Lead Free Soldering Process Reliabilty

Transkript

1 Lead Free Soldering Process Reliabilty Propojování velektronice elektrické spoje Interconnection Electrical Joints (Solder Joints) BGA/SMT Rework

2 Obsah 1.Úvod 2. Pájení 3.Pájecí pasty 4.Tavidla 5. Elektricky vodivá lepidla 6. Jakost pájených spojů

3 Úvod Propojení musí splňovat následující hlavní kritéria: Být technologicky slučitelné a rozměrově úměrné zachovávat integritu signálu (neovlivňování) vykazovat minimální ztráty splňovat požadavky kladené zhlediska elektrického odporu, indukčnosti, kapacity, stínění a další splňovat požadavky na mechanické vlastnosti musí být takové, aby bylo ekologicky akceptovatelné

4 Úvod Propojení v elektronice lze definovat v následujících úrovních: 1. úroveň: vývody čipu k vývodům pouzdra 2. úroveň: součástky k desce plošného spoje 3. úroveň: propojení desek plošných spojů (např. karta do počítače k jeho základní desce) 4.úroveň: propojení desek plošných spojů např. plochými kabely 5. úroveň: propojení individuálními konektory, např. BNC konektorem 6. úroveň: propojení systémovými konektory, např. Canon

5 Úvod Pro propojování na 2. až 6. úrovni se užívá širokého spektra různých konektorů. Konektory jsou součástky, kterými se realizují zásuvné spoje a liší se řadou parametrů: počtem vodičů, jejichž propojení zajišťují tím, zda jsou určeny k montáži na desku (panel) nebo kabel povoleným proudem kontaktů odporem kontaktů impedancí kontaktů a jejich kapacitou a indukčností stíněním kontaktů provedením podle montážní technologie, pro kterou jsou určeny (THT, SMT) prostředím, ve kterém může konektor pracovat rozměry a polohou, ve které jsou provozovány.

6 Úvod Elektricky vodivé spoje jsou nejčastější součástí elektronických zařízení, pokud budeme uvažovat integrované obvody jako samostatné součástky nehledě na počet dalších součástek (např. tranzistorů), které jsou v nich integrovány. Vodivé spoje jsou realizovány různými způsoby, které lze obecně rozdělit na mechanické a metalurgické. Kmechanickým spojům patří spojování pomocí různých typů pérových kontaktů, různými konektory apod. Kmetalurgickým spojům patří spoje realizované buď svařováním spojovaných částí nebo jejich pájením.

7 Úvod Pájení je proces, při kterém jsou dvě nebo více částí spojovány roztaveným kovem (pájkou), která má nižší teplotu tavení než spojované části. Ke spojení dojde difuzí atomů pájky do materiálu spojovaných částí. Velektrotechnice se užívá tzv. tvrdého pájení a měkkého pájení. Jako hranice mezi těmito typy pájení je obvykle uváděna teplota 500 C. Velektronice se pro vodivé spojování pájením užívá výhradně měkkého pájení. Pájené spoje jsou v elektronice obvykle realizovány měkkými pájkami, což jsou slitiny, které vyhovují jak z hlediska ceny, tak elektrických a dalších, zejména mechanických, vlastností. Dlouho dominantní byly pájky SnPb.V současné době však roste důraz na ekologičnost výroby a výrobků. Proto jsou SnPb pájky nahrazovány ekologickými slitinami, které neobsahují Pb. Tento kov je neekologický a má neblahé účinky na živé organismy. Pokud se do lidského těla dostane vyšší koncentrace Pb, dochází ksilné otravě. Pokud je absorbováno nižší množství této toxické látky, dochází k poškozování vědomí, nervového a reprodukčního systému. Pb a jeho slitiny a sloučeniny byly zařazeny do skupiny 10 typů materiálů, které byly označeny jako nejnebezpečnější pro přírodu.

8 Úvod Jsou dvě možné cesty náhrady Sn-Pb pájek pro spojování velektronice. Je to použití bezolovnatých pájek nebo použití elektricky vodivých lepidel. Ukazuje se,že prozatím vodivá lepidla nejsou schopna plně nahradit pájený spoj. Přitom je ale zřejmé, že pro některé aplikace bude použití elektricky vodivých lepidel nezbytné. Jedná se o vodivé připojování vmístech, kde není možné použít zvýšenou teplotu, např. při kontaktování LCD displejů.

9 Pájení Pro vytvoření kvalitního pájeného spoje je třeba, aby byly splněny podmínky pájitelnosti vývodů součástek i připojovacích plošek. K tomu musí být splněny podmínky: smáčivosti povrch a materiál vývodů součástek i připojovacích plošek musí být takový, aby vývody i připojovací plošky byly smáčeny roztavenou pájkou v čase, po který je prováděno pájení, bez následného odsmáčení (smáčivost kovového povrchu je definována jako schopnost povrchu podporovat vytvoření slitiny na rozhraní základního materiálu a pájky, která zajistí vytvoření mechanicky odolného spoje s nízkým elektrickým odporem). pokovení vývodů i připojovacích plošek se v čase, potřebném pro zapájení, nesmí vpájce rozpustit ani pájkou odplavit teplotní odolnost vývodů, připojovacích plošek, desek plošného spoje i pouzder součástek musí být taková, aby v čase potřebném pro zapájení nedošlo k teplotnímu poškození součástky ani desky plošného spoje.

10 Pájení Pájení se v elektronice provádí třemi základními způsoby: ručně páječkou, pájením vlnou a pájením přetavením. Páječkou se dnes pájí pouze některé speciální součástky, např. větších rozměrů, které jsou osazovány do desky dodatečně po pájení hromadném. Pájení páječkou je samozřejmě užíváno i při opravách osazených desek. Pájení vlnou se provádí na deskách plošného spoje osazených součástkami pro povrchovou montáž i součástkami s vývody vkládanými do děr. Dnes představuje významný segment montážní technologie velektronice. Při pájení vlnou je v zásobníku s roztavenou pájkou vytvořena na hladině jedna nebo více vln, které smáčí povrch desky plošného spoje, která se pohybuje nad hladinou. Smáčen je ten povrch, na kterém mají být vytvořeny pájené spoje, ta část smáčeného povrchu, na kterou nemá být aplikována pájka, je chráněna nepájivou maskou. Pájení přetavením spočívá vnanesení pájecí pasty na pájecí plošky desky plošného spoje, na kterých mají být vytvořeny pájené spoje, pak osazení součástek na desku tak, aby jejich vývody, které mají být připájeny byly osazeny na připojovací plošky s nanesenou pájecí pastou a následné přetavení pasty průchodem desky píckou s vhodným teplotním profilem.

11 Pájecí pasty Pájecí pasty mají mnoho různých vlastností a parametrů. Výsledná jakost pájeného spoje pak je dána optimální volbou a výběrem konkrétního materiálu pro danou aplikaci. Mezi základní parametry past patří: velikost částic pájecích složek, rozložení velikosti částic, smáčivost pájky, stupeň oxidace pájky, viskozita.

12 Pájecí pasty Vzdálenost mezi oky síta Roztečí se rozumí vzdálenost od středu jednoho vlákna ke středu sousedícího vlákna. Ke správnému natištění vývodu (kontaktní plošky) je třeba zajistit přesné vytvoření šablony, nanesení a teplotní zpracování (vypálení). Podstatný je ale i výběr pasty, resp. velikost zrn pájecího prášku. Velikost zrn pájecího prášku souvisí s velikostí ok sítě, což je určeno schopností protlačení pasty resp. Jejich zrn přes oka síta (mřížku). Vzdálenost mezi jeho dráty je určována počtem čtverců nebo počtem otvorů na palec síta. Například síto s počtem 200 ok má 200 otvorů na palec a s počtem 325 ok má 325 otvorů na palec, atd.

13 Pájecí pasty Obr.: Velikost ok a odpovídající velikost částic pasty pro typ 3. Vzdálenost mezi dráty je udávána počtem čtverců nebo počtem otvorů na palec mřížky

14 Pájecí pasty Pájecí pasta se skládá ze tří základních složek, kterými jsou: pájecí materiály tavidlo pojivové složky Ad a) Pro většinu povrchových montáží se dnes již používají bezolovnaté pasty. Ad b) Tavidlo, jako část pájecí pasty rozděluje tyto pasty na několik typů, závisejících na typu aplikace. Toto rozdělení do těch samých kategorií, jako u tekutých pájecích tavidel zahrnuje kalafunu, přírodní nebo syntetické pryskyřice a organické látky. Nejoblíbenější tavidla jsou typu no-clean nebo s nízkým zůstatkem nečistot (zbytků tavidla po tepelné reakci). Tím odpadá starost s čištěním a svícenáklady na tuto operaci. Tyto tavidla jsou vyrobena na základě pryskyřic a kalafun a odstranění jejich zbytků (mycími prostředky nebo saponáty), přináší velkou spotřebu vody, což může být velký problém. Druhé nejoblíbenější jsou tavidla na základě organických kyselin (OA). Tato tavidla vyžadují čištění vodou jsou užity vprogramech, v kterých se čistění desek plošných spojů (PCB) provádí ručně. Jsou to například celky, celky které jsou vystaveny vysokým teplotám a lakované aplikace. Ad c) Tavidla jsou složitější, než tekutá, avšak žádná znich nejsou schopna zajistit (nastavit) viskozitu na požadovanou hodnotu. Kromě rozpouštědel a aktivátorů, které obsahují také tekutá tavidla, jsou obsažena v pastě navíc materiály pro úpravu viskozity (zahušťovadla) a teplotní stabilizátory. Zahušťovadla mají tu funkci, že pájecí prášek zůstává přichycen na tavidle a neodděluje se od něj. Teplotní stabilizátory zajišťují neměnnost vlastností pájecí pasty během přetavovacího procesu.

15 Pájecí pasty Pájka Oblast tavení ( C) Využitív průmyslu Společnost SnAg Automobilový Visteon (Ford) Sn/Ag/Bi Vojenský/Letecký Panasonic 1) Sn/2,5Ag/0,8Cu/0,5Sb Spotřebitel Hitachi Sn/Ag/Bi/Cu Vojenský/Letecký Panasonic Sn/Ag/Bi/Cu/Ge Spotřebitel Sony Sn/Ag/Bi/X Spotřebitel Panasonic Sn/Ag/Cu 217 Automobilový Panasonic 2) Sn/3,5Ag/0,5Cu/1,0Zn Telekomunikace Nokia,Nortel,Panasonic Toshiba Sn/Bi 138 Spotřebitel Panasonic Sn/Cu 227 Spotřebitel Panasonic 3) Sn/20In/2,8Ag Telekomunikace Nortel Sn/Zn 198,5 Spotřebitel NEC, Pan., Toshiba 4) 1) je náchylná na kontaminaci Pb, které zhoršívýrazně vlastnosti 2) 95,5/4/0,5 je nejstarší slitinou objevenou v první polovině minulého století a proto není patentovatelná, není náchylná na kontaminace, proto v jiném složení je nejčastěji patentovanou slitinou pro pájky (např. Sn96,5/Ag3/Cu0,5 bod tavení kolem 220 C, je asi o 36 C vyššínež u olovnatých pájek). V důsledku obsahu stříbra je jejícena vyšší. Je vhodná pro vlnu, reflow i ručnípájení 3) je náchylná na kontaminace, zvyšuje se teplota tavení(99,3/0,7) 4) 91/9 je levná, ale Zn je náchylné koxidaci a knečistotám celkem (pájení vdusíku zřejmě nutné). Zn pak zhoršuje i smáčivost a zkracuje i skladovatelnost. Má bod tavení blízký olovnatým pájkám (199 C)

16 Pájecí pasty Forma a stupeň oxidace Forma a stupeň oxidace jsou důležité fyzikální vlastnosti pájecího prášku. Pro pájecí pastu může být použit pouze kulový prášek. Prášek, jehož odchylka od přesného tvaru koule je větší než 4%je nevhodný. Použitím optického zobrazení je možno laboratorně měřit několik vlastností pájecích past současně. Pomocí optického zobrazení vybraného počtu částic lze určit velikost, tvar a velikost rozložení důležité vlastnosti ke správnému nanesení pájecí pasty přes šablonu. Stupeň oxidace popisuje nevodivý povlak který se vytvoří na povrchu pájecího prášku, obsahuje uhličitany a sulfidy, které, jako velmi malé částice, mohou ovlivnit viskozitu pasty, její schopnost tavení, tvorbu kapek a také její životnost ( po dobu co je uskladněna a na šabloně). Obvykle, pájecí prášek obsahuje 0,05-0,25 objemových procent oxidantu.

17 Pájecí pasty Pájecí pasta se skládá zmikroskopických kuliček pájky, které jsou pokryty vrstvou kysličníku, tavidla, aktivátoru a technologické složky, která vytváří ze směsi pastu s požadovanou viskozitou (viz obr. 1.1). Kysličník Pájka Technologická složka Obr. : Struktura pájecí pasty

18 Pájecí pasty Na základě studie bezolovnatých pájek bylo konstatováno, že slitiny Sn96.5Ag3.5 a Sn42Bi58 se jeví jako nejperspektivnější, přitom slitina Sn96.5Ag3.5 je vhodná pro prostředí, ve kterém se mohou vyskytovat vyšší teploty (např. pro automobilový průmysl), zatímco slitina Sn42Bi58 je spíše vhodná pro méně náročné aplikace. Při této studii bylo také zjištěno, že slitiny, které obsahují Ag mohou být ekologicky nebezpečné, zejména pokud by přišly do kontaktu se spodní vodou.

19 Pájecí pasty Pro vlastnosti vyvíjených slitin bezolovnatých pájek není významným parametrem pouze teplota tavení pájky, ale také její koeficient teplotní roztažnosti. Ten musí být takový, aby při teplotním cyklování nedocházelo k poruše spojů vdůsledku výrazně odlišného koeficientu teplotní roztažnosti pájky, desky plošného spoje a součástky. Tento parametr je zvláště významný u povrchově montovaných bezvývodových součástek. Délkový součinitel teplotní roztažnosti Sn-Pb eutektické pájky je [ C-1], u slitiny Sn96.5Ag3.5 má tento koeficient hodnotu [ C-1] a u slitiny Sn42Bi58 hodnotu [ C-1].

20 Pájecí pasty Povrch pájky SAC je ve srovnání ssnpb matnější, a při detailním pohledu je na něm patrná dendritická struktura tuhnutí fáze SnAg pájkové slitiny (obr.5-4). Tyto složky se podílí na vzniku depletiční vrstvy (Ag3Sn), jejíž struktura je v případě bezolovnatých pájek komplikovanější než vpřípadě pájky SnPb. Obr. 5-4: Pohled na strukturu SnAgCu a) v detailním pohledu (zvětšení 500x) b) v pohledu spoje SMD (zvětšení 100x) c) vznik intermetalických slitin

21 Pájecí pasty Základní rozdíly mezi SnPb an SnAgCu pájkou lze shrnout následovně: SnAgCu pájka požaduje vyšší teplotu přetavení než SnPb. Bod tavení u SnAg3.8Cu0.7 je 219 C a SnAg3Cu0.5 je bod tavení 217 C, obojí tedy je vyšší než bod tavení eutektické slitiny SnPb, který je 183 C. Smáčení SnAgCu pájek není tak dobré jako u SnPb slitin především z důvodu vyššího povrchového napětí, ale zlepšení srovnatelných výsledků lze dosáhnout při použití dusíkové atmosféry [17,18]. SnAgCu pájené spoje mají větší náchylnost k vytváření prázdných míst - bublin (voids) než je tomu u pájek SnPb [16, 19]. Je patrný vzhledový rozdíl mezi SnAgCu a SnPb pájkou. Spoje SnPb jsou jasné a lesklé, zatím co spoje SnAgCu jsou matné a mají drsnější povrch. Tyto rozdíly vyžadují zohlednění přioptické kontrole bezolovnatých pájených spojů.

22 Tavidla Pokud je pájka dodávána jako pájecí pasta, je tavidlo smíšeno s částicemi pájky tak, že pasta tvoří homogenní materiál. V případě pájek trubičkových je tavidlo náplní trubičky. Hlavní funkce tavidla jsou: odstraňuje povrchové oxidy chrání před oxidací při zvýšené teplotě při pájení napomáhá přestupu tepla zlepšuje smáčitelnost spojovaných povrchů

23 Tavidla Tavidla jsou tří základních typů: mírně aktivované pryskyřice (rosin mildly activated RMA) tavidla rozpustná ve vodě tavidla, jejichž zbytky není nutné po pájení odstraňovat. Tavidlo RMA je tvořeno kalafunou rozpuštěnou v ředidle doplněnou aktivátorem, kterým bývá organická kyselina nebo sůl. Poměr obsahu aktivátoru k obsahu ředidla určuje aktivitu a tím i korosivitu tavidla. Typické pro tavidlo je, že maximální aktivitu vykazuje během pájecího procesu. Po zapájení spoje vykazuje tento typ tavidla velice nízkou aktivitu a tím i korosivitu, a proto po zapájení spojů je nutné čištění.

24 Tavidla Aplikace tavidel se provádí třemi základním způsoby: smáčením nanášením jako spray nanášením pěny Nanášení tavidla smáčením je podobný proces jako pájení vlnou. Vzásobníku s tekutým tavidlem je vytvořena vlna, která smáčí povrch spodní desky plošného spoje, která nad vlnou prochází. Vlna je obvykle následována měkkým kartáčem, který otírá přebytek tavidla ze smáčeného povrchu. Po nanesení je tavidlo sušeno během tzv. předehřívací fáze před pájením při teplotěf C podle typu tavidla. Nanáší-li se tavidlo jako spray, jedná se o klasický proces známý např. znanášení barev tímto způsobem. Takto je možné nanášet většinu tavidel. Při nanášení tavidla jako pěny se užívá probublávání plynu zásobníkem, ve kterém se nachází tavidlo. Na povrchu tavidla se takto vytváření bublinky, které se nanášejí na povrch desky plošného spoje. Při praskání bublinek dochází kúplnému smáčení daného povrchu tavidlem a zároveň se podporuje čistící účinek tavidla.

25 Elektricky vodivá lepidla Lepidla, která jsou na bázi pryskyřic, jsou výrazně elastičtější než pájky. Nevodivá epoxidová pryskyřice slouží jako základní hmota a vodivost je způsobena kovovými plnidly. Kovové částečky musí být obsaženy v co největším procentuálním množství, aby se dotýkaly navzájem a zajišťovaly tak požadovanou vodivost.

26 Elektricky vodivá lepidla Vodivé lepidlo obvykle obsahuje 60 až 80% kovového plnidla, které tvoří nejčastěji drahé kovy (Ag nebo Au). Proto jsou vodivá lepidla poměrně drahá. Pro snížení ceny je snahou užívat také nikl, případně měď, ale silná oxidace způsobuje výrazné zhoršování vodivosti. Poté co je lepidlo, ať už nevodivé nebo vodivé, naneseno na spojovanou plošku, následuje jeho vytvrzení. Pro vytvrzení je v závislosti na použitých lepidlech možné využít konvenční pece (infračervené nebo ultrafialové záření, nebo horký vzduch). Doba vytvrzení se pohybuje od několika minut až hodinu v závislosti na typu lepidla a na samotném zařízení. Lepidla vyznačující se vysokou pevností se obyčejně vytvrzují kolem 150 oc, lepidla s nižší mechanickou pevností pak kolem 100 oc. Při použití vodivého lepidla se nepoužívá tavidlo a tak není nutné uvažovat čistění. Navíc, vodivá lepidla lze použít prakticky u všech typů povrchů (cín-olovo, OSP zlato, stříbro nebo paladium).

27 Elektricky vodivá lepidla Elektricky vodivá lepidla se skládají ze dvou složek: složky vazební (binder) složky vodivé (filler) Vazební složka je izolant a je tvořena pryskyřicí různého typu. Většinou se užívá epoxidových pryskyřic, ale jsou i elektricky vodivá lepidla na bázi polyimidových, akrylátových, silikonových a dalších pryskyřic. Vazební složka může být termoplastická nebo reaktoplastická. Použití termoplastických lepidel není tak časté jako reaktoplastických, ale tato lepidla mají oproti reaktoplastům výhodu při opravách adhezních spojů (tedy spojů vytvořených elektricky vodivými lepidly). Vazební pryskyřice může být jednosložková či dvousložková. V případě dvousložkového lepidla se k základní pryskyřici přidává pro její vytvrzení tvrdidlo. Proto některá dvousložková lepidla nepotřebují pro vytvrzování zvýšenou teplotu a vytvrdí se při pokojové teplotě. Jejich hlavní nevýhodou je, že jsou však dražší než jednosložková a že se musí před aplikací obě složky smísit ve správném poměru. Vodivá složka je tvořena elektricky vodivými částicemi rovnoměrně rozptýlenými ve složce vazební. Obsah těchto částic musí být takový, aby se navzájem dotýkaly. Obvykle tvoří objem vodivých částic 60% až 80% celkového objemu lepidla, avšak může se od této hodnoty výrazně lišit v závislosti na použitém materiálu a tvaru částic. Vodivé částice jsou dvojího tvaru: -kuličky o průměru 1-20 µm (balls) - lupínky (šupinky) různých velikostí (flakes)

28 Elektricky vodivá lepidla Závislost elektrického odporu elektricky vodivého lepidla na koncentraci vodivých částic v matrici je uvedena na obr. Rezistivita % Koncentrace částic Obr. : Závislost rezistivity elektricky vodivého lepidla na koncentraci vodivých částic vizolační matrici

29 Elektricky vodivá lepidla Materiálem vodivých částic bývá nejčastěji stříbro, používají se však také kuličky měděné pokryté vrstvou stříbra, kuličky niklové, zlaté, palladiové, grafitové či plastové, které jsou pokryté tenkou kovovou (většinou zlatou) vrstvou zajišťující jejich vodivost. Lepidla plněná stříbrnými, zlatými a palladiovými částicemi mají nejlepší elektrické vlastnosti, ale jsou velmi drahá. Lepidla plněná stříbrem mají také výbornou tepelnou vodivost, a proto se využívají i v aplikacích, kde elektrická vodivost je sekundární a primární je tepelná vodivost lepidla. Použití niklových částic jako plniva je levnější alternativou, která se užívá u aplikací snižšími nároky na vlastnosti vodivého spoje. Jako další levná varianta se může jevit také užití mědi či hliníku, ale protože se tyto kovy na vzduchu pokrývají vrstvou kysličníku, který je izolantem, a proto znemožňuje vedení proudu, tyto kovy se pro výrobu vodivých částic nepoužívají.

30 Elektricky vodivá lepidla Jednou z významných výhod elektricky vodivých lepidel ve srovnání spájkami je, že lepidla je možno připravit s izotropní elektrickou vodivostí jako mají pájky (elektrická vodivost je stejná ve všech směrech) nebo sanizotropní vodivostí (lepidlo vykazuje v jednom směru vysokou elektrickou vodivost a v ostatních směrech se chová jako izolant). anizotropní izotropní

31 Elektricky vodivá lepidla Elektricky vodivá lepidla s izotropní elektrickou vodivostí Vodivou složkou izotropních elektricky vodivých lepidel jsou částice kulového tvaru, případně směs částic kulového tvaru a lupínků. Rozměry částic bývají většinou menší než částic užívaných pro výrobu lepidel s anizotropní elektrickou vodivostí. Hustota částic v izolační matrici je tak velká, že se navzájem dotýkají a tím se zajistí potřebná vodivost. Tato lepidla se užívají pro montáž jednoduchých součástek (rezistory, kapacitory, vývody čipu) na desku plošného spoje, i pro vodivé připojování vývodů integrovaných obvodů na připojovací plošky na desce plošného spoje, pokud není rozteč vývodů příliš malá. Základní matrici (vazební složku) elektricky vodivých lepidel s izotropní elektrickou vodivostí tvoří nejčastěji epoxidové pryskyřice.

32 Elektricky vodivá lepidla Elektricky vodivá lepidla s anizotropní elektrickou vodivostí Anisotropní elektricky vodivá lepidla vykazují elektrickou vodivost pouze v jednom směru. Protože tímto směrem bývá směr osy z (protože osy x a y předpokládáme vrovině substrátu), někdy se nazývají také z-osová. Vodivým plnivem těchto lepidel bývají lupínky (šupinky) kovů, ale i částice kulového tvaru. Koncentrace vodivých částic bývá poměrně nízká (obvykle 25%-30%), aby se vzájemně dotýkaly pouze tak, že netvoří souvislou vodivou síť. Vodivosti ve směru osy z se dosáhne tím, že vývod součástky (např. poduškového typu) stlačí při osazení součástky vrstvu anizotropního lepidla, tím se dostanou vodivé lupínky ve směru osy z do mechanického kontaktu a takto dojde k vytvoření vodivé cesty vtomto směru. V ostatních směrech zůstane lepidlo nevodivé. Lepidla s anizotropní elektrickou vodivostí mohou být plněna i elektricky vodivými částicemi kulového tvaru o velikosti přibližně 10μm. Částice jsou z tvrdého polymeru a na svém povrchu mají nanesenou elektricky vodivou kovovou vrstvu (např. Ag) pokrytou tenkou izolační vrstvou. Ta v klidovém stavu brání jejich vzájemnému vodivému propojení. Při osazení součástky stlačí vývody lepidlo aplikované na připojovací plošku, izolační povlak částic se v místech jejich vzájemného kontaktu vlivem tlaku vývodu poruší a dojde k žádanému elektricky vodivému spojení. Základní matricí elektricky vodivých lepidel s anizotropní vodivostí bývají většinou termoplastické pryskyřice, např. akrylátové.

33 Elektricky vodivá lepidla Nanášení elektricky vodivých lepidel Procesy aplikování vodivých lepidel se liší hlavně podle velikosti plochy, na kterou má být lepidlo naneseno. Způsob nanášení lepidla je také ovlivněn typem použitého lepidla a jeho vlastnostmi. Lepidla se nanášení následujícími základními způsoby: Sítotiskem Šablonovým tiskem Hroty Dávkovačem (dispenzním nanášením)

34 Elektricky vodivá lepidla Zásady pro aplikaci lepidel Většina elektricky vodivých lepidel musí být uskladněna ve speciálních podmínkách, většinou v chladicím zařízení. Dosáhne se tak delší životnosti lepidla před jeho použitím (shelf life) Plochy na které je lepidlo aplikováno musí být velmi dobře očištěny (chemicky či mechanicky), aby bylo dosaženo dostatečné kvality elektrických i mechanických vlastností spojů Důležité je aplikace lepidla na správné místo ve správném množství. Pokud je naneseno příliš velké množství lepidla, dochází k jeho přetékání, pokud příliš malé množství, dochází k odpadávání součástek a také elektrické vlastnosti kontaktu jsou nevyhovující Lepidlo, které nebylo spotřebováno musí být vyřazeno Při použití dvousložkových lepidel je potřeba obě části před vlastním nanesením dobře smísit. Musí být také dodržen výrobcem doporučený poměr obou složek. V hromadné montáži se dvousložková lepidla užívají málo, protože představují technologickou operaci navíc. Využití mají zejména tam, kde není možné použít tepelné vytvrzování, které vyžaduje většina jednosložkových lepidel.

35 Elektricky vodivá lepidla Vytvrzování lepidel (Curing process) Většina jednosložkových lepidel vyžaduje aby poté, co je lepidlo aplikováno na potřebná místa a jsou na něj umístěny vývody součástek, bylo vytvrzeno. Teprve pak je zajištěno trvalé elektricky vodivé a mechanicky pevné spojení. Existují dva základní způsoby vytvrzování lepidel: vytvrzování při zvýšené teplotě (tepelné vytvrzování) vytvrzování ultrafialovým zářením (UV-light) Kombinací obou předešlých způsobů Tepelné vytvrzování se provádí zpravidla v klasických (elektrických) či infračervených (IR) pecích. Lepidla potřebují kdobrému vytvrzení zpravidla teplotu v rozmezí C po dobu minut, podle typu.

36 Vodivá lepidla Tabulka :Základnívlastnosti některých typů elektricky vodivých lepidel Vazební složka (pryskyřice) Typ Objemový Doba Teplota Plnivo částic odpor vytvrzování vytvrzování (Wcm) (min) ( o C) Epoxy Ag lupínky Epoxy Pocínovaná Cu lupínky Epoxy Ni lupínky Polyimid Ag jiný lupínky Silikon Ag kuličky hod 25

37 Jakost pájených spojů Jakost pájeného spoje je definována jako pravděpodobnost, že pájený spoj bude schopen vykonávat požadovanou funkci po dobu určitého časového intervalu, jenž se nazývá životnost pájeného spoje. Spolehlivost spoje je třeba chápat jako specifický požadavek závisející na dané součástce (velikost, typ pouzdření a povrch součástky včetně pokovení vývodů), dále na povrchu pájecí plochy, na pájecím materiálu, a také na tvaru pájeného spoje (závisí na topologii pájecích plošek). Velikost součástky, typ pouzdra a tvar spoje předurčují i namáhání spoje v provozu. To je způsobeno různými koeficienty teplotní roztažnosti materiálů podílejících se na spoji včetně spoje samotného (včetně intermetalických slitin v něm vzniklých vprůběhu pájení). Proto nelze brát za všeobecně platné takové závěry jako bezolovnaté pájky mají celkově lepší vlastnosti než SnPb, nebo naopak.

38 Jakost pájených spojů Pájené spoje žádoucí jakosti by také měly mít hladký, saténově lesklý až blýskavý povrch. U bezolovnatých a některých vysokoteplotních pájek tento požadavek nelze splnit v takové míře jako např. u pájky SnPbAg. Především u bezolovnatých pájek je povrch spíše matný až šedý (obr. 5-13). Dle normy IPC-A-610C však se tyto spoje hodnotí jako vyhovující.

39 Jakost pájených spojů

40 Parametry materiálů Prostředí -pájka -tavidlo -drsnost pájeného povrchu -povrchová úprava plošek Chemické složení materiálů Atmosféra -vzduch -koncentrace dusíku -provední zákrytu -inertní atmosféra Parametry procesu Provedení přetavení -Přenos tepla -teplotní profil -čas pájení -aktivace tavidla Jakost pájených spojů Hodnocení procesu -smáčivost -diúzní koeficient -chemické reakce -energetická náročnost Výstupní informace Tvar spoje -úhel a rychlost smáčení -adhéze -struktura a složení spoje intermetalické slitiny (difúze) Joint reliability

41 Jakost pájených spojů Vprocesu pájení působí celá řada faktorů, jež mohou jakost pájeného spoje ovlivnit. Dosažení jakostního spoje vyžaduje optimální nastavení těchto faktorů, což je záležitostí procesní a materiálové kompatibility. Prvořadým faktorem podmiňujícím vytvoření co nejdokonalejšího spoje je nastavení optimálního teplotního profilu, především v oblasti přetavení. Mezi poruchy pájených spojů, které vzniknou bezprostředně po pájení patří především: pájecí kovové plochy bez pájky (nebyla nanesena), kuličky pájky (na spoji a vjeho okolí), rozstřik pájky (do stran), pájkové můstky (zkraty), díry a krátery vpájce, pájkovéšpičky (do vrch nebo do stran), nesmočené pájecí plochy a vývody (studený spoj). Některé ztěchto poruch sice nejsou podle normy IPC-A-610C považovány za chybu, ale pro zajištění jakosti elektronických systémů je vhodné tyto sledovat a eliminovat jejich příčinu Rozstřik pájky, pájkové krátery a pod.).

42 Jakost pájených spojů Kporuše pájeného spoje v provozu nebo při další manipulaci (včetně oprav) může dojít z důvodu poruchy mezi: kontaktní ploškou na substrátu (DPS) a pájkou, vývodem součástky a pájkou, nebo v samotné pájce (jejími intermetalickými slitinami). Porucha pájeného spoje je způsobena selháním materiálu spoje, což může mít příčinu buď v únavě materiálu způsobenou změnou elektrických vlastností, nebo v mechanickém narušení struktury spoje (makroskopické praskliny nebo trhliny v pájeném spoji vzniklé např. v důsledku mechanického namáhání). Prasknutí a růst praskliny může být ovlivněno hrubostí (velikostí) zrn, a je výsledkem mechanického namáhání, které vyvolává pnutí ve spoji v důsledku např. tepelného namáhání. Přitom dochází kpřekročení hranice pružnosti a k deformaci struktury pájky.

43 Jakost pájených spojů Videálním případě by při pájení prokovených otvorů mělo dojít k úplnému obvodovému smočení vývodů, otvorů a pájecích ploch na primární i sekundární straně DPS. Podaří-li se tohoto stavu dosáhnout, svědčí to i splnění další podmínky, kterou je 100 % svislé zaplnění prokoveného otvoru pájkou.

44 Jakost pájených spojů Pájka musí na obou stranách DPS pokrývat vývod a plynule přecházet do tenké vrstvy na hraně pájecí plochy nebo plošného vodiče. Pro tvar menisku, povrch spoje, obvodové smočení a svislé zaplnění prokoveného otvoru platí stejná kritéria jako v předcházejících dvou podkapitolách. Pro žádoucí kvalitu je navíc nutné, aby pájka nenavzlínala až do ohybu vývodu či dokonce k pouzdru součástky.

45 Jakost pájených spojů Lakované vodiče v pájeném spoji Některé vodiče mají na sobě antikorozní ochranné laky, které by svou přítomností vpájeném spoji mohly negativně ovlivnit jeho kvalitu. U těchto vodičů musí být mezi vrcholkem pájeného spoje a ochranným lakem vzdálenost rovnající se průměru vodiče.

46 Jakost pájených spojů Zaplnění volných otvorů pájkou Prokovené otvory sloužící kpropojení vrstev DPS (via otvory) se buď nepájí (v tom případě jsou během pájecího procesu chráněny trvalou nebo snímatelnou nepájivou maskou), anebo se pájí (nejčastěji vlnou), a pak by měly být kompletně smočeny a zaplněny pájkou.

47 Jakost pájených spojů Neprokovené otvory Pro neprokovené otvory platí stejná kritéria jako pro prokovené, ale konce vodičů nebo vývodů musí být na konci ohnuty. I tady platí, že ohnutý konec vývodu musí být v pájce zřetelný.

48 Jakost pájených spojů Součástka Optimální Akceptovatelný Nevyhovující Kvádrový tvar ( R, C, L ) délka spoje 1 h 2 3 výška spoje Vývody tvaru Gull wing ( SO a podobné typy ) Vývody tvaru Gull wing ( QFP, VSO ) 7 meniskus 8 9 Vývody tvaru J ( PLCC )

49 Zajištění kvality SMT linky Rozhodující je možnost zjištění chyb! Tisk Osazování Reflow Test MI/AOI MI/AOI MI/AOI/XRay Možnost najít chyby: Špatný tisk, špatné roztékání Možnost najít chyby: Nesprávné osazení, špatný Možnost najít chyby: Zkraty/Nezapájení,chudé spoje;tlusté spoje, vynechané spoje

50 Zajištění kvality SMT linky Všechny možné defekty musí být objeveny před prvním spuštěním! Tisk Osazování Reflow Test Bez možnosti zjistit defekt: Studený spoj, jen jednou pokleslé BGA, Mikro-trhliny, Delaminace; Patní meniskus, zaplnění prokovů; norma IPC 610 Nezjištěné defekty znamenají vady DPS na počátku funkce!

51 ERSASCOPE Vizuální kontrola Typické problémy BGA kde pozorování pouze rentgenem selže! X Tvorba Whiskerů způsobuje zkraty Rentgenem těžko odhal. zbytky tavidla Těžko odhalitené mikro trhliny X ERSASCOPE -obrázek dobrých Flip Chip pájených spojů, 50um mezera; dobrý pokles Pictures: ERSA X-ray vzhled 96 vývodového Flip Chip po pájení skutečná kvalita pájených spojů jen těžko posouditelná! ERSASCOPE -obrázek špatných Flip Chip pájených spojů; žádný pokles

52 ERSASCOPE Kritéria vizuální kontroly Pokles kuliček a smáčecí úhel jsou kritické pro splnění normy kvality! X X PBGA: Kompletní pokles; dobrý smáčecí úhel; menisk. tavidla PBGA: Neúplný pokles; špatný úhel smáčení ; žádný menisk. tavidla PBGA: Chybějící menisk. pájky X X CBGA: Dobrý úhel smáčení menisku pájky CBGA: Chybějící men. pájky CBGA: Chybějící menisk pájky

53 ERSASCOPE Vnitřní inspekce BGA

54 Efekt dvojitého propadu BGA / CSP / Flip Chip součástek Cu Cu Cu Cu SnPb SnPb SnPb SnPb SnPb SnPb Ubývání As solder kuliček ball reflows: cínu: 217 C -221 C 183 C 1 st 1.pokles Drop 220 C 225 C -230 C 2 nd Drop 2.pokles Když chemická difuzní reakce vytvoří slitinový spoj Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu 3 Sn / Cu 6 Sn 5 Grafické znázornění pájecí plošky nevnořené do nepájivé masky (NSMD) Výsledky životnostních testů ukazují, že pájecí plošky nevnořené do nepájivé masky na DPS i na pouzdře poskytují lepší spoje, než při užití pájecích plošek s nepájivou maskou. (Jsou zapájeny i na obvodu) Zdroj:Reliability of BGA Packages in an Automotive Environment, Roger Rörgren, Per-Erik Tegehall and Per Carlsson, IVF - The Swedish Institute of Production Engineering Research,

55 To nejdůležitější při kontrole teploty v SMD/BGA Lince X Sn// Sn// Sn// Sn// Sn// Sn// Sn// Sn// Sn// Sn// Sn// Sn// Cu Cu CU Cu Cu CU Cu Cu CU Cu 3 Sn / Cu 6 Sn 5 Pokojová teplota 25 C (Všechny materiály jsou pevné) Žádné spojení mezi piny, pájkou a páj. ploškou: Funkční test -*Dobrý! Spolehl. spoje-špatná! X Teplota tání pájky SnPb:185 C or SnCuAg:225 C (Kapalná pájka teče) ) Jen spojení povrchovým napětím piny a pájecí ploškou: Funkční test *Dobrý! ICT / X-Ray *Dobrý! Spolehl. spoje -Špatná! X *Testy a inspekce závisí na použitém vybavení a technice. Správnáteplota smáčení SnPb:195/205 C or SnCuAg:230/235 C (Vznikáintermetalická slitina) Slitinová vazba mezi piny a pájecí ploškou: Funkční test *Dobrý! ICT / X-Ray *Dobrý! Spolehl. spoje -*Dobrá! Pictures: ERSA

56 Výroba při neznámé DT vede k neznámým následkům X Sn// Sn// Sn//????? Sn// Sn// Sn// Cu Cu CU Cu 3 Sn / Cu 6 Sn 5 Cu Cu CU V bodu tání pájky SnPb:185 C or SnAgCu:225 C (Kapalná pájka teče) Povrchové napětí mezi piny a pájecí ploškou: Funkční Test *Dobrý! ICT / X-Ray *Dobrý! Spolehl. spoje -Špatná! X Méně než 5 C DT může znamenat rozdíl mezi špatnou a dobrou spolehlivostí!????? Obrázky: ERSA Náležitá teplota smáčení. SnPb:195/205 C or SnAgCu:230/235 C (vznikla intermetalická slitina) Slitinová vazba mezi piny a pájecí ploškou: Funkční test *Dobrý! ICT / X-Ray *Dobrý! Spolehlivost spoje - Dobrá!

57 BGA optické zařízení odhalí kritické nedostatky! X Sn// Sn// Sn// Cu Cu CU Sn// Sn// Sn// Cu Cu CU Cu 3 Sn / Cu 6 Sn 5 V bodu tání pájky SnPb:185 C or SnAgCu:225 C (Kapalná pájka teče) Povrchové napětí mezi piny a pájecí ploškou: Funkční Test *Dobrý! ICT / X-Ray *Dobrý! Spolehl. spoje -Špatná! X Pictures: ERSA BGA optické zařízení bere v úvahu řádnou kvalitu SMT *Proper Test & Inspection results depend on equipment and techniques Náležitá teplota smáčení. SnPb:195/205 C or SnAgCu:230/235 C (vznikla intermetalická slitina) Slitinová vazba mezi piny a pájecí ploškou: Funkční test *Dobrý! ICT / X-Ray *Dobrý! Spolehlivost spoje -Dobrá!

58 Pájecí defekt vyplývající ze špatného reflow procesu Nezjištěné defekty znamenají vady DPS na počátku funkce! Jen jeden neodhalený studený pájený spoj vede k ztrátě reputace kvality SMT linky. Pictures: ERSA

59 Kritické body při zájmu o bezolovnaté opravy: 1. Špatné smáčení a typické tečení 2. Deformace substrátu 3. Vyšší procesní teploty buď zničí součástky nebo změní požadovaný tvar pájeného spoje 4. Rýhy, efekt pomerančové slupky, linie tuhnutí, a dentritické tuhnutí krystalů může způsobit menší lesk spoje 5. Zbytky tavidla, Tombstoning a zbytky cínu 6. Zvedání menisku 7. Tvorba whiskerů 8. Tvorba lunkrů

60 Špatné smáčení a typické tečení! Bezolovnaté pájení: Špatné smáčení a typické tečení! Source: ERSA, Frauenhofer

61 Špatné smáčení a typické tečení! Bezolovnatá pájka má problémy se smáčením!!! Initial Lead Free Reflow Solder Test: LF Solder paste: SnAg3.8Cu0.7 Pictures: ERSA, IPC

62 Deformace desky/substrátu Způsobeno vysokou teplotou & nedostatečným podepřením

63 Deformace desky/substrátu Důvodem pokroucených desek a vypouklých součástek je vysoká teplota Větší zvětšení a úhel pohledu je nezbytný! Picture: Philips

64 Vysoké procesní teploty/ změněné pájené spoje Vysokoteplotní reflow profily, s bodem peaku vyšším než 250 C, jsou často doporučovány při užívání technologie bezolovnatého pájení. Tyto velmi vysoké teploty mohou deformovat součástky, DPS a ovlivňují spolehlivost a vzhled pájeného spoje. SnPb SnAgCu SnAgCu X Pájka zatéká více k teplým plochám jak teplota vzrůstá T max 215 C T max 235 C T max 260 C Součástka: Chip C 1206 AgPd Deska: NiAu Pictures: Zollner, Zandt

65 Vysoké procesní teploty/ změněné pájené spoje Vysoké teploty mohou měnit tvar a spolehlivost pájeného spoje. X Neodpovídá normě IPC! T max 235 C T max 260 C Pictures: Zollner, Zandt IPC Electronic Workmanship Standard A-610: Sec ; J-STD-001

66 Vysoké procesní teploty/ Zničení součástek 240 ºC 270 ºC Zničení termoplastického pouzdra součástky. Pictures: Jabil

67 Vysoké procesní teploty/ Zničení součástky 225 ºC 255 ºC Pictures: Philips

68 Vysoké procesní teploty/ zničení součástky 225 ºC 250 ºC Pictures: Philips Tlak páry v ELCO

69 Málo lesklý povrch součástky Povrch součástky vypadá více zrnitý kvůli základnímu dentrickému tuhnutí bezolovnaté pájky. Linie tuhnutí nebo efekt pomerančové slupky jsou pouze kosmetické jevya a neznamenají špatný spoj! Větší zvětšení je nezbytné!

70 Zbytky tavidla, Tombstoning azbytky cínu Zbytky tavidla, tombstoning a zbytky cínu! Velké zvětšení a optimální úhel pohledu nezbytný! Source: ERSA, Frauenhofer ISIT

71 Zvedání menisku FhG ISIT FhG ISIT FhG ISIT PCB PCB PCB Pic. 1 Pic. 2 Pic. 3 Smršťování pájky během chladnutí. Tato změna objemu během chlazení způsobuje zvedání pevné pájky z plošky (obr. 1), nebo zvedání plošky z DPS (obr. 2). Někdy tento problém způsobuje částečně zapraskávání na spodní části menisku (obr. 3). Existují různé teorie, vysvětlující vlastní příčinu tohoto jevu. Projekt NCMS ukázal, že tendence ke zvedání menisku klesá s klesající procesní teplotou. Pro spolehlivé detekování je nutné pozorování pod úhlem 90 při velkém zvětšení!

72 Tvorba whiskerů a voidů Bezolovnaté pájení: Tvorba whiskerů a výskyt lunkrů! Source: Frauenhofer, Phoenix, Solectron

73 Problémy PBGA na velké desce : PBGA Delaminace Velké, těžké, mnohovrstvé DPS obsahující střední a velké PBGA pouzdra, součástky na nich a strany desek musí být zkontrolovány kvůli delaminaci. Tento problém se může vyskytovat v důsledku CTE (Koeficient termální expanze - rozdílů koeficientů) a špatného spojení mezi součástkou a DPS během chlazení. Navíc, substrát součástky se zdvihne v rozích PBGA pouzdra, což vede k prodloužení rohových spojů. Během chlazení tyto rohové kuličky mohou delaminovat nebo se odlomit od součástky nebo od DPS. Tento konkrétní problém může být kontrolován pomocí ICT, funkčního testu, nebo rentgenem. V případě neodhalení tyto desky budou mít za následek nefunkčnost!

74 Problémy BGA na velké desce: PBGA Delaminace Zničení zdvihem Chladící rychlost PBGA substrátu = Y Odtržení! Chladící rychlost substrátu = x

75 Problémy PBGA na velké desce: PBGA Delaminace Zničení rohů PBGA substrátu zdvihem prodlouží rohové kuličky. Odrhnutí! Odtrhnutí! Prodloužené rohové kuličky jsou během chlazení odtrženy!

76 PBGA Delaminace: Obtížné odhalit pomocí rentgenu! Pozvolné zvyšování tlaku na pouzdro ukazuje delaminované spoje! Pictures: ERSA

77 ERSASCOPE UPOZORNUJE! Odhaluje defekty před jejich vyústěním v poruchu! (Click on image to start video taken with ERSASCOPE and ImageDocEXP) Pro odhalení delaminace trhlina na rozhraní kulička-součástka může být odhalena jemným tahem pomocí párátka nebo jiným nástrojem směrem nahoru.

78 ERSASCOPE UPOZORNUJE! Odhaluje defekty před jejich vyústěním v poruchu! (Click on image to start video taken with ERSASCOPE and ImageDocEXP) Pro odhalení delaminace - trhlina na straně desky může být odhalena jemným tahem pomocí párátka nebo jiným nástrojem směrem nahoru.

79 Obavy z kontroly v bezolovnatém procesu Bezolovnaté pájení: Vyšší procesní teploty, špatné smáčení, a rozdílný vzhled masky Vyžaduje větší zvětšení při kontrole & flexibilní úhled pohledu od 0 do 90!

80 ERSASCOPE 2 Vyměnitelné optické hlavy

81 ERSASCOPE 2 stand. hlava BGA vs. ERSASCOPE1 Original ERSASCOPE ERSASCOPE 2 BGA Head

82 ERSASCOPE 2 kvalitnější světelné řízení Integrované irisové clony pro oddělenou přední &zadní světelnou kontrolu. Pouze zadní světlo Pouze přední světlo Přední a zadní světlo

83 Revoluční ERSASCOPE 2 Micro Flip Chip kontrola Micro Flip Chip kontrola Horní FC menisk 25 micronů mezera!

84 Nízký profil CSP (pod 0.10mm) vnitřní kontrola Řada 6 vnitřních CSP spojů, světlá výška 0.08mm!

85 ERSASCOPE Doplňky FLEXSCOPE flexibilní Endoskop. Průměr 400 µm Rozlišení 1600 pixel Délka 100 mm

86 ImageDoc EXP Porovnání Dobrých & Špatných příkladů v databázi

87 ImageDoc EXP Databáze řešení problémů -více než 1GB procesních znalostí!

88 Jaké jsou skutečné náklady pří řízení kvality???? Mnoho výrobců zná skutečné finanční náklady a umí si představit snížení nákladů za záruku při nezdaru,způsobeném neschopností najít možné problémy vzniklé během procesu na jejich linkách. A kdo doopravdy věří, že se zavedením bezolovnatého procesu tyto problémy zmizí? Právě naopak, všechny náznaky vedou k tvrzení, že se tyto problémy zvětší!

89 Několik moudrých slov, které mohou pomoci! Rozumný muž řekne: Jestliže to není rozbité, nebudeme to opravovat. Rozumnější muž se zeptá: Jestliže nemůžeme vidět, co je rozbité, jak můžeme poznat, co se má opravit! Vidět znamená přežít. Pouze schopnost vidět všechny potencionální problémy Vám umožňuje reagovat, napravit tyto problémy a zajistit kvalitu! Bezolovnatý proces bude vyžadovat důkladnější kontrolu!