När utbildningen på SAAB var över var det dags att tillämpa de nyvunna kunskaperna på Scanias laboratorium. För att tiden på SAAB inte skulle vara bortkastad ville man utveckla en så när som exakt arbetsmetodik på hur man provbereder ett kretskort, dvs. exakta mått och tider. Skillnaden mellan SAABs arbetssätt och Scanias var att under poleringen sprejade man smörjpastan på duken istället för att bre ut den som på SAAB.
8.2.1 Utrustning
För att det ska vara möjligt att tillämpa de nya kunskaperna från inlärningen på SAAB Avitronics var det nödvändigt att köpa in ny utrustning till Scanias laboratorium. Den utrustning som behövdes för att kunna fullfölja examensarbetet, men som ej var tillgänglig på Scania eller var utsliten var:
• 2 st gummiringar för tätning av vakuummaskinen • Kork till vakuummaskinen
• Lock till vakuummaskinen
• Epofix bas och härdare för kallingjutning
• 12 st runda multiformer (provkoppar) med en diameter på 40 mm och 1 st rektangulär multiform
• En kakelkapmaskin • En matta för jordning 8.2.2 Provberedning
Till provberedningen användes sex stycken lackade (kretskort lackas för att skydda dem mot bl.a. fukt och smuts) COO7 koordinatorer, varav tre stycken var blyfria. Anledningen till varför man använde både blyade och blyfria är att man ville göra en jämförelse av känsligheten. Två av de sex koordinatorerna (en blyfri samt en blyad) var temperaturcyklade, två var både temperatur- och vibreringscyklade. De resterande var ej cyklade. De både temperaturcyklade och vibrerade kretskorten användes aldrig i undersökningen därför att grova sprickor upptäcktes redan i de temperaturcyklade. Anledningen till varför man använde sex koordinatorer var att man inte trodde att sprickor var möjliga att upptäcka endast efter att enbart ha temperaturcyklat dem.
28
Bild 8.1: En koordinator.
Provberedning består av 6 steg:
1. Optisk mikroskopundersökning 2. Kapning 3. Ultraljudstvättning 4. Ingjutning 5. Slipning 6. Polering 8.2.2.1 Optisk mikroskopundersökning
De första koordinatorerna (en blyfri och en blyad) som undersöktes var de temperaturcyklade och därefter den icke cyklade blyfria koordinatorn. Provberedningen började med att först undersöka koordinatorerna med ett optiskt mikroskop med en 6.3x förstoring, för att ta reda på huruvida lacken hade lossnat eller spruckit. Hittar man en spricka i lacken så kan det innebära att komponenterna har rört på sig och att en spricka uppkommit. Grova lacksprickor upptäcktes redan efter temperaturcyklingen, vilket kan bero på att dessa hade temperaturcyklats under en längre period. Samma fyra komponenter, med grova lacksprickor, valdes från varje kretskort (se bild 8.2 på nästa sida) för vidare undersökning.
8.2.2.2 Kapning
Nästa steg i undersökningen var att kapa kretskorten för att få ut de valda komponenterna: IC6002/IC6003, R5059, RN30251 (2003) och IC6001 (BGA).
Tabell 8.1: De valda komponenterna
K1 K2 K3 K4
29
Jag valde dessa komponenter för att R5059 och RN30251 hade stora lacksprickor. De resterande två, IC6001 och IC6002, är stora komponenter med många lödfogar och vanligtvis är det dessa som utsätts för de största påfrestningarna. Framöver kommer dessa komponenter att refereras till som K1, K2, K3 och respektive K4. Kretskorten kapades med kakelkapmaskin och en SANKO SM-Y7 diamantkapklinga med måtten 180x25.4x1.6 mm. Anledningen till varför kretskorten kapades i små bitar var för att de intressanta komponenterna ska få plats i provkopparna vid epoxiingjutningen.
Komponenterna kapades med ca 3 mm marginal på den sida där lacksprickan detekterades. En mindre marginal skulle ha lett till många deformationer i närheten av komponenten och en större skulle ha inneburit mer slipning, vilket är tidsödande.
Bild 8.2: De fyra kapade komponenterna, IC6002 (K1), R5059 (K2), RN30251 (K3) och IC6001
30
31
Figur 8.1:
K
retskortslayout. De komp
onenter som
33
8.2.2.3 Ultraljudstvätt
De kapade proverna tvättades med etanol i ultraljudstvätten i 5 min, för att få bort fett och smuts.
Bild 8.4: Maskin för ultraljudstvätt, Branson 5210. 8.2.2.4 Ingjutning
Följande steg var att kallingjuta proverna i epoxi för att underlätta hanteringen. Provbiten placerades mitt på botten på multiformen (ingjutningsform, provkopp) som har en diameter på 40 mm. För att få provbiten fixerad mitt på botten användes en dubbelsidig tejp. Clips användes för att stabilisera provbiten. Därefter ställdes multiformen i vakuumkammaren där trycket ställdes till 150-200 mBar. Epoxibas och härdare blandades ihop i en bägare enligt tillverkarens
föreskrifter. Blandningen rördes om långsamt i totalt ca 5-6 min. Efter andra minuten värmdes lösningen upp (med hjälp av hårtork) i ca 1-2 min under fortsatt omrörning. Efter omrörning placerades bägaren i en hållare intill vakuumkammaren. En slang gick från bägarens botten till proverna i vakuumkammaren. Slangen hölls stängd med ett kläm-reglage under vakuum, men denna öppnades efter ca 5 min och därvid fylldes multiformen med epoxilösningen (en ny slang används vid varje tillfälle). För att avlägsna eventuella bubblor cyklades trycket i 6 omgångar. Därefter återställdes trycket till atmosfärstryck och provet fick härda i ca 15 timmar. I det fall där multiformen inte hunnit stelna helt efter 15 timmar ställdes denna i en ugn på 80 grader i 50-60 min.
34
8.2.2.5 Slipning
Innan provkutsarna undersöks med mikroskop måste dessa slipas och poleras för att de ska få en plan och reflektiv yta [12] [13].
Slipning sker normalt i tre steg: grov-, mellan-, och finslipning. Med grovslipning tar man bort de översta skikten väldigt effektivt, d.v.s. slippappret slipar bort skikten väldigt snabbt p.g.a. de grova kornen. Mellanslipning, som är en mildare slipning, tar bort slipspår och förbereder finslipning. Finslipning är väldigt mild, vilket ger en fin och slät yta med minimal deformation som är möjlig att få bort med polering [13]. All slipning sker under vattenflöde. Slippapper sorteras efter antalet korn som finns fastlimmade på pappret. Lägre tal – grövre papper. Det produceras slippapper med korn 12 och upp till korn 4000. Slipning tar bort skadat ytmaterial men samtidigt orsakar den en ny mängd begränsad deformation som kan tas bort med polering [14].
De färdigingjutna kutsarna grovslipades till en början med SiC (Kiselkarbid) grovslippapper (P120). 1,22-1,55 mm material slipades bort på den intressanta ändan av provexemplaret med ett tryck från en vanlig byggd mans kraft. Under slipningen vrids provbiten i 90 grader efter vardera tryckning tills man gått runt ett helt varv på 360 grader. Beroende på hur exakt kapning gjordes kunde antalet varv varieras. Men lyckas man kapa exakt 3 mm från den intressanta ändan bör 6-8 varv räcka vid användning av nytt slippapper.
Bild 8.6: (Vänster bild) Maskin för grovslipning, Buehler Supermet Grinder. (Höger bild) Maskin för
mellan- och finslipning, Buehler Phoenix Alpha.
Grovslipning följs av mellanslipning. Under det steget slipas materialet återigen med en kraft från en vanlig byggd man, men med varierande antal korn på slippapper. De korn som användes var SiC 240 (0,22-1,00 mm), 320 (0,26-0,40 mm), 400 (0,10-0,50 mm) och 600 (0,10-0,33 mm). För finslipning upprepades samma procedur som tidigare men med SiC 1200 (0,03-0,22 mm). För mer detaljerade beskrivning av de olika stegen se tabell 8.1 på nästa sida.
35
Tabell 8.2: Uppmätta avverkningsdjup för 3 olika koordinatorer:
a) Blyfri temperaturcyklad koordinator.
Komponent Kutsens tjocklek (mm) P120 (mm) 240 (mm) 320 (mm) 400 (mm) 600 (mm) 1200 (mm) K1 22,95 1,55 0,22 0,26 0,39 0,20 0,03 K2 23,81 1,22 0,50 0,36 0,28 0,21 0,14 K3 24,00 1,60 1,00 0,40 0,10 0,10 0,22 K4 23,98 1,21 0,41 0,09 0,50 0,33 0,22
b) Blyad temperaturcyklad koordinator CVG01815092.00.
Komponent Kutsens tjocklek (mm) Grovslipning (mm) 240 (mm) 320 (mm) 400 (mm) 600 (mm) 1200 (mm) K1 26,52 1,31 0,57 0,41 0,33 0,65 0,19 K2 23,04 1,40 0,60 0,48 0,28 0,46 0,19 K3 24,68 1,56 0,52 0,38 0,37 0,15 0,20 K4 24,75 1,75 0,60 0,40 0,34 0,41 0,15
c) Blyfri ej testad koordinator.
Komponent Kutsens tjocklek (mm) Grovslipning (mm) 240 (mm) 320 (mm) 400 (mm) 600 (mm) 1200 (mm) K3 22,55 1,45 0,67 0,46 0,31 0,66 0,42 8.2.2.6 Polering
Med polering tar man bort skador som uppkommit under tidigare steg genom att använda finare slippartiklar [13].
Poleringen kan delas upp i två steg: • Diamantpolering och
• Oxidpolering
Notera att inget vatten användes under poleringssteget.
Till diamantslipning sprejar man diamantsuspension och smörjmedel (DP-Lubricant) Blue på poleringsduken och till oxidpoleringen använder man smörjmedel. Under utförandet av examensarbetet på Scania användes Buehlers polermaskin Phoenix 4000 för poleringssteget. Maskinen består av en roterande poleringsduk, som är utbytbar, och en justerbar provhållare. Både polerduken och provhållaren kan ställas in så att de roterar antingen medurs eller moturs beroende på om man vill att båda delarna ska snurra åt samma riktning eller åt olika riktningar. En poleringsduk kan variera i elasticitet och hur hög elasticitet man väljer beror på materialet som ska poleras. Likaså gäller för smörjmedlet. Det finns medel med låg viskositet och medel med hög viskositet.
36
Bild 8.7: Poleringsmaskin, Phoenix 4000 Buehler.
Diamantpolering:
Som nämnt ovan, användes diamantpasta och DP-Lubricant Blue till diamantpoleringen. Poleringen skedde i flera understeg där man ändrade viskositetsgraden på diamantpastan för att uppnå en finare yta. Graden på smörjmedel som användes under utförandet varierade mellan 9µm och en kraft på 32 lbs (1 lbs = 4,448 Newton) samt 1µm och 26 lbs. För mer detaljerad information om hur de olika stegen i utförandet gick till hänvisas till figur 8.2.
Oxidpolering:
Till oxidpoleringen användes OP-S Suspension och kraften 19 lbs. Detta är sista steget i
poleringen och görs i syftet att ta bort eventuella uppkomna skador under experimentets gång för att få bra kvalité på ytan. Oxidpoleringen har en svagt etsande effekt på lod, vilket gör att
37
a)
b)
Bild 8.8: 50 x förstorning av IC6001. Bilderna a och b visar skillnaden mellan en komponent som
är endast diamantpolerat och en komponent som är både diamant- och oxidpolerat, a) respektive b). Bild 8.8b har finare yta men denna påverkar inte upptäckten av sprickor. De olika faserna i lodet framträder däremot tydligare efter oxidpolering.
38 Bild 8.9: Slip ad e samt pole rad e kutsar.
39 Figur 8.2 : Poleringsschema.
Steg 1
Diamantpolering
Steg 2
Diamantpolering
Steg 3
Diamantpolering
Oxi
dp
oler
in
g
40
9 SEM Undersökning
Bild 9.1 :T empera turcyklad blyfri41
Graferna nedan visar resultat från energidispersiv röntgenspektroskopi, EDX 1.
SEM undersökningen visar att denna partikel (punkt ett på bild 9.1) är tennrik, men tennet kommer från grundmassan i lodet och inte från partikeln själv. Anledningen till varför tennet är så synligt kan bero på att partikeln är väldigt tunn vilket leder till att grundmassan lyser igenom.
Aluminiumtoppen representerar rester av aluminiumoxid från OPS (oxidpolering).
2.
Punkt 2 på bild 4.1 innehåller mest tenn men det förekommer även en del silver och koppar.
3.
42 4.
Punkt 4 på bild 4.1 innehåller både tenn och koppar (Cu6Sn5).
5.
Punkt 5 på bild 4.1 är ett kopparrikt område.
6.
43
a)
b)
Bild 9.2: Två bilder på samma lod, a) tagen med ljusoptiskt mikroskop och b) med SEM.
Temperaturcyklad och vibrerad
blyad (ljusoptisk mikroskopbild)
Temperaturcyklad och
vibrerad blyad (SEM-bild)
44 1.
Punkt 1 på bild 9.2a är tenn. 2.
Punkt 2 på bild 9.2a är ett bly- och tennrikt område, eftersom den markerar gränsen mellan bly och tenn.
3.
45
10 Resultat
I det här kapitlet ska resultaten för sprickdetektering presenteras. För att kunna avgöra huruvida en spricka har uppkommit undersöktes kutsarna med ett ljuoptiskt mikroskop.