DE19644094A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung mechanischer und/oder rheologischer Materialeigenschaften mit einem Prüfkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Ermittlung mechanischer und/oder rheologischer Materialeigenschaften mit einem Prüfkör­ per, der Bereiche aus zu untersuchendem Material auf­ weist und in eine Prüfeinrichtung mit entsprechenden form- und/oder kraftschlüssig wirkenden Prüfkörperauf­ nahmen einsetzbar ist, die gezielt Kräfte und/oder Momente auf die zu untersuchenden Prüfbereiche ausübt.

Vorstehend genannte, gattungsgemäße Vorrichtungen und Verfahren dienen 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 te­ chnischen 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 beson­ derem Interesse sind hierbei Fügeverbindungen, vorzug­ sweise 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 unter­ schiedlichsten mechanischen Beanspruchungen, wie bei­ spielsweise Vibrationen und Erschütterungen und können überdies unterschiedlichsten atmosphärischen Be­ dingungen ausgesetzt sein, so daß die Fügeverbindungen durchaus groben 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 optoelektro­ nischen 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 nachste­ hend 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 Kleb­ verbindungen nach EN 2243, Teil 5, Bestimmung der Tem­ peraturbeständigkeit von elektrischen und optischen Verbindungselementen nach EN 2591, Teil C1, Prüfung der Haftfestigkeit von metallischen Beschichtungen durch Scherbeanspruchung nach EN 2830, Bestimmung der Zug­ festigkeit von Klebverbindungen nach EN 26922, Schäl­ prüfung für flexibel/starr geklebte Proben nach EN 28510 sowie Prüfung unter den Bedingungen von Tempera­ turwechseln, beschleunigter Alterung sowie Klimabean­ spruchung nach IEC 68, IPC-TR-464.

Die vorstehend angeführten, genormten Prüfverfahren beziehen sich auf die Prüfung der mechanischen Eigen­ schaften von Fügeverbindungen mit Hilfe geeigneter Prüfeinrichtungen, die auf die zu untersuchenden Ver­ bindungsstellen 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 un­ tersuchenden Fügeverbindungen unter thermo-mechanischen Betriebsbeanspruchungen sind jedoch mit derartigen Prüf­ methoden nicht möglich. Hierfür sind Kenntnisse über die zeit- und/oder temperaturabhängigen mechanischen Eigen­ schaften wie z. B. der Auslöttemperatur, der äquikohäsi­ ven bzw. äquiresistenten Temperatur, der Festigkeit und Dehnung z. B. bei der betriebsbedingten Dauer- und Spit­ zentemperatur, der Kriecheigenschaften und der Warm­ festigkeit auch unbedingt erforderlich.

Zur Vermeidung des vorstehend genannten Nachteils sind weitere Prüfmethoden und dafür erforderliche Prüf­ körper vorgesehen, wie es beispielsweise bei dem "soge­ nannten 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 Eigenschaf­ ten sowie des Gefügeaufbaues der entsprechenden zu untersuchenden Materialien oder Löt-und/oder Klebver­ bindungen. Eben diese Erkenntnisse sind jedoch unbe­ dingt erforderlich für eine aussagekräftige Schwachstellenanalyse bei der Untersuchung von den in Betracht zu ziehenden Materialien und Fügeverbindungen, wie sie in elektronischen Komponenten vorkommen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Ermittlung mechani­ scher und/oder rheologischer Materialeigenschaften mit einem Prüfkörper, der Prüfbereiche aus zu untersuchen­ dem Material aufweist und in eine Prüfeinrichtung ein­ setzbar ist, in die gezielt Kräfte und/oder Momente auf die zu untersuchenden Prüfbereiche ausübt, derart wei­ terzubilden, daß zuverlässige Aussagen über die Festig­ keit bzw. Haltbarkeit von den zu untersuchenden Materialien oder Fügeverbindungen, die den ver­ schiedensten 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 auszubildenden 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, in dem eine erfin­ dungsgemäße Vorrichtung beschrieben ist. Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 5 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren. Die den Erfindungsgedanken vorteilhaft ausbil­ dende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Ermittlung mechanischer und/oder rheologischer Materialeigenschaf­ ten mit einem Prüfkörper, der Prüfbereiche aus zu un­ tersuchendem Material aufweist und in eine Prüfeinrich­ tung mit entsprechenden form-und/oder kraftschlüssig wirkenden Prüfkörperaufnahmen einsetzbar ist, die ge­ zielt Kräfte und/oder Momente auf die zu untersuchenden Prüfbereiche ausübt, derart ausgebildet, daß der Prüf­ körper zumindest zwei Prüfbereiche aufweist, die aus den zu untersuchenden Materialien bestehen und derart ausgebildet sind, daß die Prüfbereiche geometrie­ und/oder werkstoffbedingt einen geringeren Widerstand gegenüber den einwirkenden Kräften und/oder Momenten entgegensetzen als die übrigen Bereiche des Prüfkör­ pers.

Den erfindungsgemäß ausgebildeten Prüfkörper liegt die Idee zugrunde, daß dieser vorzugsweise zwei, jedoch auch mehrere Prüfbereiche aufweist, die insbesondere ebenso als zu untersuchende Löt- oder Klebverbindungen ausgestaltet sein können und im Verhältnis zur Festigkeit des übrigen Prüfkörpers über eine geringere Festigkeit verfügen.

Die vorstehend geforderte geringere Festigkeit in den Prüfbereichen kann durch entsprechende Geometrie- oder Werkstoffwahl erhalten werden und führt dazu, daß sich bei Kraftausübung auf den Prüfkörper Verformungser­ scheinungen in diesem Bereich zeigen noch bevor der übrige Prüfkörper durch die auf ihn einwirkenden Kräfte bzw. Momente nachhaltig mechanisch deformiert wird. Auf diese Weise sind vergleichbar einer Sollbruchstelle, gezielte Schwachstellen in dem Prüfkörper innerhalb des Prüf­ bereiches vorgesehen, in denen die mechanischen und rheologischen Materialeigenschaften aufgrund der dort auftretenden Verformungen untersucht werden können.

Grundsätzlich weist der Prüfkörper wenigstens zwei Prüfbereiche mit den zu untersuchenden Materialien bzw. Fügeverbindungen auf.

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 vorzugsweise 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 Auf­ nahmemöglichkeit für ein elektronisches Bauelement auf, die beispielsweise mittels eines Formschlusses re­ alisierbar 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 Prüf­ körper weist wenigstens zwei zu untersuchende Prüfbe­ reiche nebeneinanderliegend in einer einzigen Quer­ schnittsebene durch den Prüfkörper auf. Alternativ dazu sind Prüfkörper denkbar, deren zu untersuchende Prüf­ bereiche, 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 ge­ ringeren 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 hohl auszubilden.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Prüfkörpers, der in eine entsprechende Prüfeinrichtung einsetzbar ist, durch die Kräfte und/oder Momente auf den Prüfkör­ per ausgeübt werden können, so daß eine gezielte Unter­ suchung der mechanischen und/oder rheologischen Eigen­ schaften der zu untersuchenden Prüfbereiche möglich ist, wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Ermittlung derartiger Eigenschaften unter Verwendung der vor­ stehend beschriebenen Vorrichtung derart angegeben, daß der in die Prüfeinrichtung eingebrachte Prüfkörper bei vorgegebener Temperatur mit zügig ansteigenden Kräften und/oder Momenten beansprucht wird bis zumin­ dest in einem Prüfbereich bei dem zu untersuchenden Material eine gewünschte Verformung oder ein Bruch eintritt.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Idee zugrun­ de, die Dauer der mechanischen Beanspruchung der Prüf­ bereiche derart zu wählen, bis beispielsweise ein erster Prüfbereich bzw. Fügeverbindung einen ge­ wünschten Verformungsgrad bishin zum vollständigen Bruch erfährt, wohingegen der Prüfbereich bzw. Fügeverbindung lediglich einen gewissen Grad an Ver­ formung aufweist bzw. nicht zerstört wird.

Durch eine anschließende andere Prüfung kann eine ande­ re Eigenschaft bestimmt und/oder eine metallogra­ phische, d. h. nichtzerstörende Analyse durchgeführt werden.

Ein weiteres alternatives erfindungsgemäßes Verfahren 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 unters­ uchenden Materials bzw. des in der Fügever­ bindung verwendeten Lotes oder der Wiederaufschmelz­ bzw. Auslöttemperatur des Lötgutes bzw. der Erwei­ chungs- 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 Füge­ verbindungen anliegenden Kräfte bzw. Momente, vorzugs­ weise 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 einen Te­ mperaturwechsel auszusetzen bis ein gewünschter Ver­ formungszustand erreicht wird.

Grundsätzlich ist die Durchführung des Verfahrens hin­ sichtlich der Wahl der Temperatureinstellung und der Ausübung von Kräften bzw. Momenten auf den zu untersu­ chenden Prüfbereich in beliebiger Kombination zu wäh­ len.

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 Temperatur­ bedingungen ausgesetzt ohne äußere Krafteinwirkung. Die Kombination von mehreren, aufeinanderfolgenden Verfah­ rensabschnitte mit jeweils unterschiedlichen Beanspru­ chungszyklen sind dabei beliebig durchführbar und rich­ ten sich in erster Linie nach den Verhältnissen und Vorgaben der zu untersuchenden Materials bzw. Fügever­ bindungen.

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 Zusam­ mensetzung von Luft entsprechen, wenigstens in dem Prüfbereichen vorzusehen sind. Ebenso sind in dem zu untersuchenden Prüfbereich flüssige Medien vorsehbar.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie die Angabe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es erstmals mög­ lich, konkrete Aussagen über folgende auch te­ mperaturabhängige, mechanische und/oder rheologische Eigenschaften von insbesondere Fügeverbindungen anzuge­ ben: 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.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exem­ plarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a-d schematisierte Darstellung eines Aus­ führungsbeispiels,

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

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

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

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

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 Prüfkör­ pers gemäß Fig. 1b weist zwei im Querschnitt des läng­ lich ausgebildeten Prüfkörpers gegenüberliegenden Löt­ verbindungen 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 ausgebil­ dete 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 einge­ tretenen Veränderungen an den Lötverbindungen möglich.

Im Falle der Fig. 1c weist der obere Teil eine Auf­ nahmevorrichtung 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 ent­ sprechende Formschlüsse auf.

Das in der Darstellung gemäß Fig. 1d dargestellte Bauelement 6 weist einen Kühlkörper 7, eine Klebever­ bindung 8, ein Chip 9, mehrere Lötverbindungen 10 sowie ein Substrat 11 auf. Die Besonderheit der zu untersu­ chenden Fügeverbindungen besteht darin, daß das Bau­ element 6 zwei unterschiedlich ausgebildete Prüfberei­ che 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 er­ findungsgemäßen Verfahrens sowohl die mechanischen als auch rheologischen Eigenschaften der Klebeverbindung 8 bzw. der Lötverbindungen 10 untersucht werden.

Allen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Prüfkörper ist gemeinsam, daß der Prüfbereich, der die zu untersuchenden Fügeverbindungen aufweist, jeweils derart geometrie- bzw. werkstoffbe­ dingt ausgelegt ist, so daß der Prüfkörper vorzugsweise in den Prüfbereichen Deformationen bzw. Brucherschei­ nungen 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 verwendete 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 anstei­ gende 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 Tem­ peraturbereich 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 Prüf­ körper mit gleichen Lötverbindungen verwendet. Im Unter­ schied zum vorstehenden Fall wurden mit Hilfe eines modifizierten Rheometers bei zügiger Belastung des Prüfbereichs die Scherbruchkräfte und Verformungen im Prüftemperaturbereich zwischen 150° und 185°C ermit­ telt. Aus diesen Werten konnten die zahlenmäßigen Ordinatenwerte in der Diagrammdarstellung in Bild 3 ermittelt werden. Aus dem auf diese Weise er­ haltenen Diagrammverlauf kann entnommen werden, daß das Lötgut unterhalb von 170°C einen Zähbruch auf­ weist. 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 Te­ mperatur 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-Weich­ lotverbindung 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 modifizierten 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 ent­ sprechenden 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-Weich­ lötverbindung 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 verschie­ denen 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 PbSn_1,8- Weichloten unter Nutzung von Adipinsäure bzw. F600 als Flußmittel im Lötofen reflow-gelötet. Die Aus­ löttemperaturen wurden bei konstanter Beanspruchung mit etwa 10 mN/mn² und zügigem Anstieg der Prüftemperatur (10K/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.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Ermittlung mechanischer und/oder rheologischer Materialeigenschaften mit einem Prüfkör­ per, der Prüfbereiche aus zu untersuchenden Material aufweist und in eine Prüfeinrichtung mit entsprechendem form- und/oder kraftschlüssig wirkenden Prüfkörperauf­ nahmen einsetzbar ist, die gezielt Kräfte und/oder Momente auf die zu untersuchenden Prüfbereiche ausübt, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper zumindest zwei Prüfbereiche aufweist, die aus den zu untersuchen­ den Materialien bestehen und derart ausgebildet sind, daß die Prüfbereiche geometrie-und/oder werkstoffbe­ dingt einen geringeren Widerstand gegenüber den einwir­ kenden Kräften und/oder Momenten entgegensetzen als die übrigen Bereiche des Prüfkörpers.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Prüfbereich aus einer stoffschlüssigen Fügeverbindung und insbeson­ dere aus Löt- oder Klebverbindungen besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bezug auf die einwirken­ den Kräfte und/oder Momente die Prüfbereiche im Prüf­ körper nebeneinander und/oder nacheinander angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Prüfkörpers aus einem elektrischen oder elektronischen Bauelement besteht, das mit dem anderen Teil des Prüf­ körpers durch zu untersuchende Materialien der Füge­ verbindungen verbunden ist.

5. Verfahren zur Ermittlung mechanischer und/oder rheologischer Eigenschaften unter Verwendung der Vor­ richtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Prüfeinrichtung eingebrachte Prüfkörper bei vorgegebener Temperatur mit zügig ansteigenden Kräften und/oder Momenten bean­ sprucht wird, bis zumindest in einem Prüfbereich mit dem zu untersuchenden Material eine gewünschte Ver­ formung oder ein Bruch eintritt.

6. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Prüfeinrichtung eingebrachte Prüfkörper bei einer vorgegebenen Tempera­ tur mit konstanten und/oder wechselnden Kräften und/oder Momenten beansprucht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, 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. Aus­ löttemperatur des Lötgutes von Lötverbindungen bzw. der Erweichungs- oder Zersetzungstemperatur des Klebstoffes oder Klebgutes von Klebverbindungen eingestellt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, 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 Zer­ setzungstemperatur des Klebstoffes oder des Klebgutes von Klebverbindungen erhöht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach Durchführung des Ver­ fahrens unter Zugrundelegung eines vorgegebenen Bean­ spruchungszykluses bis zu einer gewünschten Verformung im Prüfbereich der Prüfkörper nochmals dem Verfahren mit einem anderen vorgebenen Beanspruchungs­ zyklus ausgesetzt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper dem Einfluß eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes ausge­ setzt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper einem gas­ förmigen Medium mit einer chemischen Zusammensetzung, die nicht der Luft entspricht, oder einem flüssigen Medium ausgesetzt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß nach Durchführung des Verfahrens zumindest ein nicht gebrochener Prüfbereich zerstörungsfrei und/oder metallografisch analysiert wird.