MONTAŻ LUTAMI BEZOŁOWIOWYMI

Transkrypt

1 I Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna EKOLOGIA W ELEKTRONICE Przemysłowy Instytut Elektroniki Warszawa, MONTAŻ LUTAMI BEZOŁOWIOWYMI Krystyna BUKAT, Józef GROMEK Instytut Tele i Radiotechniczny Warszawa, ul. Ratuszowa 11, tel krysbuk@itr.org.pl W artykule przedstawiono przyczyny poszukiwań zamienników lutów cynowoołowiowych oraz informacje na temat szkodliwości ołowiu. Podano aktualny stan wiedzy na temat światowych wyników poszukiwań zamienników ołowiu i lutów cynowo-ołowiowych oraz pierwszych prac nad montażem lutami bezołowiowymi. Zawarto również wiadomości o prowadzonych w kraju pracach nad lutami bezołowiowymi i montażem bezołowiowym. 1. WPROWADZENIE W połowie 1999 roku został zaprezentowany w Parlamencie Europejskim projekt tzw. Dyrektywy WEEE (Waste from Electrical and Electronic Equipment), zwanej dalej Dyrektywą 2004, która mówi o zakazie stosowania ołowiu w elektronice od 1 stycznia 2004 roku [1]. Dyrektywa WEEE ma na celu zabezpieczenie istniejących odpadów z elektrycznego i elektronicznego sprzętu, zminimalizowanie szkodliwego wpływu odpadów na środowisko w trakcie składowania oraz eliminację szkodliwych materiałów z nowopowstających produktów. Oczekuje się, że ostateczne zatwierdzenie Dyrektywy nastąpi w 2001 roku. Poszczególne kraje Unii Europejskiej będą miały od tego momentu 1,5 roku na dostosowanie swoich przepisów do prawodawstwa Unii Europejskiej. Polska aspirując do wejścia do Unii Europejskiej również musi się liczyć z możliwością zakazu stosowania ołowiu w elektronice od 2004 roku, co może w sposób znaczący wpłynąć na możliwości dalszej produkcji układów elektronicznych na potrzeby kraju i na eksport. Ołów zaliczany jest do tzw. neurotoksyn, czyli tzw. trucizn mózgu. Powoduje on trwałe uszkadzanie komórek mózgu (neuronów) oraz połączeń między neuronami, co wpływa na sprawność myślenia a nawet zmiany osobowości, takie jak złośliwość, zdzie- 91

2 cinnienie, dziwactwa. Oprócz szkodliwego oddziaływania na mózg, ołów wpływa niekorzystnie na układ krwionośny człowieka powodując niedokrwistość. Stwierdzono też rakotwórcze i embriotoksyczne działanie tego pierwiastka. W elektronice ołów stosowany jest w stopach cynowo-ołowiowych do lutowania wyprowadzeń podzespołów elektronicznych na płytkach drukowanych pokrytych również tym stopem. Znajduje się on w wielu elementach w bardzo rozproszonym stanie, dlatego trudny jest do odzysku i recyklingu ze zużytych urządzeń elektrycznych i elektronicznych, które lądują na wysypiskach śmieci, z których może przedostawać się do gleby i wód gruntowych. Na rys.1 pokazano mechanizm przedostawania się ołowiu do wód gruntowych. Kwaśny deszcz, będący wynikiem zanieczyszczenia atmosfery, działa na składowany na wysypiskach ołów zawarty w sprzęcie elektronicznym. Ołów stopniowo rozpuszcza się w kwaśnej wodzie, w wyniku czego powstają rozpuszczalne w wodzie, trujące związki ołowiu (np. azotan ołowiu), które łatwo przenikają do gruntu, a dalej do wód gruntowych, powodując zatruwanie eko-systemu człowieka [2]. kwaśny deszcz złomowane lutowane elementy zetknięcie się kwaśnego deszczu z lutowiem woda zanieczyszczona ołowiem woda gruntowa zanieczyszczona przez ołów Rys.1. Mechanizm przedostawania się ołowiu z wysypisk śmieci do wód gruntowych Jaka jest waga tego problemu? W 1995 r. kraje Unii Europejskiej wyrzuciły na śmieci ponad 6 mln. ton odpadów elektronicznych, w tym 25 mln. odbiorników telewizyjnych. Prognozy mówią o złomowaniu 150 mln. komputerów osobistych w USA do 2005 r.[3]. Sprzedaż sprzętu elektronicznego na świecie stale wzrasta, ze względu na ogromne uznanie i aprobatę społeczną, W 1998 r. światowa sprzedaż produktów elektronicznych wynosiła ponad 1 trylion dolarów, a do 2003 r. przewiduje się wzrost sprzedaży do ponad 1,5 tryliona dolarów [3]. Jak wynika z tych przytoczonych kilku liczb waga problemu jest duża. 2. ZALETY LUTOWANIA STOPAMI CYNOWO- OŁOWIOWYMI Z technicznego punktu widzenia wprowadzenie Dyrektywy WEEE będzie oznaczało rewolucję w technologii lutowania. Lutowanie stopami cynowo-ołowiowymi ma wielowiekową tradycję, a w elektronice umocnioną pozycję od 50 lat mają eutektyczne i bliskoeutektyczne spoiwa cynowo-ołowiowe: 63Sn36Pb, 60Sn40Pb, 62Sn36PbAg2, które charakteryzują się unikalnymi właściwościami (tabela 1), a szczególnie odpowiednim zakresem temperatur topnienia, bardzo dobrymi właściwościami lutowniczymi, mecha- 92

3 nicznymi, elektrycznymi, odpornością na zmęczenie, dostępnością, taniością oraz możliwością stosowania lutowia w różnych formach: laski (do wanien, agregatów do zmechanizowanego lutowania), druty (naprawy ręczne), proszki do past (lutowanie rozpływowe) [4, 5]. Tabela 1. Właściwości fizyczne stosowanych w elektronice spoiw cynowo-ołowiowych [6], [7] Lp. Właściwość Jednostka 63Sn/37Pb 60Sn/40Pb 62Sn36PbAg2 1. Temperatura przemiany: C Solidus Liquidus Zakres plastyczności C Przewodność elektryczna 10 4 Ω -1 cm -1 6,9 6,9 6,8 4. Przewodność cieplna W/mK 50,9 49,8 49,0 (w 300K) 5. Współcz. Rozszerzalności 10-6 / C 25 24,1 21,0 cieplnej (CTE) (w 293K) 6. Wytrzymałość na rozciąganie MPa 33,3 37,3-7. Wydłużenie względne (a 5 ) % Najważniejszą jednak zaletą spoiw cynowo-ołowiowych jest to, że nadają się one zarówno do wykonywania połączeń lutowniczych, jak również na pokrycia ścieżek i pól lutowniczych na płytkach drukowanych oraz na pokrycia końcówek i wyprowadzeń podzespołów, zapewniając płytkom drukowanym i podzespołom odpowiednią lutowność. 3. WYNIKI BADAŃ NAD ZAMIENNIKAMI OŁOWIU I LUTÓW CYNOWO-OŁOWIOWYCH Od kilku lat prowadzone były na świecie prace ukierunkowane na poszukiwanie zamiennika ołowiu i eutektycznego stopu cynowo-ołowiowego [2, 8, 9]. Kryteria, którymi kierowano się przy wyborze były: toksyczność, względy ekonomiczne, dostępność kopalin oraz właściwości fizyko-chemiczne potencjalnego zamiennika ołowiu i spoiwa bezołowiowego, a szczególnie jego temperatura topnienia oraz to, czy spoiwo jest eutektyczne. W tabeli 2 podano porównanie kosztu, produkowanych ilości i względnej toksyczności potencjalnych zamienników ołowiu [3]. Jak wynika z przytoczonych danych liczba pierwiastków możliwych do rozważenia jest bardzo niewielka. Z tej listy eliminacji ulegają takie pierwiastki jak: ind, ze względu na zbyt wysoka cenę i niskie światowe zasoby, cynk, ze względu na zbyt duży stopień utleniania i korozję. 93

4 Tabela 2. Koszt i światowa produkcja potencjalnych zamienników ołowiu Pierwiastek Koszt USD/kg Światowa produkcja NDS mg/m 3 x10 3 ton Miedź (Cu) 2, Cynk (Zn) 1, Cyna (Sn) 5, Antymon (Sb) 2, ,5 Srebro (Ag) 195, ,1 Bizmut (Bi) 6,61 4 brak Ind (In) 230,00 0,12 0,1 Ołów (Pb) 0, ,03 W tej sytuacji, z praktycznego punktu widzenia, jako zamienniki ołowiu w stopie cynowo-ołowiowym mogą być brane pod uwagę: miedź, bizmut, srebro, choć również jest drogie i ewentualnie antymon. Przebadano około 200 spoiw cynowych z potencjalnymi zamiennikami ołowiu. Prace te zakończone w ciągu ostatnich trzech lat doprowadziły do wniosku, że nie ma jednego zamiennika stopu 63Sn37Pb. Spoiwa bezołowiowe najbardziej różnią się od 63Sn36Pb zakresem temperatur topnienia. Aktualnie brane są pod uwagę jako zamienniki następujące spoiwa eutektyczne: 96,5Sn3,5Ag (w USA), 99,3Sn0,7Cu (w Europie), 48Sn52Bi (w Japonii). Tabela 3. Temperatury topnienia eutektycznych spoiw bezołowiowych Rodzaj spoiwa Temperatura topnienia C 99,3Sn0,7Cu ,5Sn3,5Ag Sn52Bi 139 Spoiwa 99,3Sn0,7Cu i 96,5Sn3,5Ag charakteryzują się wyższą temperaturą topnienia niż stop 63Sn36Pb. Wyższe temperatury lutowania będą wymagały bardziej odpornych termicznie podzespołów i topników niż dotychczas stosowane. Omówione czynniki będą zatem zawężać okno technologiczne w procesie lutowania. Rozważa się możliwość zastosowania tych stopów do lutowania układów elektronicznych dla przemysłu motoryzacyjnego, nie zmienia to jednak faktu poszukiwania nowych, bardziej odpornych termicznie materiałów, tzn. płytek drukowanych i podzespołów. Spoiwo 48Sn52Bi może być rozważane do lutowania bardzo wrażliwych na temperaturę elementów elektronicznych, ze względu na znacznie niższą temperaturę topnienia. Zakres stosowania tego typu lutowia jest znacznie ograniczony. Coraz więcej prac skupia się na trójskładnikowych, pozaeutektycznych lub bliskoeutektycznych spoiwach: SnAgCu oraz SnAgBi i SnCuBi, ponieważ charakteryzują się niższymi temperaturami topnienia niż 96,5Sn3,5Ag i 99,3Sn0,7Cu. Te spoiwa nadają się raczej na proszki do past lutowniczych, natomiast nie są zalecane do agregatów lutowniczych [8]. 94

5 Tabela 4. Temperatury topnienia wybranych trójskładnikowych lutów bezołowiowych Rodzj spoiwa Zakres temperatur topnienia C 95,5Sn-3,5A-g0,7Cu 217 (eutektoid) 93,5Sn-3,5Ag-3Bi ,5Sn-10Bi-0,5Cu Właściwości elektryczne omawianych lutowii są zbliżone do 63Sn37Pb, natomiast wytrzymałości mechaniczne niektórych z nich są wyższe [9]. Rozważając dyrektywę WEEE należy brać pod uwagę nie tylko eliminację ołowiu z lutowii, ale także z pokryć ścieżek płytek drukowanych oraz wyprowadzeń podzespołów. Jak pokazano na rys. 2, aktualnie około 60% produkowanych na świecie płytek drukowanych powleka się spoiwem cynowo-ołowiowym tzw. metodą HASL (Hot Air Solder Leveling). Resztę stanowią inne pokrycia, które nie zawierają ołowiu w swojej recepturze. 5,3 1,9 7,8 25,6 Ni/Au HASL OSP SnPb Pd 1998 szacunkowo 59,4 Rys. 2. Udział poszczególnych rodzajów powłok zabezpieczających miedź na płytkach drukowanych (wg. IPC TMRC 1998 r.) Od kilku lat obserwuje się postęp w zakresie powłok zabezpieczających lutowność płytek drukowanych związany z koniecznością uzyskiwania płaskich pól lutowniczych na pd do lutowania podzespołów o bardzo małym rastrze ( fine pitch i very fine pich ) w technologii montażu powierzchniowego. W praktyce przemysłowej istnieją pokrycia złotem chemicznym na podwarstwie niklu (Ni/Au), do praktyki zaczynają wchodzić chemiczna cyna, nikiel/pallad oraz powłoki organiczne (OSP), rozważane są powłoki srebrowe [10]. Udział każdej z tych bezołowiowych powłok zabezpieczających lutowność płytek drukowanych jest jednak mniejszy w porównaniu z powłokami nanoszonymi metodą HASL (rys. 2), ponadto każde z tych nowych rozwiązań niesie ze sobą nie tylko zalety ale i wady w porównaniu z tradycyjnym zabezpieczeniem miedzi powłoką SnPb. Powłoki złote (Ni/Au) wymagają bardzo ścisłego reżimu technologicznego, bowiem niedotrzymanie parametrów może spowodować nieszczelność powłoki złotej, migrację niklu do powierzchni i utratę lutowności przez ścieżki na pd. Poza tym jest to bardzo drogie wykonanie. Powłoki organiczne, które są tanie, są wrażliwe na narażenia termiczne, a te będą nieuniknione w przypadku lutowania stopami bezołowiowymi. Dlatego też oprócz rozważań na temat całkowitej eliminacji nakładania powłok metodą 95

6 HASL, prowadzone są prace nad zamiennikami stopu SnPb do nakładania powłok tą metodą [11]. Najbardziej obiecującym jest stop 99,3Sn 0,7Cu (o temperaturze topnienia 227 C) oznaczony przez firmę Multicore symbolem 99C. Jednak przemysłowe zastosowanie tego stopu będzie wymagało wielu prac dotyczących badań nad odpornością termicznej materiałów, niezawodnością, itp. Rozważana jest również zmiana sposobu prowadzenia procesu nakładania powłok metodą HAL z wertykalnej na horyzontalną, a to wymaga zmiany aparatury i parametrów technologicznych procesu [12]. W przypadku podzespołów obserwuje się bardzo mało doniesień na temat prac zmierzających do eliminacji SnPb z pokryć wyprowadzeń, ponieważ te prace są najmniej zaawansowane. Rozważane są następujące pokrycia wyprowadzeń: Sn, Pd/Ni, Au, Ag Sn/Bi [13]. Najbardziej obiecujące wyniki po narażeniach termicznych połączeń lutowanych uzyskano dla wyprowadzeń podzespołów pokrytych cyną. Tego typu podzespoły dawały trwałe złącza na złoconych chemicznie płytkach drukowanych lutowanych pastami zawierającymi stopy bezołowiowe: 99,3Sn 0,7Cu i 96,5Sn 3,5Ag [14]. 4. WYNIKI PRÓB LUTOWANIA ZAMIENNIKAMI LUTÓWCYNOWO-OŁOWIOWYCH Wychodząc z założenia, że w połączeniu lutowanym stosunek udziału metalu z lutowia, podłoża i wyprowadzenia podzespołu wynosi jak 70:25:5, pierwsze prace nad montażem bezołowiowym skupiały się na lutowaniu stopami bezołowiowymi, uwzględniano też płytki drukowane z pokryciami bezołowiowymi, natomiast podzespoły posiadały pokrycia SnPb. Wkrótce okazało się jak błędny jest taki punkt widzenia. Otóż wprowadzenie nawet małej ilości ołowiu do połączenia bezołowiowego prowadzi niekiedy do katastrofalnych wyników, ponieważ tworzą się niskotemperaturowe eutektyki z ołowiem, co powoduje obniżenie termicznej wytrzymałości połączeń. Szczególnie ostro fakt ten ujawnił się w przypadku lutów SnBi, które z ołowiem tworzą bardzo nisko topliwą etektykę, jak to pokazano w tabeli 5. Tabela 5. Wpływ dodatku ołowiu na temperaturę topnienia dwuskładnikowych stopów bezołowiowych [15] Typ stopu bezołowiowego Temperatura topnienia stopu Temperatura topnienia stopu Bezołowiowego, C bezołowiowego zanieczyszczonego ołowiem, C Sn - Ag Sn - Bi Sn - Sb Sn - Zn Innym problemem, który ujawnił się podczas prób lutowania na fali stopami cynabizmut jest występowanie tzw. zjawiska lift-off, tj. odrywania się lutowia cynowego zawierającego powyżej 5% Bi od podłoża miedzianego. Zjawisko to jest wywołane mikrosegregacją bizmutu i gromadzeniem się jego nadmiaru przy powierzchni lutowiny, wskutek czego powstaje dodatkowa warstwa pomiędzy podłożem a lutowiem uniemożliwiająca połączenie się lutowia z podłożem [16]. Kolejnym problemem jest nadmierne utlenianie się lutów bezołowiowych, co w przypadku lutowania na fali lutowia prowadzi do tworzenia nadmiernej ilości żużla, który tworzy się około 3-5 razy szybciej niż dla stopów SnPb. Również nierozwiązany 96

7 jest problem zwiększonej rozpuszczalności niektórych pierwiastków z podłoża, np. Cu w stopach bezołowiowych. Do sukcesów w montażu lutami bezołowiowymi należy zaliczyć lutowanie rozpływowe pastą zawierająca lutowie 95,5Sn 4Ag 0,5Cu i topnik typu no-clean nie zawierający haklogenków. Proces montażu podzespołów typu PLCC oraz rezystorów i kondensatorów typu chip prowadzono na płytkach drukowanych pokrytych Au/Ni oraz płytkach chemicznie srebrzonych. Montaż prowadzono na standardowej linii montażowej SMT. Również pozytywnie wypadł proces lutowania podzespołów w obudowach BGA i µbga kulkami lutowia bezołowiowego 95,5Sn 3,8Ag0,7Cu na podłożu złoconym [17]. 5. STAN PRAC NAD LUTAMI BEZOŁOWIOWYMI I MONTAŻEM BEZOŁOWIOWYM W KRAJU Prace nad lutami bezołowiowymi i lutowaniem bezołowiowym w kraju są dopiero na początku drogi. W latach prowadzony był projekt badawczy dotyczący badania wpływu halogenków w topnikach na kinetykę zwilżania i właściwości połączeń lutowanych spoiwami bezołowiowymi [18]. Efektem tej pracy było wytypowanie topników typu no-clean do lutowania spoiwami 91Sn 7,2Bi 1,8Ag, 97Sn 9,4Bi 0,43Cu oraz 97Sn 1,8Ag 0,8Cu i 0,4Sb. Próba zainteresowania producenta stopów nowymi, bezołowiowymi materiałami nie dała pozytywnego rezultatu. Wiąże to się z brakiem zainteresowania polskiego rynku elektronicznego bezołowiowymi materiałami do lutowania. 6. WNIOSKI Na podstawie dotychczasowej wiedzy należy stwierdzić, że montaż bezołowiowy na potrzeby elektroniki jest nie tylko możliwy do przeprowadzenia, ale jest również nieunikniony ze względu na Dyrektywę WEEE Unii Europejskiej. Nie istnieje jeden zamiennik tradycyjnego lutowia bezołowiowego, dlatego badania nad montażem muszą być prowadzone wielokierunkowo. Największe nadzieje wiąże się z cynowymi lutami dwuskładnikowymi z dodatkami miedzi i srebra do lutowania na fali, do lutowania ręcznego oraz do procesu pokrywania płytek drukowanych metodą HASL. Trójskładnikowe stopy SnAgCu oraz SnBiCu i SnBiAg preferowane są past lutowniczych przeznaczonych do lutowania rozpływowego. Nieuniknionym jest też stosowanie bezołowiowych wyprowadzeń podzespołów. Tu największą nadzieję wiąże się z pokryciem cyną chemiczną. Przytoczone w artykule rozważania i przykłady świadczą o tym, że montaż bezołowiowy jest możliwy do przeprowadzenia, świadczą również o tym, że tylko niewielka część problemów związanych z montażem bezołowiowym została na świecie pokonana. LITERATURA 1. Guidance for Pb-Free Soldering Technology. Tamura Corporation, Japan Productronic fair, Munich, Charles H.K., Sinnadurai N.:Microelectronics: Rinsing to the Environmental Challenge?! Proceedings of 12 th European Microelectronics and Packaging Conference. June 1999, Kisiel R.: Właściwości użytkowe lutowi bezołowiowych. Elektronika Vol 36 nr 8, 1995, Biocca P.:Global Update on Lead-Free Solders, SMT, June 1999,

8 5. Hwang J.:Modern Solder Technology for Competitive Electronics Manufacturing, McGraw-Hill, PN-76/M Spoiwa cynowo-ołowiowe do lutowania miękkiego. Gatunki 7. Grust A.:Connecting to Lead-Free Solders. Reprint with permission from Circuits Assembly, August 1999, Miller Freeman Inc. 8. Adolphi B.:Lead-Free Solders: And What Now?. VTE, 11, No. 5, 1999, E Melton C., Feurhaupter H.:Lead-free Tin Surface Finish for PCB Assembly. Circuit World, Vol. 23, No. 2, 1997, Seto P., Evans J., Bishop S.:Analysis of the Palladium Finish. SMT, June 1999, Buetow M.:Green Stamps. PC Fabrication Vol 22, No. 6, June 1999, Snowdon K.:Towards a Green Proceedings of 12 th European Microelectronics and Packaging Conference. June 1999, Russel M.:A Study to Determine a Suitable Replacement for Lead Based Solder for Surface Finishing of Devices. Proceedings of Imaps-Europe Prague 2000 Conference, June 2000, Hampshire W.B.:Some Problems in Switching to Lead-free Solders. Soldering & Surface Mount Technology. No.25, February 19997, Suganuma K.:Influence of Various Factors on Lift-Off Phenomenon in Wave Soldering. Proceedings of 12 th European Microelectronics and Packaging Conference. June 1999, Wojciechowski D.,Truzzi C.:Impact on BGAs, Process and Equipment of Lead- Free Soldering. Proc. of Imaps-Europe, Prague 2000 Conference, June 2000, Kisiel R.: Badanie wpływu zawartości halogenków w topnikach na kinetyk zwilżania i właściwości połączeń lutowanych spoiwami bezołowiowymi. Raport końcowy projektu badawczego Nr 8 T11B LEAD - FREE ASSEMBLY The search reason of lead-free solders and the information of lead toxicity were presented in this article. The currently knowledge of the investigated lead-free alloy results and the first on the world lead-free assembly were contained too. The information of the solder alloy substitution investigation and lead-free assembly carried out in our country were also included in this paper. 98