Plan wykładu. Uwagi ogólne i definicje (1)

Transkrypt

1 Plan wykładu Wprowadzenie Elementy elektroniczne w obudowach SO, CC i QFP Elementy elektroniczne w obudowach BGA i CSP Montaż drutowy i flip-chip struktur nie obudowanych Tworzywa sztuczne i lepkospręż ężystość Elementy elektroniczne bierne i optoelektroniczne Płytki obwodów w drukowanych Podłoża a o dużej gęstog stości połą łączeń Techniki lutowania Podstawy lutowania, luty i topniki Pasty lutownicze Lutowanie bezołowiowe owiowe Mycie po lutowaniu, lutowanie no-clean Wady lutowania, ocena jakości lutowania, zasady projektowania POD Mechanizm klejenia, kleje Techniki nakładania adania klejów Techniki montażu u powierzchniowego Podsumowanie Uwagi ogólne i definicje (1) Proste ciecze doskonale lepkie (newtonowskie) nazwano w hydromechanice normalnymi, te zaś których własności nie spełniają założeń jakie poczynił Newton w analizie lepkiego przepływu, uważa się za anormalne (nienewtonowskie). Rozpatrzmy cienką warstwę cieczy pomiędzy dwiema równoległymi płaszczyznami oddalonymi od siebie o dy. Dla cieczy newtonowskiej naprężenie styczne jest proporcjonalne do gradientu prędkości: F/A = τ du/dy czyli τ = η (du/dy) = η γ gdzie η - lepkość newtonowska. Lepkość newtonowska jest funkcją tylko temperatury i ciśnienia. Jest niezależna od szybkości ścinania. 1

2 Uwagi ogólne i definicje (2) Krzywa płynięcia cieczy newtonowskiej, która jest zależnością naprężenia stycznego i szybkości ścinania, jest linią prostą o nachyleniu η. Do grupy tej należą wszystkie gazy i ciecze oraz roztwory związków o małej masie cząsteczkowej. Odchylenia od właściwości newtonowskich wykazują zawiesiny koloidalne i roztwory polimerów o dużej masie cząsteczkowej. Ciecze nienewtonowskie - wszystkie ciecze, których krzywe płynięcia nie są liniami prostymi. Lepkość cieczy nienewtonowskich zmienia się nie tylko w zależności od temperatury i ciśnienia ale także od szybkości ścinania, kształtu naczynie, historii, itp. Rodzaje cieczy nienewtonowskich: szybkość ścinania jest wyłącznie funkcją naprężenia stycznego, zależność szybkość ścinania naprężenie styczne zależy od czasu lub sposobu ścinania cieczy, ciecze lepkosprężyste częściowy powrót sprężysty po odkształceniu. Ciecze nienewtonowskie (1) Ciecze nienewtonowskie, których własności reologiczne nie zmieniają się w czasie (lepkie ciecze nienewtonowskie) można określić następującym równaniem: γ = f(τ ) Lepkie ciecze nienewtonowskie: ciała binghamowskie, plastyczne (1), ciecze pseudoplastyczne (2), ciecze dylatancyjne (4). Ciało binghamowskie (plastyczne) Krzywa płynięcia ciała binghamowskiego (1) ma postać linii prostej, która przecina oś naprężenia stycznego w punkcie τ y. Minimalna wartość naprężenia stycznego powyżej której następuje płynięcie ciała nazywa się granicą płynięcia. Nachylenie powyższej prostej nosi nazwę lepkości plastycznej lub współczynnika sztywności. Przykłady: zawiesiny, szlamy, farby olejne, pasta do zębów, kleje, pasty lutownicze, itp. W stanie spoczynku mają one strukturę trójwymiarową, dostatecznie sprężystą, by oprzeć się małym naprężeniom stycznym. Po przekroczeniu granicy płynięcia struktura ta zostaje zniszczona i układ przybiera cechy cieczy newtonowskiej. 2

3 Ciecze nienewtonowskie (2) Ciecze pseudoplastyczne (rozrzedzane ścinaniem) nie mają granicy płynięcia. Stosunek naprężenia stycznego do szybkości ścinania (tzw. lepkość pozorna η a ) maleje w miarę wzrostu szybkości ścinania (2). Krzywa płynięcia staje się linią prostą dopiero przy bardzo dużych szybkościach ścinania. Równanie reologiczne tej cieczy jest następujące τ = kγ n Gdzie k i n stałe charakterystyczne cieczy; k miara lepkości pozornej, n miara odchylenia cieczy od cieczy newtonowskiej. Dla cieczy pseudoplastycznych n < 1. Ciecze dylatancyjne (zagęszczane ścinaniem) nie mają granicy płynięcia (4). Lepkość pozorna cieczy dylatacyjnych rośnie ze wzrostem szybkości ścinania. Ciecze te zazwyczaj spełniają prawo potęgowe τ = kγ n przy czym n > 1. Typowymi cieczami dylatacyjnymi są stężone zawiesiny (np. krochmal). Ciecze nienewtonowskie (3) Ciecze nienewtonowskie, których własności reologiczne zmieniają się w czasie można określić następującym równaniem: τ =f (γ, t ) Ciecze nienewtonowskie, których własności reologiczne zmieniają się w czasie dzieli się na: ciecze tiksotropowe (podczas ścinania cieczy ze stałą szybkością naprężenie ścinania maleje), ciecze reopeksyjne (podczas ścinania cieczy ze stałą szybkością naprężenie ścinania rośnie). Ciecze tiksotropowe Jeśli poddać ścinaniu ciecz tiksotropową, będącą dłuższy czas w spoczynku, jej lepkość pozorna będzie się zmniejszać z upływem czasu na skutek stopniowego niszczenia struktury. Moment przenoszony z pierwszego na drugi cylinder wiskozymetru Couette a zmniejsza się w miarę upływu czasu. Zarówno szybkość zmniejszania się momentu, jak i ostateczna jego wartość zależą od prędkości obrotowej cylindra czyli od szybkości ścinania. 3

4 Ciecze nienewtonowskie (4) Tiksotropia jest procesem odwracalnym i w bezruchu struktura cieczy stopniowo odbudowuje się. Krzywe płynięcia cieczy tiksotropowej zależą od czasu bezruchu cieczy (t 1 < t 2 < t 3 ). Jeśli wykreślić krzywą płynięcia cieczy tiksotropowej najpierw dla rosnącej, potem dla malejącej szybkości ścinania, to tiksotropowość cieczy przejawia się w powstaniu pętli histerezy (1 ciecz newtonowska, 2 ciecz pseudoplastyczna). Wskaźnik tiksotropowy iloraz lepkości mierzonej przy dwóch różnych szybkościach ścinania. Ciecze nienewtonowskie (5) Ciecze plastycznie tiksotropowe nigdy nie tracą charakteru plastycznych (trwała, choćby niewielka granica płynięcia). Pierwotna granica płynięcia jest osiągana dopiero po upływie długiego bezruchu (a ciecz tiksotropowa, b ciecz plastycznie tiksotropowa). 4

5 Lepkość polimerów (1) Polimery można podzielić ze względu na ich zdolności do sieciowania na: tworzywa termoplastyczne, które nie mają zdolności do sieciowania, tworzywa utwardzalne (termoutwardzalne i chemoutwardzalne), które w stanie stałym tworzą silną strukturę usieciowaną, tworzywa elastomerowe, które tworzą strukturę słabo usieciowaną. Tworzywa termoplastyczne mogą, w zależności od temperatury, w sposób odwracalny zmieniać stan skupienia. Mogą mieć strukturę amorficzną (bezpostaciową) lub częściowo krystaliczną (krystality). Tworzywa amorficzne twardnieją w temperaturze niższej od T g (temperatura ta zazwyczaj jest wyższa od temperatury pokojowej). Tworzywa utwardzalne i elastomerowe tworzą strukturę usieciowaną. Proces sieciowania jest nieodwracalny. Tworzywa te nie zmieniają stanu skupienia w zależności od zmian temperatury. Temperatura zeszklenia tworzyw elastomerowych jest niższa od temperatury pokojowej. Temperatura zeszklenia tworzyw utwardzalnych jest wyższa od temperatury pokojowej i niekiedy bliska, a nawet wyższa od temperatury ich degradacji termicznej. Lepkość polimerów (2) Polimery w stanie płynnym wykazują najczęściej cechy pseudoplastycznych płynów nienewtonowskich, tzn. płynów rozrzedzanych ścinaniem. Lepkość polimerów zależy od szybkości ścinania i maleje ze zwiększaniem tej szybkości. Lepkość polimerów zależy też od temperatury i ciśnienia. Ze wzrostem temperatury lepkość maleje. Ze wzrostem ciśnienia zwiększa się. Lepkość zależy też od masy cząsteczkowej. I pierwszy zakres newtonowskiego płynięcia, η 0 lepkość zerowa, II zakres płynięcia nienewtonowskiego, n wykładnik prawa potęgowego, III drugi zakres płynięcia newtonowskiego 5

6 Lepkosprężystość (1) Lepkosprężystość oznacza jednoczesne występowanie właściwości lepkich i sprężystych. Właściwości lepkie są związane z występowaniem odkształceń nieodwracalnych (przepływem), których stopień pod działaniem określonej siły ciągle zwiększa się z upływem czasu. Właściwości sprężyste są związane z występowaniem odkształceń sprężystych (odwracalnych), które zanikają samorzutnie, natychmiast po ustaniu działania siły. Określone zachowanie się materiału rzeczywistego zależy od czasu, a dokładniej od relacji czasu odkształcania materiału do pewnego charakterystycznego, naturalnego czasu tego materiału λ. Ogólnie można stwierdzić, że im szybsze jest odkształcanie, tym materiał zachowuje się bardziej sprężyście, a im odkształcenie jest wolniejsze, tym materiał jest bardziej lepki. Czas charakterystyczny materiałów jest bardzo zróżnicowany, wynosi s (woda: s). Każde odkształcenie wody jest względnie bardzo powolne i dlatego woda zachowuje się jak czysto lepka ciecz. Czas charakterystyczny szkła wynosi 100 lat szkło jest więc sprężyste. Materiały, których czas charakterystyczny jest tego samego rzędu co zachodzące w rzeczywistości zjawiska (rzędu s, min czy godz) wykazują właściwości lepkosprężyste. Polimery: s. Lepkosprężystość (2) Miarą lepkosprężystości zachowania się materiału w danym procesie przetwórczym jest stosunek czasu charakterystycznego materiału λ do czasu charakterystycznego tego procesu t p (czasu trwania). Liczba Debory: D e = λ/t p Typowy polimer, którego czas charakterystyczny jest równy 1s, będzie zachowywał się w procesie przetwórczym w różny sposób, w zależności od tego jak długo będzie trwał ten proces. Przy bardzo długim czasie procesu D e 0 i materiał zachowuje się jak lepka ciecz. Przy bardzo krótkim czasie procesu D e i ten sam materiał będzie zachowywał się jak sprężyste ciało stałe. Polimery wykazują w procesach przetwórczych zarówno właściwości lepkie, jak i sprężyste, a więc są lepkosprężyste (D e = 1 10). 6

7 Lepkosprężystość (3) Metody badań lepkosprężystości: badania relaksacji naprężeń, tzn. pomiary zmiany naprężenia w materiale po skokowej zmianie odkształcenia, badania pełzania odkształceń, czyli pomiary zmiany odkształcenia po skokowej zmianie naprężenia, badania dynamiczne, w których rejestruje się zmiany naprężenia (lub odkształcenia), wywołane przez dynamiczne (sinusoidalne) zmiany odkształcenia (lub naprężenia). Relaksację naprężeń opisuje się często na podstawie modułu relaksacji naprężeń: G(t) = τ(t)/γ gdzie τ(t) relaksujące naprężenie, γ stałe odkształcenie. a) skokowa zmiana odkształcenia, b) ciało sprężyste Hooke a, c) ciecz lepka newtonowska, d) ciecz lepkosprężysta Lepkosprężystość (4) 7

8 Lepkosprężystość (5) Wytłaczanie jest procesem ciągłego formowania wyrobów z tworzyw sztucznych. Polega on na uplastycznianiu tworzywa w układzie uplastyczniającym wytłaczarki i następnie przepychaniu go pod wpływem wytworzonego w tym układzie ciśnienia przez głowicę formującą wyrób (np. obudowę układu scalonego). Uplastycznianie następuje w wyniku nagrzewania tworzywa przez układ nagrzewający cylindra wytłaczarki. Lepkosprężystość (6) 8

9 Lepkosprężystość (7) 9