رفتار خزشی آلیاژهای لحیم بدون سرب ZnCuAl

کیوان رستم‌پور – امروزه به دلیل استفاده‌های فراوان از قطعه‌ها، مدارها و دستگاه‌های الکترونیکی، انتخاب آلیاژ لحیم مناسب به یک موضوع اساسی در صنعت الکترونیک تبدیل شده است. خزش آلیاژهای لحیم بدون سرب یکی از عوامل مهم در تعیین کیفیت چنین اتصالاتی است.

آلیاژهای لحیم سرب‌دار به علت کاربری آسان، دمای ذوب پایین، قیمت مناسب، ترکنندگی خوب و خواص استحکامی رضایت‌بخش که در عمر مفید آن‌ها مؤثر است، به عنوان اتصال‌دهنده در سامانه‌های میکروالکترونیک کاربردهای زیادی داشته است. در دهه گذشته، مشکلات زیست‌محیطی ناشی از مصرف سرب بسیار مورد توجه قرار گرفته است. از این‌رو کاربرد آلیاژهای لحیم سرب‌دار تا حد امکان محدود شده است.

صنعت میکروالکترونیک به عنوان مصرف‌کنندهٔ اصلی این آلیاژها، توجه خود را به منظور دستیابی به جایگزین مناسبی برای آلیاژهای قلع و سرب بر کارهای پژوهشی متمرکز کرده است. در این راستا بررسی خزش آلیاژهای لحیم بدون سرب به یک ضرورت جدی تبدیل شده است.

از آلیاژهای Zn-(Sn, Al, Mg, Ge)، Au-(Sn, Si, Ge) و Bi-Ag به عنوان سیستم‌های بدون سرب که تا به امروز به عنوان جایگزین آلیاژهای لحیم سرب‌دار دمای بالا پیشنهاد شده‌اند، می‌توان نام برد. از آنجا که آلیاژهای پایه طلا و آلیاژهای پایه بیسموت با مشکلاتی از قبیل قیمت بالا، تشکیل ترکیب‌های بین‌فلزی متعدد و تردی بیش از حد مواجه هستند، آلیاژهای پایهٔ روی گزینهٔ بهتری نسبت به دو مورد قبلی هستند. یکی از مواد مناسب برای کاربرد در دمای بالا، سیستم‌های آلیاژی Zn-3Cu-xAl است. این سیستم‌ها در تحلیل خزش آلیاژهای لحیم بدون سرب نیز اهمیت ویژه‌ای دارند.

از آنجا که عمر یک اتصال لحیم به میزان کرنش خزشی در محل اتصال بستگی دارد، لزوم بررسی مقاومت خزشی آلیاژهای لحیم ضروری به نظر می‌رسد. در این تحقیق، تمرکز بر خزش آلیاژهای لحیم بدون سرب در دماهای بالا صورت گرفته است.

در این تحقیق، رفتار خزشی آلیاژهای لحیم بدون سرب دمای بالای Zn-3Cu-xAl با استفاده از خزش فروروندگی با فروروندهٔ استوانه‌ای، استحکام برشی آن‌ها با روش آزمون سنبهٔ برشی و سختی دمای بالا به کمک آزمون سختی گرم مورد بررسی قرار می‌گیرد.

تاریخچهٔ لحیم

مطالعات تاریخی نشان می‌دهد حدود ۵ هزار سال پیش، بشر برای نخستین‌بار از فلز قلع به عنوان لحیم استفاده کرده است. در دورهٔ مزوپوتامیا (تمدن مربوط به استقرار انسان‌ها در اطراف رود دجله و فرات) از قلع خالص برای اتصال دست‌گیره‌های نقره‌ای به کاسه‌های مسی استفاده شده است. انسان‌های پیشین نیز از فلز سرب به ندرت استفاده کرده‌اند؛ چرا که در آن زمان سرب از فلزات گران‌بها محسوب می‌شد.

اشتراک نظر با پیشینیان بعد از ۵ هزار سال برای برآورده‌سازی نیاز صنایع و توسعه و اصلاح آلیاژ مناسب، امری جالب توجه و شگفت‌انگیز است. هرچند در آن دوران مفهومی مانند خزش آلیاژهای لحیم بدون سرب وجود نداشت.

علت محدود کردن مصرف سرب

تحقیقات علمی نشان داده است سرب باعث اختلال در سیستم عصبی و تولیدمثل انسان می‌شود. این موضوع توجه پژوهشگران را به مطالعهٔ خزش آلیاژهای لحیم بدون سرب جلب کرده است. به علت افزایش آگاهی از امکان به خطر افتادن سلامتی انسان‌ها با توجه به سمی بودن سرب، تلاش‌های زیادی برای حذف و یا به حداقل رساندن سرب در محصولات مختلف صورت گرفته است.

پیشنهاد قانونی شدن ممنوعیت و یا محدودیت استفاده از سرب برای نخستین‌بار در سال ۱۹۹۰ در آمریکا شکل گرفت. در مقابل مخالفت شدید سازمان محیط‌زیست، از سوی صنعت الکترونیک به مسائل زیست‌محیطی به‌خصوص سمی بودن سرب توجهی نمی‌شد. در این برههٔ زمان بود که در نهایت جامعهٔ جهانی این ممنوعیت را برای محصولاتی که به صورت مستقیم با انسان‌ها تماس دارند، خواستار شد.

در نتیجهٔ این تلاش‌ها قانون ممنوعیت استفاده از سرب در صنعت الکترونیک (به جز چند مورد خاص) به اتحادیهٔ اروپا ابلاغ شد که اجرای این قانون از جولای سال ۲۰۰۶ میلادی آغاز شده است. قوانینی مانند این سبب شده‌اند که خزش آلیاژهای لحیم بدون سرب بیش از گذشته اهمیت یابد.

بیشتر بخوانید: نقش آسانسور رصدخانه اسفینکس در یکی از مرتفع‌ترین سازه‌های علمی اروپا چگونه بر سندروم خستگی تصمیم غلبه کنیم؟

اصول کلی برای انتخاب لحیم‌های بدون سرب

امروزه صنعت الکترونیک به سمت ساخت محصولاتی با ابعاد بسیار کوچک سوق یافته است. در چنین شرایطی، کنترل خزش آلیاژهای لحیم بدون سرب اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. کاهش اندازهٔ محصولات مستلزم کاهش ابعاد قطعات الکترونیکی و کاهش اتصالات لحیمی است. در انتخاب یک لحیم بدون سرب به عنوان جایگزین مناسب برای ترکیب یوتکتیک قلع–سرب (Sn–37 wt% Pb) باید به عوامل مؤثر متعددی توجه شود. در بسته‌های الکترونیکی با کارایی بالا و متراکم (ابعاد بسیار کوچک)، مواد اولیه باید از خواص مکانیکی، الکترونیکی و حرارتی ویژه‌ای برخوردار باشند.

در مجموع آلیاژهایی که در اتصال‌های الکترونیکی به کار می‌روند، باید دو نقش عمده را ایفا کنند. ابتدا این آلیاژها باید قابلیت ترشوندگی و تشکیل پیوند بین فلزات پایانه‌های بردها یا زیرلایه‌های الکترونیکی را دارا باشند؛ این عامل ایجاب می‌کند لحیم موردنظر ظرفیت تشکیل پیوند بین‌فلزی با مس، نیکل و دیگر فلزاتی که به صورت معمول در بسته‌های میکروالکترونیک استفاده می‌شوند را داشته باشد.

همچنین یک آلیاژ لحیم مناسب باید دارای دمای ذوب ویژه‌ای باشد. یکی از معیارهای مهم دیگر، مقاومت در برابر خزش آلیاژهای لحیم بدون سرب است. یعنی از یک سو دمای شروع انجماد آلیاژ به حد کافی پایین باشد تا حین لحیم‌کاری که به صورت خمیر روی پایانه‌های برد ریخته می‌شود سبب صدمه زدن به برد و قطعات حساس الکترونیکی نشود.

از سوی دیگر دمای خاتمهٔ انجماد آن تا حد امکان بالا باشد تا در اثر نقایص ممکن در بسته‌های الکترونیکی از جمله اتصال کوتاه، خرابی قطعات یا شوک الکتریکی و غیره، خاصیت خود را از دست ندهد.

در مجموع، پارامترهای انتخاب لحیم بدون سرب مناسب به اختصار شامل غیرسمی بودن، در دسترس بودن به مقدار کافی برای نیاز امروز و آینده، رسانایی حرارتی و الکتریکی مناسب، خواص مکانیکی مناسب (همچون استحکام، چقرمگی، خستگی و مقاومت خزشی)، سازگاری با فلزهای چاپ‌شده روی بردهای الکترونیکی (Sn، Au، Ag، Ni، Cu و غیره)، اقتصادی بودن و دارا بودن دمای ذوب مناسب است.

سیستم‌های لحیم بدون سرب پیشنهادی و خواص آن‌ها

با وجود مطالعات گسترده در سال‌های اخیر روی لحیم‌های بدون سرب، تنها گزینه‌های محدودی برای این منظور معرفی شده‌اند. در حال حاضر سه سیستم آلیاژی Zn-Sn، Au-Sn و آلیاژهای پایهٔ بیسموت به عنوان لحیم‌های بدون سرب دمای بالا مورد توجه قرار گرفته‌اند.

هر کدام از این سیستم‌ها با وجود مزایای شاخصی که دارند از معایبی نیز برخوردار هستند. یکی از روش‌های مقایسهٔ این سیستم‌ها تحلیل خزش آلیاژهای لحیم بدون سرب است. با این حال انتظار می‌رود سیستم‌های یادشده بیشترین کاربردهای دمای بالا را پوشش دهند.

لحیم‌های دما بالا

لحیم‌های دما بالا دارای کاربردهای متنوعی هستند. از تراشه‌های الکترونیکی مورد استفاده در دمای بالا می‌توان به صنایع هوافضا، نور و تجهیزات لیزر، مخابرات و خودروسازی اشاره کرد. برای نمونه در صنایع خودروسازی دمای محیطی که قطعات کامپیوتری خودرو در مجاورت موتور هستند، بالاست. بدیهی است یک آلیاژ لحیم به تنهایی نمی‌تواند در شرایط مختلف همهٔ کاربردها را برآورده کند.

همچنین رفتار خزش آلیاژهای لحیم بدون سرب در دماهای بالا اهمیت زیادی دارد. برای نمونه در اکثر اتصالات الکترونیکی صنایع هوافضا، تراشه‌های دورویهٔ الکترونیکی و خازن مقاومتی از لحیم‌هایی با ترکیب ۹۰ تا ۹۵ درصد وزنی سرب استفاده می‌شود. در صنایع نوری و لیزر، لحیم‌های غنی از طلا بسیار مناسب هستند، زیرا لحیم‌های استفاده‌شده در دستگاه‌های نوری باید فاقد سرباره باشند.

عواملی همچون محدودهٔ دمای ذوب ۴۰۰–۲۶۰ درجهٔ سانتی‌گراد، نرمی کافی برای جذب تنش‌های حرارتی، انبساط حجمی کم در هنگام قلع‌نشانی برای جلوگیری از شکست، کارپذیری کافی تا به شکل سیم یا ورق نازک درآیند، رسانایی الکتریکی مناسب، رسانایی حرارتی مناسب، خواص مکانیکی مناسب به‌خصوص مقاومت خستگی و خزش، غیرقابل نفوذ بودن توسط هوا، نداشتن سرباره و عدم اغتشاش پرتو α در انتخاب لحیم‌های دما بالا مؤثرند.

با توجه به مشخصات مورد نیاز برای لحیم‌های دما بالا، سیستم‌های آلیاژی Pb-Sn، Pb-Ag، Sn-Sb، Au-Sn، Au-Si و برخی سیستم‌های آلیاژی دیگر گزینه‌های مناسبی برای این منظور هستند. آلیاژ Sn-Sb با حداکثر ۵ درصد وزنی آنتیموان دارای خواص مکانیکی مطلوب بوده و فاقد ترکیب بین‌فلزی است، اما دمای ذوب بسیار پایینی در حدود ۲۴۰ درجهٔ سانتی‌گراد دارد.

اگر مقدار آنتیموان افزایش یابد، ترکیب بین‌فلزی تشکیل شده که منجر به سخت و ترد شدن آلیاژ خواهد شد. آلیاژ Sn-25Ag-10Sb به عنوان لحیم بدون سرب دمای بالا ساخته شده است. درصد وزنی نقره و آنتیموان زیاد، ترکیب بین‌فلزی تشکیل می‌دهند و در نتیجه خواص مکانیکی افت می‌کند. با این حال اگر به قلع عناصری مانند مس، نیکل یا کبالت افزوده شود، حداقل دمای خاتمهٔ انجماد را برآورده می‌کنند.

این دما در حدود ۲۶۰ درجه است. برای نمونه خاتمهٔ انجماد آلیاژ دوتایی Sn-4 wt% Cu، ۳۰۰ درجهٔ سانتی‌گراد است. در ساختار این آلیاژ، ترکیب‌های بین‌فلزی زیادی تشکیل می‌شود، در حالی‌که این آلیاژ در زمان لحیم‌کاری از کسر حجمی مایع بسیار زیادی برخوردار است. وجود ترکیب بین‌فلزی بیش از حد معین موجب افت خواص مکانیکی در محل‌های اتصال می‌شود.

از طرف دیگر وجود بیش از اندازهٔ فاز مایع در زمان لحیم‌کاری، به دلیل انبساط حجمی زیاد، افت کیفی اتصال و در برخی موارد تخریب ساختار زیرلایه را به دنبال خواهد داشت. این موارد اهمیت تحلیل خزش آلیاژهای لحیم بدون سرب را افزایش می‌دهد.

تعریف خزش آلیاژهای لحیم

در دماهای پایین و بدون حضور محیط خورنده، در شرایط بدون ارتعاش، عمر کاری یک قطعهٔ فلزی نامحدود است. در مقابل در دمای بالا، مستقل از شرایط ارتعاشی، عمر محدودی برای یک قطعهٔ فلزی پیش‌بینی می‌شود. در چنین شرایطی بررسی خزش آلیاژهای لحیم بدون سرب ضروری است.

با افزایش دما، استحکام مواد افت می‌کند. در دماهای بالا فرایند نفوذ نقش عمده‌ای در خواص مکانیکی مواد پیدا می‌کند. در واقع با افزایش دما تحرک اتم‌ها به صورت نمایی افزایش می‌یابد. تنش اعمالی در دمای بالا کرنش پیوسته‌ای ایجاد می‌کند و منجر به بروز پدیدهٔ خزش می‌شود. در مراجع مختلف، تعریف‌های گوناگونی برای خزش ارائه شده است. به طور کلی تغییر شکل ماده تحت بار ثابت در دمای بالا را خزش می‌نامند.

وابستگی استحکام به دما برای مواد مختلف متفاوت است. ممکن است دمایی که برای ماده‌ای زیاد است، برای مادهٔ دیگری خیلی زیاد نباشد. برای جبران این تفاوت، دمای همسانی مواد یعنی نسبت دمای آزمون به دمای ذوب (T/Tm) در نظر گرفته می‌شود. مطالعات بیان‌گر آن است در دمای همسانی بیش از ۰٫۵، خزش از لحاظ مهندسی اهمیت پیدا می‌کند.

دما، تنش و زمانی که تحت آن‌ها خزش یا شکست ناشی از تنش رخ می‌دهد، به فلز یا آلیاژ، ریزساختار آن و محیط کار بستگی دارد. بنابراین شکست دمای بالا در محدودهٔ وسیعی از دما می‌تواند رخ دهد. هرچند برای تمام فلزات و آلیاژها، خزش در دمایی کمی بالاتر از دمای تبلور مجدد آن‌ها اتفاق می‌افتد.

در چنین دمایی اتم‌ها آن‌قدر متحرک هستند که اجازهٔ تغییر ساختار وابسته به دما را بدهند. نرخ تغییر شکل در خزش کمتر از ۱٪ در دقیقه است. مقدارهای بزرگ‌تر به آزمون‌های کشش و فشار اختصاص دارد. تغییر شکل ناشی از خزش نامطلوب است و می‌تواند سبب محدود شدن عمر یک قطعهٔ خاص شود. خزش یکی از اصلی‌ترین مکانیزم‌های انهدام در دمای بالاست.

به طور معمول پدیدهٔ خزش به شکست ماده منجر نمی‌شود. یعنی در خزش، منظور از انهدام ماده ایجاد تغییر شکل پلاستیک است که سبب ایجاد اختلال در محل مورد استفاده می‌شود. آزمون‌هایی که برای اندازه‌گیری استحکام مواد در دمای بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند، باید با توجه به مدت زمان مورد انتظار برای پایداری ماده در آن دما انتخاب شوند. در این حوزه نیز تحلیل خزش آلیاژهای لحیم بدون سرب جایگاه مهمی دارد.

منحنی خزش

دو متغیر مهم که بر خزش اثرگذار هستند عبارتند از دما و تنش. پارامترهای ریزساختاری دیگری مانند اندازهٔ دانه، انرژی نقص در چیده‌شدن و مدول الاستیک نیز بر رفتار خزشی مواد اثرگذارند. منحنی‌های خزش در دمای ثابت، تحت بار یا تنش ثابت به صورت کرنش نمونه بر اساس تابعی از زمان رسم می‌شوند. این اصول در بررسی خزش آلیاژهای لحیم بدون سرب نیز به کار می‌روند.

به طور کلی تغییر شکل خزشی چنانچه در حالت کششی انجام شود شامل سه مرحله است. همان‌طور که در شکل ۱ دیده می‌شود، در ابتدا یک مرحلهٔ تغییر شکل سریع که با کرنش ε₀ همراه است، رخ می‌دهد.

شکل 1- منحنی خزش که نمایشگر مراحل خزش است. منحنی (A)در آزمایش با بار ثابت و منحنی (B) در آزمایش با تنش ثابت است.