Náhrada olova v pájkp

Transkript

1 Náhrada olova v pájkp jkách Výhody a nevýhody alternativních řešení P. MACH, A. DURAJ České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Katedra elektrotechnologie 1

2 Obsah Úvod. Regulační a legislativní aktivity v různých zemích. Kritéria pro výběr bezolovnatých náhrad pájek obsahujících olovo. Perspektivní bezolovnaté slitiny pro pájky. Elektricky vodivá lepidla. Měření základních elektrických a mechanických vlastností adhezních spojů. Příprava vzorků, měřicí zařízení. Výsledky měření. Diskuze výsledků. Závěr. 2

4 Úvod Elektronický průmysl je největším průmyslem na světě. V USA bylo v roce 1992 celkem 11.5 mil. počítačů, ale v roce 2005 to již bylo 55.8 mil. počítačů Aktivity v elektronické montáži: nové spojovací materiály a technologie spojovacích procesů. Dva základní požadavky: Technickou kvalitu. Musí být ekologicky nezávadné včetně procesu jejich výroby a zpracování. Olovo bylo zahrnuto mezi 17 chemikálií, které mají nejvíce negativní vliv na lidský organizmus. 4

5 Úvod Bezolovnaté pájení a vodivé lepení jsou technologie, kterým je v současné době věnována ve výrobní oblasti největší pozornost. Spotřeba olova pro výrobu pájek pro elektrické a elektronické aplikace je velice nízká ve srovnání se spotřebou tohoto kovu v jiných aplikacích (zejména pro olověné akumulátory a laky na bázi olova). Důležitou informací je možnost použití stávajících technologických zařízení pro ekologické spojovací materiály. Vodivé lepení je technologie, která je v současnosti užívána pro speciální aplikace (např. pro výrobu LCD displejů). 5

7 Regulační a legislativní aktivity v různých r zemích EU 1998 WEEE (Waste from Electrical and Electronic Equipment directive) Směrnice o odpadu z elektrických a elektronických zařízení WEEE and RoHS (Restriction of Hazardous Substances directive) Směrnice o zákazu užívání nebezpečných látek 2003 Všemi evropskými zeměmi bylo přijato, že použití olova (a pěti dalších látek: rtuti, kadmia, polybromovaných bifenylů atd. je v elektronice s určitými výjimkami od zakázáno. ČR novela zákona o odpadech č. 185/2001 Sb. schválena v prosinci 2004 obsahuje obě směrnice o odpadech stanovené EU ČR Dne nabyl účinnosti zákon č.7/2005 Sb. O zpětném a odděleném odběru Odpadních Elektrických a Elektronických Zařízení. 7

8 Regulační a legislativní aktivity v různých r zemích U.S.A. Neexistuje žádný existující federální zákon o omezení nebo zákazu použití olova v elektronice. Legislativa zaměřená na elektronický odpad je však v současné době připravována v mnoha státech. Existence poplatků za používání škodlivých látek ve výrobě Japonsko Dlouhodobý proces, existuje řada různých zákonů a předpisů zaměřených na redukci nebo úplné vyloučení užívání olova v elektronickém průmyslu. 2001: Byl přijat zákon o recyklaci domácího elektronického odpadu. 2004: Spotřební elektronika téměř 100%-ní pájení bez olova. 8

9 Regulační a legislativní aktivity v různých r zemích Čína V současné době nejsou známy zákony nebo předpisy, které by nějakým způsobem upravovaly, redukovaly, nebo zakazovaly užívání olova v elektronice. Je však předpokládáno, že legislativa zaměřená na tuto oblast je připravována. Jižní Korea 340 společností reprezentujících 95 % elektronického průmyslu se dobrovolně přihlásilo k akceptování EU RoHS Directive (směrnice o zákazu nebezpečných látek). Byl schválen zákon, který ukládá odpovědnost za ekologickou likvidaci nebo recyklaci elektronických výrobků a jejich obalů výrobcům a importérům. 9

11 Kritéria ria pro výběr r bezolovnatých náhrad n pájek obsahujících ch olovo Bezolovnaté pájky Nejpoužívanější olovnatá pájka : 63% Sn-37% Pb teplota tavení 183 ºC Kritéria mohou být rozdělena do dvou skupin: 1. Z hlediska materiálových parametrů. 2. Z hlediska technologických parametrů. Ad 1: vysoká elektrická vodivost, pevnost spojů, termomechanická odolnost, teplota tavení, doba skladování, smáčitelnost, vytváření strusky při pájení vlnou, teplotní roztažnost, tečení. Ad 2: možnost použití stávajících technologických zařízení a postupů pro pájení Sn-Pb pájkami k pájení bezolovnatými pájkami. 11

12 Kritéria ria pro výběr r bezolovnatých náhrad n pájek obsahujících ch olovo (NIST&CSM &CSM) Bezolovnaté pájky Vlastnost Teplota likvidu Rozsah plasticity Smáčitelnost Vytváření strusky Definice Teplota, při které je pájka zcela roztavená. Rozsah teplot mezi solidem a likvidem, kdy je pájka v plastickém stavu. Je hodnocena podle síly, která je potřebná ke smočení Cu drátu roztavenou pájkou. Hodnotí se množstvím oxidu vytvořeného na vzduchu na povrchu roztavené pájky po dosažení pájecí teploty. Minimální akceptovatel náúroveň < 30 (ºC) Fmax > 300 un t 0 < 0.6 s Kvalitativní 12

13 Kritéria ria pro výběr r bezolovnatých náhrad n pájek obsahujících ch olovo Elektricky vodivá lepidla Zcela odlišný princip elektricky vodivého spojování než u pájení. Jiné technologické postupy. Kritéria pro výběr elektricky vodivých lepidel jsou zaměřena zejména na hlavní elektrické a mechanické vlastnosti adhezních spojů. Nejčastěji jsou zkoumány elektrická vodivost spojů, jejich pevnost v tahu, pevnost ve smyku a odolnost proti termomechanickému namáhání. Největším problémem je v současnosti testování dlouhodobé spolehlivosti nejsou dostatečné zkušenosti jako s pájením. 13

15 Perspektivní bezolovnaté slitiny pro pájkyp Dosažitelnost a relativní cena vzhledem k olovu některých prvků, které jsou potenciálními náhradami olova v pájkách. Prvky, které mohou nahradit olovo v pájkách Prvek Cena ($ / lb) Relativní cena (k olovu) Zásoby (mil. lb) Zinek (Zn) 0,51 1, Měď (Cu) 0,65 2, Antimon (Sb) 0,81 2,2 100 Bismut (Bi) 3,42 7,1 9 (limitované) Cín (Sn) 3,52 6,8 180 Stříbro (Ag) 84, ,5 (limitované) Indium (In) ,2 (vzácné) Pozn.: 1 lb (libra) = 0,454 kg 15

16 Perspektivní bezolovnaté slitiny pro pájkyp Celkem 79 bezolovnatých slitin, které byly vytipovány pro předběžné testování Národním centrem pro výrobní vědy (NCMS). Vybráno cca 20 bezolovnatých slitin vhodných pro širší užívání v elektrotechnice. NCMS Kód slitiny Chemické složení (váhová %) NCMS Kód slitiny Chemické složení (váhová %) NCMS Kód slitiny Chemické složení (váhová %) D1 Sn-45Bi EN8 Sn-3.3Ag-11.2Bi- 5.5In F25 Sn-0.5Ag-56Bi D2 Sn-57Bi-2In EN9 Sn-2.5Ag-11.2Bi- 5.5In F26 Sn-4.5Ag-1.6Cu- 5Sb D6 Sn-2Ag-56Bi-1.5Sb F3 Sn-0.5Ag-4Cu F30 Sn-3.2Ag-0.7Cu D7 Sn-3Ag-55.5Bi- 1.5Sb F4 Sn-8.8In-7.6Zn F31 Sn-3.5Ag-1.3Cu 16

17 Perspektivní bezolovnaté slitiny pro pájkyp V Evropě konsorcium BRITE-EURAM doporučilo užívání slitiny 95.5Sn-3.8Ag-0.7Cu jako slitiny pro všechny účely. Jako další slibné slitiny se zde jeví slitina 96.5Sn-3.5Ag, 99.3Sn-0.7Cu a slitina Sn-Pb-Bi a Sn-Ag-Sb. V U.S.A doporučila Národní výrobní iniciativa (National Manufacturing Initiative NEMI) slitinu 99.3Sn-0.7Cu pro pájení vlnou a slitiny 96.5Sn-3.5Ag a 95.5Sn-3.9Ag-0.6Cu pro pájení přetavením. Dalšími favorizovanými slitinami jsou 96.5Sn-3.5Ag-4.8Bi a 58Bi-42Sn. V Japonsku Japonská asociace pro vývoj v elektronickém průmyslu (The Japanese Electronic Industry Development Association JEIDA) doporučila slitiny 96.5Sn-3Ag-0.5Cu a 89Sn-8Zn-3Bi pro pájení vlnou a přetavení při střední a vysoké teplotě a slitinu 42Sn-57Bi-1Ag pro přetavení při nízké teplotě. 17

18 Perspektivní bezolovnaté slitiny pro pájkyp Přechod na bezolovnaté pájení nutnost bezolovnatých úprav součástek a přizpůsobení technologickým procesům. Package Lead-free specification Name Appearance Sn-Bi plating Sn plating Sn-Ag-Cu dip Sn-Ag-Cu ball Ni/Au plating QFP TQFP LQFP SOP TSOP I TSOP II SOJ BGA LGA Mini-mold (transistors, diodes) : Lead-free specification, : Same as plating specifications of existing package 18

20 Elektricky vodivá lepidla Elektricky vodivá lepidla (Electrically Conductive Adhesives - ECAs) jsou, vedle bezolovnatých pájek, druhou skupinou ekologických materiálů pro spojování v elektronice. Isotropní či anisotropní electrická vodivost. Hlavní výhody elektricky vodivých lepidel, v porovnání s pájkami, jsou: Téměř ekologická nezávadnost. Vytvrzování: při teplotách od 100 o C do 180 o C, nebo při normální teplotě (pro srovnání bod tavení pájek bez olova je obvykle v rozmezí 210 o C až 225 o C). Vhodnost pro tepelně citlivé součástky. Hlavními nevýhodami elektricky vodivých lepidel jsou: Malá odolnost proti vlhkosti, nižší spolehlivost. Horší mechanické vlastnosti ve srovnání s pájkami. Prozatím neznalost recyklace, vysoká cena. 20

21 Elektricky vodivá lepidla ECA jsou složena ze dvou složek: vazební složky (binder) a plniva (filler) Binder: pro reaktoplastická lepidla: acrylická pryskyřice pro aplikace pod 100 o C, epoxidové pryskyřice pro teploty až do 200 o C Problém: opravitelnost spojů. - lepidla jednosložková - lepidla dvousložková ( pryskyřice + tvrdidlo) Filler: obvykle kuličky (průměr 1 až 15 µm) či šupinky (různých velikostí, ale v řádu mikrometrů). Koncentrace v lepidle 10% až 80%. Materiál: Ag, Au, Ni či Cu plný vodivý materiál plastové nebo Ni + vodivý povlak z Au Klasické lepidlo - rezistivita cca Ω.cm Elektricky vodivé lepidlo - rezistivita cca 10-4 Ω.cm 21

22 Elektricky vodivá lepidla Typy elektricky vodivých lepidel Anisotropně vodivá lepidla (Anisotropic Conductive Adhesives ACAs) různé vlastnosti v různých směrech koncentrace částic 5 % - 20 % (5 µm až 20 µm) částice kulovité (polymerové) matrice - termoplasty či akryláty Isotropně vodivá lepidla (Isotropic Conductive Adhesives ICAs) obdoba pájek - vodivost ve všech směrech koncentrace částic 50 % - 80 % (1 µm až 5 µm) částice šupinkovité a navzájem se dotýkají matrice epoxidy ACA & ICA - vytvrzování při 20 C až 180 C 22

24 Měření základních elektrických a mechanických vlastností adhezních spojů Porovnání s vlastnostmi spojů pájených Sn-Pb a bezolovnatými pájkami Sledované parametry: Elektrické parametry: Elektrický odpor (vodivost) spojů. Nelinearita VA charakteristiky spojů. Šum spojů. Mechanické parametry: Pevnost v tahu. Pevnost ve střihu. Odolnost proti statickému mechanickému namáhání. Odolnost proti dynamickému mechanickému namáhání. 24

25 Měření základních elektrických a mechanických vlastností adhezních spojů Porovnání s vlastnostmi spojů pájených Sn-Pb a bezolovnatými pájkami Zrychlené stárnutí adhezních a pájených spojů zjišťování spolehlivosti. Klimatické zatížení (klimatické komory Weiss and Heraeus) v teplotě 125 o C v relativní vlhkosti 100 % v kombinovaném stárnutí teplota/vlhkost (85 o C/85 % RV) Mechanické zatížení: použití statického mechanického zatížení použití dynamického mechanického zatížení Vliv ss proudu na vlastnosti spojů. Vliv pulzního elektrického namáhání na vlastnosti spojů. 25

27 Příprava vzorků, měřicí zařízen zení Vzorky byly připraveny montáží SMT odporů typu 1206 s nulovým odporem (10 mω) na jednovrstvé testovací desky plošného spoje. Pájecí pasty a ECA byly naneseny dispensingem (z jehly) poloautomaticky. Testovací desky byly vyrobeny z klasického FR4 izolantu s 35 µm Cu fólií. Byl sledován vliv následujících úprav povrchu připojovacích plošek na vlastnosti spojů: Cu, oxidovaná Cu, Cu/Ni, Cu/Ni/Au, Cu/Sn. 27

28 Příprava vzorků, měřicí zařízen zení Elektricky vodivá lepidla Typ Společnost Složky Vytvr. tep. Vytvr. doba ELPOX SC 515 Amepox MICROELECTRONICS C 15 min ELPOX SC 515e Amepox MICROELECTRONICS C 15 min ELPOX SC 24D Amepox MICROELECTRONICS C 30 min ELPOX AX 12 Amepox MICROELECTRONICS C 100 min EPLOX AX 15S Amepox MICROELECTRONICS C 30 min ECO SOLDER AX 65 M Amepox MICROELECTRONICS C 10 min LT 2369/2 Permacol C 15 min 28

29 Příprava vzorků, měřicí zařízen zení Pájky Pb - Sn Rheomet pasta Sn63Pb C Pb - Sn Rheomet pasta Sn62Pb36Ag2 187 C Sn-5Ag Alpha metals solid Sn95Ag5 250 C 96Sn GT Cobar pasta Sn96Ag4 245 C 96.5Sn-3.5Ag Alpha metals pasta Sn96.5Ag C V současnosti je testováno anizotropně elektricky vodivého lepidla Loctite určeného pro spojování vývodů součástek s velmi malou roztečí a desek plošných spojů (např,,flip-chip technologie, kontaktování LCD) 29

30 Příprava vzorků, měřicí zařízen zení Měření odporu spoje: Řádově mω. 4-bodová metoda. Měření impedance spoje ve frekvenčním rozsahu 100 Hz až 1 MHz (LRC meter HP 4284A). Měření nelinearity voltampérové charakteristiky spoje. Měření proudového šumu spoje. 30

31 Příprava vzorků, měřicí zařízen zení Pracoviště pro měření nelinearity V-A charakteristiky. 31

32 Příprava vzorků, měřicí zařízen zení Měření proudového šumu (limitováno citlivostí pro pájené spoje) Měření impedance spojů (malé změny do frekvence f = 1 MHz) 32

33 Příprava vzorků, měřicí zařízen zení l Měření vlivu mechanického namáhání spojů Statické zatížení spojů Tahová síla ve spoji F A 0 2F x F B y(x) y B 3E J R FT = 3 lr ZR y R Střihová síla ve spoji F S = E R. S l J R l R 33

34 Příprava vzorků, měřicí zařízen zení Měření vlivu mechanického namáhání spojů Dynamické namáhání spojů (1000 či 2000 cyklů) - testování vzniku vnitřních poruch ve spoji - vliv na měřené elektrické i mechanické parametry - analýza pomocí elektronového rastrovacího mikroskopu (SEM) 34

35 Příprava vzorků, měřicí zařízen zení Měření pevnosti spoje v odtrhu Měření pevnosti spoje ve střihu SMD rezistor Kontakty Spoj F S Kontakt PCB Aplikace střižné síly 35

36 Příprava vzorků, měřicí zařízen zení Klimatické namáhání vzorků - standartizované podmínky testování Tepelné stárnutí (125 o C) Kombinované namáhání (85 o C / 85 % RH) Vlhkostní stárnutí (100 % RH) 36

38 Výsledky měřm ěření klimatické namáhání Vliv zrychlených stárnutí na odpor spoje Rs (mω) Odpor spoje - ELPOX SC hrs. 100 hrs. 300 hrs. 500 hrs. 750 hrs hrs. 125 C 80 oc/ 80 % RH 25 oc / 100 % RH Rs (mω) Odpor spoje - AlphaMetals 0 hrs. 100 hrs. 300 hrs. 500 hrs. 750 hrs hrs. 125 C 80 oc/ 80 % RH 20 oc/ 100 % RH 38

39 Výsledky měřm ěření pevnost v odtrhu Vliv zrychleného stárnutí na pevnost spoje 125 o C, 300 hodin Pev nost v otrhu: počáteční hodnoty Pev nost v odtrhu: po tepelném stárnutí Fp (N) Fp (N) Sn-Pb Lead-free ER 55MN SC 70MN AX 70MN AX 20 ER 59MN AX 12eV AX 15S Sn-Pb Lead-free ER 55MN SC 70MN AX 70MN AX 20 ER 59MN AX 12eV AX 15S Typ spojovacího materiálul Typ spojovacího materiálu 39

41 Diskuze výsledků Odolnost pájených a lepených spojů vůči klimatickému namáhání: Tabulka zobrazuje změnu odporu spoje po různých klimatických namáhání. Spojovací materiál Tepelné stárnutí (125 o C) Tepelně-vlhkostní stárnutí (85 o C/85 % RH) Vlhkostní stárnutí (100 % RH) 2-složková lepidla Malá (~5 %) Střední (20 to 40 %) Velká (50 to 100 %) 1-složková lepidla Střední (30 to 50 %) Velká (50 to 100 %) Velká (50 to 100 %) 95Sn5Ag Velmi malá 1 Velmi malá 1 Velmi malá 1 63Sn37Pb Velmi malá 1 Velmi malá 1 Velmi malá 1 [1] Měření je limitováno přesností měřícího zařízení 41

42 Diskuze výsledků Porovnání parametrů spojů: pájené spoje vs. lepené spoje Elektrický odpor Nelinearita Proudový šum Odolnost proti teplotě Odolnost proti vlhkosti Parametr Odolnost proti kombinaci teplo / vlhko Odolnost proti statickému mechanickému zatížení Odolnost proti dynamickému mechanickému zatížení Odolnost proti vlivu stejnosměrného proudu Odolnost proti vlivu proudovým pulzům nižší rovno vyšší X 42

44 Závěr Elektrické a mechanické parametry pájených spojů jsou lepší než u spojů lepených. Pouze nelinearita a odolnost lepeného spoje vůči teplotám je v některých případech srovnatelná s pájenými spoji. Ze zkoumaných parametrů spojů lze učinit závěr: Bezolovnaté pájky jsou ekvivalentními náhradami n Sn-Pb pájek pro elektrotechniku a elektroniku, kdežto elektricky vodivá lepidla nejsou jako přímáp náhrada Sn-Pb pájek vhodná. Na druhé straně je použití elektricky vodivých lepidel v některých speciálních aplikacích v současnosti jediným možným řešením. 44