Hittills har det varit lite av omvända världen. Leverantörerna har tjatat om blyfritt med legotillverkarna. Dessa har sedan försökt prata med produktägarna som inte har varit intresserade alls. Naturligtvis finns det undantag.
Produktägare - nu är det dags!
WEEE gäller redan. Om mindre än ett år ska de flesta elektronikprodukter vara blyfria. Om ni inte omfattas av undantag till 100 % så är det hög tid att komma igång med den blyfria processen. Ett utomordentligt tillfälle, det gäller faktiskt i de flesta led.
Konstruktion
Om- och nykonstruktion innebär att man kan öppna en dialog med sina leverantörer och legotillverkare. En diskussion med ex. mönsterkortsleverantören och övriga producenter kan innebära att produkten kan designas för en så enkel och rationell produktion som möjligt. Ju färre felkällor det finns i produktionen desto bättre kvalitet på produkten och desto snabbare leverans.
Blyfria legeringar har andra egenskaper än tennbly, detta måste konstruktörerna ta hänsyn till.
Produktion
Här krävs att man går igenom sin utrustning, sin process och sina rutiner. Utbildning av personalen är också viktig. För enklare blyfri produktion kan i de flesta fall befintlig utrustning användas. När det gäller våglödning så styr valet av legering i lodet om befintlig utrustning är lämplig eller ej. Vid omsmältningslödning gäller att ju fler zoner och ju bättre värmeöverföringskapacitet ugnen har desto större är möjligheten att nuvarande ugn kan användas med gott resultat för blyfri produktion. Moderna handlödningsstationer som håller spetstemperaturen inom ett snävt intervall underlättar lödning med tråd avsevärt.
När alla processer och rutiner är genomgångna och uppdaterade kommer man i många fall att få ett högre utbyte av processerna än innan.
Leverantörer
Nya maskiner, nya tillsatsmaterial och service krävs. Detta kan ge nya möjligheter eftersom att nya kontakter krävs. Uppdatering av kunskap hos leverantörerna för de nya processerna underlättar för kunderna.
Laminat
Säger man blyfritt så är genast högre tg kommentaren. Det är en sanning med viss modifikation. När man väljer ett laminat med högre tg är det för att minska expansionen i z led och/eller för att laminatet inte skall mjukna i lödprocessen eller vid arbetstemperatur. Vid lödning med blyfritt lod ökar temperaturen normalt 20-40°C på 1,6 mm tjocka kort. Erfarenheten hittills har inte visat på några större problem med vanligt FR-4 laminat. Men ju tjockare korten blir desto viktigare är det att ta hänsyn till tg och expansion i z-led på mönsterkortet.
Polyclad har tagit fram ett verktyg för val av laminat med hänsyn taget till antal cykler, tjocklek, lager mm. Verktyget presenterades på EIPC Sommarkonferens i Stockholm i juni. Det visar att man för många applikationer kan använda samma laminat som används idag.
Ytskydd
För lödytorna finns det ett antal ytskydd att välja på.
. Kort med kemiskt silver används väldigt lite i Norden.
. Kemiskt nickel/guld ENIG är en väl inkörd process och används även med tenn-bly. Fenomenet "black pads" och "missing pads" gör att man tittar på andra alternativ. Man får plana paddar med 2-6 µ Ni och ca 0,08 my guld.
. Organiskt ytskydd, OSP, används väldigt lite i Norden.
. Kemiskt tenn är en vanlig ytbeläggning och ger plana padar med c:a 1 µ tenn.
. Blyfri varmförtenning är en metod som kommer på bred front. Här får man samma egenskaper på ytskyddet som med tennbly varmförtenning. Man har en lång lagringstid (1 år) och bra lödbarhet även efter flera lödcykler. Skiktet blir dessutom något planare än motsvarande tenn-blyskikt. Vid horisontell varmförtenning fås 2 - 6 my lod på padarna.
Vid varmförtenning med tennkopparnickel (SnCu0,7Ni) doppas kortet i lodet vid 265°C i 2-4 sekunder. Man får då en blank och slät yta som tål flera lödcykler. I Norden finns det 12 st mönsterkortproducenter som kan lägga på blyfri varmförtenning, snart 15 st. I Europa ca 80 st.
Även lödmasken måste givetvis klara de högre processtemperaturerna med god vidhäftning och utan att ge lodkulor eller missfärgas.
Val av legering
När det gäller legering finns det stora skillnader på blyfritt jämfört med tennbly. Tennbly var en öppen legering. Blyfria legeringar är oftast patenterade. Detta innebär att man måste ha licens för legeringen om man skall exportera produkter till länder där patentet för använd legering gäller.
Det finns ett stort antal legeringar användbara för mjuklödning men i praktiken har två huvudgrupper utkristalliserats; tenn-silver-koppar (SAC) och tenn-koppar-legeringar.
Här presenteras ett urval av dessa legeringar
| SAC-legeringar |
| Benämning | SAC 305 | SAC 381 | SAC2505Bi |
| Patentägare | Senju/Matsushita | Ames/IOWA State | Oalty |
| Legering | Sn/Ag3,0-5,0/Cu0,5-3 | Sn/Ag3,5-7,0 | SnAg0,05-3,0/Cu0,5-6,0 |
| Övrig metall | Sb (Antimon) 0,0-5,0 | Cu 1,0-4,0 | Bi (Vismut) 0,1 -3,0 |
| Tenn-koppar-legeringar |
| Benämning | SnCu0,7 | SN100C |
| Patentägare | Öppen | Nihon Superior |
| Legering | | Sn/Cu0,7/Ni |
Redan tidigt bestämde sig branschorganisationer i USA för att använda en SAC-legering. I Japan och senare även andra asiatiska länder använder man både SAC och Tennkoppar. Tennkopparlegeringen har fått en renässans sedan Nihon Superior utvecklat SN100C, SnCu0,7Ni som man sedan patenterat.
SAC-legeringarna smälter vid ca 217°C medan kopparlegeringar smälter vid 227°C. Den lägre smältpunkten gör att man föredrar SAC-legeringar vid omsmältningslödning i konvektionsugn eftersom peaktemperaturen kan hållas lägre. Vid ångzonslödning med en vätska som kokar vid 240°C spelar smältpunkten ingen roll vid val av legering. Vid våglödning är tennkopparnickel att föredra. Processtemperaturen är då 265°C och lödtiden 3-5 sek. Skälen till att tennkopparnickel är ett bättre alternativ vid våglödning är:
1. Bättre tillförlitlighet vid vibrations och temperaturcykling än SAC och SnPb.
2. Ingen bildning av mikrosprickor pga. stor krympning och bildning av tenndendriter.
3. Mindre avetsning av kopparn på mönsterkorten
4. Mer processvänlig än ren tennkoppar
5. Tål upp till 0,2 % indrag av bly i lodet
6. I de flesta fall kan befintlig lodgryta användas
7. Ger blanka lödningar
8. Processen har använts i ca 6 år. Det finns erfarenhet av legeringen.
För specialapplikationer där man absolut inte kan använda högre temperaturer finns legeringar med lägre smältpunkt. Tillsats av till exempel indium eller vismut sänker smältpunkten. Vissa legeringar har en smältpunkt liknande tennbly. Att dessa legeringar inte används för volymproduktion beror på de nackdelar de har som ett högre pris, sämre processbarhet och/eller svårare återvinning.
Lödprocesser
Våglödning med blyfritt lod skiljer sig inte dramatiskt från våglödning med tennbly. Naturligtvis måste man ha högre processtemperatur. Vi rekommenderar en förvärmningstemperatur på 120°C på kortens ovansida för de vanligaste korttyperna. Större termisk massa hos korten kräver en högre temperatur. I lodvågen rekommenderar vi som standard 265°C och 3-5 sekunder beroende på korttyp.
Flussmedlet måste vid blyfri lödning klara av den större värmepåkänningen utan att aktiviteten förstörs innan lödprocessen är klar. Faktorer som försvårar lödning med blyfritt lod är sämre spridningsförmåga, långsammare vätning, högre ytspänning och lägre specifik vikt på lodet jämfört med tennbly. När man är medveten om dessa faktorer kan man optimera sin process så att man får ett minst lika bra resultat som vid lödning med tennbly.
Vid omsmältningslödning gäller samma principer som vid våglödning. Utmaningen här är att få så liten temperaturspridning som möjligt över kortet så att peak-temperaturen kan hållas så nära 235°C som möjligt vid användning av SAC-legering respektive 240°C för tenn-koppar-nickel.
Selektivlödning sker redan idag vid 300°C och i kvävgasmiljö. Det gör att man oftast kan använda befintliga parametrar förutsatt att utrustningen är kompatibel med den blyfria legeringen.
Kvävgas
När man använder flussmedel avsett för blyfri lödning och löder normala kort har inte vi sett någon fördel med kvävgasatmosfär. Om man vill använda No-Clean-fluss med låg fastmassa och låg aktivitet kan det vara nödvändigt liksom vid lödning av kort som redan idag är svåra att löda.
Handlödning
Här är kanske den viktigaste faktorn mer TID! Redan idag använder många operatörer temperaturer runt och över 400°C. Vid blyfri handlödning räcker det, liksom idag, med 360-380°C. Däremot kräver det blyfria lodet 20-25 % mer värme än tennbly för att smälta förutom den högre temperaturen. Därför behövs högre effekt och/eller längre tid jämfört med lödning med tennbly.
Reparation
Reparation är inte min starka sida, varför jag nöjer mig med att konstatera att här ställs större krav än idag både på operatörerna och på utrustningen. Utbildning är viktig så att operatören förstår skillnaden i egenskaper mellan tennbly och blyfritt, kan utnyttja utrustningen optimalt och vet gränserna för vad komponenterna tål.
RoHS och WEEE
Det finns väldigt mycket information på Internet om blyfri lödning, tester av olika legeringar etc.
När det gäller Rohs och WEEE finns information bla på www.kemi.se
Avslutningsvis vill jag bara upprepa:
Tag tillvara detta UTOMORDENTLIGA TILLFÄLLE att optimera konstruktion, produktion, logistik och kostnader. Låga kostnader är ju inte lika med billigaste material i varje enskilt fall utan högsta möjliga utbyte av processen på kortast möjliga tid.
Conny Thomasson,
CANDOR Sweden AB
