UDK 621.3:(53+54+621 +66}, ISSN0352-9045 Informacije MIDEM 22(1992}4, Ljubljana SPAJKANJE HIBRIDNIH VEZIJ S FLUKSI "BREZ OSTANKOV" D. Račak, J. Fajfar, J. Potočar Ključne besede: vezja elektronska, ,ezja hibridna, spajkanje pretočno, fluksi spajkalni, fluksi brez ostankov, paste spajkalne, nečistoče ionske, prevodnost ionska, upornost izolacijska, zanesljivost delovanje, pogostost odpovedi, MIL standardi, rezultati meritev Povzetek: V članku so podani rezultati meritve Ionskih ostankov v fluksih "brez ostankov" in slabo aktiviranih IIuksih po spajkanju hibridnih vezij. Po testiranju testnih vezij v vlažni atmosferi spajkanih s temi IIuksi, smo izmerili izolacijske upornosti med prevodniki in ugotovili število odpovedi za različne flukse. Hybrid Ciruits Soldering with "No residue" Fluxes Key words: electronic circuits, hybrid circuits, flux soldering, solder IIuxes, no residue fluxes, solder pastes, ionic impurities, ionic conductivity, insulation resistance, functional reliability, failure rate, MIL standards, measurement results Abstract:New "no residue" IIuxes from dilferent producers, which after soldering do not require cleaning were evaluated. Alter soldering with "no residual" fluxes and with solder creams with "no residual" fluxes, ionic residues were determined by the static and dynamic extraction method. The results of ionic conductivity measurement of flux residues were compared for "non residue" fluxes and mildly activated flux (RMA), and activated flux (RA). Insulation resistance on the test circuit with small distances between conductors was measured after soldering and after 250, 500 and 1000 hours at 40 deg. C, 93% RH with the voltage applied. The number ol lailed circuits (isolation resistance less than 109 ohm) during humidity testing were reported. The results of ionic conductivity show that the circuits with "no residue" IIuxes have lower ionic conductivity as the circuits with mildly activated fluxes. Also the results ol ionic conductivity on circuits soldered with solder creams containing "no residual" IIuxes show lower ionic conductivity as the circuits soldered with solder creams containing activated fluxes. Comparison between "no.residue" IIuxes with mildly activated IIuxes alter isolation measurements show similar number ol lailures (20%) after 1000 hours ol humidity testing. Results after isolation resistance measurements on circuits soldered with solder cream show that the number ol lailed circuits is higher on circuits soldered with solder cream containing activated Iluxes (60%) than the number ol lailed circuits soldered with solder creams containing "no residue IIuxes" (20%). The results of testing new "no residue" fluxes for hybrid circuits soldering show that the flux residues after soldering without cieaning do not influence circuits quality. 1. Uvod Uporaba organskih topil na osnovi triklotrofluoretana (CFC) je po dogovoru v Montrealu omejena in jo je potrebno zmanjšati do leta 1994 za 30%. Velike količine tega topila se uporabljajo za čiščenje elektronskih vezij po spajkanju . Potrebno je pOiskati nove materiale v procesu spajkanja, pri čemer bi lahko vezja po spajkanju čistili z drugimi topili, ali jih po spajkanju sploh ne bi bilo potrebno čistiti. V primeru uporabe tako imenovanih fluksov "brez ostankov", lahko čiščenje v procesu izde- lave vezja izpustimo. Pred nekaj leti so proizvajalci fluksov in pastoznih spajk za spajkanje komponent na vezja pri površinski montaži razvili novo generacijO fluksov z majhno količino trdega deleža, ki na vezju puščajo zelo majhne količine neškodljivih in nekorozivnih ostankov. Po spajkanju 235 elektronskih vezij ni potrebno čistiti, kar je velika pred- nost z ekonomskega stališča in s stališča ohranjevanja čistega okolja. V našem delu smo preizkusili flukse "brez ostankov" različnih proizvajalcev ter pastozne spajke s fluksi "brez ostankov" . Ugotovili smo vpliv ostankov po spajkanju na zanesljivost hibridnih vez ij. 2. Lastnosti fluksov in pastoznih spajk za spajkanje Pri spajkanju elektronskih vezij se uporabljajo različni fluksi, ki jih je po spajkanju potrebno očistiti. Obstajajo tri skupine fluksov: - fluksi, ki jih lahko odstranimo z organskimi topili, Informacije MI DEM 22(1992)4, str. 235-239 fluksi topni v vodi fluksi, ki ne puščajo ostankov Osnovne sestavine fluksa so: naravna ali sintetična smola, topila, v katerih je raztopljena smola in aktivatorji za uČinkovitejše odstranjevanje oksidov na površini. Običajno flukse klasificiramo po stopnji aktivnosti na neaktivne (R) slabo aktivne (RMA) in aktivne (RA) flukse. Pri izdelavi hibrid nih vezij smo do nedavnega uporabljali slabo aktivne flukse, ki smo jih po spajkanju čistili v organskih topilih, predvsem v trilklortrifluoretanu (CFC). Da bi zamenjali dosedanji postopek spajkanja in opustili uporabo topil na osnovi triklortrifluoretana, smo preizku- sili flukse ki jih po spajkanju ni potrebno čistiti ("fluksi brez ostankov"). Preizkusili smo tudi pastozne spajke s temi fluksi. Na sl.1 je prikazana razlika v sestavi do sedaj uporabljenih fluksov v proizvodnji hibridnih vezij in nove- ga fluksa "brez ostankov". Fluks "brez ostankov" vse- buje samo majhen procent trdega deleža v fluksu (do maksimalno 10%). Za zanesljivost vezij je pomembno, da po spajkanju na vezju ni ostankov ki bi povzročili odpovedi vez ij. Najbolj nevarni so ionski ostanki. Te lahko neposredno izmeri- mo po spajkanju vezij ali posredno s preizkusom vez ij na odpoved v vlažni atmosferi. Skupaj trd i delež 40°/. Aktivator in ostalo SOl. Topilo 60% Skupaj trdi delež 3°1. 1.S% Smola 1.S% Slika 1: Sestava aktiviranega f/uxa "brez ostankov" 236 D. Ročak, J. Fajfar, J. Potočar: Spajkanje hibridnih vezij s fluksi "brez ostankov" V tabeli I so podane osnovne lastnosti preizkušenih fluksov , v tabeli II pa osnovne las nosti pastoznih spajk z različnimi fluksi. TABELA I Lastnosti fluksov FLUKS Vsebina trdne Aktivnost snovi (%) fluksa A 4 brez ost. B' 4 C 3 D 37 RMA E 37 RA , enak po setavi kot A, novejši tip TABELA II Lastnosti pastoznih spajk PASTA Sestava zlitine Kovina ut.(%) a 62Sn36Pb2Ag 88 b 85 c 85 d 88 Vsebina ionov (%) O O O Aktivnost fluksa brez ostankov RA RMA 3. Merilni postopki za določanje vsebine Ionskih ostankov po ČiščenjU a. Meritev ionske prevodnosti ostankov nečistoč v mešanici voda-alkohol Postopek meritve je predpisan s standardom MIL P 28809A in se izvaja s pomočjo meritve ionske prevod- nosti mešanice alkohol destilirana voda, v katero smo za določen čas potopili vezja z ostanki fluksa. S statično ekstrakcijsko metodo se izmeri prevodnost mešanice 50% alkohol 50% destilirana voda pred in po potapljanju vezja. Čas potapljanja in količina topila za določeno površino vezja so predpisani s standardom. Razlika prevodnosti pred in po pranju vezja je mera za ionsko prevodnost ostankov fluksa. Pri dinamični ekstrakcijski metodi potopimo vezje v zaprt sistem v katerem kroži 50%:50% mešanica izopropilne- ga alkohola in destilirane vode.(sI.2.} Prisotnost nečistoč registriramo z meritvami ionske pre- vodnosti topila v posodi z vzorcem. Topilo kroži v za- prtem sistemu in teče skozi ionski izmenjevalec, kjer se očisti od ionov in čisto topilo teče spet skozi posodo z vzorcem. D. Ročak, J. Fajfar, J. Potočar: Spajkanje hibridnih vezii s fluksi "brez ostankov" Informacije MIDEM 22(1992)4, str. 235-239 MERITEV INTEGRATOR RISALNIK UPORNOSTI OBTOČNA ČRPALKA IONSKI IZMENJEVALEC Slika 2: Naprava za dinamično eksrakcijslw analizo ionskih ostankov fluksa Površina pod krivuljo odvisnosti prevodnosti od časa, ko smo vezje potopili v raztopino do trenutka, ko ne zazna- mo več nečistoč, je sorazmerna koločini ionskih nečistoč. Naprava je tako umerjena, da so vrednosti ionske prevodnosti podane vekvivalentu NaCI v g/cm2. Slika 3: Testni vzorec za meritve izolacijske upornosti 237 b. Meritve izolacijske upornosti med dvema prevodnikoma Zelo indikativen postopek za ugotovitev vpliva ionskih ostankov na delovanje vezja je meritev izolacijske pre- vodnosti med prevodnikoma na majhni oddaljenosti. Na testnem vzorcu kot na s1.3. se izmeri izolacijska prevod- nost pred in po preizkusu v vlažni komori pri 93% RV, 40°C, 50V ~C. Po predpisu MIL STO 883, postopek 1003, izolacijska upornost po testu v vlažni atmosferi ne sme biti manjša od 109 ohma. c. Pospešeni preizkusi vezij v vlažni atmosferi Ostanke ionskih nečistoč na vezju je možno ugotoviti s preizkusom na vlago, pri 85% relativni vlagi in 85° C in pri napetostni obremenitvi. S časom staranja v teh po- gojih hitreje narašča število odpovedi na vezjih, če so na vezju ionski ostanki. 4. Eksperimentalni rezultati meritev ionskih ostankov Vpliv ostankov fluksov podanih v tabeli I in fluksov v pastoznih spajkah podanih v tabeli II, smo izmerili na dva načina: z meritvami ionske prevodnosti in z merit- vami izolacijske upornosti med prevodnikoma majhne razdalje. Vsebino ionskih nečistoč v ostankih fluksa smo izmerili s statično (postopek 1) in dinamično ekstrakcijsko anali- zo (postopek 2). Testni vzorec za te meritve je imel po Informacije MIDEM 22(1992)4, str. 235-239 dva substrata velikosti 2.5 x2.S cm2 katera smo spajkali z izbranimi fluksi in pastoznimi spajkami ter jitl po spajkanju nismo čistili. Rezultati meritve ionske prevod- nosti ostankov fluksa so podani v tabeli III za ostanke fluksov podanih v tabeli 1, in za ostanke fluksov v pas- toznih spajkah iz tabele II, v tabeli IV. TABELA III Rezultati meritev ionske prevodnosti ostankov fluksa FLUKS Postopek 1 (Slcm) Postopek 2 (9 NaCl/cm2) A 0.15 1.6 C 0.1 1.0 D 0.1 3.8 E 0.7 10.6 TABELA IV Rezultati meritev ionskih ostankov fluksa PASTOZNA SPAJKA Postopek1 (Slcm) Postopek2 (g NaCl!cm2) a 0.1 3.5 b 0.1 3.5 c 0.3 5.2 d 0.1 3.8 Rezultati meritve vsebine ionskih nečistoč v ostankih fluksa podanih v tabeli III in IV kažejo, da so najbolj nevarni ostanki aktiviranega fluksa E (10.6 9 NaCI/cm2~ in aktiviranega fluksa v pastozni spajki c (5.2 9 NaCI/cm 2). Ostanki fluksov "brez ostankov" A,C imajo nekaj manjšo količino ionskih ostankov (1.6 gNaCI/cm2), kot neaktivni fluks D (3.8 gNaCl/cm2). Tudi ostanki fluksov "brez ostankov" v pastoznih spajkah a in b vsebujeJo približno enako količino ionskih primesi (3.5 gNaCI/cm ), kot neaktivirani fluks v spajki d (3.8 gNaCI/cm2). 5. Eksperimentalni rezultati meritve izolacijske prevodnosti Rezultati meritve izolacijske prevodnosti na testnem vzorcu, prikazanem na s1.2. so podani v tabeli V (spajkanje s fluksi A,C in E) in v tabeli VI (spajkanje s pastoznimi spajkami a,b in cl. Izolacijske prevodnosti med prevodniki smo merili na vzorcih pri katerih po spajkanju nismo počistili ostankov fluksa. Kriterij odfovedi je bil zmanjšana izolacijska upornost na < 10 ohma. Izmerili smo izolacijske upor- nosti na 10 vezij na testnem vzorcu pred testiranjem v vlagi 93%RV, 40°C, pod napetostno obremenitvijo 50 V DC, po 500 ur in 1000 ur testiranja v vlagi. 238 D. Ročak, J. Fajfar, J. Potočar: Spajkanje hibridnih vezij s fluksi "brez ostankov" TABELA V Število odpovedi vezij po meritvah izolacijske upornosti po staranju v vlagi FLUKS Število odpovedi (%) Čas staranja v vlagi (ure) 250 500 1000 A 1/10 4/10 6/10 c 0110 1/10 2/10 E 0110 1/10 2/10 TABELA VI Število odpovedi vezij po meritvah izolacijske upornosti po staranju v vlagi a b c PASTOZNA SPAJKA 250 2/10 1/10 3/10 Čas staranja (ure) 500 4/10 2/10 4/10 1000 4/10 2/10 6/10 Rezultati meritve izolacijske upornosti po testiranju v vlažni komori, podani v tabeli V, kažejo najmanjše šte- vilo odpovedi po 1000 urah staranja če so vzorci spajka- ni z neaktiviranim fluksom E (20% odpovedi) in s fluksom "brez ostankov" C (20% odpovedi). Ostanki fluksa "brez ostankov" A so najbolj nevarni za dobro delovanje vezij. PO staranju v vlagi 1000 ur je 60% vez ij odpovedalo. Različne serije fluksov "brez ostankov" A so pokazale neenakomerno kvaliteto. Prvi vzorci ki smo jih dobili od proizvajalca so bili boljši po meritvah ionskih ostankov na vezju. Rezultati števila odpovedi vezij po meritvah izolacijske upornosti, podani v tabeli VI kažejo najmanjše število odpovedi po 1000 urah testiranja v vlagi, če so spajkani s pastozno spajko (b) s fluksom "brez ostankov" ( 20% odpovedi). Največje število odpovedi smo izmerili pri vzorcih spajkanih s pastozno spajko z aktiviranim fluksom c (60% odpovedi). Na vzorcih spajkanih s pastozno spajko (a) s fluksom "brez ostankov" smo izmerili nekaj več odpovedi (40% odpovedi), kot v primeru pastozne spajke s fluksom "brez ostankov" b. 6. ZAKLJUČEK Z meritvami ionskih ostankov fluksa na testnih vzorcih smo ugotovili da fluksi "brez ostankov" vsebujejo manjšo količino ionskih ostankov kot slabo aktivirani fluksi, katere smo do sedaj uporabljali pri spajkanju hibridnih vezij. Enako tudi pastozne spajke katere vsebujejo flukse "brez ostankov imajo najmanjšo količino ionskih ostankov. Meritve izolacijske upornosti po testu v vlagi kažejo najmanjše število odpovedi, če so na testnem D. Ročak, J. Fajfar, J. Potočar: Spajkanje hibridnih vezij s fluksi "brez ostankov" vezju ostanki fluksov "brez ostankov", z izjemo ostankov fluksa A za katerega smo ugotovili da od serije do serije niha kvaliteta fluksa. 7. LITERATURA 1. J. Murray, Circuits manufacturing, November, 1989,4042 2. L. Lianage, Circuits Manufacturing, April, 1990,5864 3. B. Oeram, Proceedings on ISHM 90 Conference, Chicago, 1990 127·135 4. O.Ročak, J. Potočar, Zbornik referatov Simpozija o elektronskih sestavnih delih in materialih, SO 89, Maribor, september 1989, 261- 265 239 Informacije MiDEM 22(1992)4, str. 235-239 5. O.Ročak, J.Fajfar, J.Potočar, Zbornik referatov Simpozija o elektronskih in sestavnih delih, SO 91, Portorož, september, 1991, 15 Prispelo: 30.10.92 mag. Dubravka Ročak, dipl.ing.fiz Inštitut Jožef Stefan 61111 Ljubljana, Jamova 39 Janeta Fajfar Plut, dipl. ing. kem Jožica Potočar, dipl. ing. kem Iskra HIPOT 68310, Šentjernej Sprejeto: 24.11.92