Ólommentes forrasztás

Ólommentes forrasztás

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


2

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.



3

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)

Céljai:

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


4

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.



5

Az ötvözet „jelöltek” Nincs olyan ólommentes ötvözet, amellyel egy az egyben ki tudnánk váltani az SnPb forraszt. Az ólommentes forraszok tulajdonságai: • • • • • •

Magasabb olvadáspont, Eltérő nedvesítési tulajdonságok Nagyobb felületi feszültség, Kisebb sűrűség, Ónalapú ötvözetek (nagy tömegszázalékban ónt tartalmaznak), Jobb elektromos- és hővezető-képesség, Elfogadható mechanikai tulajdonságok.



6

Milyen elemek vannak az ón mellett? Bi (kicsi az olvadáspont) In (kevés van, drága) Zn (oxidáció?)

Cu Ag Sb (mérgező)

A széleskörűen Egyéb ólommentes használt eutektikus ötvözetek ötvözetek Ötvözet Sn63Pb37 Sn91Zn9 Pb95Sn5 Au80Sn20 Sn3.5Ag Sn77.2In20Ag2.8 Sn3.8Ag0.7Cu (TSC) Sn42Bi58 Sn0.7Cu Tersztyánszky László

Olv.hőm.tartomány Melting Point Alkalmazás Jellemző 199 183 ˚C kézi-, oxidáció, hullám-,reflow erősebbforrasztás flux, N2 315 chip bonding 280 ˚C chip bonding, drága! 221 ˚C˚C kéziéseutektikus, hullámforrasztás 179-189 nem az In drága 217 ˚C ˚C 138 alacsony olv.pont, veszély: Pb kézi-, hullám-,reflow forrasztás 227 ˚C hullámforr., NYÁK bevonat Ólommentes forrasztás

7

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.



8

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



9

Az ólommentes forrasztás technológiai ablaka • Alkalmasak a jelenlegi berendezések ólommentes forrasztáshoz? • Az ideális hőeloszlás a szerelőlemezen az egyenletes lenne. • Csökkenteni kell a hőmérséklet különbségeket (∆T)! Az ólommentes forrasz műveleti ablaka

Az ólomtartalmú forrasz műveleti ablaka


Az alkatrészek tűrése Az ólommentes Forrasz olv.pontja

Az ólomtartalmú forrasz olv.pontja


• Az olvadásponttól el kell távolodni 30-40 ˚C-kal, • Felső korlát: az alkatrészek és a flux tűrőképessége, • Alsó korlát: az ötvözet olvadáspontja.

10

Az ólommentes forraszok technológiai ablaka paszta nyomtatás

hőmérséklet (°C)

hőmérsékleti viszonyok alsó korlát: forrasztás minősége, felső korlát: folyasztószer; alkatrészek.

idő (s)

késerő (N)

70

megfelelő

60

kerülendő

50 40

rossz

30 25

50

75 100 125 150 175 lehúzókés sebesség (mm/s)

200

Ólommentes forraszoknál szűkebb a technológiai ablak! Nehezebb a hőprofilt beállítani! Elvárás: ∆T legyen minimális Tersztyánszky László


11

225

Nedvesítési mérés (Wetting Balance Test) Az F(t) görbe felvétele Érzékeny mérőfej

Mérőerősítő és tápegység

A forraszfürdő hőmérséklet szabályozója Érzékeny mérőfej

Flux-szal kezelt réz minta

forraszfürdő forraszfürdő Tersztyánszky László


12

Az ólommentes forraszok nedvesítő képessége

• •

• Fmax

•

Az ólommentes forraszok nedvesítési ideje nagyobb A TSC jól teljesít t2/3 A nedvesítési idők csökkenthetők a tb hőmérséklet elemesével t0 alkatrész ezt nem Néhány tudja elviselni Le kell lassítani a szállítószalagot


t

Nedvesítési idő, sec

F•

Különböző ólommentes forraszok nedvesítési ideje


Time to cross buoyancy line (tb) Time to cross zero force line (t0) Time to reach 2/3 max wetting force (t2/3) 13

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


14

Szükséges nitrogén atmoszféra? • • • • • • •

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



15

Megbízhatósági problémák – Fokozott intermetallikus vegyület képződés 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


Tűképződés • 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.


16

Intermetallikus vegyületek képződése

SnAgCu SnAgCu SnAg SnCu SnBi Tersztyánszky László


17

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? Ólommentes forrasztás

18

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


19

Az ólommentes forrasztás „kozmetikai” hibái Matt felület

Az alkatrészláb oldalán nincs nedvesítés (NiPd) Sn bevonat

SnPb

NiPd(Au) bevonat

SnAgCu

Rosszabb terülés (Cu pad-ek) SnPb

SnAgCu

Sárgás felszín erősebb flux esetén NYÁK elszíneződés SnPb 210 ˚C Gyengébb flux + N2


SnAgCu 245 ˚C

Erősebb flux + levegő


20

Több forrasztási hiba Hídképződés

Sírkő effektus


Domború forrasz felszín

Üreg képződés

Törés


Rossz furatkitöltés

Forrasz felválás

21

Forrasztási technológiák • • • • •

Kézi forrasztás Reflow forrasztás Hullámforrasztás Szelektív forrasztás Rework



22

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



23

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



24

Hullámforrasztás • • •

Az ón fokozottan reagál más fémekkel, mint pl. a forrasztóberendezések 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

25

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 26

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

• infravörös technológia, • zárt hurkú szabályozás, • helyező berendezés, • méretre maszkolás.

ERSASCOPE 2

• 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


27

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

28

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

29

BGA tokok hibás bump kötései

rossz hőprofil

rossz a bump alakja

megbillent tok

HAST vizsgálat: 100% RH, 133 °C, 2 atm, 80 óra a tokról leszakadt golyó

a szerelőlemezről leszakadt padek

a szerelőlemezről leszakadt padek a tokról leszakadt golyó

A szerelőlemezről leszakadt padek / fényes forraszgolyó a törésnél → nem volt repedés Tersztyánszky László


30

A BGA tokok bump kötéseinek metszete Cu pad a tokon

Cu pad a tokon

SnPb bump

SnAgCu bump Ag3Sn

Cu pad a tokon

Cu6Sn5

SnAgCu bump üreg Cu pad a szerelőlemezen

SnPb bump SnAgCu bump Réz pad a sz.lemezen

A 235°C-os A tapasztalatok forrasztásiösszefoglalása hőmérséklet hatása • célszerű azonos anyagú paszta és golyó alkalmazása, Tcsúcs=235 °C Tcsúcs=210 °C • az LF forraszoknál fokozott üregképződés jelentkezhet , X 9 • 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 üregek! felhólyagosodás fogadására. Tersztyánszky László


31

Ólommentes forrasztás

Recommend Documents