Wdrażanie technologii bezołowiowego lutowania rozpływowego jakość połączeń lutowanych dr inż. GRAŻYNA KOZIOŁ, dr inż. JÓZEF GROMEK, Instytut Tele- i Radiotechniczny, Warszawa Upowszechnienie montażu powierzchniowego spowodowało w ciągu ostatnich lat istotne zmiany w wyrobach, płytkach i urządzeniach związane z pojawieniem się na rynku nowych obudów o wielu wyprowadzeniach o bardzo małym rastrze, obudów z wyprowadzeniami sferycznymi umieszczonymi pod obudową oraz wprowadzaniem nowych wymagań dotyczących np. doskonałej płaskości pól lutowniczych, pojawieniem się nowych powłok zabezpieczających lutowność płytek drukowanych, stosowaniem wysoko zaawansowanych automatów do osadzania podzespołów. Stosowanie stopów bezołowiowych Niezależnie od wprowadzanych zmian adaptacja procesów lutowania bazujących na znanym od zawsze stopie Sn63Pb37 przebiegała bez trudności. Obecnie stop lutowniczy Sn63Pb37 jest zastępowany w montażu elektronicznym jednym lub wieloma stopami bezołowiowymi, których własności technologiczne, fizyczne i mechaniczne w sposób istotny różnią się lub są gorsze w porównaniu z własnościami stopu ołowiowego. Stopy bezołowiowe wymagają wyższych temperatur lutowania. Ten fakt powoduje powstawanie znacznie większych naprężeń zarówno w płytkach jak i podzespołach w procesie lutowania. Jeden z najpowszechniej stosowanych stopów bezołowiowych Sn96,5/Ag3,0/Cu0,5 topi się w temperaturze ok. 217 C, co powoduje, że płytka drukowana i podzespoły w procesie lutowania będą poddawane działaniu temperatury co najmniej 235...240 C. Ponieważ zbyt wysokie temperatury lutowania wprowadzają ryzyko uszkodzenia podzespołów i odkształcania montowanych płytek oraz problemy z lutowaniem płytek dwustronnych, to temperatury w piku lutowania powinny być tylko niewiele wyższe od temperatury topnienia stosowanego stopu bezołowiowego. Okno procesowe procesu lutowania, wynoszące 30...40 C dla stopu Sn63Pb37, zmniejsza się do 10...15 C w przypadku stopów bezołowiowych. Następnym problemem związanym ze stosowaniem stopów bezołowiowych jest ich gorsza zwilżalność w porównaniu ze stopami Sn63Pb37. Kąty zwilżenia stopu powłoki cyny immersyjnej przez stopy Sn63Pb37 i SnAgCu wynoszą odpowiednio 10 i 30. Niezbędne jest stworzenie warunków projektowych, konstrukcyjnych i technologicznych, które by pozwoliły na prawidłowe zwilżenie pól lutowniczych przez stop bezołowiowy i pozwoliły na zminimalizowanie różnic temperatury na płytce (delta T) w celu zabezpieczenia małych lub bardziej wrażliwych podzespołów przed uszkodzeniem. Ograniczony rozpływ stopów bezołowiowych powoduje również, że dokładność osadzania podzespołów na płytce drukowanej ma znacznie większy wpływ na jakość bezołowiowych połączeń lutowanych niż ta, do której wykonawcy montażu byli dotychczas przyzwyczajeni [1]. Dobór pasty lutowniczej Odpowiedni wybór pasty lutowniczej jest jednym z czynników odpowiedzialnych za prawidłowy przebieg procesu lutowania. Przy wyborze pasty bezołowiowej należy przede wszystkim brać pod uwagę zależność między chemią topnika a rodzajem powłoki lutownej podzespołu i płytki drukowanej. W pastach bezołowiowych często znajduje się topnik o podwyższonej aktywności, który zapewnia dobrą zwilżalność w czasie lutowania w atmosferze powietrza, ale może generować bardzo wysoki poziom korozyjnych zanieczyszczeń i pozostawiać po lutowaniu pozostałość ulegającą utlenianiu lub polimeryzacji lub generującą zjawisko elektromigracji. Charakterystyka temperaturowo-czasowa procesu lutowania zespołu na płytce drukowanej nie jest tylko wyłącznie związana z mniej lub bardziej złożoną konstrukcją wyrobu i jego masą cieplną, ale zależy w znacznej mierze od topnika i stopu znajdujących się w paście bezołowiowej. Pasty różnych producentów, a zwłaszcza pasty bezołowiowe, mogą mieć różne charakterystyki w celu osiągnięcia optymalnego przebiegu lutowania. Badano 4 typy past różniących się wielkością ziaren od dwóch producentów, różną wielkością ziarna proszku stopu SAC (typ 3 i typ 4) i aktywnością topnika (ROL0 i ROL1). Dane katalogowe badanych past podano w tabeli 1. Pasty lutownicze dobierano na podstawie wyników badań laboratoryjnych i testów technologicznych. Brano też pod uwagę rozpływność past na powierzchni różnych powłok finalnych płytek drukowanych chroniących lutowność miedzi [2, 3]. Badania laboratoryjne obejmowały następujące testy: osiadania przeprowadzany zgodnie z normą IPC TM 650 2.4.35. Ocenę wykonywano po 24 godzinach, po nadrukowaniu pasty i po 15 min przechowywania w 185 C. Najlepsze wyniki uzyskano dla pasty A, B i E, koalescencji. Wszystkie badane pasty spełniły wymagania normy IPC-TM-650 2.4.43. rozpływności przeprowadzany zgodnie z normą ANSI/J- STD-005. Najlepsze wyniki uzyskano dla pasty A, B I E, rezystancji powierzchniowej izolacji (SIR). Wszystkie badane pasty spełniły wymagania normy IPC-TM-650 2.6.3. Tab. 1. Dane katalogowe badanych past. Tabl. 1. Catalogue data of tested soldering pastes Oznaczenie A, E B C D,F Symbol 5.8LS type 4, ROL0 5.8LS type 3, ROL0 5.1 type 3, ROL1 5.1 type 4, ROL1 Stop 96,5Sn/3,0Ag/0,5Cu 96,5Sn/3,0Ag/0,5Cu 96.5Sn/3,0Ag/0,5Cu 96,5Sn/3,0Ag/0,5Cu Zawartość metalu 89% 88,75% 89% 88,75% Typ proszku type 4 type 3 type 3 type 4 Typ topnika ROL0 ROL0 ROL1 ROL1 Wielkość ziaren 90% ziaren ma wielkość 38...20 µm (-325/+500 mesh) 80% ziaren ma wielkość 45...25 µm (-400/+635 mesh) 80% ziaren ma wielkość 45...25 µm (-400/+635 mesh) 90% ziaren ma wielkość 38...20 µm (-325/+500 mesh) Elektronika 3/2008 9
Dla niektórych badanych past (A i D) zaobserwowano niecałkowite zwilżanie pól pod podzespołami QFP oraz zbyt małą koalescencję kulek w paście lutowniczej dla pól pod podzespołami 0201. Zjawisko to mogło wynikać ze zbyt szybkiego odparowania topników z pasty w strefie grzania wstępnego. Zwiększenie szybkości narastania temperatury w strefie podgrzewania i obniżenie temperatury w piku lutowania przyniosło poprawę i nastąpiła całkowita koalescencja obu past przy przetopieniu. Na rys. 1. przedstawiono różnice w zwilżalności pól lutowniczych pod podzespoły 0201 i QFP przez pastę bezołowiową przetapianą w procesie lutowania z prawidłowo i nieprawidłowo dobranym profilem lutowania. Nanoszenie past lutowniczych metodą druku przez szablon Tab. 2. Wyniki zwilżalności starzonych (4 h, 155 C) bezołowiowych powłok ochronnych przez bezołowiowe pasty Tabl. 2. An example of the results of solder pastes wetting tests for the investigated lead-free finishes after ageing Sn Topnik ROL1 pasta typ 4 Topnik ROL0 pasta typ 4 Ag OSP HASL Sn Ag OSP HASL A B-C B-C A Lutowność powłok na polach lutowniczych płytek drukowanych: cyny immersyjnej (Sn), złota chemicznego na podwarstwie niklu (Ni/Au) stopu SnAgCu nakładanej metodą HASL, srebra immersyjnego i OSP oceniano przez badanie zwilżalności powłok przez pasty [3]. Powłoki badano w stanie dostawy oraz po narażeniu cieplnym w 155 C przez cztery godziny i po trzykrotnym przejściu przez piec do lutowania rozpływowego. Pasty nadrukowywano na płytki przez szablon 150 µm. Bezpośrednio po nadruku pasty płytki umieszczano na gorącej płycie (60 s w 240 C). Płytki testowe oceniano wizualnie przy powiększeniu 10. Lut powinien równomiernie zwilżać powierzchnię cyny immersyjnej bez widocznych odwilżeń i niezwilżeń oraz nie powinny występować rozproszone kuleczki lutu w pobliżu miejsca przetapiania pasty. Przykład uzyskanych wyników przy temperaturze 240 C przedstawiono w tab. 2. Za najbardziej krytyczną operację w montażu podzespołów o małym gabarycie lub z wyprowadzeniami z bardzo małym rastrem uważany jest proces nanoszenia bezołowiowej pasty lutowniczej, wpływający w sposób istotny na jakość połączenia lutowanego. Dotychczasowe doświadczenia wykonawców montażu, krajowych i zagranicznych, wskazują na to, że różnice w reologii pasty i zdolności uwalniania pasty z okien szablonu powodują istotne różnice w rozpływie pasty w procesie lutowania i wpływają w sposób oczywisty na wygląd i wytrzymałość bezołowiowych połączeń lutowanych. Pasta bezołowiowa nie pokryje całkowicie pól lutowniczych, jeżeli stosuje się szablon z nieodpowiednio zaprojektowanymi oknami lub, jeżeli wystąpią przesunięcia nadruku pasty. Wpływ tych czynników na długofalową niezawodność wyrobu bezołowiowego ma istotne znaczenie. Do badań użyto szablonów o grubości 100 µm i 150 µm wykonanych z niklu techniką elektroformowania, która pozwala na uzyskanie mozaiki szablonu o zakładanym w projekcie zagęszczeniu okien. Zaprojektowano cztery modele szablonów o następującym wymiarze okien [4]: A. zgodne z wymiarami pól lutowniczych, B. o 50 µm większe niż pola lutownicze na płytce drukowanej, C. o 50 µm większe niż pola lutownicze na płytce drukowanej oraz nie powiększone w krytycznym wymiarze, gdzie odległość pomiędzy kolejnymi padami jest 320 µm, Rys. 1. Wygląd pasty A przetopionej na polach lutowniczych pod podzespoły 0201 i QFP według: a) profilu optymalnego; b) profilu o wyższej szybkości narastania temperatury w strefie podgrzewania i temperaturze w piku lutowania Fig. 1. An appearance of the solder paste on the pads of the 0201 and QFP components after reflow process according to: a) the best profile; b) the profile with higher temperature changes in the pre-heating zone and higher peak temperature 10 Elektronika 3/2008
Rys. 2. Nadmiar lutu na elementach rezystancyjnych w obudowie typu 0201: a) pola lutownicze z naniesioną pastą pod elementy 0201 przedstawione w trójwymiarowej formie graficznej; b) zgład metalograficzny połączenia lutowniczego Fig. 2. Too much solder on the 0201 resistors: a) the shape of paste printed on the pads of R 0201 in graphic form; b) a cross-section of solder joint Rys. 3. Przykład nierównomiernego nałożenie pasty na polu lutowniczym pod podzespół 0201 Fig. 3. Examples of irregular solder paste print on pad of R 0201 D. zgodne z wymiarami pól lutowniczych oraz o 25 µm mniejsze w krytycznym wymiarze, gdzie odległość pomiędzy kolejnymi padami jest 3 20 µm. Porównania nadruku pasty przez poszczególne modele szablonów dokonano na podstawie oceny kształtu i objętości nakładanych na pola lutownicze cegiełek pasty na urządzeniu VisionMaster AP212 firmy ASC Internacional. Obserwowano zbyt duże objętości pasty nakładanej przez szablon typu B i C o grubości 100 µm, szczególnie dla kondensatorów 0201 i rezystorów 0402. Przykładowo na rys. 2a. pokazano pola lutownicze z naniesioną pastą pod elementy 0201 przedstawione w formie graficznej za pomocą urządzenia do analizy trójwymiarowej. W przypadku nanoszeniu pasty na pola pod podzespoły typu 0201 przy użyciu szablonu o grubości 150 µm typ A i D zaobserwowano odrywanie się pasty przy podnoszeniu szablonu. Związane jest to z niekorzystnym stosunkiem pola powierzchni bocznej okna szablonu do powierzchni pola lutowniczego. Wada spowodowana jest pozostaniem części pasty w oknie szablonu podczas odrywania płytki od szablonu. Zdeformowanie cegiełki pasty lutowniczej (rys. 3) może powodować wady połączeń lutowanych (nieprawidłowe połączenie lutowane rys. 4, efekty nagrobkowe rys. 5). Dla małych podzespołów np. 0201 zaleca się używanie szablonu o mniejszej grubości (100 µm) typ A. Stosowanie szablonu o mniejszej grubości może spowodować niekorzystne zjawiska przy lutowaniu płytek zawierających także podzespoły wymagające większych pól lutowniczych (0806, 1206, SO16, QFP). W tym przypadku na większe pola lutownicze naniesiona jest zbyt mała ilość pasty. Dla płytek zawierających różne rozmiary pól lutowniczych rozwiązaniem problemu wydaje się stosowanie szablonów o zmiennej grubości (mniejsza grubość pod podzespoły małe i większa Rys. 4. Podzespół w obudowie 0201 po lutowaniu w przypadku nadrukowania zbyt małej ilości pasty (szablon model D o grubości 150 µm) Fig. 4. The component 0201 after reflow process in the case too low of volume of solder paste on the pad (stencil of model D-150 µm of thickness) grubość pod podzespoły większe) lub stosowanie mniejszej grubości szablonu z powiększonymi oknami szablonu dla podzespołów o większych gabarytach. Proces lutowania rozpływowego Proces bezołowiowego lutowania prowadzono w pełni konwekcyjnym piecu BTU VIP 70A. Profile dobierano na podstawie charakterystyk czasowo-temperaturowych zalecanych przez producentów wybranych bezołowiowych past oraz wykorzystując dotychczasowe własne doświadczenia [5,6]. Badane profile charakteryzowały się następującymi parametrami: profil z szybkością narastania temperatury w strefie podgrzewania od 0,5 do 2 C/s początek strefy lutowania przy temperaturze 190-210 C zalecany czas lutowania od 30 do 90 s zalecana temperatura w piku od 229 do 250 C szybkość chłodzenia 1...4 C. Rys. 5. Przykład efektu nagrobkowego Fig. 5. En example of tombstone failure Elektronika 3/2008 11
Wybrano liniowy typ profilu lutowania, dla którego obserwowano małe narażenia cieplne lutownej powłoki płytki drukowanej, co jest istotne przy lutowaniu drugiej strony płytki. Przykład degradacji połączeń lutowanych uzyskanych w czasie lutowania drugiej strony płytki (profil liniowy, temperatura w piku 235 C, 40 s), gdy pierwsza strona była lutowana przy profilu siodłowym o temperaturze w piku 250 C, czasie 40 s przedstawiono na rys. 6. zgładów metalograficznych połączeń lutowanych, pomiarów sił ścinania połączeń lutowanych podzespołów 1206, 0805 i 0603 oraz oceny wyglądu miejsca po ściętym podzespole przed i po 1000 cyklach udarów cieplnych, badania nieuszkadzalności połączeń lutowanych poddanych narażeniu 100, 500 i 1000 cykli udarów cieplnych (-40 C, 125 C, 10 min). Rys. 6. Przykład połączeń lutowanych po lutowaniu drugiej strony płytki przy profilu liniowym. Płytki z powłoką ochronną: a) cyna immersyjna po starzeniu 4 h, 155 C; b) srebro immersyjne; c) złoto chemiczne na podwarstwie niklu Fig.6. The example of the solder joints the linear type of profile, temp. in the pick 235 C, 40 s. The first side of board- reflow soldering process in ramp-soak type of profile, temp. in the pick 250 C, 40 s. The surface finishes: a) immersion tin after ageing 4 h/155 C; b) immersion silver; c) electroless nickel/ immersion gold Ocena połączeń lutowanych Bezołowiowe połączenia lutowane oceniano na podstawie: wyników obserwacji za pomocą mikroskopu optycznego (NIKON SMZ-1500), automatycznego systemu kontroli rentgenowskiej na urządzeniu Nanome/X 180 NF firmy Phoenix/X-Ray oraz kontroli optycznej na urządzeniu AOI 22X firmy Marantz. W trakcie optymalizacji profilu lutowania dla płytki testowej uzyskano akceptowalny kształt większości badanych połączeń lutowanych na wszystkich badanych lutownych powłokach płytek drukowanych w stanie dostawy. Zaobserwowano nieliczne wady połączeń lutowanych dla podzespołów lutowanych na płytkach z powłokami cyny immersyjnej i stopu SAC, nakładanego metodą HASL poddanych starzeniu, w drastycznych warunkach (4 h, 155 C). Po próbie cykli narażeń cieplnych obserwacja zgładów metalograficznych potwierdziła, że kształt połączeń jest prawidłowy lub akceptowalny dla większości badanych podzespołów. Zaobserwowane nieliczne wady pęknięcia w połączeniu Rys. 7. Wygląd połączeń lutowanych rezystorów 0201: a, b) kolejno powłoki Sn i Ni/Au w stanie dostawy; c, d) kolejno powłoki Sn i Ni/Au po trzech przejściach przez piec do lutowania rozpływowego; e, f) kolejno powłoki Sn i Ni/Au i po starzeniu termicznym w 155 C Fig. 7. The solder joints of the R 0201: a, b) fresh Sn and Ni/Au; c, d) Sn and Ni/Au after three reflow soldering processes; e, f) Sn and Ni/Au after ageing 4 h/155 C Rys. 8. Wygląd połączeń lutowanych podzespołów: a) CSP84 raster 0,5 mm; b) BGA100 raster 0,8 mm Fig. 8. The solder joints of components: a) CSP84 with 0,5 mm pith; b) BGA100 with 0,8 mm pith lutowanym, występowały w przypadku płytek drukowanych z powłoką cynową oraz powłoką stopową starzonych przez 4 h w 155 C, czyli w przypadku powłok, które uległy znacznej degradacji już przed procesem lutowania. Obserwowano nieliczne puste przestrzenie w niektórych połączeniach, szczególnie lutowanych na powłoce cynowej. Średnie wartości siły ścinania dla badanych podzespołów 1206, 0805 i 0603 przed i po tysiącu cykli narażeń cieplnych niezależnie od rodzaju powłoki lub jej stanu były porównywalne do wartości sił ścinania dla podzespołów montowanych przy użyciu lutu SnPb. Zarówno w stanie dostawy jak i po cyklach udarów cieplnych wartości sił ścinania były wyższe od 10 N (minimalna wartość siły ścinania dla połączeń lutowanych zgodnie z ze standardem IEC 60068-2- 21). Obserwowane zmiany wartości sił ścinania dla płytek po cyklach udarów cieplnych nie przekroczyły 30%. 12 Elektronika 3/2008
Rys. 9. Pęknięcia w połączeniu lutowanym na płytkach drukowanych starzonych 4 h w 155 C: a) z powłoką cyny immersyjnej; b) z powłoką stopową SAC nakładaną metodą HASL Fig. 9. The crack in the solder joint on the boards after ageing 4 h/155 C: a) with immersion tin finishes; b) with SAC alloy finishes Rys. 10. Zdjęcia rentgenowskie połączeń lutowanych na płytce funkcjonalnej po narażeniach środowiskowych Fig. 10. The X-ray pictures of solder joints on the functional board after environmental test Przykłady prawidłowych połączeń lutowanych dla rezystorów 0201 na płytkach z różnymi powłokami i podzespołów BGA przedstawiono odpowiednio na rys. 7 i rys. 8. Wyniki pomiarów rezystancji elektrycznej połączeń lutowanych po 100, 500 i 1000 cyklach szoków cieplnych nie wykazały uszkodzeń dla badanych układów montowanych na płytkach z powłokami finalnymi w stanie dostawy. Dla połączeń lutowanych na płytkach z polami lutowniczymi pokrytymi cyną immersyjną i stopem SAC, nakładanym metodą HASL (HAL), starzonymi 4 h w 155 C zanotowano, po 1000 cyklach, pojawienie się dwóch defektów związanych z przerwaniem ciągłości połączenia w obwodzie (przerwanie połączenia na jednej linii wyprowadzeń w podzespole QFP oraz w podzespole BGA). Zgład metalograficzny tych połączeń wykazał pęknięcia w połączeniu lutowanym (rys. 9). Dla optymalnego profilu lutowania wykonano montaż prototypu funkcjonalnego, a następnie badania jakości powstałych połączeń lutowanych oraz sprawdzenie poprawność funkcjonowania zespołu na stanowisku kontrolnym. Stwierdzono, że połączenia spełniają wymagania docelowe dla poziomu wykonania C zgodnie z grupą norm IEC 61192 i normą IPC A-610 Acceptability of Electronic Assemblies. Integralność połączeń lutowanych nie została naruszona nawet pod wpływem 1500 cykli bardzo ostrych narażeń cieplnych (-40 C/+125 C). Na rys. 10 przedstawiono przykłady zdjęć rentgenowskich połączeń lutowanych na płytce funkcjonalnej. Kontrola wykazała prawidłowe działanie wszystkich zespołów elektronicznych bezpośrednio po lutowaniu, jaki i po przeprowadzeniu 1500 cykli narażeń cieplnych. Wykonano również montaż serii informacyjnej płytek, które zawierały prócz podzespołów o standardowej wielkości, podzespoły typu PBGA i CSP z wyprowadzeniami ukrytymi pod spodem obudowy z rastrem rozmieszczenia 0,75 mm oraz podzespoły bierne o gabarytach 0402 i 0201. Brak uszkodzeń wykonanych połączeń lutowanych wskazuje na prawidłowo przeprowadzony proces montażu i potwierdza, że wdrożona technologia jest optymalna do wykonywania montażu powierzchniowego o dużej gęstości upa- kowania podzespołów na płytkach drukowanych w warunkach lutowania bezołowiowego. Podsumowanie Montaż płytek, które zawierają podzespoły o różnych wymiarach pół lutowniczych, w tym podzespoły typu PBGA i CSP z wyprowadzeniami ukrytymi pod spodem obudowy z rastrem rozmieszczenia 0,75 mm i podzespoły bierne o gabarytach 0402 i 0201, wykonany w technologii lutowania bezołowiowego, wymaga starannego doboru pasty lutowniczej, profilu lutowania, projektu szablonu, kontroli dokładność nadruku pasty lutowniczej oraz poprawności osadzenia podzespołów a także kontroli optycznej i rentgenowskiej wykonanych połączeń lutowanych. Uzyskanie wysokiej jakości połączeń gwarantuje posiadanie nowoczesnego wyposażenia linii montażowej a przede wszystkim doświadczenie zespołu. Instytut w oparciu o wyniki wieloletnich badań w dziedzinie montażu zaprasza do korzystania z usług w dziedzinie wysokozaawansowanego montażu powierzchniowego na nowoczesnej, zautomatyzowanej linii SMD oraz do współpracy w pracach badawczych. Literatura [1] Bukat K., Hackiewicz H.: Lutowanie bezołowiowe. Wydawnictwo BTC, Warszawa 2007. [2] Kozioł G., Bukat K., Sitek J., Borecki J.: Lead-free PCB s finishes in lead-free soldering processes some experimental data. Proceedings of EIPC, Wenecja 2006, p. 220. [3] Kozioł G.: Bezołowiowe powłoki ochronne płytek drukowanych w procesach lutowania bezołowiowego-doświadczenia z projektu GreenRoSE. Elektronika nr 8/2006, s. 30. [4] Stęplewski W.: Using of laser fabricated stencils for application the solder pastes and adhesives. Elektronika no 08/2006, pp. 50 52, 2006. [5] Sitek J., Kozioł G.: Praktyczne aspekty procesów lutowania bezołowiowego. Krajowa Konferencja Elektroniki, Darłówko 2006, s. 45. [6] Kozioł G., Sitek J.: Projekt GreenRoSE Doświadczenia w bezołowiowym lutowaniu. Konferencja Ekologia w elektronice, Warszawa 2006. Elektronika 3/2008 13