SPAJKANJE ELEKTRONSKIH VEZIJ S SPAJKAMI BREZ SVINCA Marija Zupani Mateja Potočnik'', Dubravka Ročak^ ^ IskraTEL-Electronics, Kranj, Slovenija ^ "Jožef Stefan" Institute, Ljubljana, Slovenija Kjučne besede: spajke brez svinca, tiskana vezja, spajkanje brez svinca Izvleček; Opisali smo osnovne korake za uvajanje novega proizvodnega postopka spajkanja brez svinca eiektronskili vezij, V laboratoriju za razvoj tiskanih in hibridnih vezij smo izmerili osnovne lastnosti spajkainih past brez svinca. Primerjali smo in analizirali eksperimentalne rezultate testa omočljivosti in tvorbe spajkainih kroglic spajkainih past brez svinca , ki so bili narejeni v dveh laboratorijih. Soldering Electronic Circuits Using Lead-free Solder Pastes Key words: lead-free solder pastes, printed circuits, hybrid circuits, lead-free soldering Abstract: Electronics manufacturers worldwide are converting to a lead-free soldering process for a variety of reasons, including environmental concerns and compliance with impending legislation. Due to European legislation known as WEEE (the directive on Waste of Electrical and Electronic Equipment) and RoHS (the directive on Restriction of the use of certain Hazardous Substances) the electronics industry must ban the use of hazardous substances by the 1st of July 2006. The successful implementation of lead-free soldering in a printed-circuits production line requires careful planning and rigorous process monitoring to ensure quality and process control. In order to introduce lead-free soldering in a printed circuits production line, a five-step soldering program was developed. The program begins with selecting the right materials and equipment, after this it is necessary to define the process and develop a robust process, followed by the implementation of the lead-free manufacturing. The last step of the program is control and improvement of the new process. New materials should be tested in particular ways for hybrids and RGBs with lead-free coatings application. These lead-free solder pastes are not appropriate for hybrid circuits and for RGB applications, because todays technology is based on different materials for soldering (tin-lead solders) and different materials for solder pads. Therefore special lead-free pastes used for soldering hybrid circuits as well as RGBs with lead-free preservative coatings must be developed. The new lead-free solder pastes have a higher melting point than eutectio tin-lead alloys. This has an inf1 uence on the wettability of conductor lines in circuits and the technological window of soldering. The basic properties of the selected lead-free pastes such as viscosity, tackiness, solder ball, wettability, and printability were investigated. The optimum parameters forthe soldering will be established, and laterthe soldering surface insulation resistance (SIR) and the eleotromigration in humid conditions will be tested on hybrid and printed circuits. The components are the weakest point in the lead-free soldering chain, More often than not, they are only available with SnRb terminations The reliability of the components at high temperatures is another problem. Reliability tests in several projects indicate that some standard components can also be soldered at slightly higher temperatures. However for some components it will be necessary to modify the currently used plastic material accordingly. The use of standard material in printed circuit board (RGB) production must also be changed. Alternative RGB materials will include materials such as glass/epoxy or glass/polyimide. The results of European projects and industrial research on new soldering materials support the use of SnAgOu solder for lead-free reflow processes and SnCu for wave soldering. In this paper we have reported the results of testing a new Rb-free solder paste for the soldering of electronic in a hybrid and printed circuits production line. The principal characteristics of the SnAgCu and SnAg lead-free solder pastes were tested in two research laboratories. The results of solder-paste wetting and solder-ball occurrence after the reflow soldering process were compared and discussed. The test samples for electronic component soldering with selected solder pastes were developed on ceramic substrates and on printed circuits. Electronic components with lead-free terminations will be soldered and the reliability tests of soldered joints between components and conductor pads on the circuit will be tested. 1. Uvod Svinec se že desetletja uporablja kot sestavina v spajkah za spajkanje elektronskih komponent v elektronskih vezjih. Svinec je znan kot tvegan element za človeško zdravje in Delež svetovne porabe svinca v elektronski industriji je rel-že majhne količine povzročajo okvare živčnega sistema in ativno majhen, glede na to, da elektronska industrija pred-možganov. Če se ostanki svinca nahajajo v naravi, lahko stavlja 1-2% svetovne industrije, vendar je odpad električnih onesnažijo tekočo vodo in z njo pridejo v človeški organi- in elektronskih naprav razpršen in težko nadzorovan. Za-zem. konodaja EU je pripravila direktivo WEEE (Waste from Elec- trical and Electronic Equipment - elektronski odpad) in Tabela 1. Plan vpeljave spajkanja brez svinca v Evropi 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 Material vsi produkti Milili................... «»»1 Ml 9 a Komponente prvi produkti pol-produkti vsi produkti iVlontaža prvi produkti pol-produkti vsi produkti RoHS (Restriction of Hazardous Material - prepoved uporabe nevarnih snovi), ki določa skrajni datum za prenehanje uporabe spajke na osnovi svinca. Februarja 2003 je bilo na European Lead-Free Soldering Technology sprejeto, da produkti namenjeni za Evropo, po 1.7.2006 ne bodo smeli vsebovati svinca. Za produkte brez svinca se smatrajo vsi tisti produkti, pri katerih vsebnost svinca ne preseže vrednosti 0,1 odstotka na težo modela. V elektroniki se svinec uporablja za spajkanje elektronskih komponent. Spajkanje je spajanje dveh kovinskih površin z zlitino Sn-Pb, ki mora stični površini v čimkrajšem času zaliti tako, da je dosežena zadovoljiva mehanska trdnost in dober električni kontakt. Prednost uporabe svinca v spajki SnPb je nizka temperatura tališča (183°C) in s tem delovna temperatura (250°C za valno spajkanje in 200 - 230°C za pretaljevalno spajkanje), nizka cena svinca in dosegljivost na tržišču, stabilnost zlitine SnPb ter dobre mehanske lastnosti. Glavni razlogi za prenehanje uporabe svinca v elektronski industriji so: zakonodaja, zdravju in okolju prijazna tehnologija, enostavnejša reciklaža odpadkov, prednost na tržišču in zahteve kupca po ekološko prijaznih izdelkih. Nova tehnologija spajkanja mora ostati v skladu s standardi in ne sme bistveno ožiti tehnološke zmožnosti ter zmanjševati stopnje zanesljivosti delovanja elektronskih vezij. 2. Vpeljava tehnologije spajkanja brez svinca Za uspešno vpeljavo spajkanja s spajkami brez svinca je potrebno slediti naslednjim petim korakov. Prvi in hkrati najpomembnejši korak je izbira materialov in opreme za proizvodnjo. Ko je le-to določeno, je potrebno definirati procese, preveriti robustnost procesov in vpeljati proces spajkanja brez svinca v proizvodnjo. Vpeljan proces je potrebno skrbno kontrolirati, spremljati kvaliteto spajkanja in stalno izboljševati. Spajke so običajno zlitine različnih kovin, najpogosteje pa vsebujejo kositer in svinec (npr. Sn60/Pb40). Za novo tehnologijo spajkanja brez svinca se uporabljajo različne zlitine, ki imajo praviloma višjo temperaturo tališča. Višja tem- peratura spajkanja in drugačna kemična sestava spajk pa pogojujeta: uporabo elektronskih komponent, ki prenesejo višje temperature uporabo materialov za tiskanine, ki prenesejo višje temperature primerno obdelavo površin spajkalnih blazinic na tiskaninah uporabo primernih prevodnih materialov pri hibridnih vezij uporabo primernih spajkalnih tekočin uporabo primernih čistil prireditev obstoječe procesne opreme ali izbira nove uvedba novih kriterijev za vizuelno kontrolo kvalitete spojev Pri izbiri materialov je glavni poudarek na ploščah tiskanega vezja in komponentah. Za tiskana vezja je potrebno izbrati ustrezen laminat in zaščitno prevleko brez svinca. Komponente zahtevajo bolj vzdržljiv material za ohišja in ravno tako spajkalno prevleko brez svinca. Za pretaljevalno in valno spajkanje pa se izbere ustrezna zlitina za spajkalno pasto in spajko ter spajkalno tekočino. Slika 1: Izbira materialov 2.1. Izbira materialov 2.1.1. Izbira zlitine Izkušnje kažejo, da se bo kot alternativa za SnPb uporabljala SnAgCu (za pretaljevalno spajkanje) in SnAgCu oziroma SnCu (za valno spajkanje). Izbira zlitine je odvisna od: termično mehanske lastnosti zlitine in temperatura tališča testa omočljivosti raziskav dosegljivosti in cene izkušenj podjetja s tehnologijo brez svinca Tabela 2: Izbira zlitine Izbira zlitine temperatura j aplikacija | opombe zlitine z visokimi tališči (250-300°C) 227 SnCu nizki stroški, valno spajkanje temperatura 221 SnAg ustrezno območje, odlične termične lastnosti, zanesljivejši spoji strupeno srebro 2i7 SnAgCu valno in pretaljevalno spajkanje, višja razteznost, pogosto uporabljena zlitina strupeno srebro 217 SnAgCuSb Sb poveča zanesljivost pri valnem spajkanju strupeno srebro, antimon, štiri-komponentna zlitina srednje območje (180 -205°C) 200-216 SnAgBI SMT aplikacije, valno in pretaljevalno spajkanje, Bi znižuje tališče strupeno srebro 199 SnZn nizke temperature oksidacija cinka, zahteva aktivnejšo spajkaino tekočino, slaba omočljivost zlitine z nizkimi tališči (180-205°C) 138 SnBi zaradi nizke temperature primeren za občutljive komponente, pretaljevalno in valno spajkanje Bi je stranski produkt v rudnikih Pb, prenizko tališče pri posameznih aplikacijah 2.1.4. Izbira komponent Pri izbiri komponent moramo upoštevati naslednje zahteve: komponenta ne sme vsebovati svinca in halogenov nove plastike za ohišja morajo biti obstojne na višje temperature Proizvajalci komponent najpogosteje uporabljajo za priključne površine spajkalne prevleke, ki so zbrane v Tabeli 4. Tabela 4: Izbira zaščite priključkov komponent Izbira prevleke za prevodne like tiskanega vezja opis opomba opombe OSP organska zaščita nizka cena, dobra s paj kij i vos t čas skladiščenja, visoke temperature, večkratno spajkanje Kem. NiAu nikelj, zlato primerno za višje temperature, večkratno spajkanje, za visoko zahtevne produkte visoka cena Kem. Sn potapljanje v čistem kositru večkratno spajkanje, stabilen proces različni rezultati Kem. Ag potapljanje v srebru dobra zapolnitev izvrtin, stabilen proces tanek nanos HASL {brez Pb) nanos z vročim zrakom - brez Pb dobro omočenje krivljenje TIV zaradi visokih temperatur 2.1.2. Izbira spajkalne tekočine Spajkalna tekočina je sestavni del spajkalne paste in predstavlja ~ 10 odstotni delež. Vpliva na viskoznost same spajkalne paste. Spajkalna tekočina se uporablja tudi pri valnem spajkanju. Njena naloga je, da najprej očisti površino in jo hkrati aktivira, ostanki po spajkanju pa ne smejo povzročati korozije. Iz okolje varstvenega izhodišča spajkalna tekočina ne sme vsebovati hlapnih ogljikovodikov (zaradi zmanjševanja VOC emisije) in halogenov. 2.1.3. Izbira tiskanega vezja Material za plošče tiskanega vezja (laminat) mora zdržati višje temperature spajkanja, ne da bi pri tem bistveno spremenil lastnosti oziroma se skrivil in ne sme vsebovati halogenov. Najpogosteje uporabljene prevleke na prevodnih likih tiskanega vezja so zbrane v Tabeli 3. Tabela 3: Izbira prevleke za prevodne like tiskanega vezja Izbira zaščite priključkov komponent prevleka aplikacija opombe NiPd SMT komponente: IC materialni stroški, razpoke, spajkljivost NiPdAu alternativa Ni Pd, rahlo izboljšano omočenje materialni stroški SnBi SMT komponente: IC -klasične komponente: IC, diode, tranzistorji združljiv z Sn/Pb spajko Sn klasične komponente: CCD 'v/hiskering' Sn, visoka temperatura tališča SiiAg (potopno) SMT komponente: diode -klasične komponente: IC, tranzistorji, diode možnost galvaniziranja š e ni zagotovljena SnCu klasične komponente; diode "whiskering' Sn, majhna vsebnost Cu, potrebna redna kontrola Cu kot nečistoče 2.2. Strojna oprema Pri prehodu na spajkanje brez svinca se bistveno spremeni oprema, namenjena pretaljevalnemu in valnemu spajkanju. 2.2.1. Pretaljevalno spajkanje S spajkanjem brez svinca se približamo maksimalni dovoljeni temperaturi 250°C. To je območje, ki še ne povzroča poškodb komponent in krivljenja plošč tiskanega vezja. S tem se zmanjša tudi samo procesno okno, kar je razvidno na Sliki 2. Component BGA - SiiPbAa dull - moten spoj BGA - SiiPbAa »t » » cratered - grobo zrnat sp. pash - SiLAgCii BÜA - SiiA.sCu » » * Upoi i512 Slika 4: Vizuelni izgled spojev Tabela 5: Spajkalne paste Spajkalne paste brez Pb X13018 Sn95,5Ag4,0Cu0,5 OM 310 Sn95,5Ag4,0Cu0,5 F 610 Sn95,5Ag4,0Cu0,5 NX 9900 Sn96,5Ag3,OCuO,5 R910 Sn95,5Ag3,8CuO,7 R910 Sn96,5Ag3,5 Referenčna spajkalna pasta R244 Sn62Pb36Ag2 2.3. Vizuelni izgled spojev brez svinca Spajkalni spoji, ki so zaspajkani s spajko SnPb, se že vi-zuelno ločijo od spojev, ki so zaspajkani s spajko brez Pb. Na Sliki 4 so prikazani primeri spajkanja BGA ob uporabi: 1. spajkalna pasta - SnPb, BGA - SnPbAg 2. spajkalna pasta - SnAgCu, BGA - SnPbAg 3. spajkalna pasta - SnAgCu, BGA - SnAgCu in primeri spajkanja upora 2512 ob uporabi: 1. spajkalna pasta - SnPb, upor - SnPb 2. spajkalna pasta - SnAgCu, upor - SnPb 3. spajkalna pasta - SnAgCu, upor - Sn 3. Eksperimentalno delo in rezultati v primerjalnih laboratorijih Iskratel Electronics-a in Inštituta Jožef Stefan smo preizkusili in testirali spajkalne paste različnih proizvajalcev in sestav (Tabela 5) ter jih primerjali med seboj. Po standardu IPC-TM650 smo naredili sledeče analize in testiranja: test omočljivosti (Metoda 2.4.45) test tvorbe spajkalnih kroglic (Metoda 2.4.43) merjenje površinske izolacijske upornosti - SIR (Metoda 2.6.3.3) razlezenje (Metoda 2.4.35) merjenje viskoznosti (Metoda 2.4.34.4) Rezultate testa omočljivosti in tvorbe spajkalnih kroglic smo primerjali med seboj in so zbrani v Tabeli 6 in Tabeli 7. Kot referenčno spajkalno pasto smo uporabili spajkalno pasto SnPbAg. Tabela 6: Rezultati testa tvorbe spajkalnih kroglic Refeienca .SiiPl)Aa R24.J NX 9900 X1301 s P. 910 Ista tel Electronics O O i^Biiiiii brer kroglic brez kroglic brez kroglic tvorba kroglic IJS P^BB! brez kroglic brez kroglic tvorba kroglic Tabela 7: Rezultati testa omočljivosti P.efeieuc(i SiiI'bAg SiiA^Cu SlL^gCu Siuig JilAA NX XI301S R '>10 Istiatel Elecfioiiic.s dobra omočljivost slaba oiiiočljigoa /ost DS ■ ■ slaba omočljiuost slaba oraočljivost slaba omočljivost 4. Zaključek Zahteva direktiv RoHS in WEEE po prepovedi uporabe svinca kot nevarne snovi po 1.7.2006 je prinesla nove tehnološke študije in raziskave v elektronsko industrijo na področju spajkanja. Različne študije so pokazale, da bo potrebno velik poudarek nameniti izbiri materialov, vpeljavi spajkanja brez svinca v proizvodnjo in vizuelni kontroli spojev. Zanesljivost novih produktov bo potrebno preveriti s klimo mehanskimi testi in testi življenjske dobe. Po standardu IPC-TM 650 so bile testirane spajkalne paste brez svinca s sestavo SnAgCu in SnAg različnih proizvajalcev. Rezultate testa omočljivosti in tvorbe spajkalnih kroglic smo primerjali z referenčno spajkalno pasto SnPbAg. Razlika je predvsem opazna v slabši omočljivosti nekaterih past brez svinca. Ravno tako pa bo potrebno preveriti zanesljivost spojev z uporabo različnih spajkalnih past brez svinca in različnih prevlek na prevodnih likih tiskanih vezij na testnih ploščah s klimo mehanskimi testi in testi življenjske dobe. 5. Literatura /1/ K. Bukat, D. Ročak, J. Sitek, J. Fajfar-Plut, D. Belavič, "An Investigation of led-Free Solder pastes", Proceedings of 25'" International Spring Seminar on Eleotronics Teotinology , May 11 -14, 2002, Prague, Czeoti Republic, 314-317 K. Bukat, D. Ročak, J. Sitek, J. Fajfar-Plut, D, Belavič, "Lead-Free Solder Pastes for Soldering Printed and Hybrid Circuits", Proceedings of IMAPS EUROPE, June 16-18, 2002, Cracow, Poland, 61-66 D.Ročak, tvl.Zupan, J.Fajfar-Plut, "Testing of Lead-Free Solder Pastes for Component Soldering on Printed and Hybrid Circuits" , Informacije MIDEM, 2, June 2002 D. Barbini, G. Diepstraten, "Five Steps to Successful Lead-Free Soldering", Circuits Assembly, April 2001 /2/ /3/ /4/ Marija Zupan, Mateja Potočnik, IskraTEL-Electronics, Ljubljanska 24a, 4000 Kranj, Slovenija Dubravka Ročak Jožef Stefan Institute, Jamova 39, 1000 Ljubljana, Slovenija Prispelo (Arrived): 04.12.2003 Sprejeto (Accepted): 20.06.2004