Implementazione di prove termiche e risultati preliminar

Lo scopo di questa prima sperimentazione è stato quello di valutare il comportamento a seguito di uno stress termico di saldature effettuate con una lega senza Piombo (95.5Sn3.8Ag0.7Cu) operando un confronto con quelle allo Stagno-Piombo tradizionali. Dato il periodo di transizione in cui coesistono più tipi di leghe, è stato deciso di testare anche saldature lead-free con contaminazioni di Piombo.

Dato lo studio introduttivo del campione in esame, non sono state estrapolate considerazioni statistiche riguardanti i tre tipi di saldatura, ma è stato effettuato un confronto componente per componente, prima e dopo la prova climatica, per la valutazione della variazione dei valori di resistenza misurata sui reofori dei componenti. Per i campioni realizzati sono stati previsti cicli di temperatura passivi, che consistono nel sottoporre il dispositivo sotto test a temperature alte e basse alternativamente, con tempi di stazionamento predeterminati, senza caricamento elettrico dei dispositivi stessi. Il cambiamento della temperatura dovrebbe essere compiuto a tassi minori di 20 °C/min per evitare urto termico. Il tempo di stazionamento è determinato tramite il comportamento di frattura della saldatura. Per produrre guasti di fatica/frattura, i cicli di temperatura suggeriti sono -25°C÷+100°C o 0°C÷+100°C secondo il campo di applicazione del prodotto, con 15÷20 minuti di stazionamento agli estremi di temperatura, rispettivamente.

È importante che queste temperature e i tassi di riscaldamento e raffreddamento siano misurati sul campione e non solo all'interno dell'apparecchiatura che effettua il ciclo termico, infatti può verificarsi grande differenza nella risposta di un campione e di quella dell’apparecchio utilizzato per il riscaldamento/raffreddamento. Queste differenze dipenderanno da variabili come il caricamento termico totale, funzione del numero di campioni esaminati, la massa termica di ogni campione e quella dell’apparecchiatura, la distribuzione dei campioni, così come la portata d’aria.

Per quanto riguarda la severità del ciclo termico che s’intende eseguire, si fa riferimento alla norma JEDEC 22-A 104-B [74]

Facendo riferimento alla categoria dispositivi elettronici commerciali vengono scelti i seguenti parametri di severità della prova:

• Tmin = -25 °C. • Tmax = 100 °C. • tD = 15 min.

• Numero di cicli = 170 cicli.

Dove tD (dwell time) è il tempo di permanenza, ovvero il tempo in cui il ciclo rimane a temperatura costante, nelle condizioni di temperatura massima e minima. Il cambiamento della temperatura dovrebbe essere compiuto a tassi minori di 20°C/min per evitare urto termico, quindi si è scelto un gradiente termico nella fase di salita della temperatura di 5°C/min.

E’ stata impostata, inoltre, un’umidità relativa del 20% su ogni rampa si salita (20 °C ÷ 100 °C), mentre negli altri tratti si è lasciato il controllo della stessa alla camera

climatica, per analizzare la risposta delle saldature alle singole sollecitazioni ed evitare l’insorgere di guasti differenti da quelli che si vuole attualmente indagare, si è deciso di non “stressare” i componenti con un’alta umidità relativa, che potrebbe portare all’indesiderata condensa ed al conseguente congelamento degli elementi per T≈0°C. La prova termica è stata eseguita in due fasi da 85 cicli l’una, per controllare il comportamento delle saldature e verificare se qualcuna di esse riportasse notevoli variazioni nelle misure di interesse.

Alla fine della prima fase, dopo un’analisi visiva dalla quale non state rilevate variazioni morfologiche delle saldature, sono state effettuate delle misure di resistenza elettrica e confrontati con i dati rilevati prima dell’esecuzione della prova.

In Figura 4.6 è possibile osservare, le misure di resistenza relative a saldature senza Piombo realizzate su supporto di Rame prima e dopo gli 85 cicli termici, per i punti di misura si fa riferimento a quanto riportato in Figura 4.5; dopo il primo passaggio in camera nel 66,6% dei casi il valore di resistenza è diminuito, nell’8,3% è aumentato, nel 25% non è variato. Mentre le misure di resistenza relative a saldature senza Piombo realizzate su supporto di Rame stagnato (Figura 4.7), dopo il primo passaggio in camera climatica, nel 20% dei casi il valore di resistenza è diminuito, nel 60% è aumentato, nel 20% non è variato.

Figura 4.6: valori di resistenza misurati prima e dopo il primo passaggio in camera climatica su saldature senza Piombo realizzate su supporto di Rame

Figura 4.7: valori di resistenza misurati prima e dopo il primo passaggio in camera climatica su saldature senza Piombo realizzate su supporto di Rame stagnato In Figura 4.8 è possibile osservare, le misure di resistenza relative a saldature Sn-Pb realizzate su supporto di Rame prima e dopo gli 85 cicli termici, per i punti di misura si fa riferimento a quanto riportato in Figura 4.5; dopo il primo passaggio in camera nell’83,3% dei casi il valore di resistenza è diminuito, nell’8,3% è aumentato, nell’8,3% non è variato. Mentre le misure di resistenza relative a saldature Sn-Pb realizzate su supporto di Rame stagnato (Figura 4.9), Dopo il primo passaggio in camera nel 20% dei casi il valore di resistenza è diminuito, nel 40% è aumentato, nel 40% non è variato

Figura 4.8: valori di resistenza misurati prima e dopo il primo passaggio in camera climatica su saldature allo Stagno-Piombo realizzate su supporto di Rame

Figura 4.9: valori di resistenza misurati prima e dopo il primo passaggio in camera climatica su saldature allo Stagno-Piombo realizzate su supporto di Rame

Infine in Figura 4.10 sono riportate le misure di resistenza relative a saldature miste realizzate su supporto di Rame prima e dopo gli 85 cicli termici, per i punti di misura si fa riferimento a quanto riportato in Figura 4.5; si può rilevare che nell’87,5% dei casi il valore di resistenza è diminuito, nel 12,5% è aumentato. Mentre le misure di resistenza relative a saldature miste realizzate su supporto di Rame stagnato (Figura 4.11), Dopo il primo passaggio in camera nel 62,5% dei casi il valore di resistenza è diminuito, nel 25% è aumentato, nel 12,5% non è variato.

Figura 4.10: valori di resistenza misurati prima e dopo il primo passaggio in camera climatica su saldature contaminate realizzate su supporto di Rame

Figura 4.11: valori di resistenza misurati prima e dopo il primo passaggio in camera climatica su saldature contaminate realizzate su supporto di Rame stagnato Dai risultati ottenuti dopo la prima fase di prova termica non è possibile estrapolare un andamento tipico dei valori resistivi, si è notato, però, che a parità di basetta le due leghe si comportavano allo stesso modo; per questo si ipotizza che la variazione dei valori resistivi successivamente a stress termico sia influenzata dal tipo di piano di saldatura.

Anche dopo i successivi 85 cicli in camera climatica, non sono state rilevate variazioni morfologiche di nessuna tipologia di saldatura; tutti i resistori sono rimasti saldati alla basetta e nessuna goccia di lega si è dissaldata.

I valori di resistenza relativi a saldature SAC realizzate su supporto di Rame dopo 170 cicli rispetto ai valori misurati prima della prova nel 66,6% sono diminuiti, nel 25% è aumentati, nel 8,3% non sono variati. Mentre rispetto ai valori dopo il primo passaggio in camera, nel 58,3% dei casi il valore di resistenza è diminuito, nel 25% è aumentato, nel 16,6% non è variato (Figura 4.12).

I valori di resistenza relativi a saldature SAC realizzate su supporto di Rame stagnato dopo 170 cicli rispetto ai valori misurati prima della prova nel 20% dei casi il valore di resistenza è diminuito, nel 80% è aumentato. Mentre rispetto ai valori dopo il primo passaggio in camera, nel 30% dei casi il valore di resistenza è diminuito, nel 70% è aumentato (Figura 4.13).

Figura 4.12: confronto tra le misure di resistenza effettuate su saldature senza Piombo realizzate su supporto di Rame

Figura 4.13: confronto tra le misure di resistenza effettuate su saldature senza Piombo realizzate su supporto di Rame stagnato

I valori di resistenza relativi a saldature Sn-Pb realizzate su supporto di Rame, dopo 170 cicli, rispetto ai valori misurati prima della prova nel 58,3% dei casi sono diminuiti, nel 33,3% aumentati, nel 8,3% non sono variati Mentre rispetto ai valori dopo il primo passaggio in camera, nel 41,6% dei casi il valore di resistenza è diminuito, nel 41,6% è aumentato, nel 16,6% non è variato (Figura 4.14).

I valori di resistenza relativi a saldature Sn-Pb realizzate su supporto di Rame stagnato dopo 170 cicli rispetto ai valori misurati prima della prova nel 20% dei casi il valore di resistenza è diminuito, nel 80% è aumentato. Mentre rispetto ai valori dopo il primo

passaggio in camera, nel 20% dei casi il valore di resistenza è diminuito, nel 70% è aumentato, nel 10% non è variato (Figura 4.15).

Figura 4.14: confronto tra le misure di resistenza effettuate su saldature allo Sn-Pb su supporto di Rame

Figura 4.15: confronto tra le misure di resistenza effettuate su saldature allo Sn-Pb su supporto di Rame stagnato

I valori di resistenza relativi a saldature SAC contaminate con Sn-Pb realizzate su supporto di Rame, dopo 170 cicli, rispetto ai valori misurati prima della prova nel 62,5% dei casi sono diminuiti, nel 37,5% aumentati. Mentre rispetto ai valori dopo il primo passaggio in camera, nel 25% dei casi il valore di resistenza è diminuito, nel 50% è aumentato, nel 25% non è variato (Figura 4.16).

I valori di resistenza relativi a saldature SAC contaminate con Sn-Pb realizzate su supporto di Rame stagnato dopo 170 cicli rispetto ai valori misurati prima della prova nel 62,5% dei casi il valore sono diminuiti, nel 25% è aumentati, nel 12,5% non sono variati. Mentre rispetto ai valori dopo il primo passaggio in camera, nel 20% dei casi il valore di resistenza è diminuito, nel 25% dei casi il valore di resistenza è diminuito, nel 75% è aumentato (Figura 4.17).

Figura 4.16: confronto tra le misure di resistenza effettuate su saldature contaminate realizzate su supporto di Rame

Figura 4.17: confronto tra le misure di resistenza effettuate su saldature contaminate realizzate su supporto di Rame stagnato

Si può notare che, come precedentemente ipotizzato, la tendenza all’aumento o alla diminuzione dei valori misurati di resistenza sembra essere indipendente del tipo di lega

utilizzata, ma appare importante l’influenzata dal supporto. Sulla basetta di Rame mediamente i valori di resistenza sono diminuiti, mentre su quella stagnata aumentati ad eccezione per le saldature contaminate come viene sinteticamente riportato in Tabella 4.1.

Tabella 4.1: valori medi di resistenza misurati

Misure preliminari [mΩ] Misure dopo 85 cicli termici [mΩ] Misure dopo 170 cicli termici [mΩ] SAC – Supporto Cu 19,92±1,78 16,17±0,55 15,75±0,67 Sn-Pb – Supporto Cu 14,58±1,26 11,17±1,33 12,92±0,11 Contaminate - Supporto Cu 12,38±1,00 9,75±0,60 11,50±0,51

SAC – Supporto Cu-Sn 9,10±0,42 10,00±1,13 13,00±0,70

Sn-Pb – Supporto Cu-Sn 8,90±0,60 9,90±1,78 12,50±0,84

Contaminate - Supporto Cu-Sn 11,63±1,02 9,63±1,07 10,25±1,04

4.2 Campioni di saldatura a base di Adesivo Elettricamente Conduttivo