Náhrada olova v pájkp

Náhrada olova v pájkách Výhody a nevýhody alternativních řešení P. MACH, A. DURAJ České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Katedra elektrotechnologie

1

Obsah Úvod. Regulační a legislativní aktivity v různých zemích. Kritéria pro výběr bezolovnatých náhrad pájek obsahujících olovo. Perspektivní bezolovnaté slitiny pro pájky. Elektricky vodivá lepidla. Měření základních elektrických a mechanických vlastností adhezních spojů. Příprava vzorků, měřicí zařízení. Výsledky měření. Diskuze výsledků. Závěr.

2


3

Úvod Elektronický průmysl je největším průmyslem na světě. V USA bylo v roce 1992 celkem 11.5 mil. počítačů, ale v roce 2005 to již bylo 55.8 mil. počítačů Aktivity v elektronické montáži: nové spojovací materiály a technologie spojovacích procesů. Dva základní požadavky: Technickou kvalitu. Musí být ekologicky nezávadné včetně procesu jejich výroby a zpracování.

Olovo bylo zahrnuto mezi 17 chemikálií, které mají nejvíce negativní vliv na lidský organizmus.

4

Úvod Bezolovnaté pájení a vodivé lepení jsou technologie, kterým je v současné době věnována ve výrobní oblasti největší pozornost. Spotřeba olova pro výrobu pájek pro elektrické a elektronické aplikace je velice nízká ve srovnání se spotřebou tohoto kovu v jiných aplikacích (zejména pro olověné akumulátory a laky na bázi olova).

Důležitou informací je možnost použití stávajících technologických zařízení pro ekologické spojovací materiály. Vodivé lepení je technologie, která je v současnosti užívána pro speciální aplikace (např. pro výrobu LCD displejů).

5


6

Regulační a legislativní aktivity v různých zemích EU 1998 – WEEE (Waste from Electrical and Electronic Equipment directive) Směrnice o odpadu z elektrických a elektronických zařízení 2000 - WEEE and RoHS (Restriction of Hazardous Substances directive) Směrnice o zákazu užívání nebezpečných látek 2003 – Všemi evropskými zeměmi bylo přijato, že použití olova (a pěti dalších látek: rtuti, kadmia, polybromovaných bifenylů atd. je v elektronice s určitými výjimkami od 1. 7. 2006 zakázáno. ČR – novela zákona o odpadech č. 185/2001 Sb. schválena v prosinci 2004 – obsahuje obě směrnice o odpadech stanovené EU ČR – Dne 13.8. 2005 nabyl účinnosti zákon č.7/2005 Sb. O zpětném a odděleném odběru Odpadních Elektrických a Elektronických Zařízení.

7

Regulační a legislativní aktivity v různých zemích U.S.A. Neexistuje žádný existující federální zákon o omezení nebo zákazu použití olova v elektronice. Legislativa zaměřená na elektronický odpad je však v současné době připravována v mnoha státech. Existence poplatků za používání škodlivých látek ve výrobě

Japonsko Dlouhodobý proces, existuje řada různých zákonů a předpisů zaměřených na redukci nebo úplné vyloučení užívání olova v elektronickém průmyslu. 2001: Byl přijat zákon o recyklaci domácího elektronického odpadu. 2004: Spotřební elektronika – téměř 100%-ní pájení bez olova.

8

Regulační a legislativní aktivity v různých zemích Čína V současné době nejsou známy zákony nebo předpisy, které by nějakým způsobem upravovaly, redukovaly, nebo zakazovaly užívání olova v elektronice. Je však předpokládáno, že legislativa zaměřená na tuto oblast je připravována.

Jižní Korea 340 společností reprezentujících 95 % elektronického průmyslu se dobrovolně přihlásilo k akceptování EU RoHS Directive (směrnice o zákazu nebezpečných látek). Byl schválen zákon, který ukládá odpovědnost za ekologickou likvidaci nebo recyklaci elektronických výrobků a jejich obalů výrobcům a importérům.

9


10

Kritéria pro výběr bezolovnatých náhrad pájek obsahujících olovo Bezolovnaté pájky Nejpoužívanější olovnatá pájka : 63% Sn-37% Pb teplota tavení 183 ºC Kritéria mohou být rozdělena do dvou skupin:

1. 2.

Z hlediska materiálových parametrů. Z hlediska technologických parametrů.

Ad 1: vysoká elektrická vodivost, pevnost spojů, termomechanická odolnost, teplota tavení, doba skladování, smáčitelnost, vytváření strusky při pájení vlnou, teplotní roztažnost, tečení. Ad 2: možnost použití stávajících technologických zařízení a postupů pro pájení Sn-Pb pájkami k pájení bezolovnatými pájkami.

11

Kritéria pro výběr bezolovnatých náhrad pájek obsahujících olovo (NIST&CSM) Bezolovnaté pájky Vlastnost

Definice

Teplota likvidu

Teplota, při které je pájka zcela roztavená.

Rozsah plasticity

Rozsah teplot mezi solidem a likvidem, kdy je pájka v plastickém stavu.

Smáčitelnost

Je hodnocena podle síly, která je potřebná ke smočení Cu drátu roztavenou pájkou.

Vytváření strusky

Hodnotí se množstvím oxidu vytvořeného na vzduchu na povrchu roztavené pájky po dosažení pájecí teploty.

Minimální akceptovatel náúroveň

< 30 (ºC) Fmax > 300 uN t0 < 0.6 s Kvalitativní

12

Kritéria pro výběr bezolovnatých náhrad pájek obsahujících olovo Elektricky vodivá lepidla

Zcela odlišný princip elektricky vodivého spojování než u pájení. Jiné technologické postupy. Kritéria pro výběr elektricky vodivých lepidel jsou zaměřena zejména na hlavní elektrické a mechanické vlastnosti adhezních spojů. Nejčastěji jsou zkoumány elektrická vodivost spojů, jejich pevnost v tahu, pevnost ve smyku a odolnost proti termomechanickému namáhání. Největším problémem je v současnosti testování dlouhodobé spolehlivosti – nejsou dostatečné zkušenosti jako s pájením.

13


14

Perspektivní bezolovnaté slitiny pro pájky Dosažitelnost a relativní cena vzhledem k olovu některých prvků, které jsou potenciálními náhradami olova v pájkách.

Prvky, které mohou nahradit olovo v pájkách Prvek Zinek (Zn) Měď (Cu) Antimon (Sb) Bismut (Bi) Cín (Sn) Stříbro (Ag) Indium (In)

Cena ($ / lb) 0,51 0,65 0,81 3,42 3,52 84,21 125

Relativní cena (k olovu)

Zásoby (mil. lb)

1,3 2,5 2,2 7,1 6,8 212 194

1560 4900 100 9 (limitované) 180 3,5 (limitované) 0,2 (vzácné)

Pozn.: 1 lb (libra) = 0,454 kg

15

Perspektivní bezolovnaté slitiny pro pájky Celkem 79 bezolovnatých slitin, které byly vytipovány pro předběžné testování Národním centrem pro výrobní vědy (NCMS). Vybráno cca 20 bezolovnatých slitin vhodných pro širší užívání v elektrotechnice. NCMS Kód slitiny

Chemické složení (váhová %)

NCMS Kód slitiny


NCMS Kód slitiny


D1

Sn-45Bi

EN8

Sn-3.3Ag-11.2Bi5.5In

F25

Sn-0.5Ag-56Bi

D2

Sn-57Bi-2In

EN9

Sn-2.5Ag-11.2Bi5.5In

F26

Sn-4.5Ag-1.6Cu5Sb

D6

Sn-2Ag-56Bi-1.5Sb

F3

Sn-0.5Ag-4Cu

F30

Sn-3.2Ag-0.7Cu

D7

Sn-3Ag-55.5Bi1.5Sb

F4

Sn-8.8In-7.6Zn

F31

Sn-3.5Ag-1.3Cu

16

Perspektivní bezolovnaté slitiny pro pájky V Evropě konsorcium BRITE-EURAM doporučilo užívání slitiny 95.5Sn-3.8Ag-0.7Cu jako slitiny pro všechny účely. Jako další slibné slitiny se zde jeví slitina 96.5Sn-3.5Ag, 99.3Sn-0.7Cu a slitina Sn-Pb-Bi a Sn-Ag-Sb. V U.S.A doporučila Národní výrobní iniciativa (National Manufacturing Initiative – NEMI) slitinu 99.3Sn-0.7Cu pro pájení vlnou a slitiny 96.5Sn-3.5Ag a 95.5Sn-3.9Ag-0.6Cu pro pájení přetavením. Dalšími favorizovanými slitinami jsou 96.5Sn-3.5Ag-4.8Bi a 58Bi-42Sn. V Japonsku Japonská asociace pro vývoj v elektronickém průmyslu (The Japanese Electronic Industry Development Association – JEIDA) doporučila slitiny 96.5Sn-3Ag-0.5Cu a 89Sn-8Zn-3Bi pro pájení vlnou a přetavení při střední a vysoké teplotě a slitinu 42Sn-57Bi-1Ag pro přetavení při nízké teplotě.

17

Perspektivní bezolovnaté slitiny pro pájky Přechod na bezolovnaté pájení – nutnost bezolovnatých úprav součástek a přizpůsobení technologickým procesům. Package Name

Lead-free specification Appearance

Sn-Bi plating

Sn plating

Sn-Ag-Cu dip

Sn-Ag-Cu ball

Ni/Au plating

QFP TQFP LQFP SOP TSOP I TSOP II

SOJ

BGA

LGA

Mini-mold (transistors, diodes) : Lead-free specification,

: Same as plating specifications of existing package

18


19

Elektricky vodivá lepidla Elektricky vodivá lepidla (Electrically Conductive Adhesives - ECAs) jsou, vedle bezolovnatých pájek, druhou skupinou ekologických materiálů pro spojování v elektronice. Isotropní či anisotropní electrická vodivost. Hlavní výhody elektricky vodivých lepidel, v porovnání s pájkami, jsou: Téměř ekologická nezávadnost. Vytvrzování: při teplotách od 100 oC do 180 oC, nebo při normální teplotě (pro srovnání – bod tavení pájek bez olova je obvykle v rozmezí 210 oC až 225 oC). Vhodnost pro tepelně citlivé součástky. Hlavními nevýhodami elektricky vodivých lepidel jsou: Malá odolnost proti vlhkosti, nižší spolehlivost. Horší mechanické vlastnosti ve srovnání s pájkami. Prozatím neznalost recyklace, vysoká cena.

20

Elektricky vodivá lepidla ECA jsou složena ze dvou složek: vazební složky (binder) a plniva (filler) Binder: pro reaktoplastická lepidla: acrylická pryskyřice pro aplikace pod 100oC, epoxidové pryskyřice pro teploty až do 200oC Problém: opravitelnost spojů. - lepidla jednosložková - lepidla dvousložková ( pryskyřice + tvrdidlo) Filler: obvykle kuličky (průměr 1 až 15 µm) či šupinky (různých velikostí, ale v řádu mikrometrů). Koncentrace v lepidle – 10% až 80%. Materiál: Ag, Au, Ni či Cu – plný vodivý materiál plastové nebo Ni + vodivý povlak z Au Klasické lepidlo - rezistivita cca 1014 Ω.cm Elektricky vodivé lepidlo - rezistivita cca 10-4 Ω.cm

21

Elektricky vodivá lepidla Typy elektricky vodivých lepidel Anisotropně vodivá lepidla (Anisotropic Conductive Adhesives – ACAs) • různé vlastnosti v různých směrech • koncentrace částic 5 % - 20 % (5 µm až 20 µm) • částice kulovité (polymerové) • matrice - termoplasty či akryláty Isotropně vodivá lepidla (Isotropic Conductive Adhesives – ICAs) • obdoba pájek - vodivost ve všech směrech • koncentrace částic 50 % - 80 % (1 µm až 5 µm) • částice šupinkovité a navzájem se dotýkají • matrice – epoxidy ACA & ICA - vytvrzování při 20 ˚C až 180 ˚C

22


23

Měření základních elektrických a mechanických vlastností adhezních spojů Porovnání s vlastnostmi spojů pájených Sn-Pb a bezolovnatými pájkami Sledované parametry: Elektrické parametry: Elektrický odpor (vodivost) spojů. Nelinearita VA charakteristiky spojů. Šum spojů.

Mechanické parametry: Pevnost v tahu. Pevnost ve střihu. Odolnost proti statickému mechanickému namáhání. Odolnost proti dynamickému mechanickému namáhání.

24

Měření základních elektrických a mechanických vlastností adhezních spojů Porovnání s vlastnostmi spojů pájených Sn-Pb a bezolovnatými pájkami Zrychlené stárnutí adhezních a pájených spojů – zjišťování spolehlivosti. Klimatické zatížení (klimatické komory Weiss and Heraeus) v teplotě 125 oC v relativní vlhkosti 100 % v kombinovaném stárnutí teplota/vlhkost (85 oC/85 % RV) Mechanické zatížení: použití statického mechanického zatížení použití dynamického mechanického zatížení Vliv ss proudu na vlastnosti spojů. Vliv pulzního elektrického namáhání na vlastnosti spojů.

25


26

Příprava vzorků, měřicí zařízení Vzorky byly připraveny montáží SMT odporů typu 1206 s „nulovým“ odporem (10 mΩ Ω) na jednovrstvé testovací desky plošného spoje. Pájecí pasty a ECA byly naneseny dispensingem (z jehly) poloautomaticky.

Testovací desky byly vyrobeny z klasického FR4 izolantu s 35 µm Cu fólií. Byl sledován vliv následujících úprav povrchu připojovacích plošek na vlastnosti spojů: Cu, oxidovaná Cu, Cu/Ni, Cu/Ni/Au, Cu/Sn.

27

Příprava vzorků, měřicí zařízení Elektricky vodivá lepidla Společnost

Složky

Vytvr. tep.

Vytvr. doba

ELPOX SC 515

Amepox MICROELECTRONICS

1

180 °C

15 min

ELPOX SC 515e


1

180 °C

15 min

ELPOX SC 24D


1

140 °C

30 min

ELPOX AX 12


2

140 °C

100 min

EPLOX AX 15S


2

120 °C

30 min

ECO SOLDER AX 65 M


1

180 °C

10 min

LT 2369/2

Permacol

1

100 °C

15 min

Typ

28

Příprava vzorků, měřicí zařízení Pájky Pb - Sn

Rheomet

pasta

Sn63Pb37

183 °C

Pb - Sn

Rheomet

pasta

Sn62Pb36Ag2

187 °C

Sn-5Ag

Alpha metals

solid

Sn95Ag5

250 °C

96Sn – 325 - GT

Cobar

pasta

Sn96Ag4

245 °C

96.5Sn-3.5Ag

Alpha metals

pasta

Sn96.5Ag3.5

245 °C

V současnosti je testováno anizotropně elektricky vodivého lepidla Loctite určeného pro spojování vývodů součástek s velmi malou roztečí a desek plošných spojů (např ,,flip-chip technologie, kontaktování LCD)

29

Příprava vzorků, měřicí zařízení Měření odporu spoje: Řádově mΩ. 4-bodová metoda. Měření impedance spoje ve frekvenčním rozsahu 100 Hz až 1 MHz (LRC meter HP 4284A). Měření nelinearity voltampérové charakteristiky spoje.

Měření proudového šumu spoje.

30

Příprava vzorků, měřicí zařízení Pracoviště pro měření nelinearity V-A charakteristiky.

31

Příprava vzorků, měřicí zařízení Měření proudového šumu (limitováno citlivostí pro pájené spoje)

Měření impedance spojů (malé změny do frekvence f = 1 MHz)

32

Příprava vzorků, měřicí zařízení l

Měření vlivu mechanického namáhání spojů Statické zatížení spojů

x F

F

y(x) yB

0 A

2F

B

Tahová síla ve spoji

FT =

3E R J ZR yR l R3

Střihová síla ve spoji

FS =

E R .S J ∆l R lR

33

Příprava vzorků, měřicí zařízení Měření vlivu mechanického namáhání spojů Dynamické namáhání spojů – (1000 či 2000 cyklů) - testování vzniku vnitřních poruch ve spoji - vliv na měřené elektrické i mechanické parametry - analýza pomocí elektronového rastrovacího mikroskopu (SEM)

34

Příprava vzorků, měřicí zařízení Měření pevnosti spoje v odtrhu

Měření pevnosti spoje ve střihu SMD rezistor

Kontakty

Spoj

FS Kontakt Aplikace střižné síly PCB

35

Příprava vzorků, měřicí zařízení Klimatické namáhání vzorků - standartizované podmínky testování Tepelné stárnutí (125 oC) Kombinované namáhání (85 oC / 85 % RH) Vlhkostní stárnutí (100 % RH)

36


37

Výsledky měření – klimatické namáhání Vliv zrychlených stárnutí na odpor spoje

Odpor spoje - AlphaMetals

Odpor spoje - ELPOX SC 515 120

Rs (mΩ)

100

Rs (m Ω)

80 60 40 20

1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 hrs. 100 hrs. 300 hrs. 500 hrs. 750 hrs.

0 0 hrs.

100 hrs.

125 °C

300 hrs.

500 hrs.

80 oC/ 80 % RH

750 hrs.

1000 hrs.

1000 hrs.

25 oC / 100 % RH

125 °C

80 oC/ 80 % RH

20 oC/ 100 % RH

38

Výsledky měření – pevnost v odtrhu Vliv zrychleného stárnutí na pevnost spoje

125 oC, 300 hodin Pev nost v odtrhu: po tepelném stárnutí 60

60 50 40 30 20 10 0

Fp (N)

50 40 30 20 10

S 15 AX

eV 12

AX

59

M

N

20 ER

M

AX

M N

AX

70

70

N

N M SC

55

ER

ad

-f r e

e

-P b Le

Sn

S 15

eV

Typ spojovacího materiálul

AX

12 AX

59

M

N

20 ER

AX

M N

M

AX

70

N

N 70 SC

55

M

ee ER

Le

ad

-f r

-P

b

0

Sn

Fp (N )

Pev nost v otrhu: počáteční hodnoty

Typ spojovacího materiálu

39


40

Diskuze výsledků Odolnost pájených a lepených spojů vůči klimatickému namáhání: Tabulka zobrazuje změnu odporu spoje po různých klimatických namáhání. Tepelné stárnutí (125 oC)

Tepelně-vlhkostní stárnutí o (85 C/85 % RH)

Vlhkostní stárnutí (100 % RH)

2-složková lepidla

Malá (~5 %)

Střední (20 to 40 %)

Velká (50 to 100 %)

1-složková lepidla

Střední (30 to 50 %)

Velká (50 to 100 %)

Velká (50 to 100 %)

95Sn5Ag

Velmi malá1

Velmi malá1

Velmi malá1

63Sn37Pb

Velmi malá1

Velmi malá 1

Velmi malá1

Spojovací materiál

[1] Měření je limitováno přesností měřícího zařízení

41

Diskuze výsledků Porovnání parametrů spojů: pájené spoje vs. lepené spoje nižší rovno vyšší

Parametr

↓

≈

↑

Elektrický odpor Nelinearita Proudový šum Odolnost proti teplotě Odolnost proti vlhkosti Odolnost proti kombinaci teplo / vlhko Odolnost proti statickému mechanickému zatížení Odolnost proti dynamickému mechanickému zatížení Odolnost proti vlivu stejnosměrného proudu Odolnost proti vlivu proudovým pulzům

42

X


43

Závěr Elektrické a mechanické parametry pájených spojů jsou lepší než u spojů lepených. Pouze nelinearita a odolnost lepeného spoje vůči teplotám je v některých případech srovnatelná s pájenými spoji. Ze zkoumaných parametrů spojů lze učinit závěr:

Bezolovnaté pájky jsou ekvivalentními náhradami Sn-Pb pájek pro elektrotechniku a elektroniku, kdežto elektricky vodivá lepidla nejsou jako přímá náhrada Sn-Pb pájek vhodná.

Na druhé straně je použití elektricky vodivých lepidel v některých speciálních aplikacích v současnosti jediným možným řešením.

44

Náhrada olova v pájkp

Recommend Documents