Оценка свойств МОС в составе соединения

Для контроля МОС в составе электрического монтажного соединения находит применение различные методы [11–18], например метод неразрушающего контроля, основанный на измерении степени нелинейности вольтамперной характеристики (ВАХ) электрического соединения. Идеальный пассивный элемент должен иметь линейную ВАХ. Наличие неоднородностей и дефектов у реальных элементов приводит к нарушению линейности ВАХ. Наличие нелинейности объясняется существованием потенциального барьера, к образованию которого может привести нарушение энергетических уровней атомов вследствие существования, например, различных поверхностных энергетических уровней.

Основным методом измерения нелинейности ВАХ является метод третьей гармоники [15].

Метод основан на измерении максимального значения напряжения третьей гармоники, возникающего в соединении при прохождении через него синусоидального тока низкой частоты (обычно 10 кГц).

Величина уровня нелинейности, измеренная при фиксированном измерительном напряжении на определенной частоте, определяется по формуле

, (1.1)

где  – уровень третьей гармоники;

, – амплитуды первой и третьей гармоник, соответственно.

Отбраковка потенциально ненадежных соединений может быть осуществлена по предельно допустимым уровням нелинейности. Предельно допустимые значения уровня нелинейности устанавливаются экспериментально после обработки статистических данных. Как и все косвенные методы, метод, основанный на измерении степени нелинейности ВАХ, имеет специфические недостатки и дает результат с большой погрешностью.

Визуальный метод является основным для контроля монтажных соединений ЭА. Вспомогательными методами являются оценка прочности ПС на отрыв или срез (разрушающий метод) .

Основным критерием, по которому может быть оценено качество ПС, является величина переходного электрического сопротивления . Однако при производстве ЭА оценка ПС по этому критерию вызывает значительные трудности либо оказывается невозможной. Это объясняется малой величиной переходного сопротивления  мкОм и зависимостью величины  от параметров электрической схемы.

Это привело к использованию на практике косвенных признаков, которые характеризуют основной критерий качества ПС – , к которым, в первую очередь, относят:

– характер поведения расплавленного припоя и его взаимодействие с обслуживаемыми или паяемыми поверхностями;

– состояние (внешний вид, зернистость, цвет и т. д.) поверхности припоя после лужения и пайки;

– характер, размеры и форма дефектов;

– усилия, выдерживаемые ПС при испытаниях на разрушение.

Как уже отмечалось, механическая прочность какого-либо сплава является функцией главным образом технологии изготовления образца и условий его старения. В частности, в оловянно-свинцовой системе также отмечалось изменение ее прочности с течением времени. Поэтому, для того чтобы при проведении повторных испытаний получить однотипные результаты, необходимо в каждом случае отмечать хотя бы приближенно время, прошедшее после пайки данного соединения. Другим фактором, который нельзя упускать из виду, является уровень температуры во время испытания.

Так как большинство легкоплавких сплавов обладает сравнительно низкой температурой рекристаллизации, весьма близкой к комнатной, уже небольшие изменения температуры испытания могут привести к существенным отклонениям в свойствах паяных соединений. Эти сплавы гораздо более чувствительны к изменениям температуры, чем обычные основные металлы, с которыми приходится иметь дело при пайке. Далее, мы уже видели, что прочность соединения зависит от величины зазора между деталями, так что и его нужно тщательно регистрировать. Кроме того, играет роль и длительность процесса пайки, а также дальнейший тепловой режим соединения, обусловливающий количество образующихся интерметаллических соединений, а они, как отмечено ранее, сильно влияют на механические свойства соединения. С учетом всех этих факторов рассмотрим сейчас испытания, предназначенные для определения ряда свойств соединения, и характер даваемой ими информации.

Когда рассматривается прочность материала припоя паяного соединения на растяжение и срез, эти показатели для припоя могут дать лишь общее представление о величинах прочности, которые можно предполагать у соединения. Поэтому было бы правильно ввести для соединения и собственно припоя различные термины, например несущая способность спая или сопротивление спая срезу.

Разрушенный в ходе испытания образец необходимо тщательно осмотреть, чтобы установить, произошло ли разрушение по соединению или по основному металлу. Если образец разрушился по граничным поверхностям, то нужно исследовать степень смачиваемости поверхности и определить, есть ли в соединении поры и полости, чтобы можно было принять надлежащие меры и скорректировать выбор материалов и технологии пайки.

Если испытанию подвергается образец, изготовленный из припоя, то для получения результатов, сравнимых с данными других исследований, можно рекомендовать следующую методику.

Образец для испытания на растяжение отливают в форму, подогретую до 100 °С, и быстро охлаждают отливку. Температура заливки превышает точку ликвидуса на 50 °С. Образцы обычно имеют сечение 6,35 12,7 мм; длина рабочего участка составляет 51 мм, а вся длина образца определяется глубиной его ввода в зажимные губки. При отливке более высокотемпературных припоев можно рекомендовать более высокий подогрев формы, чтобы избежать неоднородных образцов или образцов с большим количеством полостей и пустот в них. После испытания образец следует тщательно осмотреть в месте разрушения и удостовериться в том, что на поверхности разлома нет полостей и тому подобных дефектов, могущих дать ошибочный результат при пересчете найденных цифр, показывающих сопротивление припоя разрыву. Если разрыв образца происходит на участке, зажатом в губках (результаты таких испытаний во внимание не принимаются), то между образцом и приспособлением рекомендуется закладывать тонкую пленку майлара.

Предел ползучести материала припоя паяного соединения является показателем изменений, происходящих в данном соединении при наличии в нем длительных напряжений, иногда при повышенных температурах. Для определения этого параметра применяются обычные методы испытаний, регистрация результатов которых также не отклоняется от нормальной практики. Для легкоплавких припоев такая информация представляет значительную ценность, так как большинство таких сплавов обладает низким сопротивлением ползучести. Правда, иногда некоторые легирующие присадки, например сурьма в оловянно-свинцовых системах, повышают сопротивление соединения ползучести до уровня, позволяющего успешно использовать данные припои в большинстве паяных соединений.

Таким образом, в настоящее время оценка свойств МОС сводится к оценке прочности соединений с помощью измерении усилий, вызывающих разрушения соединений при испытаниях их на механическую прочность. Являясь замечательным методом оценки качества соединений в целом, при решении отдельной задачи: оценивания свойств материалов, приходится сталкиваться с существенным недостатком указанного метода – зависимости наблюдаемых результатов не только от свойств материала, но и конструктивных особенностей соединения и технологического процесса подготовки поверхности. Это не дает возможности, например, использовать признанную методику оценки прочности при испытании на растяжение, так как для измерения напряжения разрыва, необходимо оценивать эффективную площадь соединения.

При разрыве образца возникает поверхность разрыва (ПР), которую можно наблюдать при анализе результатов испытаний. Можно предположить, что измерение площади этой поверхности даст возможность оценивать эффективную прочность материала, а так же предположить, что выше перечисленные свойства участвуют в формировании ПР и наблюдение этой поверхности дает возможность получать существенную информацию при оценке свойств материала. В этой связи возникает задача анализа механизма формирования ПР, и возможности отображения на поверхности свойств материала.