Badanie wytrzymałości na rozciąganie i ścinanie – komponent SMD (urządzenie montowane powierzchniowo)

Badanie wytrzymałości na rozciąganie i ścinanie to kluczowa metoda oceny mechanicznej stosowana w produkcji elektroniki do oceny niezawodności i jakości połączeń lutowanych między elementami montowanymi powierzchniowo (rezystorami, kondensatorami, rezystorami chipowymi lub obudowami LED) a padami płytek drukowanych (PCB). Metoda ta mierzy siłę, jaką połączenie lutowane może wytrzymać pod wpływem obciążenia rozciągającego (rozciągającego) lub bocznego (ścinającego) i pomaga zidentyfikować problemy, takie jak słabe zwilżanie, puste przestrzenie, osłabienie związków międzymetalicznych, niewystarczająca objętość lutu lub wady procesowe.

Połączenia lutowane SMD są poddawane cyklom termicznym, wibracjom, wstrząsom mechanicznym i uderzeniom w rzeczywistych zastosowaniach (np. w smartfonach, elektronice samochodowej czy urządzeniach przemysłowych). Testy rozciągania i ścinania dostarczają danych ilościowych na temat wytrzymałości spoiny, uzupełniając inspekcję wizualną (zgodnie z normą IPC-A-610), prześwietlenie rentgenowskie lub cięcie. Pomagają one w walidacji procesów lutowania, projektu szablonu, profili lutowania rozpływowego i doboru materiałów.

Główne rodzaje testów połączeń lutowanych SMD są następujące:

Badanie wytrzymałości na ścinanie: polega na przyłożeniu siły poziomej (bocznej) równolegle do powierzchni płytki drukowanej (PCB) w celu dociśnięcia lub przecięcia elementu. Ta metoda jest najczęściej stosowana w przypadku bezołowiowych elementów SMD i niektórych obudów z wyprowadzeniami. Podczas badania, narzędzie tnące w kształcie dłuta lub płaskie jest przykładane do boku elementu i przesuwane poziomo z kontrolowaną prędkością. Możliwe rodzaje uszkodzeń to: pęknięcie lutu, uniesienie padu, pęknięcie elementu lub uszkodzenie połączenia adhezyjnego/połączenia.

Typowe standardy tej metody obejmują:

IEC 62137-1-2 Technologia montażu powierzchniowego – Część 1-2: Badanie wytrzymałości na ścinanie mechaniczne połączeń lutowanych.
Niektóre sekcje normy IEC 60068-2-21 (Badania środowiskowe – Test U: Wytrzymałość zakończeń i zintegrowanych urządzeń montażowych)
Norma JEITA ET-7409/103 (metoda cięcia momentem obrotowym w określonych sytuacjach)
Badanie wytrzymałości na rozciąganie: polega na przyłożeniu siły rozciągającej (w górę/na zewnątrz) do płytki drukowanej (PCB) pod kątem prostym lub pod kątem. Typowe warianty obejmują:
Wyciąganie za pomocą haka lub pęsety w przypadku elementów z wyprowadzeniami.
Zimne pulsacyjne wyciąganie kulek lutowniczych BGA/CSP: chwyta i wyciąga pojedynczą kulkę do góry.
Pociągnij pod kątem 45 stopni, aby dokonać ogólnej oceny połączenia.

Podczas testu do końcówki/korpusu komponentu przymocowuje się haczyk, uchwyt na pęsetę lub szczypce, a następnie pociąga się je pionowo lub pod kątem.

Typowe standardy tej metody obejmują:

IEC 62137-1-1 (badanie wytrzymałości na rozciąganie połączeń lutowanych)
JEDEC JESD22-B115 (do ciągnienia metodą udarności na zimno)

Zazwyczaj, aby uzyskać lepszy dostęp i realistyczne naprężenia, płytkę drukowaną (PCB) należy zamocować pod kątem 45 stopni.

Wiele nowoczesnych maszyn do badania połączeń łączy w jednym systemie możliwości rozciągania i ścinania z automatycznym wyrównywaniem, czujnikami siły/obciążenia (zwykle w zakresie 0–100 kg) oraz oprogramowaniem do analizy trybów awarii.

Typowa procedura składa się z następujących kroków:

Płytkę drukowaną (PCB) montuje się solidnie w uchwycie (pionowo przy cięciu, pod kątem przy ciągnięciu).
Urządzenie jest precyzyjnie ustawiane względem komponentu (za pomocą stolika XY i mikroskopu).
Siłę przykłada się w kontrolowanym tempie (np. 0,1–10 mm/min, w zależności od standardu).
Rejestrowane są siła szczytowa i tryb awarii.
Do porównań stosuje się kryteria akceptacji (zwykle ustalane indywidualnie dla każdego klienta lub zgodnie z minimalnymi normami IEC/JEDEC, w zależności od powierzchni lutowania lub masy komponentu).

Analiza i interpretacja błędów:

Dobre połączenie: pęknięcia w wyniku lutowania o dużej sile (ścinanie plastyczne).
Słabe połączenie: Powstawanie kraterów w płycie, kruche pęknięcie międzymetaliczne lub niska wytrzymałość. Wskazuje to na problemy procesowe (np. nadmierne tworzenie się pustych przestrzeni, zanieczyszczenia, słabe lutowanie).

Badanie wytrzymałości na rozciąganie i ścinanie jest niezbędnym niszczącym badaniem mechanicznym w produkcji elektroniki i inżynierii niezawodnościowej z różnych ważnych powodów.

Główne powody, dla których ta metoda jest ważna, są następujące:

Pomiar rzeczywistej wytrzymałości mechanicznej i niezawodności: Połączenia lutowane w komponentach SMD muszą wytrzymywać nie tylko połączenia elektryczne, ale także siły mechaniczne przez cały okres eksploatacji produktu. Testy rozciągania i ścinania wykorzystują kontrolowane obciążenia rozciągające (rozciągające) lub boczne (ścinające), aby zmierzyć maksymalną siłę potrzebną do spowodowania uszkodzenia. Zapewnia to obiektywne, numeryczne dane dotyczące wytrzymałości połączeń, których nie są w stanie zapewnić metody wizualne ani rentgenowskie.
Wykrywa ukryte lub subtelne defekty, których nie wykrywają metody nieniszczące: wiele krytycznych słabości jest niewidocznych lub trudnych do wykrycia bez zastosowania obciążenia.
Kruche warstwy związków międzymetalicznych powstające podczas topienia rozpływowego lub starzenia.
Nadmierne szczeliny, słabe zwilżanie, niewystarczająca objętość lutu lub zanieczyszczenie.
Słaba przyczepność klocków lub wczesne stadium powstawania kraterów na klockach.
Zmiany wynikające z miniaturyzacji (mniejsze ogniwa mają inny rozkład naprężeń, przy czym grubość IMC staje się proporcjonalnie bardziej dominująca).

Problemy te często prowadzą do uszkodzeń o niskiej wytrzymałości. Ten test pozwala określić ilościowo te uszkodzenia.

Symuluje rzeczywiste naprężenia mechaniczne i tryby awarii. Produkty elektroniczne są narażone na następujące czynniki:
Naprężenia występujące podczas transportu i montażu (np. wyjmowanie płytek drukowanych, instalowanie złączy, testowanie w obwodzie).
Wibracje i wstrząsy (motoryzacja, lotnictwo, urządzenia konsumenckie podczas upadków lub transportu).
Cykle cieplno-mechaniczne (niedopasowanie rozszerzalności/kurczliwości).

Testy ścinania symulują siły boczne, natomiast testy rozciągania symulują obciążenia rozciągające/poza płaszczyzną. Warianty o dużej prędkości wykazują dobrą korelację z odpornością na upadki/wstrząsy.

Wspiera weryfikację, kwalifikację i ciągłe doskonalenie procesów: Producenci wykorzystują dane uzyskane metodą pull-cut w następujących sytuacjach:
Charakterystyka procesu: Nowe pasty lutownicze, wzory szablonów lub powłoki powierzchniowe.
Kontrola przychodząca komponentów/kart.
Analiza uszkodzeń po testach niezawodnościowych (cykle termiczne, starzenie, testy upuszczania).
Porównanie dostawców lub stron.
Uzupełnia inne metody: podczas gdy cięcie ujawnia mikrostrukturę, barwienie i usuwanie ujawniają wzory pęknięć, pomiary rozciągania i ścinania zapewniają szybkie, powtarzalne pomiary oparte na sile.

Nasza organizacja, z kompetentną i doświadczoną kadrą, od wielu lat rozumie potrzeby klientów, zapewniając im zaawansowane usługi testowe oraz wspierając ich we wdrażaniu, wdrażaniu i doskonaleniu systemów zarządzania. W tym zakresie oferujemy również firmom usługi testowania wytrzymałości na rozciąganie i ścinanie elementów SMD (urządzeń montowanych powierzchniowo).