P. MACH, A. DURAJ Českévysokéučenítechnickév Praze...

1

NNááhrada olova v phrada olova v páájkjkáách ch Výhody a nevýhody alternativnVýhody a nevýhody alternativníích ch řřeeššeneníí

P. MACH, A. DURAJ

České vysoké učení technické v PrazeFakulta elektrotechnickáKatedra elektrotechnologie

2

ObsahObsah

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.

3

ObsahObsah


4

ÚÚvodvod

Elektronický průmysl je největším průmyslem na světě.

V USA bylo v roce 1992 celkem 11.5 mil. počítačů, ale v roce 2005 to jižbylo 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.

5

Bezolovnaté pájení a vodivé lepení jsou technologie, kterým je v současnédobě 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 zařízenípro ekologické spojovací materiály.

Vodivé lepení je technologie, která je v současnosti užívána pro speciálníaplikace (např. pro výrobu LCD displejů).

ÚÚvodvod

6

ObsahObsah


7

RegulaRegulaččnníí a legislativna legislativníí aktivity v raktivity v růůzných zných zemzemííchch

EU1998 – WEEE (Waste from Electrical and Electronic Equipment directive)Směrnice o odpadu z elektrických a elektronických zařízení

2000 - 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 1. 7. 2006 zakázáno.

ČR – novela zákona o odpadech č. 185/2001 Sb. schválena v prosinci 2004 – obsahuje obě směrnice o odpadech stanovené EU

ČR – Dne 13.8. 2005 nabyl účinnosti zákon č.7/2005 Sb. O zpětném a odděleném odběru Odpadních Elektrických a Elektronických Zařízení.

8

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 doběpřipravována v mnoha státech.

Existence poplatků za používání škodlivých látek ve výrobě


Japonsko

Dlouhodobý proces, existuje řada různých zákonů a předpisůzaměřených 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.

9


ČínaV současné době nejsou známy zákony nebo předpisy, které by nějakým způsobem upravovaly, redukovaly, nebo zakazovaly užíváníolova 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.

10

ObsahObsah


11

KritKritééria pro výbria pro výběěr bezolovnatých nr bezolovnatých nááhrad hrad ppáájek obsahujjek obsahujííccíích olovoch olovo

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.

Bezolovnaté pájky

12

KritKritééria pro výbria pro výběěr bezolovnatých nr bezolovnatých nááhrad hrad ppáájek obsahujjek obsahujííccíích olovo ch olovo (NIST(NIST&CSM&CSM))

KvalitativníHodnotí se množstvím oxidu vytvořeného na vzduchu na povrchu roztavené pájky po dosažení pájecíteploty.

Vytvářenístrusky

Fmax > 300 uNt0 < 0.6 s

Je hodnocena podle síly, která je potřebná ke smočení Cu drátu roztavenou pájkou. Smáčitelnost

< 30 (ºC)Rozsah teplot mezi solidem a likvidem, kdy je pájka v plastickém stavu.

Rozsah plasticity

Teplota, při které je pájka zcela roztavená.Teplota likvidu

Minimálníakceptovatelnáúroveň

DefiniceVlastnost

Bezolovnaté pájky

13

KritKritééria pro výbria pro výběěr bezolovnatých nr bezolovnatých nááhrad hrad ppáájek obsahujjek obsahujííccíích olovoch olovo

Zcela odlišný princip elektricky vodivého spojování než u pájení.Jiné technologické postupy.

Kritéria pro výb ěr elektricky vodivých lepidel jsou zam ěřena zejména na hlavníelektrické a mechanické vlastnosti adhezních spoj ů.

Nejčastěji jsou zkoumány elektrická vodivost spoj ů, jejich pevnost v tahu, pevnost ve smyku a odolnost proti termomechanickému namáhání.

Největším problémem je v sou časnosti testování dlouhodobé spolehlivosti –nejsou dostate čné zkušenosti jako s pájením.

Elektricky vodivá lepidla

14

ObsahObsah


15

PerspektivnPerspektivníí bezolovnatbezolovnatéé slitiny pro pslitiny pro páájkyjky

Prvky, které mohou nahradit olovo v pájkách Prvek Cena ($ / lb) Relativní cena (k o lovu) Zásoby (mil. lb)Zinek (Zn) 0,51 1,3 1560Měď (Cu) 0,65 2,5 4900Antimon (Sb) 0,81 2,2 100Bismut (Bi) 3,42 7,1 9 (limitované)Cín (Sn) 3,52 6,8 180Stříbro (Ag) 84,21 212 3,5 (limitované)Indium (In) 125 194 0,2 (vzácné)

Pozn.: 1 lb (libra) = 0,454 kg

Dosažitelnost a relativní cena vzhledem k olovu n ěkterých prvk ů, které jsou potenciálními náhradami olova v pájkách.

16


Celkem 79 bezolovnatých slitin, které byly vytipován y pro p ředběžné testováníNárodním centrem pro výrobní v ědy (NCMS).Vybráno cca 20 bezolovnatých slitin vhodných pro ši rší užívání v elektrotechnice.

Sn-3.5Ag-1.3CuF31 Sn-8.8In-7.6ZnF4 Sn-3Ag-55.5Bi-1.5Sb

D7

Sn-3.2Ag-0.7CuF30Sn-0.5Ag-4CuF3 Sn-2Ag-56Bi-1.5SbD6

Sn-4.5Ag-1.6Cu-5Sb

F26Sn-2.5Ag-11.2Bi-5.5In

EN9Sn-57Bi-2InD2

Sn-0.5Ag-56BiF25Sn-3.3Ag-11.2Bi-5.5In

EN8Sn-45BiD1

Chemickésložení(váhová %)

NCMS Kód slitiny

Chemické složení(váhová %)

NCMS Kód slitiny

Chemické složení(váhová %)

NCMS Kód slitiny

17

PerspektivnPerspektivníí bezolovnatbezolovnatéé slitiny pro pslitiny pro páájkyjkyV 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 slitiny96.5Sn-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.

18


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

Přechod na bezolovnaté pájení – nutnost bezolovnatých úprav sou částek a přizpůsobení technologickým proces ům.

19

ObsahObsah


20

Elektricky vodivElektricky vodiváá lepidlalepidla

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 oC do 180 oC, nebo při normálníteplotě (pro srovnání – bod tavení pájek bez olova je obvykle v rozmezí 210 oC až 225 oC).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.

21


ECA jsou složena ze dvou složek: vazební složky (binder) a plniva (filler)

Binder: pro reaktoplastická lepidla: acrylická pryskyřice pro aplikace pod100oC, epoxidové pryskyřice pro teploty až do 200oC 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 1014 Ω.cm

Elektricky vodivé lepidlo - rezistivita cca 10-4 Ω.cm

22

Typy elektricky vodivých lepidelAnisotropně 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


23

ObsahObsah

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.

24

MMěřěřeneníí zzáákladnkladníích elektrických a ch elektrických a mechanických vlastnostmechanických vlastnostíí adheznadhezníích spojch spojůů

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.

Porovnání s vlastnostmi spoj ů pájených Sn-Pb a bezolovnatými pájkami

25

MMěřěřeneníí zzáákladnkladníích elektrických a ch elektrických a mechanických vlastnostmechanických vlastnostíí adheznadhezníích spojch spojůů

Porovnání s vlastnostmi spoj ů pájených Sn-Pb a bezolovnatými pájkami

Zrychlené stárnutí adhezních a pájených spojů – zjišťování spolehlivosti.

Klimatické zatížení (klimatické komory Weiss and Heraeus)v teplotě 125 oCv relativní vlhkosti 100 %v kombinovaném stárnutí teplota/vlhkost (85 oC/85 % RV)

Mechanické zatížení:použití statického mechanického zatíženípoužití dynamického mechanického zatížení

Vliv ss proudu na vlastnosti spojů.Vliv pulzního elektrického namáhání na vlastnosti spojů.

26

ObsahObsah


27

PPřřííprava vzorkprava vzorkůů, , mměřěřicicíí zazařříízenzeníí

Vzorky byly připraveny montáží SMT odporů typu 1206 s „nulovým“odporem (10 mΩΩΩΩ) 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 µµµµm Cu fólií.

Byl sledován vliv následujících úprav povrchu připojovacích plošek na vlastnosti spojů: Cu, oxidovaná Cu, Cu/Ni, Cu/Ni/Au, Cu/Sn.

28


15 min100 °°°°C1PermacolLT 2369/2

10 min180 °°°°C1Amepox MICROELECTRONICSECO SOLDER AX 65 M

30 min120 °°°°C2Amepox MICROELECTRONICSEPLOX AX 15S

100 min140 °°°°C2Amepox MICROELECTRONICSELPOX AX 12

30 min140 °°°°C1Amepox MICROELECTRONICSELPOX SC 24D

15 min180 °°°°C1Amepox MICROELECTRONICSELPOX SC 515e

15 min180 °°°°C1Amepox MICROELECTRONICSELPOX SC 515

Vytvr.doba

Vytvr.tep.SložkySpolečnostTyp

Elektricky vodivá lepidla

29


245 °°°°CSn96.5Ag3.5pastaAlpha metals96.5Sn-3.5Ag

245 °°°°CSn96Ag4pastaCobar96Sn – 325 - GT

250 °°°°CSn95Ag5solidAlpha metalsSn-5Ag

187 °°°°CSn62Pb36Ag2pastaRheometPb - Sn

183 °°°°CSn63Pb37pastaRheometPb - Sn

Pájky

V současnosti je testováno anizotropn ě elektricky vodivého lepidla Loctiteurčeného pro spojování vývod ů součástek s velmi malou rozte čí a desek plošných spoj ů (např ,,flip-chip technologie, kontaktování LCD)

30


Měření odporu spoje:

Řádově mΩ.4-bodová metoda.

Měření impedance spoje ve frekvenčním rozsahu 100 Hz až1 MHz (LRC meter HP 4284A).

Měření nelinearity voltampérovécharakteristiky spoje.

Měření proudového šumu spoje.

31


Pracoviště pro měření nelinearity V-A charakteristiky.

32

PPřřííprava vzorkprava vzorkůů, , mměřěřicicíí zazařříízenzenííMěření proudového šumu(limitováno citlivostí pro pájenéspoje)

Měření impedance spojů(malé změny do frekvence f = 1 MHz)

33


Měření vlivu mechanického namáhání spojů

Statické zatížení spojů

Tahová síla ve spoji2F

F F

l

x

yB

y(x)

A B0

R

R

ZRRT y

l

JEF

3

3=

Střihová síla ve spoji

R

RJRS l

lSEF

∆=

.

34


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)

35

PPřřííprava vzorkprava vzorkůů, , mměřěřicicíí zazařříízenzenííMěření pevnosti spoje v odtrhu

Měření pevnosti spoje ve střihu

FS

SMD rezistorSpoj

Kontakt

Aplikace střižné

síly

PCB

Kontakty

36

PPřřííprava vzorkprava vzorkůů, , mměřěřicicíí zazařříízenzenííKlimatické namáhání vzorků

- standartizované podmínky testování

Tepelné stárnutí (125 oC)

Kombinované namáhání

(85 oC / 85 % RH)

Vlhkostní stárnutí(100 % RH)

37

ObsahObsah


38

Výsledky mVýsledky měřěřeneníí –– klimatickklimatickéé namnamááhháánníí

Odpor spoje - ELPOX SC 515

0

20

40

60

80

100

120

0 hrs. 100 hrs. 300 hrs. 500 hrs. 750 hrs. 1000 hrs.

Rs

(mΩ

)

125 °C 80 oC/ 80 % RH 25 oC / 100 % RH

Odpor spoje - AlphaMetals

0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8

0 hrs. 100 hrs. 300 hrs. 500 hrs. 750 hrs. 1000hrs.

Rs

(mΩ

)125 °C 80 oC/ 80 % RH 20 oC/ 100 % RH

Vliv zrychlených stárnutí na odpor spoje

39

Výsledky mVýsledky měřěřeneníí –– pevnost v pevnost v odtrhuodtrhu

Pev nost v otrhu: po čáteční hodnoty

010

203040

5060

Sn-Pb

Lead

-free

ER 55M

NSC 70

MN

AX 70M

NAX 2

0ER 59

MN

AX 12e

VAX 1

5S

Typ spojovacího materiálul

Fp

(N

)

Pev nost v odtrhu: po tepelném stárnutí

0

10

20

30

40

50

60

Sn-Pb

Lead

-free

ER 55M

NSC 70

MN

AX 70M

NAX 2

0ER 59

MN

AX 12e

VAX 1

5S

Typ spojovacího materiáluF

p (

N)

125 oC, 300 hodin

Vliv zrychleného stárnutí na pevnost spoje

40

ObsahObsah


41

Diskuze výsledkDiskuze výsledkůů

Velmi malá1Velmi malá 1Velmi malá163Sn37Pb

Velmi malá1Velmi malá1Velmi malá195Sn5Ag

Velká (50 to 100 %)Velká (50 to 100 %)Střední (30 to 50 %)1-složkoválepidla

Velká (50 to 100 %)Střední (20 to 40 %)

Malá (~5 %)2-složkoválepidla

Vlhkostnístárnutí

(100 % RH)

Tepelně-vlhkostnístárnutí

(85 oC/85 % RH)

Tepelné stárnutí(125 oC)

Spojovacímateriál

[1] Měření je limitováno přesností měřícího zařízení

Odolnost pájených a lepených spoj ů vůči klimatickému namáhání: Tabulka zobrazuje zm ěnu odporu spoje po r ůzných klimatických namáhání.

42

Diskuze výsledkDiskuze výsledkůů

Odolnost proti vlivu proudovým pulzům

Odolnost proti vlivu stejnosměrného proudu

Odolnost proti dynamickému mechanickému zatížení

Odolnost proti statickému mechanickému zatížení

Odolnost proti kombinaci teplo / vlhko

Odolnost proti vlhkosti

Odolnost proti teplotě

Proudový šum

Nelinearita

Elektrický odpor

X↑≈↓Parametr

Porovnání parametr ů spoj ů: pájené spoje vs. lepené spojenižší rovno vyšší

43

ObsahObsah


44

ZZáávvěěrr

Elektrické a mechanické parametry pájených spojů jsou lepší než u spojůlepených. Pouze nelinearita a odolnost lepeného spoje vůči teplotám je v některých případech srovnatelná s pájenými spoji.

Ze zkoumaných parametrů spojů lze učinit závěr:

Na druhé straně je použití elektricky vodivých lepidel v některých speciálních aplikacích v současnosti jediným možným řešením.

BezolovnatBezolovnat éé ppáájky jsou ekvivalentnjky jsou ekvivalentn íími nmi n ááhradami hradami SnSn--PbPb ppáájek pro jek pro elektrotechniku a elektroniku, kdeelektrotechniku a elektroniku, kde žžto elektricky vodivto elektricky vodiv áá lepidla nejsou lepidla nejsou

jako pjako p řříímmáá nnááhrada hrada SnSn--PbPb ppáájek vhodnjek vhodn áá..

Date post:	27-Jun-2018
Category:	Documents
Upload:	truongnga
View:	215 times
Download:	0 times

P. MACH, A. DURAJ Českévysokéučenítechnickév Praze...

Documents