Ólommentes forrasztás Mikro- és nanotechnológia 2004 ősz Ólommentes forrasztás

Miért van szükség ólommentes forraszokra? Mikro- és nanotechnológia 2004 ősz 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 Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

Ólommentes forrasztás Mikro- és nanotechnológia 2004 ősz 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: 2006. július 1. Ázsiai gyártók (Kína, Dél Korea, Tajvan stb.): Üzleti érdekeik miatt az európai törvényhozást követik. Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

Ólommentes forrasztás 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 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. Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

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. Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

Ólommentes forrasztás 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 Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

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 Egyéb ólommentes ötvözetek Ötvözet Olv.hőm.tartomány Jellemző Sn91Zn9 199 ˚C oxidáció, erősebb flux, N2 Au80Sn20 280 ˚C chip bonding, drága! Sn77.2In20Ag2.8 179-189 ˚C nem eutektikus, az In drága Sn42Bi58 138 ˚C alacsony olv.pont, veszély: Pb Ötvözet Melting Point Alkalmazás Sn63Pb37 183 ˚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 Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

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. Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

Magasabb forrasztási hőmérséklet 30-40 ˚C hőmérséklet különbség A nagyobb hőmérséklet hatása az alkatrészekre Alkatrész károsodás a magasabb hőmérséklet miatt BGA és egyéb tokok repedése Szükséges a tokozóanyag cseréje Termoplasztikus alkatrészek 240 ˚C 270 ˚C Réteg kondenzátorok 225 ˚C 255 ˚C 225 ˚C 250 ˚C Elektrolit kondenzátorok Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

Az ólommentes forraszok technológiai ablaka Alkalmasak a jelenlegi berendezések ólommentes forrasztáshoz? Az ideális hőeloszlás a szerelőlemezen az egyenletes lenne. Csökkenteni kell a hőmérséklet különbségeket (ΔT)! Az ólommentes forrasz műveleti ablaka Az olvadásponttól el kell távolodni 30-40 ˚C-kal, Felső korlát: az alkatrészek és a flux tűrőképessége, Alsó korlát: az ötvözet olvadáspontja. Az alkatrészek tűrése Az ólommentes Forrasz olv.pontja Az ólomtartalmú forrasz műveleti ablaka Az ólomtartalmú forrasz olv.pontja Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

Az ólommentes forraszok technológiai ablaka paszta nyomtatás hőmérsékleti viszonyok alsó korlát: forrasztás minősége, felső korlát: folyasztószer; alkatrészek. hőmérséklet (°C) 70 60 50 40 30 megfelelő kerülendő késerő (N) idő (s) rossz 25 50 75 100 125 150 175 200 225 lehúzókés sebesség (mm/s) Ólommentes forraszoknál szűkebb a technológiai ablak! Nehezebb a hőprofilt beállítani! Elvárás: ΔT legyen minimális Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

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

Az ólommentes forraszok nedvesítő képessége Különböző ólommentes forraszok nedvesítési ideje 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 t2/3 Nedvesítési idő, sec tb t0 t Fmax Time to cross buoyancy line (tb) Time to cross zero force line (t0) Time to reach 2/3 max wetting force (t2/3) Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

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. Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

Szükséges nitrogén atmoszféra? A N2 megakadályozza az oxidációt A N2 javítja a nedvesítést A N2 használata lehetővé teszi gyengébb flux-ok alkalmazását A N2 csökkenti a hibák számát Drága, nem használható minden berendezésnél Hullámforrasztásnál csökkenti a salakképződést Az ólommentes forraszoknak is kell működni N2 nélkül is Jobb terülés N2 használata esetén Levegő esetén rosszabb nedvesítés Low solid flux + N2 High solid flux A N2 csökkenti a hibák számát Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

Megbízhatósági problémák – Fokozott intermetallikus vegyület képződés nagy óntartalomnál, az ón fokozott reakciója fémekkel, Cu6Sn5 intermetallikus vegyületek, rövidzárak, potenciálcsúcsok, veszély: migráció, rosszabb fényvisszaverés. Intermetallikus vegyületek csökken a hasznos keresztmetszet, mechanikai tulajdonságok romlása, Cu6Sn5 „tű” képződés, Ag3Sn „lemez” képződés, függ a kontaktus felület bevonatától. Cu6Sn5 tűk a forraszhullám felületén Cu6Sn5 tűk egy furatszerelt alkatrész pad esetében Intermetallikus vegyületek SnAg forrasz és NiAu bevonat esetén Intermetallikus vegyületek SnAgCu forrasz és réz pad esetén Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

Intermetallikus vegyületek képződése SnAgCu SnAgCu SnAg SnCu SnBi Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

Megbízhatósági problémák – Szálképződés (Whisker formation) Különböző alakú whisker-ek az ónbevonat felületén 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? Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

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; Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

Az ólommentes forrasztás „kozmetikai” hibái Matt felület Az alkatrészláb oldalán nincs nedvesítés (NiPd) Sn bevonat NiPd(Au) bevonat SnPb SnAgCu Rosszabb terülés (Cu pad-ek) SnPb SnAgCu Sárgás felszín erősebb flux esetén NYÁK elszíneződés SnPb 210 ˚C SnAgCu 245 ˚C Gyengébb flux + N2 Erősebb flux + levegő Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

Ólommentes forrasztás Több forrasztási hiba Domború forrasz felszín Rossz furatkitöltés Hídképződés Sírkő effektus Üreg képződés Törés Forrasz felválás Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

Forrasztási technológiák Kézi forrasztás Reflow forrasztás Hullámforrasztás Szelektív forrasztás Rework Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

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

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 Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

Ólommentes forrasztás 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 Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

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

Ólommentes forrasztás Irodalom Bernd Schenker: New Methods Trends and Technologies for PCB Soldering, ERSA Technical Seminar, Seoul, Korea, 21th 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, www.leadfree.org 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, 18th May, 2004 Marconi Materials Technology (project coordinator): Improved Design Life and Environmentally Aware Manufacturing of Electronics Assemblies by Lead-Free Soldering: „IDEALS”. 1999 Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

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

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

Tipikus forrasztási hibák LF forraszok alkalmazása esetén leszívó felületek zsugorodás alkatrész kivezető rossz furatkitöltés üregképződés domború felszín forraszfelválás hídképződés elkerülése hídképződés Az általam tapasztalt forrasztási és esztétikai hibák ólomtartalmú és ólommentes forrasztott kötéseknél chip C, SnAgCu SnAgCu SnPbAg Tcsúcs=210 °C Tcsúcs=235 °C X SnAgCu forraszgolyó képződés üregképződés hídképződés hordozó elszíneződés, forrasztásgátló maszk károsodás a paszta nyomtatásból adódó hibák az ólommentes forrasztásra jellemző hibák Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

Mechanikai és klímaállósági vizsgálat F F ESPEC EHS-211M HAST kamra 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. befogás kar 100% RH, 133 °C, 2 atm, 80 óra chip C, SnAgCu chip C, SnAgCu SMD súlyterhelés szerelő- lemez állvány F = m·g F = m·g 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. ólommentes (SnAgCu) forrasz ólomtartalmú (SnPbAg) forrasz SMD ellenállás tranzisztor kondenzátor átlag HAST 53.86 N 41.97 N 33.01 N 28.27 N 93.3 N 44.07 N 56.02 N 44.61 N 34.48 N 30.59 N 109.44 N 56.06 N szórás 5.91 N 4.65 N 3.08 N 4.33 N 24.56 N 10.02 N 6.34 N 4.03 N 2.75 N 2.91 N 26.39 Kg 14.01 N Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

A BGA tokok szereléstechnikai problémái 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! BGA tokok szereléséhez és a kötések ellenőrzéséhez használt berendezések ERSA IR550 rework ERSASCOPE 2 infravörös technológia, zárt hurkú szabályozás, helyező berendezés, méretre maszkolás. üvegszálas, technológia, nagy felbontás, technológiai beállítások optimalizálása, hibák kimutatása, adatbázis. hőprofilok: lineáris; Tcsúcs=210 (215) °C, 235 °C, 250 °C. meredekség az előfűtési szakaszban: ~ 2 °C/s meredekség a hűtési szakaszban: ~ -2.5 °C/s Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

Ólommentes forrasztás BGA tokok bump kötései Paszta: SnAgCu Forraszgolyó: SnPb Tcsúcs: 210 °C Paszta: SnAgCu Forraszgolyó: SnPb Tcsúcs: 235 °C Paszta: SnPbAg Forraszgolyó: SnPb Tcsúcs: 210 (215) °C Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

Ólommentes forrasztás BGA tokok bump kötései Paszta: SnAgCu Forraszgolyó: SnAgCu Tcsúcs: 235 °C Paszta: SnPbAg Forraszgolyó: SnAgCu Tcsúcs: 250 °C Paszta: SnAgCu Forraszgolyó: SnAgCu Tcsúcs: 250 °C Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

BGA tokok hibás bump kötései rossz hőprofil rossz a bump alakja megbillent tok HAST vizsgálat: 100% RH, 133 °C, 2 atm, 80 óra a szerelőlemezről leszakadt padek a tokról leszakadt golyó a szerelőlemezről leszakadt padek a tokról leszakadt golyó A szerelőlemezről leszakadt padek / fényes forraszgolyó a törésnél → nem volt repedés Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

A BGA tokok bump kötéseinek metszete Cu pad a tokon Cu pad a tokon Cu pad a tokon SnPb bump SnAgCu bump Ag3Sn Cu6Sn5 SnAgCu bump üreg SnPb bump SnAgCu bump Cu pad a szerelőlemezen Réz pad a sz.lemezen A 235°C-os forrasztási hőmérséklet hatása 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. Tcsúcs=235 °C X Tcsúcs=210 °C üregek! felhólyagosodás Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás

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