IVF Rapport:
RoHS |
Blyfri elektronik kan orsaka försämrad tillförlitlighet
Även om många svenska företag tillverkar produkter som tills vidare är undantagna från RoHS-direktivet, så kommer dessa företag att påverkas då det kommer att bli allt svårare att få tag på blyade komponenter och att finna legotillverkare som har produktionslinor med tenn-blylod.
Från och med den 1 juli 2006 skall flertalet produkter som säljs uppfylla RoHS-direktivet vilket bl a innebär att lödfogarna i elektroniken inte får innehålla bly. Även om många svenska företag tillverkar produkter som tills vidare är undantagna från direktivet, så kommer dessa företag att påverkas då det kommer att bli allt svårare att få tag på blyade komponenter och att finna legotillverkare som har produktionslinor med tenn-blylod.
Omställning till blyfri lödning
För många produkter kan omställning till blyfri lödning ske utan större problem men för produkter med komplexa mönsterkort och/ eller lång förväntad livslängd i svår driftsmiljö kan omställningen medföra försämrad tillförlitlighet. Två av dessa risker är försämrad tillförlitlighet av mönsterkortet och sprödbrott i lödfogarna. IVF deltar i två EU-projekt där bl a dessa risker utvärderas.
Försämrad tillförlitlighet av mönsterkortet
Inom EU-projektet GreenRoSE utvärderar IVF hur tillförlitligheten av mönsterkort påverkas vid blyfri lödning. Eftersom smältpunkten för blyfria lod är ca 40 grader högre jämfört med tenn-blylod blir den maximala lödtemperaturen ca 260 °C. Detta innebär att mönsterkorten utsätts för betydligt större stress än tidigare och det påverkar mönsterkortet på ett flertal olika sätt. Ett normalt laminat i mönsterkort består av glasfiberarmerad epoxi som är belagd med en kopparfolie. Dessa mönstras, pressas samman och värms till ett flerlagers mönsterkort. I nästa steg borras kortet och de olika lagren i mönsterkortet kopplas samman med vior genom att hålen pläteras med koppar.
Vad är det då som händer när man ökar lödtemperaturen? Epoxi-plasten blir mjuk helt enkelt. Den temperatur som epoxiplasten börjar mjukna vid kallas glasomvandlingstemperatur (Tg) och de mekaniska egenskaperna hos plasten blir sämre vid höga temperaturer. En typ av fel som kan uppstå är delaminering mellan epoxi och glasfiberarmering och mellan epoxi och kopparlagren. Bild 1 visar en stor delaminering mellan två lager som medför risk för t ex avbrott i mönsterkortet. Risken för elektrisk överledning mellan viahål ökar också när risken för delaminering ökar. Felmekanismen som kallas CAF (Conductive Anodic Filaments) och uppstår om fukt tränger in längs glasfibrerna mellan två viahål, vilket orsakar korrosion och elektrisk överledning.
Bild 1, Ultraljudsmikroskopibild av delaminerat mönsterkort. En annan typ av felmekanism är avbrott i vior (se bild 2). Eftersom utvidgningskoefficienten för epoxy ökar markant över Tg medför den högre lödtemperaturen ökad påfrestning på viorna. Detta innebär att vid lödprocessen vill man ha mönsterkort med hög Tg. Den vanligaste kvaliteten av mönsterkort heter FR4 och har ett Tg mellan 130-145 °C. Detta är tillräckligt för tenn-blylödning men vid blyfri lödning av flerlagerkort bör Tg ökas med ca 30-40 °C. För kretskort som genomgår fler än två lödcykler bör även den termiska stabiliteten och vidhäftningen till glasfibrer förbättras. Det pågår därför en utveckling av nya epoxiblandningar med bättre termisk stabilitet. Det finns olika sätt att mäta den termiska stabiliteten. En metod är att mäta hur lång tid det tar innan delaminering uppstår vid 260 °C och 288 °C (T260 resp T288). Ett annat mått är Td (decomposition temperature) som är den temperatur då laminatet har minskat 5 % i vikt vid ett termogravi-metriskt test.
BIld 2, Mikrosektionerat viahål där avbrott i hålplätering har uppstått. Sprödbrott i lödfogar Inom EU-nätverket ELFNET utvärderar IVF hur blyfri lödning påverkar risken för sprödbrott i lödfogar. Vid lödning bildas ett skikt med intermetallisk fas (IMF) mellan lodet och metallytan som löds. Detta är en förutsättning för bra vidhäftning men IMF-skiktet är hårt och sprött. Vid snabb mekanisk belastning av lödfogen kan därför sprödbrott uppstå i IMF-skiktet. Exempel på händelser som kan orsaka snabb mekanisk belastning och därmed sprödbrott är hastiga temperaturändringar, böjning av kretskort vid hantering och testning, chock och vibrationer. Sprödbrott uppstår framförallt i lödfogar till BGA-komponenter, en typ av benlösa komponenter där förbindningarna mellan komponent och mönsterkort helt består av lod. Bild 3 visar en tvärsnittsbild av en BGA-lödfog där ett sprödbrott har initierats mellan lödytan på mönsterkortet och IMF-skiktet under avsvalningen vid lödningen, d v s ett sprödbrott initierat av snabb temperaturändring. Efter lödning finns restspänningar i lödfogarna som långsamt för-svinner på grund av krypning i lodet. Detta gör att lödfogarna är som mest känsliga för sprödbrott direkt efter lödprocessen. Man måste därför vara försiktig vid all hantering så att inte kretskorten böjs, speciellt av stora kort, för det kan var tillräckligt för att ett sprödbrott skall uppstå. Den vanligaste orsaken till sprödbrott är dock att man tappar bärbara produkter. Ett fall från en meters höjd kan vara tillräckligt för att ett sprödbrott skall uppstå. Sprödbrott är ett problem redan idag för lödfogar med tenn-bly. Tyvärr kommer risken för sprödbrott att öka med blyfri lödning p g a att blyfria lödfogar är mindre elastiska och IMF-skiktet blir tjockare och mer komplext uppbyggt.
Bild 3, Mikrosektionerad lödfog till BGA-komponent med sprödbrott initierat under avsvalning vid lödning. Kvalitetssäkring av blyfri elektronik Köpare av elektronik ställer idag ofta krav på att legotillverkare skall säkerställa kvaliteten på kretskort genom att uppfylla kraven i specificerade standarder, främst IPC-J-STD 001 och IPC-A 610. Dessa standarder innehåller huvudsakligen avsyningskrav. Dessa krav är inte tillräckliga för att säkerställa tillförlitligheten av blyfri elektronik då flerlagerkort används eller då elektroniken har lång förväntad livslängd alternativt tuff driftsmiljö. Man måste säkerställa att man använder laminat som utvecklats för att tåla blyfri lödning. Ju fler lager kretskortet har och ju fler lödprocesser som det skall klara, desto högre krav ställs på laminatet. För stora kretskort och för kretskort med BGA-komponenter är det viktigt att säkerställa att dessa hanteras på ett sådant sätt att det inte finns risk för att de utsätts för böjningar. Detta kan göras genom att fästa töjningsgivare på kretskortet och mäta de spänningar som uppstår vid hantering. IPC och JEDEC har tagit fram en gemensam standard för denna typ av mätningar, IPC/JEDEC-9702. Även om basala materialegenskaper är uppfyllda för blyfri lödning finns det många processrelaterade problem som kan uppstå. I flera fall krävs omfattande kvalitetskontroll och tillförlitlighetstestning för att säkerställa kvaliteten. Kvalitetskontrollen bör innefatta röntgen av lödfogar för att upptäcka håligheter i lödfogarna samt ultraljudsmikroskopi av mönsterkort och komponenter för att upptäcka delaminering (se bild 4).
Bild 4, Ultraljudsmikroskopibild som visar delaminering/sprickbildning i en elektronikkomponent (BGA). IVF forskar vidare EU-nätverket ELFNET är öppet för alla som vill veta mer om blyfri lödning. Man kan bli medlem på nätverkets hemsida www.europeanleadfree.net. Där finns också mycket resultat från olika pågående och avslutade projekt tillgängliga. Medlemskap och till-gång till resultaten från de olika projekten är gratis. Det finns även ett nationellt nätverk i Sverige med ca 15 medlemmar från industri, forskningsinstitut och högskola. Inom ELFNET Sverige kommer man under 2006 att experimentellt utvärdera hur olika kombinationer av lod och lödytor påverkar risken för sprödbrott i lödfogarna. Denna verksamhet kommer att ske i nära samarbete med medlemmarna i det svenska nätverket och samordnas med de utvärderingar som görs av deltagande företag. Det svenska nätverket har två möten per år då resultat från utförda försök presenteras. Vid dessa möten finns det även möjlighet att utbyta erfarenheter och knyta kontakter. Resultat från GreenRoSE finns tillgängliga på http://www.green-rose.info/servlet/is/116/ evertiq har med tillstånd av IVF Industriforskning & utvecklings AB fått publicera denna artikel som först har publicerats i IVF's tidning teknik&tillväxt nr 2 - 2006. För mer information om artikeln, kontakta Per-Erik Tegenhall eller Per Johander. www.ivf.se
Bild 1, Ultraljudsmikroskopibild av delaminerat mönsterkort. En annan typ av felmekanism är avbrott i vior (se bild 2). Eftersom utvidgningskoefficienten för epoxy ökar markant över Tg medför den högre lödtemperaturen ökad påfrestning på viorna. Detta innebär att vid lödprocessen vill man ha mönsterkort med hög Tg. Den vanligaste kvaliteten av mönsterkort heter FR4 och har ett Tg mellan 130-145 °C. Detta är tillräckligt för tenn-blylödning men vid blyfri lödning av flerlagerkort bör Tg ökas med ca 30-40 °C. För kretskort som genomgår fler än två lödcykler bör även den termiska stabiliteten och vidhäftningen till glasfibrer förbättras. Det pågår därför en utveckling av nya epoxiblandningar med bättre termisk stabilitet. Det finns olika sätt att mäta den termiska stabiliteten. En metod är att mäta hur lång tid det tar innan delaminering uppstår vid 260 °C och 288 °C (T260 resp T288). Ett annat mått är Td (decomposition temperature) som är den temperatur då laminatet har minskat 5 % i vikt vid ett termogravi-metriskt test.
BIld 2, Mikrosektionerat viahål där avbrott i hålplätering har uppstått. Sprödbrott i lödfogar Inom EU-nätverket ELFNET utvärderar IVF hur blyfri lödning påverkar risken för sprödbrott i lödfogar. Vid lödning bildas ett skikt med intermetallisk fas (IMF) mellan lodet och metallytan som löds. Detta är en förutsättning för bra vidhäftning men IMF-skiktet är hårt och sprött. Vid snabb mekanisk belastning av lödfogen kan därför sprödbrott uppstå i IMF-skiktet. Exempel på händelser som kan orsaka snabb mekanisk belastning och därmed sprödbrott är hastiga temperaturändringar, böjning av kretskort vid hantering och testning, chock och vibrationer. Sprödbrott uppstår framförallt i lödfogar till BGA-komponenter, en typ av benlösa komponenter där förbindningarna mellan komponent och mönsterkort helt består av lod. Bild 3 visar en tvärsnittsbild av en BGA-lödfog där ett sprödbrott har initierats mellan lödytan på mönsterkortet och IMF-skiktet under avsvalningen vid lödningen, d v s ett sprödbrott initierat av snabb temperaturändring. Efter lödning finns restspänningar i lödfogarna som långsamt för-svinner på grund av krypning i lodet. Detta gör att lödfogarna är som mest känsliga för sprödbrott direkt efter lödprocessen. Man måste därför vara försiktig vid all hantering så att inte kretskorten böjs, speciellt av stora kort, för det kan var tillräckligt för att ett sprödbrott skall uppstå. Den vanligaste orsaken till sprödbrott är dock att man tappar bärbara produkter. Ett fall från en meters höjd kan vara tillräckligt för att ett sprödbrott skall uppstå. Sprödbrott är ett problem redan idag för lödfogar med tenn-bly. Tyvärr kommer risken för sprödbrott att öka med blyfri lödning p g a att blyfria lödfogar är mindre elastiska och IMF-skiktet blir tjockare och mer komplext uppbyggt.
Bild 3, Mikrosektionerad lödfog till BGA-komponent med sprödbrott initierat under avsvalning vid lödning. Kvalitetssäkring av blyfri elektronik Köpare av elektronik ställer idag ofta krav på att legotillverkare skall säkerställa kvaliteten på kretskort genom att uppfylla kraven i specificerade standarder, främst IPC-J-STD 001 och IPC-A 610. Dessa standarder innehåller huvudsakligen avsyningskrav. Dessa krav är inte tillräckliga för att säkerställa tillförlitligheten av blyfri elektronik då flerlagerkort används eller då elektroniken har lång förväntad livslängd alternativt tuff driftsmiljö. Man måste säkerställa att man använder laminat som utvecklats för att tåla blyfri lödning. Ju fler lager kretskortet har och ju fler lödprocesser som det skall klara, desto högre krav ställs på laminatet. För stora kretskort och för kretskort med BGA-komponenter är det viktigt att säkerställa att dessa hanteras på ett sådant sätt att det inte finns risk för att de utsätts för böjningar. Detta kan göras genom att fästa töjningsgivare på kretskortet och mäta de spänningar som uppstår vid hantering. IPC och JEDEC har tagit fram en gemensam standard för denna typ av mätningar, IPC/JEDEC-9702. Även om basala materialegenskaper är uppfyllda för blyfri lödning finns det många processrelaterade problem som kan uppstå. I flera fall krävs omfattande kvalitetskontroll och tillförlitlighetstestning för att säkerställa kvaliteten. Kvalitetskontrollen bör innefatta röntgen av lödfogar för att upptäcka håligheter i lödfogarna samt ultraljudsmikroskopi av mönsterkort och komponenter för att upptäcka delaminering (se bild 4).
Bild 4, Ultraljudsmikroskopibild som visar delaminering/sprickbildning i en elektronikkomponent (BGA). IVF forskar vidare EU-nätverket ELFNET är öppet för alla som vill veta mer om blyfri lödning. Man kan bli medlem på nätverkets hemsida www.europeanleadfree.net. Där finns också mycket resultat från olika pågående och avslutade projekt tillgängliga. Medlemskap och till-gång till resultaten från de olika projekten är gratis. Det finns även ett nationellt nätverk i Sverige med ca 15 medlemmar från industri, forskningsinstitut och högskola. Inom ELFNET Sverige kommer man under 2006 att experimentellt utvärdera hur olika kombinationer av lod och lödytor påverkar risken för sprödbrott i lödfogarna. Denna verksamhet kommer att ske i nära samarbete med medlemmarna i det svenska nätverket och samordnas med de utvärderingar som görs av deltagande företag. Det svenska nätverket har två möten per år då resultat från utförda försök presenteras. Vid dessa möten finns det även möjlighet att utbyta erfarenheter och knyta kontakter. Resultat från GreenRoSE finns tillgängliga på http://www.green-rose.info/servlet/is/116/ evertiq har med tillstånd av IVF Industriforskning & utvecklings AB fått publicera denna artikel som först har publicerats i IVF's tidning teknik&tillväxt nr 2 - 2006. För mer information om artikeln, kontakta Per-Erik Tegenhall eller Per Johander. www.ivf.se
