Krönikor |
UL-certifiering för blyfria material
UL-certifieringsprocessen för blyfria material – vad den innebär och hur man påskyndar den. UL-certifiering kan krävas vid tillverkning och montering av kort med blyfria ytbehandlingar.
Den här artikeln beskriver vad man bör tänka på när det gäller basmaterial, ytbehandlingar och processförändringar vid övergången till en blyfri produkt som kräver UL-certifiering. Dessutom lämnas förslag på hur man bäst förbereder och snabbt tar sig igenom UL-certifieringsprocessen.
Det stora intresset över hela världen för att tillverka miljövänliga produkter genom att fasa ut vissa farliga ämnen innebär många utmaningar. Blyfri tillverkning är en processändring som involverar OEM-tillverkare (Original Equipment Manufacturer), EMS-företag (Electronics Manufacturing Service), mönsterkortstillverkare och materialleverantörer. Det måste finnas en kommunikation längs hela leveranskedjan för att fastställa om och på vilket sätt produkten kan tillverkas utan bly och brom.
På grund av den tid som krävs för åldringsprov vid UL:s test av mönsterkort bör man inte vänta med att tänka på UL-certifieringen till sista minuten. Det finns viktiga skillnader mellan processer med och utan bly på grund av omsmältningstemperaturerna och de möjliga riskerna för korsföroreningar. Bromfria material kan hanteras på liknande sätt som traditionella FR-4-material, men de mindre välkända alternativa flamskyddsmedlen kan ge upphov till frågor om flamskyddsegenskaperna för kortmontaget. Därför kan en utvärdering av den förändrade mönsterkortstillverkningen och monteringsprocessen krävas. Eftersom många tillverkare inte finner det kostnadseffektivt att ha två olika tillverkningsprocesser för mönsterkort, kan tillverkare som inte tänker marknadsföra produkten till Europa välja att omcertifiera sin produkt för blyfri tillverkning.
Val av ytbehandlingar
Bly har funnits i lödmetallen som använts för montering av elektronikprodukter under mer än 50 år. Historiskt sett har lödmetall bestått av eutektiskt tenn-bly 63Sn/37Pb eller dess motsvarigheter 60Sn/40Pb och 62Sn/36Pb/2Ag. Idag finns många blyfria alternativ och varje material måste utvärderas för att få fram dess fördelar och utmaningar. Bland de existerande blyfria alternativen finns:
Immersion Finishes (guld, silver eller tenn)
Electroless Nickel-Immersion Gold (ENIG)
Organic Solderability Protectants (OSP – Benzimidazoles)
Tin-Silver-Copper (SAC)
Hot Air Solder Leveling (HASL)
Majoriteten av elektronikindustrins sammanslutningar rekommenderar SAC-legeringen som blyfritt standardlod.
Tillverkning och montering
Blyfria material kräver 30 °C till 45 °C högre smälttemperatur än tenn-bly (se Tabell 1). Många tillverkare har dragit nytta av det stora processfönstret vid omsmältningslödning med tenn-bly genom att använda en eller två värmeprofiler för att hantera en lång rad olika kortmontage. Processfönstret för blyfria material är dock mycket mindre på grund av komponenternas maximala exponeringstemperatur på 250 °C (denna begränsning beror framför allt på plastisk deformering).
Tabell 1: Lödmetallernas smältpunkter och lödpunktstemperaturer
De högre smälttemperaturerna som behövs vid den blyfria omsmältningsprocessen kan orsaka delaminering inom mönsterkortet och skada många olika komponenter som plastanslutningar, reläer, lysdioder och elektrolytiska och keramiska kondensatorer. En noggrann temperaturstyrning under den blyfria processen kan innefatta ett rampstadium i temperaturprofilen för att inte temperaturens stigningshastighet ska skada komponenter som är termiskt känsliga. Andra möjliga problem är deformerade mönsterkort, sprickor på grund av värmechock och skillnader i intilliggande materials värmeutvidgningskoefficienter (CTE).
Topptemperaturen och tiden ovanför det flytande tillståndet måste uppnås utan överhettning av montaget eller komponenterna. En längre förvärmning behövs för att nå de högre temperaturerna och undvika att mönsterkortet drabbas av värmechock under omsmältningsprocessen. Figur 1 visar de typiska omsmältningsparametrarna för blyfria lödmetaller.
Blyfri lödning gör det extra viktigt att identifiera komponenterna, kortytorna och lödmetallerna som används för att montera korten. Det är helt avgörande att man kan identifiera materialen genom hela monteringsprocessen, samt att man kan identifiera det färdiga montaget för att få en pålitlig omsmältning. Tillverkningsföretagens lager av delar måste separeras så att inte blyfria komponenter blandas med blykomponenter, eftersom de olika materialen har olika smältpunkter och möjligheter att bilda metallegeringar, vilket kan göra att korten går sönder i förtid.
Val av basmaterial
För att underlätta övergången till en blyfri processmiljö måste materialen som används för att utföra blyfria montage även studeras, för att kontrollera att den termiska belastningen inte påverkar kortets och montagets prestanda och långsiktiga pålitlighet på ett negativt sätt. För att välja rätt dielektriska material för mönsterkortet vid blyfria processer krävs en bedömning av materialet för att fastställa om materialet har god termisk stabilitet och kommer att klara den betydande ökningen i termisk belastning. Bland felen som kan uppstå i kort som genomgått en blyfri process utan termisk stabilitet är delaminering och hålsprickor i de genompläterade hålen.
Epoxybaserade FR-4-material är fortfarande de vanligaste materialen för att tillverka mönsterkort. De vanliga FR-4-substratmaterialen med låg glasomvandlingstemperatur (Tg) på 130–140 °C har svårt att klara de termiska belastningarna vid blyfritt montage.
Tabell 2 listar de ytterligare egenskaperna som man bör titta på för att få god termisk stabilitet och en blyfri processhantering i enlighet med den föreslagna specifikationen IPC4101A för blyfrikompatibla FR4-material. De traditionella termiska egenskaperna kan användas för att fastställa den termiska stabiliteten hos ett mönsterkortsmaterial och dess lämplighet för blyfri processhantering. Bland dessa egenskaper kan nämnas glasomvandlingstemperaturen (Tg) hos materialet, nedbrytningstemperaturen (Td), Z-axelns värmeutvidgningskoefficient (CTE) och den termiska resistansen vid 260 °C (T260) och 288 °C (T288).
Tetrabrombisfenol A (TBBPA) är undantaget i RoHS-direktivet och är godkänt som flamskyddsmedel för basmaterial. Företagens önskan att tillverka miljövänliga produkter har dock ökat intresset för flamskyddsmaterial utan halogener. Material utan halogener använder flamskyddsämnen som fosfor, kväve och aluminiumtrihydrat. Flamskyddsmekanismerna hos dessa flamskyddssystem är mycket annorlunda än för de brombehandlade systemen, vilket gör att även det samlade laminatmaterialet kan bete sig annorlunda. Flamskyddsmedel med brom fungerar genom att släppa ut brom i gasform vid höjda temperaturer. Flamskyddsmedel med fosfor och fosfor/kväve-blandningar bildar ett kollager på den brinnande ytan. Kolet skapar en fysisk barriär mot värme- och gasöverföringen. Aluminiumtrihydroxid och aluminumtrihydrat skapar vattenånga för att minska värmeöverföringen.
Typisk profil för blyfri process
Temperatur (°C)
Topptemperatur
235–255 °C
Ramphastighet Fuktzon Omsmältningszon
0,5–1,5 °C max 120 sek. tid över 217 °C
45–75 sek.
Tabell 2: Laminatkrav för blyfri FR-4
Material utan halogener kan passa för blyfri processhantering. Majoriteten av materialen utan halogener uppvisar V-0-standard i UL94-flamskyddsnormen. Material utan halogener kräver samma termiska stabilitet som halogenmaterial: måttliga glasomvandlingstemperaturer, höga nedbrytningstemperaturer, lägre total expansion på grund av lödmetallstemperaturerna och bra värmemotstånd. Bytet till halogenfria material är inget krav, men kan komma att bli ofrånkomligt på grund av WEEE-direktivet.
UL:s krav – mönsterkort och slutprodukt
UL:s certifieringsprogram för mönsterkort övervakar tillverkningsprocessen; däribland den maximala temperaturen och exponeringstiden och materialen som används för att tillverka korten. När korttillverkare börjar använda alternativa ytbehandlingar och basmaterial kommer dessa material att tas med i processbeskrivningen för kort och tillverkning. För närvarande anger de flesta processbeskrivningarna ”lödmetall”, vilket är tänkt att vara tenn-bly. Blyfria lödmetaller kommer att beskrivas med deras materialsammansättningar för att tydligt identifiera typen av lödmetall. Lödtemperaturerna vid montaget beskrivs genom kortets lödgränser. Lödgränserna anger den maximala temperaturen och exponeringstiden under monteringsprocessen. Flera olika lödgränser används för att ange temperaturprofilen för omsmältningsprocessen.
Tester krävs om den blyfria korttillverkningen eller montagelödningen innebär högre temperaturer och/eller längre tidsintervall. Det kommer att krävas en ny bedömning av flambarhet, ledningsbindning, blåsbildning och delaminering om processtemperaturerna höjs. Test av silvermigrering vid Immersion Finishes i silver eller tenn-silver-koppar-legeringar (SAC) krävs däremot inte. Arbetsgruppen IPC 3-11g har utfört tester som visar att det inte är troligare att ytbehandlingar med Immersion Finishes i silver på kretskort migrerar än andra vanliga ytbehandlingar. Dessutom har forskning som utförts av NEMI rörande SAC-legeringar visat att det inte heller är troligare att SAC-legeringar migrerar än vanliga ytbehandlingar. Produkttesterna tar vanligtvis 4 eller 12 veckor att utföra, beroende på om åldringsprovet på 10 dagar ger tillfredsställande testresultat. Om det inte gör det krävs ett åldringsprov på 56 dagar.
Sammanfattning
Begreppet ”lödmetall” kan inte längre förväntas hänvisa enbart till den eutektiska tenn-bly-legeringen (63Sn/37Pb) vid elektroniktillverkning och montering. Mönsterkorts- och monteringsindustrin rekommenderar SAC-legeringar (tenn-silver-koppar) som standardmaterial för blyfri lödning (som ersättning för eutektiskt tenn-bly) och tänker skapa unika beteckningar på delar för att skilja blyfria produkter från produkter med blyinnehåll.
De högre smälttemperaturerna som krävs för blyfria lödmetaller kan skada korten eller kortmontagen och därför är termisk stabilitet en viktig faktor vid valet av material för blyfri kortbearbetning. Den högre temperaturen vid blyfria processer kräver också vissa kortegenskaper (exempelvis rörande flambarhet, delaminering och ledningsbindning) som ska utvärderas av UL. På grund av många OEM-företags strävan att uppfylla RoHS under 2006 och de involverade cyklingstiderna för åldringsprov vid UL-godkännande av mönsterkort bör man inte vänta till sista minuten med att upptäcka behovet av UL-certifiering. De föreslagna åtgärderna hjälper till att påskynda UL:s kortbedömningsprocess.
Av Crystal Vanderpan, huvudingenjör vid Printed Circuit Technologies, Underwriters Laboratories Inc.
Tabell 1: Lödmetallernas smältpunkter och lödpunktstemperaturer
De högre smälttemperaturerna som behövs vid den blyfria omsmältningsprocessen kan orsaka delaminering inom mönsterkortet och skada många olika komponenter som plastanslutningar, reläer, lysdioder och elektrolytiska och keramiska kondensatorer. En noggrann temperaturstyrning under den blyfria processen kan innefatta ett rampstadium i temperaturprofilen för att inte temperaturens stigningshastighet ska skada komponenter som är termiskt känsliga. Andra möjliga problem är deformerade mönsterkort, sprickor på grund av värmechock och skillnader i intilliggande materials värmeutvidgningskoefficienter (CTE).
Topptemperaturen och tiden ovanför det flytande tillståndet måste uppnås utan överhettning av montaget eller komponenterna. En längre förvärmning behövs för att nå de högre temperaturerna och undvika att mönsterkortet drabbas av värmechock under omsmältningsprocessen. Figur 1 visar de typiska omsmältningsparametrarna för blyfria lödmetaller.
Blyfri lödning gör det extra viktigt att identifiera komponenterna, kortytorna och lödmetallerna som används för att montera korten. Det är helt avgörande att man kan identifiera materialen genom hela monteringsprocessen, samt att man kan identifiera det färdiga montaget för att få en pålitlig omsmältning. Tillverkningsföretagens lager av delar måste separeras så att inte blyfria komponenter blandas med blykomponenter, eftersom de olika materialen har olika smältpunkter och möjligheter att bilda metallegeringar, vilket kan göra att korten går sönder i förtid.
Val av basmaterial
För att underlätta övergången till en blyfri processmiljö måste materialen som används för att utföra blyfria montage även studeras, för att kontrollera att den termiska belastningen inte påverkar kortets och montagets prestanda och långsiktiga pålitlighet på ett negativt sätt. För att välja rätt dielektriska material för mönsterkortet vid blyfria processer krävs en bedömning av materialet för att fastställa om materialet har god termisk stabilitet och kommer att klara den betydande ökningen i termisk belastning. Bland felen som kan uppstå i kort som genomgått en blyfri process utan termisk stabilitet är delaminering och hålsprickor i de genompläterade hålen.
Epoxybaserade FR-4-material är fortfarande de vanligaste materialen för att tillverka mönsterkort. De vanliga FR-4-substratmaterialen med låg glasomvandlingstemperatur (Tg) på 130–140 °C har svårt att klara de termiska belastningarna vid blyfritt montage.
Tabell 2 listar de ytterligare egenskaperna som man bör titta på för att få god termisk stabilitet och en blyfri processhantering i enlighet med den föreslagna specifikationen IPC4101A för blyfrikompatibla FR4-material. De traditionella termiska egenskaperna kan användas för att fastställa den termiska stabiliteten hos ett mönsterkortsmaterial och dess lämplighet för blyfri processhantering. Bland dessa egenskaper kan nämnas glasomvandlingstemperaturen (Tg) hos materialet, nedbrytningstemperaturen (Td), Z-axelns värmeutvidgningskoefficient (CTE) och den termiska resistansen vid 260 °C (T260) och 288 °C (T288).
Tetrabrombisfenol A (TBBPA) är undantaget i RoHS-direktivet och är godkänt som flamskyddsmedel för basmaterial. Företagens önskan att tillverka miljövänliga produkter har dock ökat intresset för flamskyddsmaterial utan halogener. Material utan halogener använder flamskyddsämnen som fosfor, kväve och aluminiumtrihydrat. Flamskyddsmekanismerna hos dessa flamskyddssystem är mycket annorlunda än för de brombehandlade systemen, vilket gör att även det samlade laminatmaterialet kan bete sig annorlunda. Flamskyddsmedel med brom fungerar genom att släppa ut brom i gasform vid höjda temperaturer. Flamskyddsmedel med fosfor och fosfor/kväve-blandningar bildar ett kollager på den brinnande ytan. Kolet skapar en fysisk barriär mot värme- och gasöverföringen. Aluminiumtrihydroxid och aluminumtrihydrat skapar vattenånga för att minska värmeöverföringen.
Typisk profil för blyfri process
Temperatur (°C)
Topptemperatur
235–255 °C
Ramphastighet Fuktzon Omsmältningszon
0,5–1,5 °C max 120 sek. tid över 217 °C
45–75 sek.
Tabell 2: Laminatkrav för blyfri FR-4
Material utan halogener kan passa för blyfri processhantering. Majoriteten av materialen utan halogener uppvisar V-0-standard i UL94-flamskyddsnormen. Material utan halogener kräver samma termiska stabilitet som halogenmaterial: måttliga glasomvandlingstemperaturer, höga nedbrytningstemperaturer, lägre total expansion på grund av lödmetallstemperaturerna och bra värmemotstånd. Bytet till halogenfria material är inget krav, men kan komma att bli ofrånkomligt på grund av WEEE-direktivet.
UL:s krav – mönsterkort och slutprodukt
UL:s certifieringsprogram för mönsterkort övervakar tillverkningsprocessen; däribland den maximala temperaturen och exponeringstiden och materialen som används för att tillverka korten. När korttillverkare börjar använda alternativa ytbehandlingar och basmaterial kommer dessa material att tas med i processbeskrivningen för kort och tillverkning. För närvarande anger de flesta processbeskrivningarna ”lödmetall”, vilket är tänkt att vara tenn-bly. Blyfria lödmetaller kommer att beskrivas med deras materialsammansättningar för att tydligt identifiera typen av lödmetall. Lödtemperaturerna vid montaget beskrivs genom kortets lödgränser. Lödgränserna anger den maximala temperaturen och exponeringstiden under monteringsprocessen. Flera olika lödgränser används för att ange temperaturprofilen för omsmältningsprocessen.
Tester krävs om den blyfria korttillverkningen eller montagelödningen innebär högre temperaturer och/eller längre tidsintervall. Det kommer att krävas en ny bedömning av flambarhet, ledningsbindning, blåsbildning och delaminering om processtemperaturerna höjs. Test av silvermigrering vid Immersion Finishes i silver eller tenn-silver-koppar-legeringar (SAC) krävs däremot inte. Arbetsgruppen IPC 3-11g har utfört tester som visar att det inte är troligare att ytbehandlingar med Immersion Finishes i silver på kretskort migrerar än andra vanliga ytbehandlingar. Dessutom har forskning som utförts av NEMI rörande SAC-legeringar visat att det inte heller är troligare att SAC-legeringar migrerar än vanliga ytbehandlingar. Produkttesterna tar vanligtvis 4 eller 12 veckor att utföra, beroende på om åldringsprovet på 10 dagar ger tillfredsställande testresultat. Om det inte gör det krävs ett åldringsprov på 56 dagar.
Sammanfattning
Begreppet ”lödmetall” kan inte längre förväntas hänvisa enbart till den eutektiska tenn-bly-legeringen (63Sn/37Pb) vid elektroniktillverkning och montering. Mönsterkorts- och monteringsindustrin rekommenderar SAC-legeringar (tenn-silver-koppar) som standardmaterial för blyfri lödning (som ersättning för eutektiskt tenn-bly) och tänker skapa unika beteckningar på delar för att skilja blyfria produkter från produkter med blyinnehåll.
De högre smälttemperaturerna som krävs för blyfria lödmetaller kan skada korten eller kortmontagen och därför är termisk stabilitet en viktig faktor vid valet av material för blyfri kortbearbetning. Den högre temperaturen vid blyfria processer kräver också vissa kortegenskaper (exempelvis rörande flambarhet, delaminering och ledningsbindning) som ska utvärderas av UL. På grund av många OEM-företags strävan att uppfylla RoHS under 2006 och de involverade cyklingstiderna för åldringsprov vid UL-godkännande av mönsterkort bör man inte vänta till sista minuten med att upptäcka behovet av UL-certifiering. De föreslagna åtgärderna hjälper till att påskynda UL:s kortbedömningsprocess.
Av Crystal Vanderpan, huvudingenjör vid Printed Circuit Technologies, Underwriters Laboratories Inc.
