Problem vid förändrade processer till blyfri produktion

1) Blyfria legeringar I allmänhet är alla olika varianter av Sn-Ag-Cu legeringar (SAC), med silverinnehåll från 3,0% till 4,0%, acceptabla kompositioner för blyfri lödning (inklusive reflow och våglödning). Studier med SMT-tester av IPC i samarbete med lodleverantörer och EMS-företag (till exempel Flextronics), har konstaterat att det inte finns någon större skillnad i processprestanda och prestanda vid termisk cykling mellan de olika varianterna av legeringarnas sammansättning. När silverhalten är mycket lägre (som för SAC105), påverkas termomekaniska prestanda negativt på grund av den minskade andelen Ag3Sn i lödmetallens mikrostruktur. SAC105 är mer lämpad för BGA/CSP-kulor för handhållna produkter där tillförlitlighet vid fallprovningen är mer kritisk än tillförlitligheten vid termisk cykling. Tenn-kopparlegeringar är ett lönsamt alternativ för våglödning av kostnadskänsliga produkter där tillförlitlighet är mindre kritiskt. Flera varianter av Sn-Cu-legeringar har också granskats av industrin, inklusive silver (Ag), nickel (Ni) och andra element som tillägg till legeringsmetallerna. Förutom kostnad är tillförlitlighet, hålfyllningsegenskaper, och kopparupplösning (särskilt för PTH-omarbetningar) viktiga faktorer vid valet av en legering för våglödning. Att införa och kvalificera en ny lodlegering för volymproduktion är ett stort företag som kräver ett branschgemensamt arbete. Flextronics arbetar med flera industrikonsortier för att studera olika alternativa blyfria legeringar för lodpasta och BGA-lodkulor, med hopp om att finna en gemensam legering som passar applikationer över hela linjen. 2) Kompabilitetsfrågor Även om branschen går över till blyfri lödning med SAC-legeringar för BGA/CSP-kulor, så finns fortfarande tenn-bly-lödning för flera produktkategorier. SAC-legeringen (med smälttemperaturen 217 oC) kommer inte alltid att helt smälta under reflow med tenn-bly (vanligtvis med topptemperaturer mellan 205-215 oC). Som sådan blir det liten eller ingen självlinjering vilket är kritiskt särskilt vid finare delning av kontaktpunkterna, med planaritetsproblem som ytterligare förvärrar situationen, på grund av att kulorna inte kollapsar. Avsaknaden av sammansmältning leder till grovt segregerade mikrostrukturer, vilket orsakar fluktuationer i lödfogarnas metallurgiska enhetlighet och tillförlitlighet, förutom ökad voiding. Detaljerade studier har utförts vid Flextronics för att undersöka vilka processvillkor som behövs för att minimera riskerna. Fullständig sammansmältning av tenn-bly-legeringen med SAC-kulan är kritisk för att skapa en enhetlig och homogen mikrostruktur. Studien har visat att massan hos tenn-blylegeringen i förhållande till massan hos SAC-kulan, liksom temperaturen, bestämmer graden av upplösning och blandning. För att få god tillförlitlighetsprestanda måste utgångsparametrarna nogrannt övervägas. Lödfogarna falerar oftast i lodet under termisk cykling, men mer i gränssnittet under dynamisk mekanisk belastning. Flextronics studier har visat att den termomekaniska tillförlitligheten är mer beroende av homogeniteten i mikrostrukturen än vad den dynamisk-mekaniska tillförlitlighet är (till exempel för mekaniska stötar). Nyligen har spridningen av olika SAC-legeringar för lodpasta och BGA-kulor lagts till de olika kompatibilitetsfrågor som är föremål för aktiva studier. 3) Förändringar i kretskorslayouten För SMT har inga större förändringar i reglerna för footprintdesign visat sig nödvändigt vid övergång till blyfri lödning. Till exempel har studien visat att "tumregeln" för pad-design för att förhindra att komponenter faller av under andra reflow fortfarande gäller för blyfri. Designreglerna har fastställts baserat på omfattande DOE:s och alla Flextronics regler är idag utformade för blyfri produktion. För våglödning av hålmonterade komponenter är vissa förändringar i konstruktionsreglerna nödvändiga för att hantera skillnaden i fysiska egenskaper mellan blyfri- och tenn-bly-legeringar, speciellt för att uppfylla hålfyllnadskraven för tjocka kort. De allmänna riktlinjerna, såsom komponentorientering i förhållande till lödriktning etc gäller fortfarande för blyfri våglödning. Generellt är det viktigt att optimera kortens utformning, komponentplaceringen och kopparytorna i mönsterkortet, i syfte att minimera temperaturskillnaderna över kortet. För våglödning måste den termiska effekten av kopparplan på fyllda hål på tjocka kort noga övervägas. 4) Mönsterkortspaddar Materialet i mönsterkortslaminatet måste uppfylla kraven för blyfri produktion. I blyfria applikationer har en ökad förekomst av pad-kratrar uppmärksammats inom industrin, med flera felsorter såsom: sprickbildning i gränskskikt, sprickbildning i paddar, paddlyft och sprickbildning i prepreg. Undersökningen har visat att förekomsten av pad-kratrar kan påverkas av flera faktorer, inklusive egenskaperna hos lodlegeringen, lödmasken, BGA-storlek, sprödhet hos mönsterkortet, liksom förutsättningarna i reflow-steget och den mekaniska lasten. För att hantera pad-katerproblemet håller frågan om lödmaskdefinierade (SMD) paddar kontra icke lödmaskdefinierade (NSMD) på att omprövas, för olika lastförhållanden (termomekaniska påkänningar jämfört med dynamisk-mekaniska påkänningar). 5) Processutmaningar: hålfyllning vid våglödning, kopparupplösning och head-in-pillow (HIP)-fel På grund av ytspänningen hos de blyfria legeringarna blir hålfyllning för genompläterade hål (PTH) svårare jämfört med tenn-bly, särskilt om mönsterkorten har OSP-ytbeläggning och för tjocka kort med innerlager (vid anslutning till jordplan, till exempel) som suger bort värmen och/eller med hög termisk massa. Hålstorlek, flussmedel, inertering och våglödningsprofil behöver alla optimeras för att stödja hål-fyllningsprocessen. Nyligen har Telecordia och IPC insett detta fenomen och givit vägledning för OEM- och EMS-bolag. Flextronics har utfört detaljerade studier av hur hålfyllningen för PTH kan påverka tillförlitligheten och presenterat resultaten till olika branschorganisationer. Kopparerosion/upplösning är en metallurgisk reaktion där koppar på kretskortet upplöses i en tennrik lodsmälta. Det högre tenninnehållet i SAC-legeringen, högre våglödningstemperatur, och den långa uppehållstiden för PTH-omarbetningar har lett till allvarlig kopparupplösning vid blyfri produktion. Ytstruktur på mönsterkortet, lodlegering, våglödning och omarbetningsparametrar (till exempel temperatur, tid, flöde och riktning), är avgörande faktorer för att minimera kopparupplösning. Resultatet av undersökningen har presenterats vid flera konferenser. "Head-in-pillow"-defekter uppstår när lodkulor för BGA:er inte blandar sig och metallurgiskt binds med lodpastan på mönsterkortet och får BGA-kulan att "vila" på lodet på mönsterkortet. Detta skapar en "latent defekt" där kortet kan passera hela produktionen med tillhörande tester, för att sedan sluta fungera vid ett senare tillfälle. Flextronics undersökning har visat att detta fel är relaterat till ett antal faktorer, ofta i kombination. Buktning eller skevhet hos mönsterkortet, skevhet i BGA-kapseln, planheten hos BGA-kapseln och lodpastavariationer i höjdled kan leda till en "lucka" mellan BGA-kulan och lodpastan på kretskortet vid omsmältning. Dålig lödbarhet hos BGA-kulan, förlust av aktivt flussmedel i lodpasta (på grund av lågt termisk stabilitet och/eller låg lodpastavolym) ökar ytterligare svårigheterna. En icke-enhetlig temperaturprofil kan förvärra situationen om BGA-kulan och lodpasta inte är synkroniserade för att nå lödtemperaturen. HIP-fel är svåra att upptäcka, begränsa och specificera, liksom det är svårt att utvärdera lodpastan. Flextronics har utfört detaljerade studier i detta ämne och samlat betydande kunskap för att ta itu med denna viktiga fråga. 6) Tillförlitlighet hos blyfri lödning Bilindustrin har vunnit en hel del kunskap om tillförlitligheten vid blyfri lödning genom grundläggande studier, accelererad provning och fältapplikationer, inklusive komponenter, mönsterkort och lödfogar av olika legeringar. Tillförlitligheten hos blyfri lödning är en ganska komplicerad fråga när vi betänker olika lastförhållanden (termomekaniska, dynamiskt-mekaniska, elektrokemiska processer, etc) och även olika lastnivåer (till exempel låga/höga stressnivåer för termisk cykling) . Därför blir utformningen och tolkningen av accelererad provning mycket komplicerad och måste hanteras metodiskt och med stor försiktighet. En omfattande granskning kan hittas i författarens bok "Lead-Free Solder Interconnect Reliability". - Processkontroll vid hantering med den senaste tekniken Miniatyrisering och funktionell förtätning och integration tillsammans med efterlevnad av miljölagstiftningen, snabba ledtider, låga kostnader och hög tillförlitlighet fortsätter att vara ledande trender för elektronikprodukter. Efterfrågan på mindre och lättare produkter (eller fler funktioner i samma elektronikprodukt) skall driva på införandet av 01005, 0201, och QFP med finare delning (0,3-0.4mm) och SMT-kontakter, CSP, flip chips och COB, liksom tätare inbördes avstånd (<8mil) mellan komponenter, hela tiden med blyfri lödning. Deta, tillsammans med mönsterkort med inbyggda komponenter, är viktiga färdigheter på olika stadier av utveckling och utbyggnad för att Flextronics ska kunna erbjuda konkurrenskraftiga lösningar till sina kunder. Inline Package-on-Package (POP) är en teknik som utvecklats vid Flextronics under 2002 och genomförts i volymproduktion i Flextronics i Kina under 2003. PoP erbjuder en ny väg för ytterligare miniatyrisering och förtätning av kretskort, för att fullt utnyttja produktens utrymme. Det möjliggör också konfigurerbara montage och ger större flexibilitet i distributionskedjan, med snabbare tid till marknaden och bättre hantering av komponentutbytet. Denna teknik har sedan dess vunnit stor popularitet i branschen och gjort spridningen av handhållna 3G-produkter möjlig. Om vi ser framåt kommer miniatyriseringstekniken att tas tillvara för kort med stor formfaktor för "lokal täthet" på kretskortet samt elektrisk prestanda. Samtidigt har Flextronics också jobbat på teknisk kapacitet för kort med hög formfaktor (med stort antal anslutningspunkter för komponenter och kontakter) och bakplan, för tele- och data-applikationer. Den fullständiga tillverkningskapaciteten för dessa nya tekniker kräver metodisk optimering av mönsterkortens footprint, stencilteknik och aperturdesign, lodlegeringar och lodpasta, printprocess, komponentspecifikation, pick-place-maskiner och dess parametrar, reflow profil och atmosfär, AOI maskiner, omarbetningsprocesser, tillförlitlighetsprovning, etc. Ett detaljerat "factory qualification program" har också varit på plats vid Flextronics i många år nu att se till att avancerade funktioner är etablerade i Flextronics globala volymproduktion.