MTEK Rönninge Lars-Gunnar Klang, MSc Tel: 0733-84 33 24 E-mail: lgk@mtek.se
Kriterier för val av legering Kostnad/Tillgänglighet Toxicitet Smältpunkt/intervall Vätningsegenskaper Mekaniska egenskaper & tillförlitlighet Potential för att ersätta Sn/Pb Ej giftig 150 C arbetstemperatur < 230 C smälttemp. Eutektisk - minsta möjliga smältintervall Väter med vanliga no clean flussmedel för elektronik Åtminstone jämförbara med SnPb
Legeringsalternativ SnAg3.5: Standardlegering - 221 C SnAg3,0-4,0Cu0,5-1,0: - 217 C - lägre smpunkt SnCu0.7(Ni): Billigare, men högre smpunkt - 227 C Sn43Bi57: Lägre smältpunkt - 138 C (för låg) SnAg3Bi5: lägre smältpunkt - 210 C, men med en pasty range risk för lågsmältande faser SnZn9: smp 198 C, men för reaktiv; fluss- & slaggproblem In-lod: för dyra, lågsmältande faser
Skillnader blyfritt och blyhaltigt lod Fysikaliska egenskaper Smältpunkt ca 220ºC i st f ca 180ºC, d v s ca 40 ºC högre Ytspänning - SAC högre än SnPb Metallurgi Leaching upplösning av metallskikt Högre maxtemperatur Blyfria komponenter och mönsterkort Utseende på fogen mattare & skrovligare yta Skillnad i lödbarhet SAC sämre än SnPb
Komponenterna? Inventera komponentlagret Tömma lagret på blyade komponenter (och komponenter som inte klarar blyfri temperatur) Har blyfria komponenter egna art.nr?? Vilken typ av metallisering? Diskutera tidsplanen med leverantörerna Undantagna produkter? Hålla blyade komponenter i lager? Tillgång på komponenter
Komponenter vad händer? Fler blyfria termineringsalternativ, t ex: Ytmonterade komp Plätering: Sn/Pd/Ni, Au/Pd/Ni, Pd/Ni, Sn/Bi, Sn/Ni, 100 Sn Hålmonterade komp Plätering: Sn/Cu, Sn/Bi Doppning: Sn/Ag/(Bi)/Cu, matt Sn BGA, CSP Omsmältn: Sn/Ag/Cu Högtemp: Blyfria? Alt. Sn10/Pb90?
Komponenter Kvalificera komponenterna för högre max temperatur 255 C (+5 C/-0 C) alt 260 C (+0 C/-5 C) Fuktkänsliga komponenter (MSD) och Jedec-klassificering? Farhågor att flera plastkapslar kan få problem med JEDEC-klassificering för fuktighetskänslighet Små kapseltyper (SOP, TSSOP) kan klara 260 C utan problem med delaminering, Popcorning eller warping Stora kapseltyper klarar inte dessa krav. Deras JEDECklassificering i fuktighetskänslighet kan komma att nedgraderas upp till 2 steg.
Mönsterkort? Blyfri ytfinish Idag: Au/Ni (ENIG), Immersion Silver (IAg), Kemiskt tenn (ISn), OSP, Blyfri HASL Laminat med hög Tg FR4 - Tg ca 170 C FR5 - Tg ca 180 C FR5 Thermount - Tg ca 180 C BT/Epoxy - Tg ca 200 C Halogenfria flamskyddsmedel (PBB och PBDE inte vanliga i mönsterkort
Annat än Ni/Au Mönsterkort Europa Nordamerika Idag Varmför- Tenning (HASL) Annat Kem Ag 2005 Ni/Au (ENIG) Kem Sn OSP
Kretskortsmaterial?
Omsmältningsugn Monteringsmaskiner Lodpasta tryckare Blyfritt har stor påverkan Blyfritt har ingen påverkan Blyfri pasta kan ha sämre släpp från stencilen
Lodpasta Europa -Sn95,5 Ag3,8 Cu0,7 Japan -Sn96,5 Ag3,0 Cu0,5 USA(NEMI) - Sn95,5 Ag3,9 Cu0,6
Lodpastans egenskaper RESTER Inerta rester (SIR) Pin-testbara rester Färg på rester 200mm/s 150mm/s 100mm/s 50mm/s TRYCKNING Kontaminering av ugnen Lodkulor "Mid-chip solder beading" Spridning på OSP 20mm/s "Stencil life" Definition av trycket "Abandon time" OMSMÄLTNING Kraftig "hot slump" "Hot slump" Processfönster omsmältning "Cold slump" Öppentid Tack" Låga rakeltryck vid 100mm/s Lämplighet för slutna tryckhuvuden Hög "tack force" KLIBBIGHET "TACKINESS
Omsmältning? Omsmältningsugn? Kondensationslödning?
Inert atmosfär? De flesta undersökningar pekar på att lödning i inert atmosfär ger bättre lödresultat. LUFT KVÄVGAS
Voids i microvia
Våglödning
Våglödning - att tänka på Lod Dyrare legering SnAgCu SnCu0,7 ; Sn100C (SnCu0,7Ni0,1) Kvävgas 5,5 tim i luft 467 g slagg, 72 tim i kvävgas 72 g Attack på delar av rostfritt stål, t ex lodgrytor Fillet lifting (Bi, Pb?)
Fillet lifting Fillet lifting
Blyfria lodets lägre densitet Löder med volym EJ vikt Blyhaltiga lod Tappade verktyg flyter i blyhaltiga lod Lätta att ta upp Blyfria lod De flesta verktyg sjunker Medför förorening Ev orsaka skada i maskinen
Avsyning?
Handlödning Lodtråd finns bl a tillgänglig med följande legeringar: SnAgCu, SnAg, SnCu och SnSb I princip samma fasta flussmedel som med SnPb
Implementering CEM - OEM
Omställning Blyat lod Blyade komponenter (och mönsterkort) Ej OK Blyfritt lod Blyade komponenter (och mönsterkort) OK Blyat lod Blyfria komponenter (och mönsterkort) Blyfritt lod Blyfria komponenter (och mönsterkort)
Vad innebär det för tillverkarna? Företagsledningen måste vara delaktig Plan för implementering Projektledare Få med sig kunderna Övergång till blyfritt under 2005 Meddela leverantörer om tidsplanen Säkra leveranser (av blyfria komponenter) Prio ett blyfria komponenter och kort, Prio två blyfritt lod Kunna etikettera produkter Enl IPC-1066, Kunder, Reparation, Recirkulering Fältreturer
Vad innebär det för OEM:arna? Plan för implementering Nya produkter RoHS-kompatibel konstruktion Befintliga produkter strategiskt beslut Fasa ut RoHS-kompatibel konstruktion Meddela leverantörer om tidsplan Säkra leveranser Säkerställa RoHS-kompatibelt material Kunna etikettera produkter Inkommande material, Kunder, Reparation, Recirkulering Fältreturer/Service
Problem och feltyper Nya Nygamla Gamla
Nya och nygamla feltyper Tombstoning Kirkendall voids ENIG BGA Black pad Intermetall Whiskers
Kontaminering av Pb Blyfria lod är mycket känsliga för blykontaminering ungefär 25% av blyet i en vanlig fog kommer från varmförtenningen. Lågsmältande faser bildas 1% Pb sänker solidus med 40-50 C SnCu0.7: 227 C to 183 C SnAg3.5: 221 C to 179 C SnBi57: 138 C to 96 C Bly från olika delar
Blyhalt i blyfria lödfogar? Institutet för Metallforskning Pb-halter på 2% verkar medföra betydligt kortare tid till sprickbildning. Medan en Pb-halt på 10% inte verkar medföra någon försämring. Karl Seelig & David Suraski (Godkänt: >10.000 cykler till brott) SnAg4,0Cu0,5 13.400 cykler till brott + 0,5% Pb 6.320 cykler till brott + 1,0% Pb 3.252 cykler till brott
Ej RoHS-kompatibla komponenter Tillförlitlighet vid låga [0,5 1( 5 %)] blyhalter i fogen. Komponentens egenskaper påverkas av den högre omsmältningstemperaturen Solder wicking
Kostnader Ev nya maskiner Utbildning Material Blyfria komponenter - idag ca +10% Mönsterkort utan bromerade flamskyddsmedel - idag ca +10% Lodlegering SAC (TSC) Tennhalten ökar med 80% Tennpriset ökat med >50% sedan okt-03 Ev skrotning av blyade komponenter i lager
Slutsatser Blyfri våg- och omsmältningslödning av kretskort är möjligt men det finns ingen drop in -ersättning för eutektiskt Sn/Pb-lod Eutektisk Sn/Ag/Cu är en säker lösning, men troligtvis kommer flera legeringar att användas. De flesta existerande utrustningar kan användas (stenciler? ugnar? våglödmaskiner? Lödstationer? reparationsutrustning?) Komponenterna? Lager? Leveranser? Tillförlitlighet vid blysmitta?
Slutsatser forts Implementeringen kommer att kosta pengar, men totalkostnaden för produkten kan hållas ner genom Översyn av hela produktionsprocessen Mer produktionsvänliga konstruktioner
Slutsatser forts Blyfri/RoHS-kompatibel produktion kräver bättre processkontroll Processfönster
Några frågor? Lars-Gunnar Klang, MTEK Rönninge E-mail: lgk@mtek.se