Problemy związane z przestawieniem procesu na produkcję bezołowiową

1) Stopy bezołowiowe Generalnie, wszystkie kompozycje stopów Sn-Ag-Cu (SAC), zawierające od 3.0% do 4.0% srebra, są odpowiednie do lutowania bezołowiowego (zarówno do lutowania w piecach reflow, jak i na fali). Analizy prowadzone przez IPC, we współpracy z dostawcami pasty oraz firmami EMS (w tym również Flextronics), udowodniły, iż nie ma istotnej różnicy w przebiegu procesu przy zastosowaniu różnych stopów SAC. Z drugiej jednak strony, kiedy zawartość Ag jest znacznie niższa (tak jak w przypadku SAC105), niekorzystnie obniżają się parametry niezawodności termomechanicznej, czego przyczyną jest mniejsza ilość związków międzymetalicznych Ag3Sn w mikrostrukturze lutowia. SAC105 jest więc bardziej odpowiedni dla kulek w układach BGA/CSP przeznaczonych dla produktów mobilnych, gdzie większego znaczenia nabierają testy odporności na wstrząsy. W przypadku produktów o niskiej cenie, gdzie niezawodność nie ma tak kluczowego znaczenia, interesującą alternatywą są kompozycje cyny i miedzi. Obecnie w przemyśle stosowanych jest kilka wariantów stopów Sn-Cu, w tym między innymi z dodatkami srebra (Ag), niklu (Ni) itp. Poza kosztami, istotnymi parametrami przy wyborze odpowiedniego lutowia do fali powinny być niezawodność, zdolność do wypełniania otworów czy skłonność do występowania zjawiska rozpadu związków miedzi (zwłaszcza w przypadku PTH). Analiza i wprowadzenie nowego stopu do masowej produkcji to poważne przedsięwzięcie, które wymaga wspólnego wysiłku całego przemysłu. Flextronics współpracuje z szeregiem konsorcjów przemysłowych, analizujących alternatywne stopy bezołowiowe dla past, sztabek czy kulek BGA, poszukując uniwersalnego stopu, odpowiedniego do wszystkich aplikacji. 2) Kompatybilność procesów Przemysł przestawił się na stosowanie bezołowiowych stopów SAC w lutowaniu BGA/CSP, jednak wciąż stosuje się lutowanie ołowiowe w przypadku niektórych kategorii produktów. Stopy SAC, przechodzące w stan ciekły w temperaturze 217C, nie zawsze ulegają całkowitemu roztopieniu w procesie reflow, kiedy stosowane są wraz z lutowiem ołowiowym, którego temperatura topnienia zawiera się w przedziale 205-215C. […] 3) Zmiany układu płytki W procesie zmiany montażu SMT na bezołowiowy, nie są konieczne żadne zmiany w zakresie projektowania płytek. Przykładowo, nasze analizy wskazują, iż stosowana w projektowaniu układu padów ‘zasada kciuka’, zapobiegająca odpadnięciu komponentu podczas drugiego przejścia przez proces reflow, wciąż powinna być stosowana w przypadku procesu bezołowiowego. Nasze zasady projektowania bazują na szerokich doświadczeniach i obecnie wszystkie zostały dostosowane do procesu bezołowiowego. Pewne zmiany wymagane są natomiast w przypadku lutowania na fali i montażu THT. Dostosowują one proces do różnic występujących w fizycznych właściwościach stopów ołowiowych i bezołowiowych, w szczególności zaś do ich zdolności do całkowitego wypełniania otworów w przypadku grubych płytek. Jednak generalne wskazówki, takie jak orientacja komponentu w stosunku do kierunku przejścia przez falę czy ‘zasłonięte’ pady itp. wciąż pozostają obowiązujące w przypadku bezołowiowego lutowania na fali. Generalnie, ważnymi aspektami pozostają optymalizacja układu płytki oraz rozmieszczenie elementów i ścieżek miedzi, nakierowane na minimalizację różnic temperatury na płytce [temperature delta]. W szczególności w przypadku lutowania na fali, należy zwrócić uwagę na efekt temperaturowy powierzchni miedzianych przy wypełnianiu otworów w przypadku grubych płytek. 4) Zjawisko ‘pad cratering’ [dosł. drążenia padów] Laminat stosowany w produkcji PCB musi spełniać odpowiednie wymagania procesu bezołowiowego. Zaobserwowano wzmożone występowanie zjawiska ‘pad cratering’ w przypadku aplikacji bezołowiowych, w tym w szczególności defekty określane jako szczeliny międzypowierzchniowe [interfacial cracking], szczeliny na padach [pad cracking], podniesione pady czy szczeliny prepregów [prepreg cracking]. Nasze badania wskazały, iż przyczynami występowania zjawiska ‘pad cratering’ mogą być właściwości stopu lutowniczego, maski lutowniczej, rozmiary BGA, łamliwość PCB, warunki procesu reflow oraz oczywiście czynniki mechaniczne. Aby złagodzić problem zjawiska drążenia, projekt padów pod elementy SMD [solder mask defined] i pozostałe elementy (NSMD) jest weryfikowany dla różnych warunków obciążenia (koncentracja naprężeń termomechanicznych względem drążenia padów dla dynamicznych zmian mechanicznych) 5) Wyzwania procesu: wypełnienie otworów w procesie lutowania na fali, uwalnianie się miedzi i defekty Head-in-Pillow (HIP) Ze względu na większe napięcie powierzchniowe stopów bezołowiowych, trudniejsze w porównaniu do procesów ołowiowych stało się odpowiednie wypełnienie otworów w procesie PTH. W szczególności, problem ten występuje w przypadku płytek z warstwą OSP (organic surface protectant), w przypadku grubych płytek z warstwami wewnętrznymi, ‘zasysającymi’ ciepło czy też w przypadku stosowania komponentów o dużej masie termicznej. Celem polepszenia parametrów wypełnienia otworów, optymalizacji powinny podlegać rozmiar otworu, topnik, bezwładność termiczna oraz profil procesu lutowania na fali. Niedawne standardy opublikowane przez Telecordia czy IPC dotyczą tego zjawiska i zawierają instrukcje, w jaki sposób można go unikać w przypadku firm OEM i EMS. Flextronics przeprowadził analizy wpływu niedostatecznego wypełnienia otworów na niezawodność wyrobów, prezentując dane różnym organizacjom branżowym. Korozja czy uwalnianie się miedzi to reakcja metalurgiczna, podczas której miedź z układu PCB reaguje z bogatym w cynę roztopionym stopem lutowniczym. Wyższa zawartość Sn w stopach SAC, wyższa temperatura lutowania na fali czy dłuższy czas oddziaływania w przeróbkach PTH, prowadzi do wyższego stopnia reakcji miedzi w procesie bezołowiowym. W celu zapobiegania wchodzenia miedzi w reakcje chemiczne, należy zwrócić szczególną uwagę na sposób wykończenia powierzchni PCB, skład stopu lutowniczego, parametry procesów lutowania na fali i procesu przeróbek (tj. temperaturę, czas, szybkość i kierunek przejazdu). Rezultaty naszych analiz były prezentowane podczas kilku konferencji. Defekt ‘head-in-pillow’ powstaje wówczas, gdy kulka cyny z układu BGA nie miesza się i nie spaja z pastą lutowniczą na płytce PCB, co stwarza obraz przypominający ‘spoczywanie’ kulki BGA na ‘poduszce’ spoiwa, rozprowadzonego na PCB. Jest to tzw. ‘efekt ukryty’, bowiem płytka może przejść cały proces testowania bez wykrycia błędu i zepsuć się dopiero w fazie użytkowania. Nasze analizy wskazują, iż defekt ten może zależeć od całego szeregu czynników, występujących zwykle jednocześnie. Odstające zniekształcenia PCB, zniekształcenia BGA, zjawisko współpłaszczyznowości BGA, czy różnice w wysokości warstwy pasty lutowniczej mogą prowadzić do powstania luki pomiędzy kulkami BGA oraz pastą na PCB podczas procesu reflow. Słaba lutowalność kulek BGA, utrata aktywności topnika zawartego w paście lutowniczej (czego powodem może być niska stabilność temperaturowa lub zbyt mała ilość nałożonej pasty) są kolejnymi czynnikami ryzyka. Odmienne profile temperaturowe spoiwa mogą dodatkowo utrudnić sytuację, jako że kulki BGA oraz pasta z płytki nie osiągną temperatury lutowania jednocześnie. Defekt HIP pokazuje jak trudno sprostać wyzwaniom, jakie stwarzają procesy wykrywania, unikania i definiowania defektów czy też proces doboru pasty. Flextronics przeprowadził szczegółowe badania nad tymi problemami i zgromadził znaczną wiedzę, dotyczącą tych ważnych problemów. 6) Trwałość połączeń bezołowiowych Przemysł elektroniczny posiadł znaczną wiedzę na temat trwałości połączeń bezołowiowych, przeprowadzając dogłębne badania, przyśpieszone testy czy badając poszczególne aplikacje, w tym między innymi poddając analizie komponenty, płytki PCB czy połączenia lutownicze, powstałe przy zastosowaniu różnych stopów. Dowiedzieliśmy się, iż zagadnienie trwałości połączeń bezołowiowych to bardzo złożone zagadnienie, zwłaszcza biorąc pod uwagę zróżnicowanie warunków procesowych (termomechanicznych, dynamiczno-mechanicznych, elektrochemicznych itp.) […]. Mając na uwadze powyższe, zaprojektowanie i interpretacja przyśpieszonych testów staje się bardzo skomplikowana i musi być prowadzone metodycznie, przy zachowaniu najwyższej ostrożności. Szeroki przegląd zagadnienie można znaleźć w mojej książce ‘Lead-Free Solder Interconnect Reliability’. Kontrola procesu a najnowsze technologie Miniaturyzacja, funkcjonalna intensyfikacja i integracja, skracanie czasu wprowadzenia na rynek czy obniżanie kosztów to obecnie główne trendy w produkcji elektroniki. Rosnący popyt na mniejsze i lżejsze produkty (względnie produkty o większej funkcjonalności o niezmienionych wymiarach) wymuszają stosowanie komponentów o wymiarach 01005 / 0201, konektorów typu QFP i SMT, CSP-ów, flip chipów, COB, a także mniejszych rastrów (0.3-0.4mm) i ciaśniejszych odstępów pomiędzy komponentami (<8mil) przy jednoczesnym zastosowaniu spoiw bezołowiowych. […] Inline Package-on-Package (PoP) to technologia, opracowana przez Flextronics w roku 2002 i wprowadzona do produkcji seryjnej we Flextronics China w 2003 roku. PoP oferuje nowe możliwości w zakresie miniaturyzacji i intensyfikacji PCBA, w pełni wykorzystując przestrzeń wewnątrz obudowy urządzenia. Umożliwia ponadto konfigurowany montaż i zapewnia większą elastyczność łańcucha dostaw, charakteryzując się szybszym czasem wprowadzenia na rynek i lepszym zarządzaniem złożonymi procesami. Technologia ta została spopularyzowana w całym sektorze i umożliwiła rozprzestrzenienie się telefonów 3G. Zdolności produkcyjne, zaprojektowane na wytwarzanie nowych technologii, wymagają metodycznej optymalizacji projektowania PCB, technologii sitodruku, projektowania apertur, doboru stopów i past lutowniczych, procesu drukowania, specyfikacji komponentów, oceny maszyn pick&place i AOI, profilu i atmosfery procesu reflow, procesu przeróbek, testowania itp. Od wielu lat we Flextronics funkcjonuje szczegółowy program kwalifikacji zakładów, mający na celu budowę zaawansowanych zdolności produkcyjnych w naszych jednostkach produkcyjnych. ----- Autor: Dr. Dongkai Shangguan, VP - Advanced Technology, Flextronics Redakcja evertiq dziękuje Adamowi Marciniszynowi za pomoc w tłumaczeniu tekstu