Sula-ajan merkitys juotoksen kaasukuplamäärään ja leikkauslujuuteen höyryfaasijuottamisessa

Abstract

Yksi tärkeimmistä tekijöistä, jotka vaikuttavat juotosliitosten luotettavuuteen, on kaasukuplien koko ja määrä. Juotosliitosten luotettavuutta voidaan ennustaa tutkimalla niitä x-ray-laitteella. Mekaaninen luotettavuus pystytään toteamaan erilaisilla veto- ja leikkauslujuustesteillä. Tässä insinöörityössä tutkittiin sula-ajan muuttumisen merkitystä juotoksen kaasukuplamäärään ja leikkauslujuuteen höyryfaasijuottamisessa. Tutkimuksessa hyödynnettiin Taguchi-menetelmää, jossa ortogonaalimatriisien avulla voidaan huomattavasti vähentää suoritettavien kokeiden määrää. Työssä käytettiin kolmea lyijytöntä juotospastaa, joista kaksi on tuotantokäytössä työn toimeksiantajalla. Piirilevynä tutkimuksissa oli Kajaanin ammattikorkeakoulun avaimenperän piirilevy, jonka pinnoitteeksi valittiin lyijytön immersiotina. Komponenttien osalta tutkimus rajattiin koskemaan vain pintaliitosvastuksia. Koesuunnittelussa tutkimuksen parametreiksi eli tekijöiksi valittiin höyryfaasiuunin teho, juotospasta ja pastanpainon osalta raakkelin vetonopeus ja paine. Neljällä tekijällä, joilla oli kolme tasoa, Taguchi-menetelmässä käytettiin ortogonaalimatriisia L9, jossa oli yhteensä yhdeksän koetta. Jokaisessa kokeessa piirilevyille juotettiin 40 komponenttia, tutkittiin juotosten kaasukuplien koko ja määrä x-ray-laitteella sekä mitattiin komponentin irrottamiseen tarvittu voima leikkauslujuustestillä. Lisäksi kaikki kokeet suoritettiin kaksi kertaa, jotta varmistuttiin tulosten oikeellisuudesta. Työn tuloksista ilmenee, että sula-ajan lyhentyessä kaasukuplamäärä laskee. Kuitenkin liian lyhyellä sula-ajalla kaasukuplamäärä lähtee nousemaan, koska muodostuvilla kaasukuplilla ei ole riittävästi aikaa poistua juotteesta. Leikkauslujuuteen sula-ajalla ei ollut merkitystä.

One of the most important factors that influences on the reliability of solder joints is the size and amount of voids. The reliability of solder joints can be predicted by inspecting them with an X-ray device. The mechanical reliability can be evaluated with different pull and shear strength tests. The purpose of this Bachelor’s thesis was to investigate the significance of liquidus time for voids and the shear strength of solder joints in vapour phase soldering. The Taguchi method was used for investigation. This method uses an orthogonal matrix that significantly reduces the number of simulations. There were three lead free solder pastes investigated of which two the commissioner uses in production. The printed circuit board (PCB) used for the tests was the PCB of an electrical device from the Kajaani University of Applied Sciences. The PCB pads were covered with immersion tin and the components that were investigated were surface mounted resistors. The parameters that were chosen for the design experiments were the power of the vapour phase oven, the solder paste, the speed of the squeegee and the pressure of the squeegee. The orthogonal matrix L9 includes nine tests and four parameters which have three levels. 40 components were soldered on each PCB, the size and amount of voids in each solder joint was analysed with an X-ray device and the shear strength was measured. All tests were carried out twice to ensure that all results are right. The results of the thesis showed that while the liquidus time shortened, the amount of voids dropped. In case of a too short liquidus time the amount of voids began to rise, because there was not enough time for the voids to come out of the solder joints. The liquidus time did not make any difference to the shear strength.