Solder resistance of the polymer thin film based capacitive humidity sensor

Abstract

This thesis examined the suitability of lead-free soldering as a connecting method for a polymer thin film based capacitive humidity sensor. Soldering temperatures of lead-free solders exceed the glass transition temperature (T_g) of the polymer, which can cause changes in the structure of the polymer and in the operation of the sensor. The thesis was limited in scope to the study of the suitability of the polymer to the lead-free process. The quality of a lead-free solder joint itself was left out of the scope.

The theory part of this thesis focused on phenomena that take place close to the T_g of the polymer such as phase transitions, thermal degradation, oxidation and crystallization. Research methods most suitable for studying thin films and the above-mentioned phenomena were chosen for this study. Polarization microscopy, ellipsometry and positron annihilation spectroscopy were adopted to study the physical structure of the polymer. The operation of the sensor was investigated by testing its response time, chemical resistance, hysteresis, drift and sensitivity. Heat-treated polymer thin films and humidity sensors were selected as samples for the research. Heat treatment was used to simulate soldering profile of a lead-free and a leaded solder.

No changes were found in the physical structure of the polymer. Still, the operation of the sensor was seen to change when it had been exposed to high temperatures. The response time of the sensor increased with respect to the exposure temperature. Also sensors that have been exposed to temperatures higher than T_g were more sensitive to chemicals than those exposed to low temperatures. The operation tests of the sensor also revealed that sensitivity, dry capacitance, offset and hysteresis of the sensor increase in high temperatures.

Based on the results of this study, a lead-free soldering is not a suitable connection method for the humidity sensor. The changes that were detected in the response time test were so small that they would not be a restraint for using the lead-free process, nor is increased sensitivity to chemicals, as the sensor can be cleaned from impurities. The substantial increase in hysteresis and offset has such a significant effect on the operation of the sensor that the lead-free soldering cannot be applied as a connection method for the polymer thin film based capacitive humidity sensor.

Työssä tutkittiin soveltuuko lyijytön juotosprosessi kapasitiivinen polymeeriohutkalvokosteusanturin liitosprosessiksi. Lyijyttömien juoteaineiden korkeat juotoslämpötilat ylittävät polymeerin lasipisteen, mikä voi aiheuttaa muutoksia polymeerin rakenteeseen ja siten kosteusanturin toimintaan. Tutkimus rajattiin koskemaan polymeerin soveltuvuutta lyijyttömälle liitosprosessille. Syntyvää juotosliitosta ei tarkasteltu.

Työn teoriaosiossa keskityttiin polymeerin lasipisteen ympärillä tapahtuviin ilmiöihin. kuten faasimuutoksiin. termiseen hapettumiseen ja -rappeutumiseen sekä kiteytymiseen. Tutkimusmenetelmiksi valittiin parhaiten ohutkalvojen ja yllä mainittujen ilmiöiden tutkimiseen soveltuvat menetelmät. Polymeerin fysikaalisen rakenteen tutkimusmenetelminä käytettiin polarisaatiomikroskopiaa. ellipsometriaa sekä positroniannihilaatiospektroskopiaa. Kosteusanturin toimintaa tutkittiin vasteaika-. kemikaalialtistus- sekä ryömintä-. hystereesi- ja dynamiikka (RHD) -testillä. Näytteinä tutkimuksissa käytettiin lämpökäsiteltyjä polymeeriohutkalvoja sekä kosteusantureita. Lämpökäsittelyillä simuloitiin lyijyttömän ja lyijyllisen juoteaineen juotosprofiilia.

Polarisaatiomikroskopia-. ellipsometria- ja positroniannihilaatiospektroskopiamittausten perusteella polymeerin fysikaalisessa rakenteessa ei tapahdu muutoksia. Vasteaika-. kemikaalialtistus ja RHD-testin perusteella kosteusanturin toiminta muuttuu, kun anturi on käynyt polymeerin lasipisteen ylittävässä lämpötilassa. Anturin vasteaika muuttuu siten, että mitä korkeammassa lämpötilassa se on käynyt, sitä hitaampi se on. Lasipisteen ylittävässä lämpötilassa käyneet anturit ovat myös herkempiä kemikaaleille kuin ei-lasipisteen ylittäneet anturit. RHD-testissä havaittiin anturin dynamiikan, kuivakapasitanssin, siirtymän ja hystereesin kasvavan, kun anturit altistettiin korkeille lämpötiloille.

Työn tulosten perusteella lyijytön juotosprosessi ei sovellu kapasitiivisen polymeeriohutkalvokosteusanturin liitosprosessiksi. Vasteaikatestissä havaitut muutokset olivat niin pieniä, etteivät ne ole este lyijyttömälle prosessille. Kemikaaliherkkyyskään ei ole este, koska anturi saadaan puhdistettua kemikaaleista. Hystereesin ja siirtymän huomattava kasvu taas vaikuttaa niin merkittävästi anturin toimintaan, ettei lyijytöntä juotosprosessia voida käyttää kapasitiivisen polymeeriohutkalvokosteusanturin liitosprosessina.