1 показано расслоение соединения, вызванное температурными перепадами.

Рис. 1. Разрушение соединения из-за старения

Усталость — это прогрессирующее местное разрушение структуры на атомном или более высоком уровне, которое возникает при циклическом воздействии напряжения, когда нагрузка сменяется разгрузкой и наоборот. Усталостное разрушение обычно сопровождается образованием меж- и транскристаллитных трещин, развитие которых идет главным образом в период приложения растягивающих напряжений (см. рис. 2). Склонность металла к усталостному разрушению характеризуется пределом выносливости. Под этим понятием понимают величину максимального напряжения, при котором усталостное разрушение металлов не наступает через установленное количество циклов. При одновременном воздействии на металл переменных напряжений и коррозионной среды число этих циклов уменьшается, т.е. предел усталостной прочности снижается. В отличие от ползучести данный эффект носит местный характер.

Рис. 2. Трещина в паяном соединении

Как правило, процесс старения проходит три стадии: возникновение трещины, ее расширение и разлом. Для паяных соединений, обеспечивающих электрический контакт и механическое соединение, механический разлом обычно не является критерием сбоя. Однако из-за разлома увеличивается сопротивление, т.е. меняются электрические свойства соединения. Именно это может стать причиной отказа.
Перед электрическим сбоем часто происходит механическое повреждение. В присутствии коррозионных элементов может произойти коррозионное старение.
Предел выносливости зависит не только от состава припоя, воздействия очень высоких и низких температур, но и других факторов: наличие поверхностных дефектов, бороздок, дырок, остаточного напряжения, пустот или примесей, а также от газопроницаемости. На дефектах или примесных частицах могут скапливаться механические напряжения, начинается местное разрушение. Именно по этой причине нельзя не обращать внимание на дефекты, даже если при испытаниях было выявлено, что они не влияют на характеристики соединения.
На атомном уровне механизм усталости паяного соединения начинается с движения дислокаций (см. рис. 3). Вдоль линии скольжения происходят мелкие разломы.
На микроуровне усталость может быть обусловлена укрупнением зерен. Чем мельче зерна, тем дольше материал не теряет своих свойств. На рисунке 4 показана исходная микроструктура с хорошо распределенными фазами олова и свинца. Во время температурной нагрузки фазы значительно укрупняются за счет расслоения.

Рис. 3. Движение дислокации по кристаллической решетке

Рис. 4. Изменение микроструктуры содержащего свинец припоя

При сравнении бессвинцового соединения SAC с SnPb видны четкие свойственные различия их микроструктуры, которая определяет систему дислокаций, характер старения и ухудшения параметров в ответ на различные условия эксплуатации, т.е. усталостную долговечность.
Следует заметить, что напряжения, воздействующие на соединение, на практике имеют случайный характер, а не воздействуют циклически, как часто принимается при ускоренном температурном анализе (ATC). Вследствие этого важно экстраполировать результаты циклического тестирования к поведению при случайных напряжениях. Для бессвинцовых материалов эта задача сложнее.

Кроме того, для большинства мягких припоев даже при нормальной температуре окружающей среды (298 ±5K) гомологическая температура¹ намного превышает 0,5. Соответственно, существует высокая вероятность проявления ползучести, которая усугубляет общую деградацию свойств и скорее приводит к отказу, поскольку эти два механизма работают взаимосвязано.
Поскольку старение неизбежно, необходимо обеспечить надежность соединения, чтобы ухудшение электрических, механических и температурных свойств не приводило к потере функциональности в течение отведенного срока службы изделия при эксплуатации в приемлемых условиях.
Если не брать во внимание все внешние причины, внутреннее ухудшение паяного соединения в основном обусловлено двумя процессами: старение и ползучесть. Эти эффекты работают вместе. В зависимости от условий эксплуатации и внешней температуры они могут конкурировать, чередоваться или усиливать друг друга. В часто проводимом анализе АТС эти процессы также работают взаимосвязано. Таким образом, ухудшение характеристик можно рассматривать как отягощенная ползучестью усталость или ускоренная усталостью ползучесть.
В то же время этими процессами управляют различные параметры микроструктуры и свойства материала. В отличие от усталости, ползучесть определяется как временная деформация, глобальная и необратимая. В ответ на напряжение в припое возникают мгновенные пластическая и упругая деформации. При длительной деформации может произойти отказ.
Теоретически деформация от времени может происходить при любой температуре выше абсолютного нуля, хотя и с разной скоростью. При низкой температуре деформация из-за ползучести идет очень медленно и не приводит к внезапному разрыву. До области высоких температур напряжение накапливается по логарифмическому закону.
В общем случае на кривой ползучести, характеризующей степень деформации в зависимости от времени) выделяют три участка (см. рис. 5):
– АВ — участок неустановившейся (или затухающей) ползучести (стадия I),
– BC — участок установившейся ползучести, когда деформация идет с постоянной скоростью (стадия II),
– CD — участок ускоренной ползучести (стадия III).

Рис. 5. Кривая ползучести

На первой стадии процесс деформации идет очень быстро, после чего замедляется и происходит аналогично самопроизвольной диффузии. Второй этап начинается при температурах выше половины температуры плавления припоя. Скорость ползучести на этой стадии достигает стабильного значения в результате уравнивания двух фундаментальных противоположных процессов: деформационное упрочнение и восстановление (размягчение). Чем сильнее припой деформирован, тем медленнее он продолжает деформироваться. Упрочнение происходит за счет генерации дислокаций, препятствующих дальнейшей деформации. В области высоких температур механическое упрочнение частично или полностью компенсируется восстановлением. В результате устанавливается устойчивое равновесие, при котором скорость упрочнения равна скорости восстановления.
Форма кривой ползучести зависит от приложенного напряжения и температуры. Не всегда все три стадии четко видны.
Когда процесс восстановления начинает доминировать, наступает третья стадия, на которой скорость ползучести увеличивается до тех пор, пока не произойдет разрыв. На этой стадии обычно происходят структурные изменения, такие как кристаллизация, укрупнение и формирование внутренних разломов и пустот.

_______

¹ Гомологическая температура — безразмерная величина, численно равная отношению температуры вещества к температуре его плавления.