Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Ólommentes forrasztás. Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás2 Miért van szükség ólommentes forraszokra? Elavult az ólommentes technológia? Nem Az.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Ólommentes forrasztás. Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás2 Miért van szükség ólommentes forraszokra? Elavult az ólommentes technológia? Nem Az."— Előadás másolata:

1 Ólommentes forrasztás

2 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás2 Miért van szükség ólommentes forraszokra? Elavult az ólommentes technológia? Nem Az ólommentes forrasztás egyszerűbb folyamat? Nem Az SnPb forrasz nem elég megbízható? De igen Az ólommentes forraszok jobban teljesítenek? Nem Az ólommentes forraszok olcsóbbak? Nem Az áttérés fő oka a környezetvédelem

3 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás3 Törvényi szabályozás USA: Nincs törvény. A konzervatív iparágak (pl. űrkutatás) nem fogadják el az ólommentes forraszokat, Japán: Elkötelezett gyártók, nincs szükség törvényi szabályozásra, Európa: WEEE és RoHS direktíva, Határidő: július 1. Ázsiai gyártók (Kína, Dél Korea, Tajvan stb.): Üzleti érdekeik miatt az európai törvényhozást követik.

4 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás4 WEEE = Waste Electrical and Electronic Equipment (A kidobott elektromos és elektronikus készülékek) Az újrahasznosítással kapcsolatos törvény Céljai: - Az elektromos és elektronikus készülékekből származó hulladék csökkentése, - Az ilyen hulladékok újbóli felhasználása, újrahasznosítása, - Csökkenjen az olcsó eljárások környezetre gyakorolt káros hatása, - Csökkenjen a kidobott készülékekből származó környezetszennyezés. RoHS = Restriction of Certain Hazardous Substances (Az ismert veszélyes nyersanyagok felhasználásának korlátozása) Nemcsak az ólom használatát korlátozza, hanem más veszélyes anyagokét is, mint pl.: higany, kadmium, króm származékok, brómtartalmú tűzálló anyagok Céljai: -Korlátozza az elektromos és elektronikus készülékekben felhasználható veszélyes anyagokat, -Korlátozza a készülékek eldobásakor keletkező elektronikai szemét képződését. Kivételek: A magas olvadáspontú forraszanyagok (HMP), mivel ezeknek nincs megfelelően olcsó ólommentes alternatívájuk.

5 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás5 Követelmények az ötvözettel szemben Eutektikus összetétel, Jó elektromos és hővezetési tulajdonságok, Jó mechanikai tulajdonságok, Megbízhatóság, Megfelelő nedvesítési tulajdonságok, Kompatibilitás a jelenlegi forrasztó berendezésekkel, Környezetbarát legyen, Olcsó legyen.

6 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás6 Az ötvözet „jelöltek” Nincs olyan ólommentes ötvözet, amellyel egy az egyben ki tudnánk váltani az SnPb forraszt. Az ólommentes forraszok tulajdonságai: Magasabb olvadáspont, Nagyobb felületi feszültség, Kisebb sűrűség, Ónalapú ötvözetek (nagy tömegszázalékban ónt tartalmaznak), Jobb elektromos- és hővezető-képesség, Elfogadható mechanikai tulajdonságok. Eltérő nedvesítési tulajdonságok

7 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás7 Milyen elemek vannak az ón mellett? Bi (kicsi az olvadáspont) In (kevés van, drága) Zn (oxidáció?) Cu Ag Sb (mérgező) A széleskörűen használt eutektikus ötvözetek Ötvözet Melting Point Alkalmazás Sn63Pb ˚C kézi-, hullám-,reflow forrasztás Pb95Sn5 315 ˚C chip bonding Sn3.5Ag 221 ˚C kézi- és hullámforrasztás Sn3.8Ag0.7Cu (TSC) 217 ˚C kézi-, hullám-,reflow forrasztás Sn0.7Cu 227 ˚C hullámforr., NYÁK bevonat Egyéb ólommentes ötvözetek Ötvözet Olv.hőm.tartomány Jellemző Sn91Zn9 199 ˚C oxidáció, erősebb flux, N 2 Au80Sn ˚C chip bonding, drága! Sn77.2In20Ag ˚C nem eutektikus, az In drága Sn42Bi ˚C alacsony olv.pont, veszély: Pb

8 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás8 A fő problémák az ólommentes forrasztással Magasabb az ötvözetek olvadáspontja, Kisebb technológiai ablak (process window), Rosszabb nedvesítés, Gyenge ólommentes alkatrészválaszték, Le kell cserélni a jelenlegi bevonatokat? Megbízhatósági problémák? Új forrasztási hibák.

9 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás9 Magasabb forrasztási hőmérséklet ˚C hőmérséklet különbség A nagyobb hőmérséklet hatása az alkatrészekre 240 ˚C270 ˚C 225 ˚C 250 ˚C 225 ˚C255 ˚C Alkatrész károsodás a magasabb hőmérséklet miatt Termoplasztikus alkatrészek Réteg kondenzátorok Elektrolit kondenzátorok BGA és egyéb tokok repedése Szükséges a tokozóanyag cseréje

10 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás10 Az ólommentes forraszok technológiai ablaka Az ólommentes forrasz műveleti ablaka Az ólomtartalmú forrasz műveleti ablaka Az ólommentes Forrasz olv.pontja Az ólomtartalmú forrasz olv.pontja Az alkatrészek tűrése Alkalmasak a jelenlegi berendezések ólommentes forrasztáshoz? Az ideális hőeloszlás a szerelőlemezen az egyenletes lenne. Csökkenteni kell a hőmérséklet különbségeket (ΔT)! Az olvadásponttól el kell távolodni ˚C-kal, Felső korlát: az alkatrészek és a flux tűrőképessége, Alsó korlát: az ötvözet olvadáspontja.

11 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás11 Az ólommentes forraszok technológiai ablaka hőmérsékleti viszonyok alsó korlát: forrasztás minősége, felső korlát: folyasztószer; alkatrészek. paszta nyomtatás Ólommentes forraszoknál szűkebb a technológiai ablak! Nehezebb a hőprofilt beállítani! Elvárás: ΔT legyen minimális lehúzókés sebesség (mm/s) késerő (N) megfelelő kerülendő idő (s) hőmérséklet (°C) rossz

12 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás12 Nedvesítési mérés (Wetting Balance Test) A forraszfürdő hőmérséklet szabályozója forraszfürdő Mérőerősítő és tápegység Érzékeny mérőfej forraszfürdő Érzékeny mérőfej Flux-szal kezelt réz minta Az F(t) görbe felvétele

13 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás13 Az ólommentes forraszok nedvesítő képessége Nedvesítési idő, sec Különböző ólommentes forraszok nedvesítési ideje Time to cross buoyancy line (t b ) Time to cross zero force line (t 0 ) Time to reach 2/3 max wetting force (t 2/3 ) t t 2/3 tbtb t0t0 F max F Az ólommentes forraszok nedvesítési ideje nagyobb A TSC jól teljesít A nedvesítési idők csökkenthetők a hőmérséklet elemesével Néhány alkatrész ezt nem tudja elviselni Le kell lassítani a szállítószalagot

14 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás14 Ólommentes forraszokhoz alkalmazható folyasztószerek Az ólommentes forraszokhoz a hagyományos folyasztószerekhez hasonló készítmények használhatók, de van néhány követelmény: nagyobb hőstabilitás, magasabb aktiválódási hőmérséklet; a folyasztószernek el kell viselni tartósan 120 ˚C előmelegítési és rövid idejű 270 ˚C csúcshőmérsékleti terhelést; a flux hatása a hosszabb nedvesítési idők miatt tovább kell, hogy tartson; a kis olvadáspontú oldószereket kerülni kell (fröcskölnek); Néhány ötvözetnél (pl. Zn tartalom) erősebb flux szükséges; az erősebb flux nem szennyezheti a hordozót; az ólommentes forraszokhoz használt folyasztószerek is környezetbarát termékek legyenek. A megfigyelések szerint az ólommentes forraszok a hagyományos gyantás és a vízoldószeres (water-based) szerves oldószerektől mentes (VOC free) folyasztószerekkel működnek a legjobban.

15 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás15 Szükséges nitrogén atmoszféra? A N 2 megakadályozza az oxidációt A N 2 javítja a nedvesítést A N 2 használata lehetővé teszi gyengébb flux-ok alkalmazását A N 2 csökkenti a hibák számát Drága, nem használható minden berendezésnél Hullámforrasztásnál csökkenti a salakképződést Az ólommentes forraszoknak is kell működni N 2 nélkül is Low solid flux + N 2 High solid flux Jobb terülés N 2 használata esetén Levegő esetén rosszabb nedvesítés A N 2 csökkenti a hibák számát

16 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás16 Megbízhatósági problémák – Fokozott intermetallikus vegyület képződés Cu 6 Sn 5 tűk a forraszhullám felületén Cu 6 Sn 5 tűk egy furatszerelt alkatrész pad esetében Intermetallikus vegyületek SnAg forrasz és NiAu bevonat esetén Intermetallikus vegyületek SnAgCu forrasz és réz pad esetén Tűképződés nagy óntartalomnál, az ón fokozott reakciója fémekkel, Cu 6 Sn 5 intermetallikus vegyületek, rövidzárak, potenciálcsúcsok, veszély: migráció, rosszabb fényvisszaverés. Intermetallikus vegyületek csökken a hasznos keresztmetszet, mechanikai tulajdonságok romlása, Cu 6 Sn 5 „tű” képződés, Ag 3 Sn „lemez” képződés, függ a kontaktus felület bevonatától.

17 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás17 SnAgCu SnAg SnCu Intermetallikus vegyületek képződése SnBi

18 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás18 Az ón a legolcsóbb bevonat az elektronikában; Az ón felületéből nőnek ki a whisker-ek; Nem tudják a pontos okát; Valószínűsíthető ok: CTE eltérés az ón és Aloy42 ill. a réz között; Ez feszültséghez vezethet az anyagon belül, ami elegendő energiát szolgáltat az újrakristályosodáshoz; különböző formát vehetnek fel; a fine-pitch alkatrészeknél veszélyes; a szálképződés valószínűsége csökken, ha a teljes pad-et forrasz borítja; Valós probléma? Különböző alakú whisker-ek az ónbevonat felületén Megbízhatósági problémák – Szálképződés (Whisker formation)

19 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás19 Kontaktus felület és alkatrészláb bevonatok ólommentes forraszokhoz A legtöbbet használt SnPb bevonat nem használható tovább A többi hagyományos bevonat alkalmazható Ólommentes kontaktus felület bevonatok: Kémiai Sn: whisker képződés; HASL bevonat ólommentes forraszokhoz: egyenetlen felület; Galvánmentes Ni kémiai (flash) Au: black-pad, drága; OSP: elbomlik a nagy hőmérséklet hatására; Ezüst: elektromigrációs veszély. Alkatrészlábak: Tiszta Sn: whisker képződés, veszély: fine-pitch; NiPd(Au): nem nedvesített oldalfelület; Bi: veszély ólomszennyezés esetén;

20 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás20 Az ólommentes forrasztás „kozmetikai” hibái Az alkatrészláb oldalán nincs nedvesítés (NiPd) Rosszabb terülés (Cu pad-ek) NYÁK elszíneződés Matt felület Sárgás felszín erősebb flux esetén Gyengébb flux + N 2 Erősebb flux + levegő Sn bevonatNiPd(Au) bevonat SnPb 210 ˚C SnAgCu 245 ˚C SnPbSnAgCu SnPb SnAgCu

21 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás21 Több forrasztási hiba Hídképződés Domború forrasz felszín Rossz furatkitöltés Sírkő effektusÜreg képződésTörésForrasz felválás

22 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás22 Forrasztási technológiák Kézi forrasztás Reflow forrasztás Hullámforrasztás Szelektív forrasztás Rework

23 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás23 Problémák a meglévő berendezésekkel Az új forrasztó berendezések már alkalmasak ólommentes forrasztásra A jelenlegi géppark nagy része nem használható Kevés baj, ha a készüléken be lehet állítani nagyobb hőmérsékletet Nagyobb hőmérséklet és nagy óntartalom: a pákacsúcsok elhasználódása A pákacsúcsok gyakoribb cseréje Kézi forrasztás

24 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás24 Újraömlesztéses forrasztás Az ólommentes forrasztás műveleti ablaka szűkebb Az infrakemencék hőeloszlása rossz Alkalmazás: hasonló alkatrészekkel beültetett lemezek Az infravörös technológia alkalmas lehet REWORK-re A meleg levegő áramoltatásos (konvekciós) kemencék hőeloszlása kielégítő A rosszabb nedvesítés miatt a stencillemez apertúráit a pad méretéhez kell igazítani

25 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás25 Hullámforrasztás Az ón fokozottan reagál más fémekkel, mint pl. a forrasztó- berendezések anyagai. A hagyományos hullámforrasztó berendezések nem alkalmasak ólommentes forraszokhoz A forrasszal érintkező fémek hagyományos és új berendezéseknél: Rozsdamentes acél Kilyukadt forraszkád Különleges bevonat alkalmazása Újszerű forraszhullám keltő

26 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás26 Hullámforrasztás Az ólommentes hullámforrasztás több salakot termel A rézkoncentráció növekedése miatt a forraszfürdő gyakoribb cserét igényel A beüzemeléstől eltelt hónapok száma Cu %-w az ötvözetben Period 1 Period 2 Period 1: beüzemelés SnAgCu forrasszal Period 2: a harmadik hónapban a rézkoncentráció csökkentése SnAg hozzáadásával

27 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás27 Irodalom Bernd Schenker: New Methods Trends and Technologies for PCB Soldering, ERSA Technical Seminar, Seoul, Korea, 21 th March 2002 R. J. Klein Wassink: Soldering in Electronics, 2nd ed., 1989 Electrochemical Publications Limited, Ayr, Scotland M. Abtew and G. Selvaduray: Lead-free Solders In Microelectronics, Materials & Sciences, 2000 Elsevier Science S.A., Amsterdam, The Netherlands K. Zeng, K.N. Tu: Six Cases of Reliability Study of Pb-free solder Joints In Electronic Packaging Technology, Materials & Sciences, 2002 Elsevier Science S.A., Amsterdam, The Netherlands Chris Bastecki: A Benchmark Process For the Lead-Free Assembly of Mixed Technology PCB’s, technical report, 1999, Alan Rae: Harsh Environment Application for Lead Free Solder System, Proceedings IPC/JEDEC Fourth International Conference on Lead Free Electronic Assemblies and Components 2003, Frankfurt, Germany Alvin B. Denoyo: Lead Free Fine Ball Grid Array (FBGA) and It’s Thermal Effects at 260 ˚C Reflow, Proceedings IPC/JEDEC Fourth International Conference on Lead Free Electronic Assemblies and Components 2003, Frankfurt, Germany Vitronics Soltec Company: 5 Steps To Lead-free Soldering, CD-ROM supplement of EPP Magazine September 2004 Hansjürgen Bolg: Inspection of Lead-free Solder Joints, Microsolder Seminar, Budapest, 18 th May, 2004 Marconi Materials Technology (project coordinator): Improved Design Life and Environmentally Aware Manufacturing of Electronics Assemblies by Lead-Free Soldering: „IDEALS”. 1999

28 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás28 Teszthordozók topológiai tervei 1.27/256 PBGA dummy chip R (1206) chip C (2320) SOT23 SOIC14 hőelvonó felület árnyékoló felület az alsó oldalon 1.27/256 PBGA (Sn95.5Ag3.5Cu0.7) 0.8/64 µBGA (Sn63Pb37) A sablonkészítés technológiája ablaknyitás = fotólitográfia + maratás sablon anyaga: sárgaréz sablon vastagság: 150 µm apertúra készítés = mechanikus fúrás sablon anyaga: alumínium sablon vastagság: 150 µm a hagyományos SMD-khez tervezett mérőlemez alkatrészbeültetési oldala a BGA tokokhoz tervezett mérőlemez alkatrészbeültetési oldala

29 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás29 A kötések vizuális kiértékelése egyszerű SMD alkatrészeknél Sn62Pb36Ag2 Sn96.5Ag3.0Cu0.5 IPC-A-610C: F≥0.25H; F≥G+T/2.

30 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás30 Az általam tapasztalt forrasztási és esztétikai hibák ólomtartalmú és ólommentes forrasztott kötéseknél forraszgolyó képződésüregképződéshídképződéshordozó elszíneződés, forrasztásgátló maszk károsodás a paszta nyomtatásból adódó hibák az ólommentes forrasztásra jellemző hibák T csúcs =235 °C X T csúcs =210 °C chip C, SnAgCu SnPbAg Tipikus forrasztási hibák LF forraszok alkalmazása esetén rossz furatkitöltés SnAgCu üregképződésdomború felszínhídképződés elkerüléseforraszfelváláshídképződés alkatrész kivezető zsugorodás leszívó felületek

31 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás31 Mechanikai és klímaállósági vizsgálat ólommentes (SnAgCu) forraszólomtartalmú (SnPbAg) forrasz SMDellenállástranzisztorkondenzátorellenállástranzisztorkondenzátor átlag HAST N N N N 93.3 N N N N N N N N szórás HAST 5.91 N 4.65 N 3.08 N 4.33 N N N 6.34 N 4.03 N 2.75 N 2.91 N Kg N Statikus terhelés az alkatrész leszakadásáig, ezért lassú hőtágulási folyamatot jobban szimulál. A HAST az egyik legerélyesebb gyorsított megbízhatósági vizsgálat. Forrasztott kötések vizsgálatához a hőciklus vizsgálat felel meg jobban, de sok időt igényel. Az LF kötések letolási ereje kisebb, HAST: Az LF kötések letolási ereje a nagyobb mértékben csökkent, A csökkenés mértéke: (14.35…22.07…52.64 %) – SnAgCu (11.28…20.36…48.77 %) – SnPbAg, A HAST teszt alatt néhány LF kötés elrepedt. súlyterhelés F = m·g F állvány kar befogás SMD szerelő- lemez F = m·g F chip C, SnAgCu chip C, SnAgCu 100% RH, 133 °C, 2 atm, 80 óra ESPEC EHS-211M HAST kamra

32 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás32 BGA tokok szereléséhez és a kötések ellenőrzéséhez használt berendezések A BGA tokok szereléstechnikai problémái infravörös technológia, zárt hurkú szabályozás, helyező berendezés, méretre maszkolás. ERSA IR550 rework ERSASCOPE 2 üvegszálas, technológia, nagy felbontás, technológiai beállítások optimalizálása, hibák kimutatása, adatbázis. Sok kicsi pad: paszta félrenyomtatás; nehéz a tok beültetése (µBGA); BGA konstrukció: nehéz az egyenletes hőeloszlás biztosítása a tok alatt(!); korlátozott a kötések ellenőrizhetősége ; Eltérő forraszgolyó és forraszpaszta alkalmazása: nem eutektikus, ismeretlen viselkedésű forrasz képződése. Az átmeneti időszakra jellemző lehet! hőprofilok: lineáris; T csúcs =210 (215) °C, 235 °C, 250 °C. meredekség az előfűtési szakaszban: ~ 2 °C/s meredekség a hűtési szakaszban: ~ -2.5 °C/s

33 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás33 BGA tokok bump kötései Paszta: SnAgCu Forraszgolyó: SnPb T csúcs : 210 °C Paszta: SnAgCu Forraszgolyó: SnPb T csúcs : 235 °C Paszta: SnPbAg Forraszgolyó: SnPb T csúcs : 210 (215) °C

34 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás34 Paszta: SnAgCu Forraszgolyó: SnAgCu T csúcs : 235 °C Paszta: SnPbAg Forraszgolyó: SnAgCu T csúcs : 250 °C Paszta: SnAgCu Forraszgolyó: SnAgCu T csúcs : 250 °C BGA tokok bump kötései

35 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás35 BGA tokok hibás bump kötései HAST vizsgálat: 100% RH, 133 °C, 2 atm, 80 óra rossz hőprofilrossz a bump alakjamegbillent tok a tokról leszakadt golyó a szerelőlemezről leszakadt padek a tokról leszakadt golyó A szerelőlemezről leszakadt padek / fényes forraszgolyó a törésnél → nem volt repedés

36 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás36 A BGA tokok bump kötéseinek metszete A 235°C-os forrasztási hőmérséklet hatása Cu pad a tokon SnAgCu bump Cu pad a szerelőlemezen Ag 3 SnCu 6 Sn 5 Cu pad a tokon SnAgCu bump üreg SnPb bump SnAgCu bump Réz pad a sz.lemezen Cu pad a tokon T csúcs =210 °C T csúcs =235 °C X felhólyagosodás üregek! A tapasztalatok összefoglalása célszerű azonos anyagú paszta és golyó alkalmazása, az LF forraszoknál fokozott üregképződés jelentkezhet, a BGA tokok forrasztott kötéseinek klímaállósága igen jó, az LF forraszoknál extrém vastag intermetallikus réteg is kialakulhat, a tűzi ónozással készült szerelőlemezek nem alkalmasak BGA tokok fogadására.

37 Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás37 más gyártmányú forraszanyagok vizsgálata, különböző bevonatok forraszthatósága, a kötések megbízhatóságának megállapítása, LF hullámforrasztás tanulmányozása, a különböző bevonatok hatásának elemzése, a kötések hőciklus vizsgálata. További vizsgálatot igényel:


Letölteni ppt "Ólommentes forrasztás. Tersztyánszky LászlóÓlommentes forrasztás2 Miért van szükség ólommentes forraszokra? Elavult az ólommentes technológia? Nem Az."

Hasonló előadás


Google Hirdetések