Meccanismi di guasto

Vista la peculiarità delle adesivi conduttivi i meccanismi di guasto che si presentano sono molto diversi da quelli che caratterizzano le saldature metalliche dove la formazione di composti intermetallici e l’ingrossamento dei grani sono i fattori principali che possono condurre al guasto (Capitolo II). Nel caso degli adesivi, i meccanismi di guasto possono essere ricondotti essenzialmente a due casi: la formazione di uno strato isolante, tipicamente un ossido, all’interfaccia della saldatura o la frattura dovuta alla perdita del contatto metallico a causa di una diminuzione della forza di aderenza, di un rilassamento della forza di compressione o di deformazioni termiche o meccaniche.

Tutti i metalli non nobili, per loro stessa definizione tendono a reagire con l’ossigeno in maniera più o meno marcata, questo può condurre alla formazione di ossidi isolanti sulle superfici metalliche di contatto con un significativo aumento della resistenza. In presenza di umidità nell’aria e di altre condizioni sfavorevoli, come la presenza all’interaccia di due metalli con diversi potenziali elettrochimici, può avvenire anche una corrosione elettrochimica. Inoltre la presenza di umidità contribuisce ad incrementare la velocità della reazione di ossidazione; in particolare, non solo penetra nella matrice adesiva, ma quando giunge sull’interfaccia tra la colla e la metallizzazione contribuisce a ridurre la forza di adesione.

La forza di compressione che consente di mantenere l’intimo contatto tra le particelle di filler, che quindi garantisce la connessione elettrica, viene ottenuta grazie al restringimento della matrice adesiva che avviene durante la fase di curing dell’adesivo. Sia la forza di coesione interna alla matrice adesiva che la forza di adesione all’interfaccia devono essere tali da mantenere la necessaria forza di compressione, che però tende ad essere inficiata dall’espansione termica della colla, dall’assorbimento dell’umidità ed infine dallo stress meccanico causato dalle eventuali sollecitazioni. La perdita di adesione con conseguente delaminazione e perdita di resistenza meccanica può avvenire sia all’interno del materiale adesivo, per diminuzione della forza di coesione dello stesso, sia all’interfaccia dell’incollaggio. La delaminazione può essere completa, comportando il completo scollamento, ma può essere anche parziale, con la formazione di fratture che porteranno al totale distacco con l’avanzare del tempo. I fattori che possono condurre al guasto per delaminazione sono essenzialmente dovuti a:

• un insufficiente avanzamento del processo di polimerizzazione che può essere causato da un tempo e una temperatura di curing non adeguati;

• una miscelazione delle componenti della colla in un rapporto stechiometrico scorretto;

• un pretrattamento della superficie di incollaggio assente od inadeguato; • un’elevata discrepanza tra i coefficienti di espansione termica tra le parti

incollate e l’adesivo stesso;

CAPITOLO IV

Misure per la Caratterizzazione di

Leghe senza Piombo e Adesivi Elettricamente Conduttivi

4.1 Campioni di saldatura con leghe senza Piombo

La prospettiva di abbandonare l’utilizzo di leghe saldanti con il Piombo e adottare quelle lead-free è ormai una certezza, tuttavia, è logico aspettarsi che questo passaggio non sarà né facile né repentino; l’attuale periodo è sicuramente un periodo di transizione in cui potrebbero coesiste sugli apparati elettronici in commercio anche differenti tipologie di saldatura.

Ad esempio, potrà verificarsi che un’azienda debba riparare un dispositivo in cui sono presenti saldature in Piombo, dopo aver adottato l’utilizzo di quelle lead-free; inoltre, l’impiego delle nuove leghe, non implica che i componenti e le schede ricoperti di Stagno-Piombo scompaiano immediatamente dal mercato.

A lungo si è supposto che tali contaminazioni fossero accettabili, in quanto si riteneva che sia lo Stagno che il Piombo si sarebbero distribuiti uniformemente nella pasta lead- free; in realtà, numerose prove sperimentali hanno dimostrato che il Piombo non è affatto solubile nelle paste alternative: la sua struttura intermetallica cristallina rimane intatta e precipita all’interno della saldatura; in particolare, si assiste a una migrazione del Piombo che tende ad aggregarsi nelle zone in cui la pasta, in fase di raffreddamento, si rapprende più tardi, cioè nella parte più interna della saldatura, quella ad esempio all’interfaccia fra il reoforo di un componente e il PCB su cui viene fissato (Figura 4.1).

Figura 4.1: accumulo di Piombo in zona calda

Le zona di accumulo risulta essere critica, in quanto vengono a formarsi una sorta di sacche con resistività variabile che possono portare a percorsi di corrente differenti rispetto a quelli attesi; inoltre, queste aree ricche di Piombo hanno una temperatura di fusione più bassa e possono causare problemi di bagnabilità.

Se la saldatura fosse piuttosto estesa, nel momento in cui la pasta contaminata inizia a rapprendersi si formerebbero numerose sacche di un composto chimico costituito prevalentemente da Piombo, come si può osservare in Figura 4.2, ma anche da Stagno e Argento; le dimensioni di tali sacche saranno maggiori, quanto più lungo sarà il tempo di solidificazione. Tale composto avrebbe una temperatura di fusione intorno ai 179°C, molto al di sotto dei 221°C di un Sn/Ag o 217°C-218°C di una SAC.

Figura 4.2: sacche di Piombo (zone scure) in saldatura lead-free

Come è osservabile in Figura 4.3 (ingrandimento 3500X), la pasta contaminata da Piombo circonda i grani della pasta lead-free; questo fa sì che vi sia poca adesione fra un grano e l’altro, permettendo quindi lo sgretolamento del materiale stesso.

Figura 4.3: scansione (3500x) di saldatura SAC contaminata da Piombo

Per determinare quanto le saldature contaminate da Piombo possano mantenere inalterata nel tempo la propria funzionalità, sono stati condotti dei test termici e meccanici dai quali si evince che in una lega Sn/Ag4/Cu0.5, se contaminata da 0,5% di Piombo il guasto sopraggiunge nella meta di tempo rispetto alla forma pura, se contaminata da 1% di Piombo in un quarto del tempo.

Nasce quindi la necessità di studiare oltre alle prestazioni delle leghe pure senza Piombo, anche cosa accade ai componenti e alle saldature quando si verifica una contaminazione fra le due tipologie di paste saldanti.

Per la realizzazione dei campioni di saldature con leghe senza Piombo si è utilizzata la tecnica di saldatura manuale per una preliminare caratterizzazione elettrica dei nuovi materiali. Successivamente si sperimenteranno le leghe senza Piombo su componenti maggiormente complessi per studiare le interazioni tra i materiali in gioco.

Come spiegato nel Capitolo II, con la tecnica di saldatura manuale ha maggiore importanza il trasferimento di calore piuttosto che la temperatura assoluta della punta del saldatore. Fattori quali la forma e le condizioni della punta, la potenza erogata dal saldatore ed il tempo di permanenza sul giunto influiscono tutti sull’efficacia di trasferimento del calore e pertanto debbono essere considerati nel monitoraggio, nel controllo e nella definizione del processo.

Il processo di saldatura manuale pertanto può essere descritto suddividendolo nelle seguenti fasi:

• La punta del saldatore deve essere pulita, ben stagnata e della forma giusta per massimizzare l’area di contatto con il giunto da saldare. Il filo di saldatura e la punta riscaldata sono applicate al reoforo ed alla piazzola.

• Il giunto viene portato a 40°C oltre il punto di fusione per 2 - 5 secondi al fine di ottenere una sufficiente quantità di energia termica.

• La lega di saldatura fluisce, si muove lungo la superficie del reoforo, riempie il foro passante e copre la piazzola.

I campioni preliminari verranno realizzati con leghe SAC, in quanto il mercato mondiale delle leghe senza Piombo sembra dirigersi in tale direzione, basandosi sulla lega eutettica Sn95,5-Ag3,8-Ag-Cu0,7, con 2.2% di flussante, con punto di fusione a 217°C.

Se si dovesse tracciare un profilo termico teorico, considerando quanto riportato in [20], si otterrebbe il profilo riportato in Figura 4.4.

Figura 4.4: andamento della temperatura della lega durante la fase di saldatura Inizialmente, quando la punta ed il filo vengono messi a contatto con il giunto, si può osservare un rapido aumento della temperatura, durante il quale il flussante si attiva. Man mano che la temperatura sale oltre il punto di fusione, la lega fluisce ed inizia a formare la saldatura. La temperatura di picco viene mantenuta per circa 4 secondi, il saldatore viene rimosso ed il giunto si raffredda. Occorre notare che nella curva si forma un avvallamento quando lo stato della lega passa dalla fase liquida a quella solida.

4.1.1 Processo di saldatura: studi di fattibilità

Su un supporto in Rame sono state deposte diciotto gocce di lega SAC, diciotto con Stagno-Piombo e dodici SAC contaminate con Sn-Pb. Sono inoltre stati saldati sei resistori da 2.7 kΩ con lega senza Piombo, altrettanti con lega Stagno-Piombo e quattro con la contaminazione delle due leghe.

Su un supporto in Rame stagnato sono state depositate quindici gocce di lega senza Piombo, quindici con Stagno-Piombo e dieci contaminate. Nuovamente sono stati saldati cinque resistori, dello stesso valore dei precedenti, con lega senza Piombo, ulteriori cinque con lega Stagno-Piombo e quattro con lega mista (Figura 4.5).

Figura 4.5: campioni realizzati e riferimenti alle singole saldature

Per confrontare i differenti modi di bagnare delle leghe al variare del supporto, sono stati sperimentati due supporti diversi: una basetta in Rame e l’altra in Rame stagnato. Dopo la realizzazione delle saldature, si è evidenziato che le saldature senza Piombo risultano essere più opache e meno lisce di quelle con il Piombo; le due leghe hanno una bagnabilità diversa, ossia la lega senza Piombo tende a conformarsi a “balling”, mentre quelle Stagno Piombo bagna la superficie in maniera uniforme; infine le saldature effettuate sul supporto in Rame stagnato risultano essere più agevoli da realizzare in quanto, a parità di temperatura di saldatura, la lega si deposita sulla piazzola più facilmente.

In questa prima fase sperimentale, lo strumento utilizzato per fare le misure è stato il multimetro nella configurazione a quattro morsetti. I rilevamenti sono stati effettuati sui reofori dei componenti posizionando un morsetto dal lato componenti e l’altro sul lato saldature.