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 Ólommentes forrasztás 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. Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 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 Ólommentes forrasztás 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. Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 5
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, Eltérő nedvesítési tulajdonságok Kisebb sűrűség, Ónalapú ötvözetek (nagy tömegszázalékban ónt tartalmaznak), Jobb elektromos- és hővezető-képesség, Elfogadható mechanikai tulajdonságok. Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 6
Milyen elemek vannak az ón mellett? Bi (kicsi az olvadáspont) In (kevés van, drága) Zn (oxidáció?) Cu Ag Sb (mérgező) Egyéb ólommentes ötvözetek A széleskörűen használt eutektikus ötvözetek Ötvözet Olv.hőm.tartomány Melting Point Alkalmazás Jellemző Sn63Pb37 Sn91Zn9 199 183 C kézi-, oxidáció, hullám-,reflow erősebb forrasztás flux, N 2 Au80Sn20 Pb95Sn5 315 280 C chip chip bonding, drága! Sn3.5Ag Sn77.2In20Ag2.8 179-189 221 C C kézi- nem és eutektikus, hullámforrasztás az In drága Sn3.8Ag0.7Cu Sn42Bi58 (TSC) 138 217 C kézi-, alacsony hullám-,reflow olv.pont, forrasztás veszély: Pb Sn0.7Cu 227 C hullámforr., NYÁK bevonat Tersztyánszky László 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. Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 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 Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 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 ólomtartalmú forrasz műveleti ablaka Az ólommentes 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. Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 10
Az ólommentes forraszok technológiai ablaka hőmérsékleti viszonyok alsó korlát: forrasztás minősége, felső korlát: folyasztószer; alkatrészek. paszta nyomtatás hőmérséklet ( C) idő (s) késerő (N) 70 60 50 40 30 megfelelő kerülendő 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: T legyen minimális Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 11
Nedvesítési mérés (Wetting Balance Test) Az F(t) görbe felvétele Érzékeny mérőfej Mérőerősítő és tápegység A forraszfürdő hőmérséklet szabályozója Flux-szal kezelt réz minta Érzékeny mérőfej forraszfürdő forraszfürdő Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 12
Az ólommentes forraszok nedvesítő képessége F Az ólommentes forraszok nedvesítési ideje nagyobb A TSC jól teljesít t A nedvesítési 2/3 idők csökkenthetők a hőmérséklet t b elemesével Néhány t0 alkatrész ezt nem tudja elviselni F max Le kell lassítani a szállítószalagot t Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 13 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 )
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 14
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 Jobb terülés N 2 használata esetén Low solid flux + N 2 AN 2 csökkenti a hibák számát Levegő esetén rosszabb nedvesítés High solid flux Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 15
Megbízhatósági problémák Fokozott intermetallikus vegyület képződés Cu 6 Sn 5 tűk a forraszhullám felületén Intermetallikus vegyületek SnAg forrasz és NiAu bevonat esetén Cu 6 Sn 5 tűk egy furatszerelt alkatrész pad esetében 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. Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 16
Intermetallikus vegyületek képződése SnAgCu SnAgCu SnAg SnCu SnBi Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 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? Tersztyánszky László 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 Ólommentes forrasztás 19
Az ólommentes forrasztás kozmetikai hibái Matt felület Az alkatrészláb oldalán nincs nedvesítés (NiPd) Sn bevonat NiPd(Au) bevonat SnPb Sárgás felszín erősebb flux esetén SnAgCu Rosszabb terülés (Cu pad-ek) SnPb SnAgCu NYÁK elszíneződés SnPb 210 C SnAgCu 245 C Gyengébb flux + N 2 Erősebb flux + levegő Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 20
Több forrasztási hiba Hídképződés Domború forrasz felszín Rossz furatkitöltés Sírkő effektus Üreg képződés Törés Forrasz felválás Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 21
Forrasztási technológiák Kézi forrasztás Reflow forrasztás Hullámforrasztás Szelektív forrasztás Rework Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 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 Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 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 Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 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 Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 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 Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 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 ERSASCOPE 2 infravörös technológia, zárt hurkú szabályozás, helyező berendezés, méretre maszkolás. 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 üvegszálas, technológia, nagy felbontás, technológiai beállítások optimalizálása, hibák kimutatása, adatbázis. Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 27
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 Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 28
BGA tokok bump kötései Paszta: SnAgCu Forraszgolyó: SnAgCu T csúcs : 235 C Paszta: SnPbAg Forraszgolyó: SnAgCu T csúcs : 250 C Paszta: SnAgCu Forraszgolyó: SnAgCu T csúcs : 250 C Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 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 Ólommentes forrasztás 30
A BGA tokok bump kötéseinek metszete Cu pad a tokon Cu pad a tokon Cu pad a tokon SnAgCu bump SnPb bump Ag 3 Sn Cu 6 Sn 5 üreg SnAgCu bump SnPb bump Cu pad a szerelőlemezen SnAgCu bump Réz pad a sz.lemezen A 235 C-os A tapasztalatok forrasztási összefoglalása hőmérséklet hatása célszerű azonos anyagú paszta és golyó alkalmazása, T csúcs =210 C T csúcs =235 C az LF forraszoknál fokozott X 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 felhólyagosodás üregek! fogadására. Tersztyánszky László Ólommentes forrasztás 31