Implementazione di prove termiche ed analisi dei risultati sperimental

La pianificazione ed implementazione della prova di esposizione ad un ambiente caldo umido permette di studiare il comportamento degli adesivi elettricamente conduttivi di ultima generazione sottoposta a sollecitazioni quali la temperatura e l’umidità e l’insorgenza di eventuale guasti. Lo scopo della prova è quello di verificare quanto gli adesivi conduttivi siano permeabili: nel caso l’umidità riesca a penetrare entro il polimero adesivo potrebbe ossidarlo e giunta all’interfaccia di saldatura con il Rame e generare aumenti di resistenza e/o fratture meccaniche.

La prova di esposizione al caldo umido continuo è regolata, come altre prove ambientali, dalla CEI-EN-60068 in particolare nella parte 2-78 [81], dove si stabiliscono vari livelli di severità, che sono definiti in base alla combinazione di tre parametri: durata totale della prova, umidità relativa e temperatura. I livelli di severità proposti in [81] però appaiono poco gravosi; quindi molto spesso infatti si fa riferimento ad una temperatura di 85°C con 85% di umidità relativa per tempi prolungati, anche 1000h. Contemporaneamente è da rilevare che, nello standard J-STD-020d [15], che riguarda la classificazione dei dispositivi SMD non ermetici per quanto riguarda la sensibilità all’umidità, stabilisce sei classi: per appartenere alla classe 1, quella più restrittiva, lo standard prevede una prova di 168h a 85°C e 85%RH; questo in pratica equivale a riconoscere nell’incremento di temperatura un fattore di accelerazione della prova, per cui tali severità equivalgono a un periodo di tempo illimitato a 30°C e 85%RH. La camera climatica che viene usata per la prova è la camera Weiss SB11 500, essa è in grado di garantire una tolleranza di ±2°C in temperatura e ±3% di RH, come previsto in [81 e 15] e può operare da 10°C fino a 90°C con 10% RH o 95% RH.

La prova viene eseguita secondo il profilo progettato ponendo i campioni opportunamente vincolati ad un supporto all’interno della camera climatica.

I campioni sottoposti alla prova termica, ad una prima ispezione visiva, non appaiono alterati, eccezion fatta per le piazzole di Rame che sono notevolmente ossidate (fig. 4.35 e 4.36). Ad un’osservazione più approfondita si nota che i campioni di colla Epo-Tek, realizzati sulle piazzole di Rame, presentano delle contaminazioni tendenti ad un colore rosso-marrone (Figure 4.36, 4.37 e 4.38). Eseguendo su tali campioni un’analisi all’ESEM (Microscopio elettronico a scansione ambientale) (Figure 4.39a e 4.40a) si è potuto evidenziare la zona in cui è avvenuta la formazione di ossido di Rame con relativo riscontro dall’analisi microchimica, infatti si può osservare in Figura 4.39b la comparsa di un 5% di Rame e l’incremento della percentuale relativa di ossigeno rispetto all’analisi fatta sullo stesso campione prima della prova termica (Figura 4.40b).

a)

b)

Figura 4.35: campione 0528-09, a) prima della prova e b) dopo la prova

a)

b)

a)

b)

Figura 4.36: campione 0528-12, a) prima della prova e b) dopo la prova

a)

b)

a)

b)

Figura 4.38: campione 0528-09 dopo la prova

Figura 4.39: formazione di ossido di Rame: a) analisi morfologica (zoom 180x) e b) analisi microchimica della zona prima della contaminazione

Figura 4.40: saldatura prima della contaminazione: a) analisi morfologica e b) analisi microchimica

a) b)

La presenza di ossido di Rame è localizzata principalmente sul bordo della piazzola dove è deposta la striscia di colla. Molto probabilmente questa contaminazione si verifica in quanto l’umidità riesce ad infiltrarsi parzialmente nel Rame sottostante l’adesivo sfruttando il dislivello tra piazzola e vetronite. La bagnabilità delle colle non è molto alta, quindi è possibile che in presenza di uno ‘scalino’, come sul bordo della piazzola, si creino dei vuoti di adesivo (Figura 4.41).

Figura 4.41: schema della sezione di un campione: (a) Adesivo, (b) Rame, (c) Vetronite

Si ritiene ragionevole ipotizzare che le molecole di acqua, sfruttando tali vuoti, giungano in contatto col Rame; l’ossidazione conseguente crea molecole di ossido (di colore rosso-marrone) che, con il proseguire della reazione, si diffondono dentro il polimero adesivo fino a raggiungere la superficie dell’adesivo. Tale fenomeno è riscontrabile esclusivamente sui campioni realizzati in colla Epo-Tek a spessore ridotto; mentre i due campioni di Epo-Tek, che hanno uno spessore maggiore, non mostrano alcuna striatura, molto probabilmente perché la diffusione delle molecole di ossido non è proseguita fino a raggiungere la superficie dello strato di colla per essere visibile.

L’adesivo Heraeus non è affetto da tale fenomeno in maniera così evidente, probabilmente perché è in grado di opporsi più efficacemente alla crescita di strati di ossido nel materiale su cui aderisce. Si può ipotizzare che la colla Heraeus impedisca la diffusione delle molecole di ossido al suo interno, cosicché l’ossido di Rame rimane costretto sulla superficie della piazzola di Rame e fa sì che la reazione di ossidazione avanzi più lentamente. Nonostante ciò un accenno molto limitato del fenomeno appare anche in un campione realizzato con colla Heraeus (Figura 4.42).

Figura 4.42: campione 0528-05 dopo la prova.

In alcuni campioni l’ossidazione della parte esposta della piazzola di Rame è tale da creare uno strato isolante che impedisce di stabilire la conduzione elettrica con i terminali di misura. Per questo motivo si è provveduto a rimuovere chimicamente questo strato di ossido dalla parte della superficie di Rame dove si deve appoggiare il terminale dell’impedenzimetro. Dopo questa operazione sono state effettuate le misure riportate in Tabella 4.7. I valori misurati mostrano che durante l’esposizione nella camera climatica alcuni campioni non hanno subito variazioni preoccupanti e per altri il curing è proseguito in virtù della temperatura elevata (85°C). La presenza di elevata umidità (85% RH) non ha influito sulla polimerizzazione. Addirittura i campioni realizzati con la colla Epo-Tek a bassa temperatura (60°C e 80°C), che presentavano precedentemente una resistenza elevata, al termine della prova, hanno assunto una resistenza molto minore. Le misure effettuate al termine della prova non hanno evidenziato l’insorgere di nessun meccanismo di guasto, ma hanno mostrato tendenzialmente una resistenza minore di quanto misurato inizialmente, mediamente con una riduzione del 31%. A titolo esemplificativo si riporta in Tabella 4.7 ed in Figura 4.43 un confronto dei valori di resistenza ottenuti prima e dopo la prova, i campioni dal 1 al 12 sono costituiti da striscia rettilinea di adesivo conduttivo e dal 13 al 18 da striscia semicircolare, le cui caratteristiche sono riportate nelle Tabelle 4.5 e 4.6. L’incertezza relativa a tutte le misure effettuate è del 3%.

I risultati sperimentali mostrano quindi che la colla conduttiva non viene permeata dall’umidità: infatti lo strato di ossido che si forma sulla parte esposta della piazzola di

Rame, non si forma dove il Rame è coperto dallo strato di colla. Se si formasse dell’ossido all’interfaccia tra Rame e colla, si noterebbe un incremento della resistenza, che invece non si è osservato. Per lo stesso ragionamento anche le particelle di filler affogate nel polimero adesivo non sono soggette ad ossidazione.

Le contaminazioni di ossido discusse in precedenza, presenti in particolare nei campioni di Epo-Tek più sottili, non influiscono sulla resistenza delle strisce realizzate con tale colla.

Tabella 4.7: resistenza di alcuni campioni, prima e dopo la prova climatica. N° campione

Resistenza

(prima della prova) [Ω] Resistenza (dopo la prova) [Ω] Variazione [Ω] Variazione % 0528-01 0,059 0,066 +0,007 +12% 0528-02 0,078 0,054 -0,024 -31% 0528-03 0,225 0,188 -0,037 -16% 0528-04 0,062 0,038 -0,024 -39% 0528-05 0,188 0,071 -0,117 -62% 0528-06 0,653 0,150 -0,503 -77% 0528-07 0,103 0,042 -0,061 -59% 0528-08 0,134 0,056 -0,078 -58% 0528-09 0,694 0,091 -0,603 -87% 0528-10 0,084 0,072 -0,012 -14% 0528-11 0,120 0,137 +0,017 +14% 0528-12 0,285 0,250 -0,035 -12% 0528-13 0,510 0,621 +0,111 +21% 0528-14 0,635 0,596 -0,039 -6% 0528-15 1,233 0,780 -0,453 -36% 0528-16 1,063 0,621 -0,442 -42% 0528-17 0,946 0,592 -0,354 -37% 0528-18 1,221 0,892 -0,329 -27%

Misure di resistenz a elettrica 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Campioni [Ω ] Before test After test

Figura 4.43: misure di resistenza elettrica prima e dopo la prova termica