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Dokumentenidentifikation DE19644094C2 24.02.2000
Titel Verfahren zur Ermittlung mechanischer und/oder rheologischer Materialeigenschaften eines Prüfkörpers
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80636 München, DE
Erfinder Kising, Michael, Dr.-Ing., 10779 Berlin, DE;
Wittke, Klaus, Prof. Dipl.-Ing. Dr., 12165 Berlin, DE;
Scheel, Wolfgang, Prof. Dipl.-Ing. Dr., 10178 Berlin, DE;
Nowottnick, Mathias, Dr.-Ing., 10245 Berlin, DE
Vertreter Münich . Rösler Anwaltskanzlei, 80689 München
DE-Anmeldedatum 31.10.1996
DE-Aktenzeichen 19644094
Offenlegungstag 13.11.1997
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 24.02.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.02.2000
IPC-Hauptklasse G01N 3/02
IPC-Nebenklasse G01N 3/54   G01N 19/04   G01N 33/20   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung mechanischer und/oder rheologischer Materialeigenschaften eines Prüfkörpers, der wenigstens zwei Prüfbereiche jeweils aus einem zu untersuchenden Material aufweist und auf den gezielt Kräfte und/oder Momente ausgeübt werden, bis ein erster Prüfbereich einen gewünschten Verformungsgrad bishin zum vollständigen Bruch und der andere Prüfbereich einen geringeren Verformungsgrad erfährt.

Stand der Technik

Das genannte, gattungsgemäße Verfahren dient vorzugsweise der Ermittlung von Belastbarkeitsgrenzen sowie Belastungseigenschaften von Materialien und Fügeverbindungen zwischen wenigstens zwei Teilen. Neben an sich bekannten Kraftschlußverbindungen, wie sie beispielsweise bei Steckverbindungen vorkommen, spielen in vielen technischen Anwendungsgebieten insbesondere Stoffschlußverbindungen zwischen zwei oder mehreren Teilen eine bedeutende Rolle.

Insbesondere auf dem Elektronikbereich, hängt nicht zuletzt die mechanische Beanspruchbarkeit elektronischer Komponenten von der Güte der in den elektronischen Komponenten vorhandenen Verbindungen ab, die beispielsweise den Zusammenhalt elektrischer, elektronischer oder optisch-elektronischer Baugruppen mit den Verschaltungsplatinen gewährleisten. Von besonderem Interesse sind hierbei Fügeverbindungen, vorzugsweise Weichlöt- und/oder Klebverbindungen, wie sie z. B. in der SMD-Technik (Surface Mounted Device), Chip-Montage, Flip-Chip- Technik oder CSP-Montage (Chip Size Packing) Verwendung finden. Derartige Fügeverbindungen unterliegen je nach Einsatzbedingungen den unterschiedlichsten mechanischen Beanspruchungen, wie beispielsweise Vibrationen und Erschütterungen und können überdies unterschiedlichsten atmosphärischen Bedingungen ausgesetzt sein, so daß die Fügeverbindungen durchaus großen Temperatur-, Druck- sowie Schwankungen in der Zusammensetzung der die Verbindungen umgebenden Gasatmosphäre unterliegen können.

Die ständig steigenden Anforderungen an die Zuverlässigkeit von elektrischen, elektronischen und/oder optoelektronischen sowie mikrotechnischen Baugruppen verlangen im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Einflüsse geeignete Methoden zur Prüfung der für den Einsatz dieser Baugruppen unter Betriebsbedingungen wichtigen rheologischen und mechanischen Eigenschaften der in diesen Baugruppen eingesetzten Materialien und Fügeverbindungen, insbesondere der Löt- und/oder Klebverbindungen.

Für derartige Untersuchungen sind zum Teil national und international genormte Methoden bekannt, die nachstehend reihenhaft aufgeführt sind:

Zeitstandscherversuch nach DIN 8526, Ermittlung der Haftscherfestigkeit zwischen Auflagenwerkstoff und Grundwerkstoff im Scherversuch nach DIN 50126, Winkel schälversuch nach DIN 53282, Alterungsversuch für Klebverbindungen nach EN 2243, Teil 5, Bestimmung der Temperaturbeständigkeit von elektrischen und optischen Verbindungselementen nach EN 2591, Teil C1, Prüfung der Haftfestigkeit von metallischen Beschichtungen durch Scherbeanspruchung nach EN 2830, Bestimmung der Zugfestigkeit von Klebverbindungen nach EN 26922, Schälprüfung für flexibel/starr geklebte Proben nach EN 28510 sowie Prüfung unter den Bedingungen von Temperaturwechseln, beschleunigter Alterung sowie Klimabeanspruchung nach IEC 68, IPC-TR-464.

Die vorstehend angeführten, genormten Prüfverfahren beziehen sich auf die Prüfung der mechanischen Eigenschaften von Fügeverbindungen mit Hilfe geeigneter Prüfeinrichtungen, die auf die zu untersuchenden Verbindungsstellen gezielt Zug- oder Scherbeanspruchungen ausüben können.

Dabei werden insbesondere die entsprechenden Löt- oder Klebverbindungen bei Raumtemperatur bis zum mechanischen Bruch beansprucht. Die auf diese Weise ermittelbaren Bruchkräfte dienen ausschließlich der Bewertung der mechanischen Eigenschaften der Fügeverbindungen. Aussagen über die Zuverlässigkeit der zu untersuchenden Fügeverbindungen unter thermo-mechanischen Betriebsbeanspruchungen sind jedoch mit derartigen Prüfmethoden nicht möglich. Hierfür sind Kenntnisse über die Zeit- und/oder temperaturabhängigen mechanischen Eigenschaften wie z. B. der Auslöttemperatur, der äquikohäsiven bzw. äquiresistenten Temperatur, der Festigkeit und Dehnung z. B. bei der betriebsbedingten Dauer- und Spitzentemperatur, der Kriecheigenschaften und der Warmfestigkeit auch unbedingt erforderlich.

Zur Vermeidung des vorstehend genannten Nachteils sind weitere Prüfmethoden und dafür erforderliche Prüfkörper vorgesehen, wie es beispielsweise bei dem "sogenannten Ring-Auszieh-Versuch" nach ISO 5187 und ISO 3683 der Fall ist.

Dieser Versuch hat den prinzipiellen Nachteil, daß lediglich Einsteckverbindungen geprüft werden können, jedoch keine oberflächen-montierten Baugruppen, wie sie insbesondere in der SMD-Technik Verwendung finden. Überdies gestattet diese Methode keine gemeinsame bzw. gleichzeitige Aussage über die mechanischen Eigenschaften sowie des Gefügeaufbaues der entsprechenden zu untersuchenden Materialien oder Löt- und/oder Klebverbindungen. Eben diese Erkenntnisse sind jedoch unbedingt erforderlich für eine aussagekräftige Schwachstellenanalyse bei der Untersuchung von den in Betracht zu ziehenden Materialien und Fügeverbindungen, wie sie in elektronischen Komponenten vorkommen.

In der amerikanischen Druckschrift US 4 095 465 ist im wesentlichen ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung von Adhäsionskräften beschrieben, die zwischen einer Art Kordel und einem Gummiblock bzw. zwischen Draht und Gummi wirken. Hierbei sind an entgegengesetzten Seiten eines Gummikörpers Drahtstücke in diesen eingebracht, die jeweils aus dem Gummikörper etwas rausragen. Kraftbeaufschlagt werden beide Drahtstücke aus dem Gummikörper zugleich gezogen, wobei die investierte Kraft gemessen wird. Sobald ein Drahtstück aus dem Gummikörper vollständig herausgezogen ist, wird der Vorgang abgebrochen und die Kraftmessung abgeschlossen und der Trennbereich zwischen Draht und Gummikörper untersucht. Mit dieser Methode kann zwar eine Aussage über die Haftfestigkeit von Draht in einem Gummikörper getroffen werden, jedoch begrenzt sich der Aussagegehalt lediglich auf Oberflächenkräfte und nicht auf die Analyse von inneren Gefügestrukturen.

Aus der JP 07260674 A geht ein Verfahren zur Untersuchung von Diffusionsverbindungen an sehr dünnen Werkstoffproben hervor, das mit Hilfe geeigneter Zugversuchen durchgeführt wird. Zur Durchführung derartiger Versuche wird die dünne Folie beidseitig kontaktiert, wodurch die Verbindungsflächen regelrecht hintereinander liegen und an der entsprechenden Sollbruchstelle zerreißen.

Dieser Zugversuch dient nicht der Bestimmung rheologischer Eigenschaften, sondern vielmehr der Reißfestigkeit von Diffusionsverbindungen.

In der JP 55-164332 A ist ein Verfahren beschrieben zur Überprüfung der Qualität einer Verbindung zwischen zwei Körpern. Hierzu werden die zu untersuchenden Verbindungen nacheinander mit Hilfe von Ultraschallfelder abgetastet, die Dämpfungs-, Reflexions- und Laufzeiteffekten unterliegen, die von Fehlstellen in den stofflichen Verbindungen entscheidend beeinflußt werden. Mit Hilfe dieses bekannten Verfahrens können Informationen aus bestehenden stofflichen Verbindungen gewonnen werden, jedoch dient dieses Verfahren nicht der Belastungsmessung von Verbindungen hinsichtlich ihrer Festigkeit und Verformsteifigkeit.

Aus der JP 6-273317 A geht ein ähnliches Verfahren wie aus der eben zitierten Druckschrift JP 07260674 A hervor, wobei hier lediglich Adhäsionskräfte bei einer Klebefolie überprüft bzw. gemessen werden.

In der JP 07128222 A sowie der JP 6-207900 A werden Verfahren zur Erfassung der Adhäsion bzw. Benetzung einer Lotpaste vor der eigentlichen Verbindung beschrieben. Derartige Lotpasten-Tests werden auch in der Literatur häufig als "Tackiness-Test" bezeichnet.

Schließlich geht aus der JP 2-19744 A ein Verfahren zur Bestimmung der Verbindungsfestigkeit von Bond-Drähten hervor, das mit Hilfe elektrischer magnetischer Felder der exakten zeitlichen Analyse von Abrißvorgängen von Bond- Drähten erlaubt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung mechanischer und/oder rheologischer Materialeigenschaften eines Prüfkörpers, der wenigstens zwei Prüfbereiche jeweils aus einem zu untersuchenden Material aufweist und auf den gezielt Kräfte und/oder Momente ausgeübt werden, bis ein erster Prüfbereich einen gewünschten Verformungsgrad bishin zum vollständigen Bruch und der andere Prüfbereich einen geringeren Verformungsgrad erfährt, derart weiterzubilden, daß zuverlässige Aussagen über die Festigkeit bzw. Haltbarkeit von den zu untersuchenden Materialien oder Fügeverbindungen, die den verschiedensten mechanischen, thermischen und chemischen Einflüssen ausgesetzt sind, getroffen werden können. Zur vollständigen Aussage über diese mechanischen und/oder rheologischen Materialeigenschaften sind insbesondere sowohl die Brucheigenschaften als auch der Gefügeaufbau bis kurz vor der Bruchbeanspruchung zu analysieren. Hierzu soll unter Verwendung eines geeignet ausgebildeten Prüfkörpers die gleichzeitige Erfassung von mechanischen und/oder rheologischen Eigenschaften sowie eine metallographische Analyse der zu untersuchenden Prüfbereiche ermöglicht werden.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Die den Erfindungsgedanken vorteilhaft ausbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur Ermittlung mechanischer und/oder rheologischer Materialeigenschaften eines Prüfkörpers, der wenigstens zwei Prüfbereiche jeweils aus einem zu untersuchenden Material aufweist und auf den gezielt Kräfte und/oder Momente ausgeübt werden, bis ein erster Prüfbereich einen gewünschten Verformungsgrad bishin zum vollständigen Bruch und der andere Prüfbereich einen geringeren Verformungsgrad erfährt, dadurch weitergebildet, daß anschließend durch zerstörungsfreie oder zerstörende Gefügeuntersuchungen zumindest der andere Prüfbereich, der einen geringeren Verformungsgrad aufweist, analysiert wird.

Durch die Vorsehung mindestens zweier gleichzeitig zu untersuchender Prüfbereiche kann erfindungsgemäß die Kraft- bzw. die Momenteinwirkung auf die Prüfbereiche solange ausgeübt werden, bis ein Prüfbereich bis zum Bruch deformiert wird. Der andere, nicht zerstörte Prüfbereich kann danach unter anderen Bedingungen erneut geprüft oder metallographisch analysiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, z. B. neben der mechanischen Bruchkraftbestimmung Aussagen über den Gefügeaufbau im Prüfbereich zu treffen.

Der Prüfkörper zur Untersuchung von Fügeverbindungen weist hierzu wenigstens zwei getrennte Fügeverbindungen auf, die die Bereiche des übrigen Prüfkörpers zumindest mittelbar miteinander stoffschlüssig verbinden. Zur Bestimmung von Löt- und/oder Klebeverbindungen, wie sie beim Einsatz von elektronischen Baugruppen bzw. von elektronischen Bauelementen vorkommen, weist der Prüfkörper eine Aufnahmemöglichkeit für ein elektronisches Bauelement auf, die beispielsweise mittels eines Formschlusses realisierbar ist. Das elektronische Bauelement ist mit einer Seite, an der zumindest zwei Fügeverbindungen vorgesehen sind mit einem zweiten Teil des Prüfkörpers im Wege der zu untersuchenden Fügeverbindung verbunden, so daß diese Bereiche gezielt mit Kräften bzw. Momenten beaufschlagt werden können.

Der in vorteilhafter Weise länglich ausgebildete Prüfkörper weist wenigstens zwei zu untersuchende Prüfbereiche nebeneinanderliegend in einer einzigen Querschnittsebene durch den Prüfkörper auf. Alternativ dazu sind Prüfkörper denkbar, deren zu untersuchende Prüfbereiche, relativ zur Längserstreckung des Prüfkörpers hintereinander angeordnet sind.

Je nach den verschiedenartig zu untersuchenden Eigenschaften ist der Prüfkörper zumindest in den zu untersuchenden Bereichen nach Art der Geometrie- und der Werkstoffwahl individuell auszugestalten. Um der Forderung nachzukommen, daß der Prüfbereich einen geringeren Widerstand gegenüber den einwirkenden Kräften und/oder Momenten entgegensetzen soll als die übrigen Bereiche des Prüfkörpers, bietet sich die Ausbildung des Prüfbereiches in einer von einer Achsensymmetrie abweichenden Querschnittsform an. Je nach Anordnung der Fügeverbindungen und/oder Anwendungsfall ist der Prüfkörper zumindest im Bereich des Prüfbereiches, in dem Fügeverbindungen vorgesehen sind, massiv oder hohlauszubilden.

Mit Hilfe des derart ausgestalteten Prüfkörpers, der in eine entsprechende Prüfeinrichtung einsetzbar ist, durch die Kräfte und/oder Momente auf den Prüfkörper ausgeübt werden können, so daß eine gezielte Untersuchung der mechanischen und/oder rheologischen Eigenschaften der zu untersuchenden Prüfbereiche möglich ist, wird das erfindungsgemäß Verfahren zur Ermittlung derartiger Eigenschaften vorzugsweise unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung durchgeführt.

So wird der in die Prüfeinrichtung eingebrachte Prüfkörper bei einer vorgegebener Temperatur mit zügig ansteigenden Kräften und/oder Momenten beansprucht bis zumindest in einem Prüfbereich bei dem zu untersuchenden Material eine gewünschte Verformung oder ein Bruch eintritt.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Idee zugrunde, die Dauer der mechanischen Beanspruchung der Prüfbereiche derart zu wählen, bis beispielsweise ein erster Prüfbereich bzw. Fügeverbindung einen gewünschten Verformungsgrad bishin zum vollständigen Bruch erfährt, wohingegen der Prüfbereich bzw. Fügeverbindung lediglich einen gewissen Grad an Verformung aufweist bzw. nicht zerstört wird.

Durch eine anschließende andere Prüfung kann eine andere Eigenschaft bestimmt und/oder eine metallographische, d. h. nichtzerstörende Analyse durchgeführt werden.

Eine weitere, alternatives Verfahrensweise sieht vor, daß bei einer vorgegebenen Temperatur der in der Prüfeinrichtung eingebrachte Prüfkörper mit gleich bleibenden oder wechselnden Kraftmomenten beaufschlagt wird bis ein gewünschter Verformungszustand oder ein Bruch zumindest an einem zu untersuchenden Prüfbereich bzw. Fügeverbindung eintritt.

Die hierfür vorgesehenen Temperaturen reichen von ca. -96°C bishin zur Schmelztemperatur des zu untersuchenden Materials bzw. des in der Fügeverbindung verwendeten Lotes oder der Wiederaufschmelz- bzw. Auslöttemperatur des Lötgutes bzw. der Erweichungs- oder Zersetzungstemperatur des verwendeten Klebstoffes oder Klebgutes.

Für die Erfassung der temperaturabhängigen Eigenschaften der zu untersuchenden Materialien und insbesondere der zu untersuchenden Fügeverbindungen ist die Temperatur während der an den zu untersuchenden Fügeverbindungen anliegenden Kräfte bzw. Momente, vorzugsweise stetig zu erhöhen bis die Schmelztemperatur des Materials bzw. des Lotes oder die Wiederaufschmelz- bzw. Auslötetemperatur des Lötgutes bzw. der Erweichungs- oder Zersetzungstemperatur des Klebstoffes oder des Klebgutes erreicht wird.

Je nach Art und Einsatzzweck der zu untersuchenden Materials bzw. Fügeverbindungen ist der in die Prüfeinrichtung eingebrachte Prüfkörper bei gleichbleibender Beaufschlagung eines Kraftmomentes oder ohne äußere Krafteinwirkung einem Temperaturwechsel auszusetzen bis ein gewünschter Verformungszustand erreicht wird.

Grundsätzlich ist die Durchführung des Verfahrens hinsichtlich der Wahl der Temperatureinstellung und der Ausübung von Kräften bzw. Momenten auf den zu untersuchenden Prüfbereich in beliebiger Kombination zu wählen.

Auch ist die Hintereinanderausführung verschiedener Verfahrensbedingungen möglich, d. h. der Prüfkörper wird bei gleichbleibender Temperatur unter sich ständig ändernden Eintrag von Kräften und Momenten auf den zu untersuchenden Prüfbereich belastet bis ein gewünschter Verformungszustand eintritt. Anschließend wird der gleiche Prüfkörper lediglich sich ändernden Temperaturbedingungen ausgesetzt ohne äußere Krafteinwirkung. Die Kombination von mehreren, aufeinanderfolgenden Verfahrensabschnitte mit jeweils unterschiedlichen Beanspruchungszyklen sind dabei beliebig durchführbar und richten sich in erster Linie nach den Verhältnissen und Vorgaben der zu untersuchenden Materials bzw. Fügeverbindungen.

Um die Auswirkungen von elektrisch und/oder magnetischen Felder sowie die umgebenden Atmosphärenverhältnissen auf die Eigenschaften der Materialien bzw. der Fügeverbindungen zu überprüfen, sind entsprechende Vorkehrungen zu treffen, so daß elektrische und/oder magnetische Felder sowie gasförmige Medien mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen, die vorzugsweise nicht der Zusammensetzung von Luft entsprechen, wenigstens in dem Prüfbereichen vorzusehen sind. Ebenso sind in dem zu untersuchenden Prüfbereich flüssige Medien vorsehbar.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es erstmals möglich, konkrete Aussagen über folgende auch temperaturabhängige, mechanische und/oder rheologische Eigenschaften von insbesondere Fügeverbindungen anzugeben: Bruchkraft, Spannung, Festigkeit, Verformung, Dehnung, Viskosität, Fließkrämpfe, Thixotropie, Rheopexie, Dilatanz, Pseudoplastizität, Elastizität, Schergeschwindigkeit, viskose und elastische Anteile, Kriech- oder Retardationszeit, Schubmodul, komplexer dynamischer Schubmodel, Speichermodul, Verlustmodul, Verlustwinkel, Verlustfaktor, komplexe Viskosität, Deformationsgeschwindigkeit und Phasenverschiebungswinkel um nur einige zu nennen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a-d schematisierte Darstellung eines Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 Diagrammdarstellung der bei einem aus Kupfer gefertigten Prüfkörper mit Lötverbindungen aus SnPbAg2-Lot auftretenden Bruchdehnungen (%) in Abhängigkeit der Prüftemperatur,

Fig. 3 Diagrammdarstellung der bei einem aus Kupfer gefertigten Prüfkörper mit Lötverbindungen aus dem SnPbAg2-Lot auftretenden Brucharbeit (Nµm) in Abhängigkeit der Prüftemperatur (°C)

Fig. 4 Diagrammdarstellung der relativen Kriechgeschwindigkeiten aus unterschiedlichen Materialien auch mit Lötverbindungen aus dem Lot SnPbAg2-Lot in Abhängigkeit der systemspezifischen homologen Temperatur, sowie

Fig. 5 ermittelte Auslöttemperaturen (°C) von Kupfer-Lötverbindungen aus unterschiedlichen Loten.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In Fig. 1a ist schematisiert eine Prüfeinrichtung P dargestellt. Prüfkörperaufnahmen Pa sorgen für eine feste Verbindung zwischen der Prüfeinrichtung P und dem Prüfkörper, der zwei zu untersuchende Prüfbereiche PB1 und PB2 aufweist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht der Prüfkörper aus zwei Teilabschnitten PK1 und PK2, zwischen denen die zu untersuchenden Prüfbereiche PB1 und PB2 angeordnet sind.

In den Teilfiguren gemäß Fig. 1b-d sind Ausschnitte, wie es in Fig. 1a durch den Kreis angedeutet ist, von vorteilhaft ausgebildeten Prüfkörpern dargestellt. Der in Fig. 1b abgebildete Prüfkörper besteht aus zwei Teilen, einem oberen 1 und einem unteren 1' Prüfkörperteil. Der Prüfbereich des Prüfkörpers gemäß Fig. 1b weist zwei im Querschnitt des länglich ausgebildeten Prüfkörpers gegenüberliegenden Lötverbindungen 2 und 2' auf. Der länglich ausgebildete Prüfkörper kann beispielweise als Prismastab oder Rundrohr ausgebildet sein, der eine senkrecht zur Stab- oder Rohrachse eine Bohrung B aufweist.

Der obere und untere Teil des Prüfkörpers ist in der in Fig. 1a dargestellten Prüfeinrichtung P eingesetzt, die gezielt Kräfte und Momente auch auf die Lötverbindungen mit unterschiedlichen Querschnitten 2 und 2' ausübt. Der in dieser Darstellung gezeigte Prüfkörper weist einen achsensymmetrischen Grundkörper auf, um dessen Achse A wechselnde oder konstante Torsionsbeanspruchungen (siehe Kreispfeile) auf dem Prüfkörper ausgeübt werden.

Das erfindungsgemäße Prüfverfahren wirkt dabei derart auf beide, in diesem Fall als Lötverbindungen ausgebildete Fügeverbindungen ein, bis eine Lötverbindung bricht, wobei die andere Lötverbindung nur einer stofflichen Verformung unterliegt. Mit Hilfe der für die Verformung erforderlichen messbaren Kräfte und Momente sowie der Erkenntnisse, die durch genaue zerstörungsfreie oder zerstörende Gefügeuntersuchungen der deformierten Fügeverbindung gewonnen werden, sind präzise Aussagen über die bei der Bestimmung der mechanischen und rheologischen Eigenschaften der eingetretenen Veränderungen an den Lötverbindungen möglich.

Im Falle der Fig. 1c weist der obere Teil eine Aufnahmevorrichtung für ein elektronisches Bauelement 3 auf, der Teil des Prüfkörpers ist. Die Aufnahme erfolgt vorzugsweise über Formschluß. Das elektronische Bauelement 3 ist über eine Vielzahl von Lötverbindungen 4 mit dem unteren Teil des Prüfkörpers 1 verbunden. Der untere Prüfkörperteil 1 dient dabei als Substratfläche für das elektronische Bauelement, auf die das Bauelement mittels Lötverbindungen 4 aufgebracht ist. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mit Hilfe der Prüfeinrichtung gezielt Kräfte bzw. Momente auf die Lötverbindungen 4 ausgeübt, z. B. bis wenigstens eine Lötverbindung zerstört ist, bzw. andere Lötverbindungen gewünschte Verformungsgrade angenommen haben.

Die Aufnahmevorrichtung gemäß Darstellung nach Fig. 1d weist eine Aufnahmemöglichkeit für ein aus mehreren Schichtverbindungen bestehendes Bauelement 6 auf. Die Aufnahmebereiche für das Bauelement in den oberen und unteren Prüfkörperteilen weisen vorzugsweise entsprechende Formschlüsse auf.

Das in der Darstellung gemäß Fig. 1d dargestellte Bauelement 6 weist einen Kühlkörper 7, eine Klebeverbindung 8, ein Chip 9, mehrere Lötverbindungen 10 sowie ein Substrat 11 auf. Die Besonderheit der zu untersuchenden Fügeverbindungen besteht darin, daß das Bauelement 6 zwei unterschiedlich ausgebildete Prüfbereiche im Sinne zweier Fügeverbindungen aufweist, nämlich die Klebeverbindung 8 und die Lötverbindung 10. Durch geeignete Kraft- und Momenteinwirkung auf den durch die Verbindungen dargestellten Prüfbereiche können unter Anwendung des obenstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens sowohl die mechanischen als auch rheologischen Eigenschaften der Klebeverbindung 8 bzw. der Lötverbindungen 10 untersucht werden.

Allen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Prüfkörper ist gemeinsam, daß der Prüfbereich, der die zu untersuchenden Fügeverbindungen aufweist, jeweils derart geometrie- bzw. werkstoffbedingt ausgelegt ist, so daß der Prüfkörper vorzugsweise in den Prüfbereichen Deformationen bzw. Brucherscheinungen aufweist. Die anderen Teile des Prüfkörpers verbleiben während des gesamten Verfahrens von den auf ihn einwirkenden Kräften nahezu unverändert.

Fig. 2 zeigt ein Meßprofil in einem Diagramm, in dem auf der Abszisse die Prüftemperatur Tp und auf der Ordinate die Bruchdehnung Bd aufgetragen sind. Der für die Belastungsversuche verwendte Prüfkörper ist aus zwei Kupferteilen gefertigt und weist einen Aufbau gemäß Fig. 1b auf, wobei die zwei Prüfkörperteile mit handelsüblichen SnPbAg2-Weichlot unter Nutzung von Adipinsäure als Flußmittel in einer Dampfphasen-Lötanlage reflow-gelötet worden sind. Es wurden bei unterschiedlichen Prüftemperaturen jeweils zügig ansteigende Belastungen in Form von Scherverformungen auf den Prüfkörper ausgeübt, bis sich ein Bruch an einer Fügeverbindungsstelle eingestellt hat. Der Grad der Scherverformung ist mit einem modifiziertem Rheometer ermittelt worden. Aus dem Profilverlauf der Meßkurve ist zu entnehmen, daß das untersuchte Lötgut im Temperaturbereich unterhalb der Schmelztemperatur des Lotes stark versprödet.

In Fig. 3 ist ein Meßdiagramm dargestellt, bei dem auf der Abszisse die Prüftemperatur Tp aufgetragen ist und auf der Ordinate die Brucharbeit Ba. Wie im Beispiel der vorstehend beschriebenen Fig. 2 wurde auch in diesem Fall ein aus zwei Kupferteilen bestehender Prüfkörper mit gleichen Lötverbindungen verwendet. Im Unterschied zum vorstehenden Fall wurden mit Hilfe eines modifizierten Rheometers bei zügiger Belastung des Prüfbereichs die Scherbruchkräfte und Verformungen im Prüftemperaturbereich zwischen 150°C und 185°C ermittelt. Aus diesen Werten konnten die zahlenmäßigen Ordinatenwerte in der Diagrammdarstellung in Bild 3 ermittelt werden. Aus dem auf diese Weise erhaltenen Diagrammverlauf kann entnommen werden, daß das Lötgut unterhalb von 170°C einen Zähbruch aufweist. Oberhalb dieser Temperatur erfolgt dagegen ein Sprödbruch. Der Wert von 170°C kennzeichnet also die äquiresistente Temperatur.

Fig. 4 gibt ein weiteres Meßergebnis zur Ermittlung der Kriechgeschwindigkeit Kg für unterschiedliche Materialien bzw. Lötverbindungen an. Auf der Abszisse ist die sogenannte systemspezifische homologe Temperatur Th aufgetragen, die als dimensionslose Einheit das Verhältnis aus der real-anliegenden Prüftemperatur zur Schmelztemperatur des zu untersuchenden Werkstoffes bzw. der Auslöttemperatur der Lötverbindungen angibt. Auf der Ordinate sind die relative Kriechgeschwindigkeiten Kg aufgetragen.

Als Prüfkörper wurden entsprechende Kupferproben bzw. zwei aus verlöteten Kupferteilen gemäß dem Aufbau des Prüfkörpers nach Fig. 1b angewendet. Zum einen wurde ein Prüfkörper mit einer SnPbAg2-Weichlotverbindung, zum anderen ein Prüfkörper mit einer PbSn1-Weichlotverbindung verwendet. Beide Lötverbindungen wurden unter Nutzung von Adipinsäure als Flußmittel im Lötofen reflow-gelötet. Die ermittelten Kriechverformungen sind im stationären Kriechbereich bei ruhender Beanspruchung und einer Prüftemperatur von 150°C mittels eines modifizieten Rheometers ermittelt worden. Aus den damit bestimmten Werten wurden die Kriechgeschwindigkeiten bestimmt und auf die systemspezifische homologe Prüftemperatur bezogen. Die an der Meßkurve angegebenen Zahlenwerte geben die entsprechenden Relativwerte der Kriechgeschwindigkeiten an. Als Standardwert dient der Grundwerkstoff Kupfer, der mit einer Kriechgeschwindigkeit von 1 normiert ist. Relativ zum Werkstoff Kupfer kriecht die Cu-PbSn1-Weichlötverbindung 2,6 mal schneller als Kupfer, wohin gegen die Cu-SnPbAg2-Weichlötverbindung 8,76 mal schneller als Kupfer kriecht.

Schließlich sind in der Tabelle gemäß Fig. 5 verschiedenen Auslöttemperaturen von zwei verschiedenen Lötverbindungen angegeben, die mittels der Prüfkörpervorrichtung gemäß Fig. 1b ermittelt worden sind. Der Prüfkörper besteht jeweils aus Cu-Teilen und entsprechenden Weichlötverbindungen. Die zwei Prüfkörperteile sind mit SnPbAg2- und PbSn1,8-Weichloten unter Nutzung von Adipinsäure bzw. F600 als Flußmittel im Lötofen reflow-gelötet. Die Auslöttemperaturen wurden bei konstanter Beanspruchung mit etwa 10 mN/mnH2H und zügigem Anstieg der Prüftemperatur (10 K/min) mittels eines speziellen Prüfstandes ermittelt. Aus den in der Tabelle gemäß Fig. 5 angegebenen Werten kann entnommen werden, daß die Auslöttemperatur höher als die Schmelztemperatur der jeweiligen Lote sind. Ihre Größe entspricht etwa den Löttemperaturen.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Ermittlung mechanischer und/oder rheologischer Materialeigenschaften eines Prüfkörpers, der wenigstens zwei Prüfbereiche jeweils aus einem zu untersuchenden Material aufweist und auf den gezielt Kräfte und/oder Momente ausgeübt werden, bis ein erster Prüfbereich einen gewünschten Verformungsgrad bishin zum vollständigen Bruch und der andere Prüfbereich einen geringeren Verformungsgrad erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend durch zerstörungsfreie oder zerstörende Gefügeuntersuchungen zumindest der andere Prüfbereich, der einen geringeren Verformungsgrad aufweist, analysiert wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Prüfbereich aus einer stoffschlüssigen Fügeverbindung und insbesondere aus Löt- oder Klebverbindungen besteht.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper bei einer vorgegebenen Temperatur mit zügig ansteigenden Kräften und/oder Momenten beansprucht wird, bis im ersten Prüfbereich der gewünschte Verformungsgrad oder Bruch eintritt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper bei einer vorgegebenen Temperatur mit konstanten und/oder wechselnden Kräften und/oder Momenten beansprucht wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Temperatur innerhalb eines Bereichs zwischen -96°C und der Schmelztemperatur des zu untersuchenden Materials oder des Lotes oder der Wiederaufschmelz- bzw. Auslöttemperatur des Lötgutes von Lötverbindungen bzw. der Erweichungs- oder Zersetzungstemperatur des Klebstoffes oder Klebgutes von Klebverbindungen eingestellt wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Temperatur bis zum Erreichen der Schmelztemperatur des Lotes oder Wiederaufschmelz- bzw. Auslöttemperatur des Lötgutes von Lötverbindungen bzw. der Erweichungs- oder Zersetzungstemperatur des Klebstoffes oder des Klebgutes von Klebverbindungen erhöht wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 der Prüfkörper nochmals Kräften und/oder Momenten mit einem anderen vorgebenen Beanspruchungszyklus ausgesetzt wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper dem Einfluß eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes ausgesetzt wird.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper einem gasförmigen Medium mit einer chemischen Zusammensetzung, die nicht der Luft entspricht, oder einem flüssigen Medium ausgesetzt wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gefügeuntersuchung eine metallografische Analyse durchgeführt wird.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfbereiche im Prüfkörper derart vorgesehen werden, daß die Prüfbereiche in Bezug auf die einwirkenden Kräfte und/oder Momente nebeneinander und/oder nacheinander angeordnet sind.






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