DNU mönsterkortseminar Arendal 2008

Transkript

1 DNU mönsterkortseminar Arendal 2008 Ytbehandlingar / Material IPC vs Perfag Bo Andersson Teknisk chef NCAB

2 Definition av en ytbehandling En ytbehandling kan beskrivas som en beläggning, antingen metallisk eller organisk, som påförs mönsterkortet för att säkra lödbarheten efter varierad lagringstid och under olika lagringsbetingelser. Under lödoperationen upplöses de flesta ytbehandlingarna för att sedan ingå i lödfogen Ett undantag är ENIG, där lodet upplöser det tunna skiktet av guld, för att sedan bilda en lödfog med den underliggande nickel-fosfor beläggningen.

3 Definition av en ytbehandling Egentligen finns det bara två olika typer av ytbehandlingar för mönsterkort. Nedan är två av de mest vanligt förekommande: Organiska Metalliska OSP HASL (Sn/Pb & SnCu & SAC) Immersion Sn Immersion Ag ENIG ENEPIG ASIG ENEG

4 Definition av en ytbehandling OSP är ett lackskikt, som förhindrar luftens syre att angripa lödytan. De andra ytbehandlingarna är metaller som huvudsakligen beläggs på ytan på två sätt. Electroless eller Immersion. Det är en stor skillnad mellan dessa båda processer, vilket är viktigt att känna till.

5 Definition av en ytbehandling Electroless eller autokatalytisk process arbetar genom att utnyttja ett reduktionsmedel i processbadet, vilket gör att utfällningen kan fortlöpa så länge mönstekortet är exponerad för processbadet. Nickel i ENIG Silver i ASIG eller ESM100 Guld i electroless guld Ni 2+ Ni 2+ Cu Ni Reducing e - Agent e - Ni 2+ Ni 2+ Ni 2+ Cu Ni Cu Electroless process Cu Ni Cu Ni Cu Cu Ni Cu Ni Cu Ni Ni 2+ Cu Ni Cu Ni Cu Cu Cu Cu e - Reducing Agent e -

6 Definition av en ytbehandling Immersion processer använder inte ett reduktionsmedel i processbadet utan byter ut sig självt mot joner i underliggande lager. Processen är självhämmande och avtar när det underliggande skiktet är täckt av den nya metallen. Normalt ger alla immersion processer väldigt tunna skikt, normalt mellan µm Tin in Immersion Tin Silver in Immersion Ag ENIG Gold bath Au Ni 3+ Au3+ Au Ni 3+ Au3+ Ni + Au Ni 3+ Au Ni Au Ni Au Ni Au Ni Au Ni Ni Ni Ni Ni Ni Cu Ni Cu Ni Cu Ni Cu Ni Cu Ni Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Gold in ENIG

7 HASL (Hot Air Solder Level) Blyfri Typisk tjocklek: 1-40µm FÖRDELAR NACKDELAR + Nothing Solders Like Solder + Enkel process + Lång erfarenhet + Lätt omarbetbar (tempstress) + Klarar multipla lödcykler + Lång lagringstid + Kan kontrolleras visuellt + Billig - Stor oplanhet - Inte lämplig för höga aspect ratios - Lodbryggningsproblem vid finepitch - Svårt styra skikttjockleken - Hög processtemperatur C - Inte lämplig för HDI-kort

8 Lagringsmiljö / tid / hantering HASL (Blyad och blyfri) HASL är den mest robusta av alla ytbehandlingar om korrekt utförd. A. Hantering: Bommulsvantar bör användas under kortets alla löd-processteg, eller att inte vidröra kortets ytor, salt/syror från fingeravtryck har en negativ inverkan på lödbarheten. B. Lagringsmiljö och tid Lagringsmiljön ska inte överskrida 30 C och 75% RH. Korten ska förvaras i sitt orginal vacumförpackning för att inte riskera att luftens syre kommer åt kortytan. Lagringstiden är enligt JST- STD-003B Category 3, med andra ord mer än 6 månader. C. Temporär maskning / Peel able mask Eftersom HASL är en omsmält ytbehandling så är den inte så känslig för föroreningar, nästan alla typer av maskning är acceptabla som temporär maskning, Kaptontape etc.

9 Standarder och testmetoder HASL (Blyad och blyfri) Tyvärr finns inte så många standarder som styr hur ytbehandlingen ska vara. 1. IPC-6012B Coverage & solderable. The coating durability category shall be specified on the master drawing according to J-STD-003B, if the category is not specified the category shall be set to class J-STD-003B Det finns fem olika metoder besktrivna i standarden som reglerar hur testningen av lödbarheten ska gå till. Två av dem är default om inte kunden specificerat annat. A Edge Dip Test (3sec dwell time) C Solder Float Test (5sec floating time) Leaded solder Sn60/Pb40 235±5 C Lead-free solder SAC ±5 C

10 Design HASL (Blyad och blyfri) Det är inte så mycket designrelaterat att ta hänsyn till. Fine pitch < 0.50mm BGA < 0.80mm Vid fine pitch -designer är det stor risk för att oplanheten I ytbehandlingen försvårarar avsevärt. HFFR4 & High Tg FR4 med blyfri HASL. Vi har sett vissa problem med förhöjd andel av measling och sämre vidhäftning av kopparen framförallt på kort med tjock koppar (3-4Oz). Lodkulor. Hål som är bara pluggade från en sida med lödmask kan suga upp lod som inte HASL processen klarar av att blåsa ur. Dessa lodkulor kan landa på ytan under lödprocesserna. Kantplätering på tjocka kort Vi har också uppmärksammat vissa kvalitetssvårigheter på tjockare kort med kantplätering som nomalt har en låg vidhäftning.

11 Kvalitetsaspekter HASL (Blyad och blyfri) Med den gamla (Sn60/Pb40) var det nästa omöjligt att få dålig lödbarhet det fanns andra problem. Med blyfri lödning är det annorlunda. A. Kontroll av legeringen. Det är extremt viktigt att ha kontroll av alla ingående element I legeringen, de flesta nya legeringar löser också upp en större mängd koppar från korten. B. Använd ett bra fluss. Vissa kombinationer av framförallt noclean pastor och HASL fungerar dåligt ihop med flusset i varmförtenningen. C. Maskinunderhåll Blyfria legeringar väter långsammare och blåses av lättare vilket kan ge problem med för tunna skikt (vilket inte var möjligt tidigare)

12 OSP (Organic Solderability Preservative)Typisk tjocklek: µm FÖRDELAR NACKDELAR + Plana lödöar + Omarbetbar + Påverkar inte hålets diameter + Billig + Stressar inte lödmasken + Miljövänlig - Svår att avsyna - Exponerad koppar efter lödning - Begränsat antal lödcykler - Känslig för lösningsmedel vid exempelvis fel i pastatrycket - Kort lagringstid - Känslig för mekanisk åverkan (repor)

13 Lagringsmiljö / tid / hantering OSP (Organic Solderability Preservative) OSP är en ganska tunn och känslig ytbehandling. A. Hantering: Då det är viktigt att undvika mekanisk åverkan, som repor etc. bör skyddsvantar användas under kortets alla löd-processteg, eller att inte vidröra kortets ytor. Salt/syror från fingeravtryck har en negativ inverkan på lödbarheten. B. Lagringsmiljö och tid Lagringsmiljön ska inte överskrida 30 C och 75% RH. Korten ska förvaras I sitt orginal vacumförpackning för att inte riskera att luftens syre kommer åt kortytan. Lagringstiden är enligt JST-STD-003B Category 2, med andra ord upp till 6 månader C. Temporär maskning / Peel able mask Det är inte lämpligt att använda avdragbar mask vilket annars kommer ha en negativ effekt på lödbarheten.

14 Standarder och testmetoder OSP (Organic Solderability Preservative) Liksom för HASL saknas det lämpliga standarder 1. IPC-6012B Coverage & solderable. The coating durability category shall be specified on the master drawing according to J-STD-003B, if the category is not specified the category shall be set to class J-STD-003B Det finns fem olika metoder besktrivna i standarden som reglerar hur testningen av lödbarheten ska gå till. Två av dem är default om inte kunden specificerat annat. A Edge Dip Test (3sec dwell time) C Solder Float Test (5sec floating time) Leaded solder Sn60/Pb40 235±5 C Lead-free solder SAC ±5 C

15 Design OSP (Organic Solderability Preservative) Det finns några saker att ta hänsyn till vid designen. ICT testpunkter Kan ibland vara svårt att uppnå tillräcklig kontakt med testnålarna Täckning av viahål från endast en sida. Stor risk att kemikalier stannar kvar I hålet och förorenar ytan. Multibla lödoperationer. Även om OSP sägs kunna klara flera lödoperationer får man ändå anse att det är begränsnigar I antalet lödoperationer.

16 Immersion Sn (Immersion Tin) Typisk tjocklek: µm FÖRDELAR NACKDELAR + Tillförlitligare jämfört med ENIG!? + Lämplig för fine pitch + Bra lödbarhet + Plana lödytor + Inget nickel + Tämligen billigt - Hanteringen - Thiourinämne vid produktion - kancerogent - Svårt att omarbeta - Svårkontrollerbara intermetaller - Whiskers! - Aggresiv process

17 Lagringsmiljö / tid / hantering Immersion Tin Immersion Tin är en utmärkt ytbehandling, men även väldigt känslig, vilket kräver noggrann kunskap A. Hantering: Bommulsvantar bör användas under kortets alla löd-processteg, eller att inte vidröra kortets ytor, salt/syror från fingeravtryck har en negativ inverkan på lödbarheten. B. tvättning. Ingen tvättning av korten rekommenderas vare sig före ellen mellan lödoperationer. C. Lagringsmiljö och tid Lagringsmiljön ska inte överskrida 30 C och 75% RH. Korten ska förvaras I sitt orginal vacumförpackning för att inte riskera att luftens syre kommer åt kortytan. Lagringstiden är enligt JST-STD- 003B Category 2, med andra ord upp till 6 månader

18 Temporär maskning Immersion Tin Immersion Tin är en utmärkt ytbehandling, men även väldigt känslig, vilket kräver noggrann kunskap D. Temporär maskning / Peel able mask Det är inte lämpligt att använda avdragbar mask vilket annars kommer ha en negativ effekt på lödbarheten.

19 Immersion Tin Standarder och testmetoder Det finns standarder som både definierar tjocklek och utförande av immersion tin. 1. IPC-6012B Solderable. Specifikationen IPC-4554 är så ny, så IPC-6012B inte är uppdaterad ännu. 2. IPC-4554 En komplett specification med tydliga krav på tjocklek, utförande och beteende För lödbarhetstest refereras till J-STD-003B 3. J-STD-003B Definierar hur lödbarhetstest ska utföras.

20 Nyckelparametrar Immersion Tin Tjockleken är f.n. den viktigaste parametern, för attsäkra en god blyfri lödning bör det finnas minst 0.2µm rent tenn kvar att löda på.

21 Design Immersion Tin Det finns även här lite att tänka på. Föroreningar Även här är det risk för föroreningar av innestängda kemikalier, så hål pluggade bara från en sida rekommenderas inte. Även hål som ligger väldigt nära ytmonteringspadar kan ställa till med problem med kemikalierester som kan förstöra lödbarheten. Lödmaskbryggor mellan ytmonteringspadar. På grund av kemins aggresivitet behövs bredare lödmaskbryggor. I stället för de normala 3-4mil bör man öka till 5mil.

22 Immersion Ag (Immersion Silver) Typisk tjocklek: µm FÖRDELAR NACKDELAR + Bra för fine pitch + Plana lödytor + Billig + Kort, enkel process + Eliminerar nickel + Påverkar inte håldiametern + Ganska bra lagringstålighet + Kan bli omarbetad av tillverkaren - Vissa processer har svårt att fälla i µvias med Aspect Ratios > 1:1 - Missfärgning kan förekomma efter en lödcykel - Komplex hantering

23 Lagringsmiljö / tid / hantering Immersion Ag (Immersion Silver) Immersion silver är en immersion ytbehandling och är också känslig för föroreningar. Silver är också känslig för svavel och klorider A. Hantering: Bommulsvantar bör användas under kortets alla löd-processteg, eller att inte vidröra kortets ytor. Salt/syror från fingeravtryck har en negativ inverkan på lödbarheten B. processtid Eftersom immersion silver innehåller OSP för att förhindra oxidation som konsumeras vid första lödoperationen är det viktigt att det inte gå lång tid till nästa lödoperation, helst maximum 8-12 timmar.

24 Lagringsmiljö / tid / hantering Immersion Ag (Immersion Silver) Immersion silver är en immersion ytbehandling och är också känslig för föroreningar. Silver är också känslig för svavel och klorider C. Lagringsmiljö och tid 1. Immersion silverkort bör packas så snart som möjligt för att skydda ytan från sulfider och klorider I luft och hantering. 2. Svavelfritt papper måste användas.. Undvik kiselgurpåsar som kan innehålla svavel 3. Tejp, etiketter, gummisnoddar får inte användas. 4. Lagringsmiljön ska inte överskrida 30 C och 75% RH.. Lagringstiden är enligtjst-std-003b Category 2, med andra ord upp till 6 månader D. Temporär maskning / Peel able mask Det är inte lämpligt att använda avdragbar mask vilket annars kommer ha en negativ effekt på lödbarheten.

25 Standarder och testmetoder Immersion Silver Det finns standarder som både definierar tjocklek och utförande av immersion silver. 1. IPC-6012B Solderable. The IPC-6012B amendment 1 refererar till IPC IPC-4553 En komplett standard med klar definition av tjocklek, utseende och utförande. Lödbarhetsprov refereras till J-STD-003B 3. J-STD-003B Definierar hur lödbarhetstest ska utföras.

26 Immersion Silver Design Det finns lite att tänka på här också. Föroreningar Liksom för immersion tin är immersion silver känslig för föroreningar. Och hål, pluggade från en är inte lämpligt. För övrigt gäller samma för immersion silver som för immersion tin

27 NIG (Electroless Nickel/Immersion Gold) yp. tjocklek: 3-6µm Ni / µm Au FÖRDELAR NACKDELAR + Plana lödytor + Jämn tjocklek + Multipla lödoperationer + Bra lagringsegenskaper + God vätbarhet + Lämplig för fine pitch + Bonbart med aluminiumtråd - Dyrt - Black Pad problematiken - BGA - Hantering av nickel i reningsverk - Svårt att ombearbeta - Ger ibland svårigheter vid HF - Komplex process som kräver kunskap & erfarenhet

28 Lagringsmiljö / tid / hantering ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) ENIG är en tämligen tålig ytbehandling. Guldet är endast till för att skydda nickelytan under lagringstiden A. Hantering: Bommulsvantar bör användas under kortets alla löd-processteg, eller att inte vidröra kortets ytor. Salt/syror från fingeravtryck har en negativ inverkan på lödbarheten B. Process time Liksom med alla andra ytbehandlingar bör tiden mellan lödoperationerna hållas så kort som möjligt

29 Lagringsmiljö / tid / hantering ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) ENIG är en tämligen tålig ytbehandling. Guldet är endast till för att skydda nickelytan under lagringstiden C. Lagringsmiljö och tid Lagringsmiljön ska inte överskrida 30 C och 75% RH. Korten ska förvaras I sitt orginal vacumförpackning för att inte riskera att luftens syre kommer åt kortytan. Lagringstiden är enligt JST-STD-003B Category 3, med andra ord mer än 6 månader. D. Temporär maskning / Peel able mask Liksom HASL är ENIG inteså känslig för föroreningar, nästan alla typer av maskning går bra, Peel able Soldermask, Kapton tape etc.

30 Standarder och testmetoder ENIG (Elecroless nickel immersion Gold) Det finns standarder som både definierar tjocklek och utförande av ENIG. 1. IPC-6012B Solderable. The IPC-6012B amendment 1 refererar till spec IPC IPC-4552 En komplett specification för ENIG som klart definierar såväl tjocklekar, utförande och utseende. För lödbarhetstest refereras till J-STD-003B 3. J-STD-003B Definierar hur lödbarhetstest ska utföras.

31 Design ENIG (Electroless Nickel immersion Gold) Att tänka på Black pad Det är riskabelt att försöka öka guldutfällningen över µm, vilket kan starta en korrosionsprocess på det underliggande nickelskiktet. ENIG är en av de få ytbehandlingarna där lödning inte sker på koppar utan på nickel, vilket generellt ger en sprödare lödfog jämfört med lödning på koppar.

32 ANSVAR! Med de nya blyfria processerna kombinerat med miljövänliga fluss är det extremt viktigt att även inköpare, konstruktörer och inte minst designers, uppdaterar sig om respektive ytbehandlings begränsningar/möjligheter och agerar därefter!

33 MATERIAL FR-4

34 Vad är det? FR4 laminat är ett vanligt material som de flesta mönsterkort är uppbyggda av. FR = Flame Retardant 4 = Glasfiberförstärkt epoxy resin. Det är ett material som är konstruerat från epoxi impregnerade glasfibervävar ( pre-preg ) och kopparfolie. Dessa pressas sedan ihop i vakuumpressar med värme. 1.60mm laminat är normalt uppbyggt av 8 skikt av prepreg 7628 och har normalt 18µm eller 35µm koppar folie som yttre skikt.

35 Blyfri lödning / Blyad lödning Blyad lödning T > 183 C = 60 s peak 220 C Blyfri lödning T > 217 C = 60 s peak 245 C

36 Blyfri lödning / Blyad lödning Source PWB Interconnect Solutio

37 Source PWB Interconnect Solutio

38 Vilka parametrar är då viktiga för lyfri lödning när det gäller laminat? Tg =? Td =? T260/288/300 =? CTE =? Dicy vs. Non-Dicy

39 Vilka parametrar är då viktiga för lyfri lödning när det gäller laminat? Tg = Glasomvandlingstemperatur Td = Nedbrytningstemperatur T260/288/300 = Tid till delaminering vid 260 C CTE = Termisk utvidgningsofficient Dicy kontra Non-Dicy

40 Tg = Glasomvandlingstemperatur Tg-punkten är kortfattat när materialet övergår från ett relativt styvt material till ett mer mjukt och böjbart material. Denna punkt mäts enligt oftast med en metod som kallas DSC (Differential Scanning Calometry) eller TMA (Thermo Mechanical Analysis ).

41 Tg = Glasomvandlingstemperatur Tjocklek Temperatur T g source: Cookso

42 Hög-Tg FR-4 material vs standard FR-4 C A Tjocklek B Temperatur Det viktiga för att laminatet skall vara kompatibelt för blyfri lödning att det totala CTE bör vara mellan 3,% - 4% Källa: Polyclad

43 Td = Nedbrytningstemperatur Nedbrytningstemperaturen är mätvärdet av den faktiska kemiska och fysiska nedbrytningen av i huvudsak epoxin. Analysmetoden som används är Thermo Gravimetric analysis (TG) och mäter vikten kontra temperaturen. Mätnormen som är satt är 5% viktminskning. Vanligt värde på standard material är mellan C

44 Td = Nedbrytningstemperatur

45 Td = Nedbrytningstemperatur

46 260 = Tid till delaminering vid 260 C

47 CTE = Termisk utvidgningskoefficient Allt material har en utvidgningskoefficient. D.v.s. materialet krymper respektive expanderar i samband temperatur- växlingar. Normala värden för FR4 X ppm Y ppm Z ppm (pre Tg) Z ppm (post Tg)

48 CTE samband med Tg Samband mellan CTE (z-led) och Tg: - T över Tg ger extrem ökning av CTE vilket kan generera avbrott. - CTE för mönsterkort och komponenter bör vara lika.

49 CTE värden under Tg CTE Cu = 15 ppm/ºc CTE FR4 i x-y led = ppm/ºc CTE FR4 i z-led = ppm/ºc

50 CTE värden över Tg CTE Cu = 15 ppm/ºc CTE FR4 i z-led ppm/ºc över Tg

51 Dicy vs. Non-Dicy Dicy = Dicyandiamide är (var) ett mycket vanligt härdsystem som förekommer i 80-90% av den förekommande mängden FR4. Non Dicy = Fenolbaserat härdarsystem som används i framfört allt hög Tg material dock inte alla.

52 IST test

53 Source PWB Interconnect Solutio

54 Source PWB Interconnect Solutio

55 Source PWB Interconnect Solutio

56 Source PWB Interconnect Solutio

57

58

59

60 Source PWB Interconnect Solutio

61 Source PWB Interconnect Solutio

62 Material ShengYi S1170 Non-dicy Testkupong på bild utsatt för 3*260C As received > 1000 cykler 3 * 230C > 600 cykler 3 * 260C > 500 cykler

63 Material ShengYi S1130 dicy Testkupong på bild utsatt för 3*260C As received > 800 cykler 3 * 230C > 600 cykler 3 * 260C > 600 cykler

64 Industrinära tester utförda efter 4 reflow cykler

65 Material ShengYi S1170 Non-dicy

66 Material ShengYi S1130 dicy

67 Material ShengYi S1170 Non-dicy Ist x x250+ 4x260+ 4x270

68 Material ShengYi S1130 dicy Ist x x250 +4x260 +4x270

69

70 150 C Yes FR C Yes FR C FR C FR C FR C Yes FR C Yes FR C HF- FR C HF- FR C HF- FR C HF- FR4 92 Yes Yes Yes Fillers > 5% >15 min >15 min >10 min >5 min >5 min >10 min T288 >30 min >30 min >30 min >30 min >30 min >30 min T260 <3,5 % <3,0 % <3,5 % <4% <4% <3,5 % CTE C 340 C 340 C 325 C 310 C 310 C 325 C Td min 170 C 170 C 150 C 110 C 110 C 150 C Tg min FR4 FR4 FR4 FR4 FR4 FR4 ANSI IPC-4101 IPC Illustrations used with permission Materialval a selection of FR4 materials in 4101B (June 2006)

71 Slutsats material Tg värdet säger inte allt. Tjocka kort / många lager /många lödcykler beakta materialvalet. Även vid benlösa komponenter! Allt rör sig! Välj ett bra material, referera till IPC4101B Ett bra standard-tg material springer i cirklar kring ett dåligt hög-tg material!!!!

72 The NCAB Group

73 The NCAB Group