Kalay

2512 0-ohm direnç için farklı sıcaklık
döngü test sonucu
%
Hatalı
komponent
•Kaynak: Motorola
Sıcaklık döngü sayısı
BGA için SAC krem lehimli bağlantının SnPb
krem lehimli bağlantı ile ömür karşılaştırılması
Kalay kurşunlu
PBGA, SAC krem
lehim ile montaj
yapıldığında,
0/100° C
döngü(mild) de
potansiyel
güvenilirlik sorunu
Kaynak:“Lead-Free and Mixed Assembly Solder Joint Reliability Trends”, Jean-Paul Clech,
Ph.D.EPSI Inc.Montclair, NJ, February 26, 2004
Malzemeler ve Güvenilirlik
•Kurşunsuz Lehim Alternatifleri Tahmini Maliyet
Alaşım
Sn4Ag0,5Cu
Sn3,5Ag5Bi
96,5Sn3,5Ag
Sn3Ag3Bi
Sn2Ag0,8Cu0,5Sb
Sn58Bi
Sn0,7Cu
Sn8Zn3Bi
63Sn37Pb
Metal Maliyeti(USD/lb)
5,24
4,96
4,90
4,58
3,82
3,11
2,41
2,32
1,61
Kaynak: Pecht, M. and Ganesan, S., Lead-free Electronics, Maryland, USA, CALCE EPSC, 2004,
Alaşım tiplerine göre kullanım alanları
Alaşım
Erime Sıcaklığı (°C)
Kullanılan Sektör
Firma Adı
SnAg
221-226
Otomotiv
Visteon(Ford)
SnAgBi
206-213
Askeri/Havacılık
Panasonic
Tüketici Elektronik
Hitachi
Askeri/Havacılık
Panasonic
Tüketici Elektronik
Sony
Tüketici Elektronik
Sony
Otomotiv
Panasonic
Telekomunikasyon
Nokia, Toshiba,
Nortel, Panasonic
SnAgBiCu
SnAgBiCuGe
208-213
SnAgBiX
216(alaşım oranalrına
bağlı)
206-213
SnAgCu
217
SnBi
138
Tüketici Elektronik
Panasonic
SnCu
227
Tüketici Elektronik
Panasonic
Telekomunikasyon
Nortel
Tüketici Elektronik
NEC, Panasonic,
Toshiba
SnZn
198.5
Lehim Alaşımları Güvenilirliği
•
Reflow alaşım seçimi:
– Sn3.8Ag0.7Cu, EU IDEALS konsorsiyum tarafından, -20ºC ile 125º C
arasında 3000 kezlik güvenilirlik testi sonrasında en iyi kurşunsuz lehim
alaşımı olarak önerilmekte.
– Sn3.9Ag0.6Cu, NEMI(National Electronics Manufacturing Initiative)
Accelerated thermal cycle (ATC) nin, BGA(Ball Grid Arrays),CSP(Chip
Scale Packages), TSOP(Thin Small Outline Package) ve mikroçiplerde
yaptığı güvenilirlik testlerinde kurşunlu lehime benzer veya daha iyi
sonuçlar almış.
•
Dalgalı lehim (Wave solder):
– Sn0.7Cu ve Sn3Ag0.5Cu maliyetten dolayı seçilmekte.
– Güvenilirlik açısından Sn3Ag0.5Cu, Sn3.9Ag0.6Cu kadar olumlu olmadığı
değerlendirilmekte.
Kaynak: Pecht,M.,Ganesan, S., “Lead-Free Electronics”, 2004 ed.
Kaynak: Mahidhara, R., “A Primer on Lead-free Processing”, Chip Scale Review, March/April 2000
Baskılı Devre Kartları için Kurşunsuz
Lehime Uygun Sonlandırma Türleri
•
•
•
•
•
•
•
•
Kurşunsuz HASL
Reflowlu Kalay
Elektrolitik Kalay-Bizmut
Elektriksiz Nikel/Daldırma Altın (ENIG)
Elektriksiz Nikel/ Elektriksiz Paladyum/ Daldırma (ENEPIG)
OSP
Daldırma Gümüş
Daldırma Kalay
OSP Sonlandırmalı Baskılı Devre Kartları
Fiyat olarak SnPb ile aynı olduğu için tercih edilmektedir, iyonik kalıntı içermez, HASL’dan
daha muntazam bir yüzey elde edilir, tercih edilen atmosfer ortamına bağlı olarak
lehimlenebilirlik özelliği iyidir. Kurşunsuz lehim ile kullanılan lehim pastası ve yüksek
sıcaklığa dayanımı dikkat edilmesi gereken hususlardır, ayrıca kurşunsuz lehimle ıslatma
özelliği diğer yüzey sonlandırmalar kadar iyi değildir .
Risk: Yüksek sıcaklığa ve kullanılan lehim pastası
kimyasallarına karşı dayanıklılık sorunu.
0,300
•Kurşunsuz
HASL
Islatma Kuvveti (mN/mm)
0,250
0 gün
0,200
30 gün
90 gün
0,150
180 gün
330 gün
0,100
672 gün
0,050
0,000
0,000
0,500
1,500
2,500
3,500
5,000
10,000
Islatma Süresi (sn)
OSP sonlandırma için oda sıcaklığında 672 güne kadar depolanma durumunaki ıslatma kuvvetleri
•Risk: Yüksek
sıcaklık, PCB
de
kamburlaşma,
işlem sırasında
emilen
kimyasal
maddeler.
Elektriksiz Nikel/Daldırma Altın (ENIG)
Risk: Kaplama
kalınlığı(genelde çok ince
olmaktadır) kritik olabilir,
Kalay-bakır yüzey metali
yılda 1µm kadar büyür ve
ortaya çıkan metal
lehimlenebilir değildir.
Islatma Kuvveti (mN/mm
0,250
0,200
18 ay
0,150
12 ay
6 ay
0,100
2 ay
0,050
0,000
0,000
0,300
0,750
1,500
3,000
4,500
7,500
10,000
Islatma Süresi (sn)
ENIG Sonlandırma için oda sıcaklığında 18 aya kadar depolanma durumunaki ıslatma kuvvetleri
Baskı Devre Kartı-Diğer Güvenilirlik
konuları
•Reflow: Yüksek sıcaklıktan dolayı kamburlaşma olabilir, önlem:
–Yüksek Tg(Glass transition temp.) plaka kullanımı(maliyet yüksek)
•Temizlik
• Cl iyonu olarak kartlardaki kirlilik ölçümü
–Lehimleme öncesi
Cl=2,06 μg/in2
–220 °C de Reflow sonrası
Cl=3,85 μg/in2
–250 °C de dalgalı lehim sonrası
Cl=6.1 μg/in2(IPC)
–PCB üreticileri lehim maskesi öncesi temizlilik ölçümü
yapmalı
Kaynak:UMD-CALCE
Komponentler için Kurşunsuz Lehime Uygun
Sonlandırma Türleri
•
•
•
•
•
•
Dünyada komponentler için halen kullanılmakta olan
sonlandırmalar
•
•
Erime sıcaklığı: Seçilen krem lehim reflow
profili ile uyumlu olmalı
İletkenlik: Kabuledilebilir iletkenliğe sahip
olmalı
Dayanıklılık: Mekanik montaj işlemleri
sırasında ve termal gerilim karşısında
kaplamanın kalkması ve ayrılmasına sebep
olmayacak dayanık olmalı.
Toksik durum: Tüm dünya şartlarına uygun
olmalı
Lehimlenebilirlik: İyi lehimlenebilirlik ve
ıslanma özellikleri olmalı ve bu özelliğini
çeşitli yaşlandırma ortamlarına maruz
kalması
durumunda
da
devam
ettirebilmelidir.
Güvenilirlik: Kılcal uzantı (whisker) veya
lehim bağlantı ayrılması türünden hatalara
sebep olmamalıdır, SnPb ve kurşunsuz
krem lehimler ile uyumlu olmalıdır.
Üretlebilirlik:Üretilebilirlik performansı iyi
olmalıdır, ticari olarak mevcut olan kaplama
kimyasalları ile elektrokaplama yapılabilme
özelliği olmalıdır.
Maliyet: Kalay kurşuna göre maliyet etkin
olabilmelidir
Komponentler için Kurşunsuz Lehime Uygun
Sonlandırma Türleri
•Kaplama malzemesi
•Texas:1, 3, 5
–1.Kalay kaplama
•Philips: 1, 5
–2.Kalay-Bizmut
•Cypress:4
–3.Kalay-Bakır
•Samsung: 2
–4.Ni/Pd/Au
•Sony: 2, 4
–5.Ni/Pd
•Hitachi: 2, 4,3
•Amkor : 2, 1
•Sorunlar :
•Komponent parça numarası
•Kılcal uzantılar (Whiskering)
•Tin pest-beyaz β-kalayın gri α-kalaya dönüşümü, bağlantılarda güvenilirlik sorunu
•Korozyon-Ni/Pd/Au kaplı paketlerde, üretim sırasında kaplamaya zarar vererek alt kısımda
bulunan bakırın ortaya çıkması ile sorun başlar.
Komponent Sonlandırma Güvenilirlik
Komponent sonlandırmalarında kullanılan kurşunsuz lehim alaşımlarının SnPb ile karşılaştırılan
kriterlerin sonuçları
Sn
SnBi
SnCu
SnAg
Au /PdNi
Au / Pd
Lehimlenebilirlik
OK
OK
OK
OK
OK
OK
Lehim bağlantı
güvenilirliği
OK
SnPbBi
güvenilirliği
OK
Test
edilmedi
OK
OK
Biraz daha
fazla risk var
Biraz daha
fazla risk var
Biraz daha
fazla risk var
Kılcal uzama
riski yoktur
Kılcal uzama
riski yoktur
SnPb ve
Kurşunsuz
proses
Kontak direnci
OK
SnPbBi
güvenilirliği
Önemli
ölçüde risk
var
OK
Test
edilmedi
OK
OK
OK
OK
OK
Test
edilmedi
OK
OK
Aşınma direnci
OK
OK
OK
Test
edilmedi
OK
OK
Sürtünme
katsayısı
OK
OK
OK
Test
edilmedi
OK
OK
Kaplama işlemi
SnPb den
daha kolay
Zor
Zor
Çok zor
OK
OK
Bozulma değeri
OK
Bi miktarı
OK
OK
OK
OK
Maliyet
OK
OK
OK
Pahallı
Çok pahallı
Çok pahallı
Kalay kılcal
uzama riski
Kılcal uzantı değerlendirme diagramı
Meksimum kılcal uzantı(micron)
60
Eğrinin 26. haftadan sonra
ektrapolasyonu durumunda,
kılcal uzantı boyu 25. haftadan
sonra 50 μm geçmemelidir.
50
40
Minimum kaplama kalınlığı için
30
Ortalama kaplama kalınlığı 3
micron
20
10
0
0
1
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26
Kaynak: Puttlitz, K., and Stalter, S. Handbook of LeadFree Solder Technology for Microelectronic Assemblies,
New York, USA, Marcel Dekker Inc., 2004.
En uzun kılcal uzantı (micron)
Zaman(Hafta)
250
200
150
85 C %85 nem
Normal ortam
100
55 C
50
0
0
20
40
50
Depolama süresi, Gün
60
Farklı kaplama malzemeleri üzerine uygulanan kalay
kaplamalı sonlandırmalarda görülen maksimum kılcal uzantı
160
Enuzun kılcal uzantı, um
140
120
K65, 2.6um
100
K80, 2.7um
MF202, 2.5um
80
A42, 3.5um
60
K75, 2.5um
40
20
0
0
50
100
150
200
Depolama süresi, Gün
K75: CuCrSiTi (Cr%0.3, Ti%0.1, Si%0.02, kalanı Cu)
K80: CuFe0.1P (Fe% 0.1, P% 0.03, kalanı bakır
K65: CuFeZP (Fe%2.4, Zn%0.12, P%0.03, kalanı Cu)
MF202: Cu2Sn0.03P0.2Ni0.15Zn
A42: % 42 Ni, P 0.025 max., Al 0.15 max., Fe kalan, S 0.025 max., Co 1.0 max. C 0.05 max., Si 0.30 max., Mn
0.80 max., Cr 0.25 max
Kaynak: Suganuma, K. Lead-Free Soldering in Electronics, Marcel Dekker Inc., 2004.
Kılcal uzantı(whisker) test sonuçları
Kılcal Uzama
Sıcaklık/Nem Depolama (60C/%95RH)
•Kılcal uzamalar 2000. Saatden sonra başlıyor
•Farklı sonlandırmalar için farklı bekleme süresi
•3000. Saatden sonra korozyon ürünleri gözleniyor
•Bazı bacaklarda kılcal uzama olmuyor (örnek:SnAg’de)
Kaynak:Natioanal Electronics Manufacturing Initiative Inc.(NEMI)
Kılcal uzantı(whisker) test sonuçları
Kılcal Uzama
Sıcaklık Döngüsü -55C/ 85 C
Not: 500. Döngüye kadar kılcal uzama yok.
Kaynak:Natioanal Electronics Manufacturing Initiative Inc.(NEMI)
•Kılcal uzantı(whisker) fotoğrafları
Kalay kılcal uzamalarının oluşumunun
önlenmesine yönelik metotlar:
•Kalay kaplama yapmayın.
•Komponent üreticileri komponentleri kaplamadan kısa bir süre sonra 232°C’nin
üzerinde reflow işlemine tabi tutarak kalayın tamamen eriyip tekrar soğuması
sağlanmalıdır.
•Kaplama kalay yerine sıcak daldırma kalay veya kalay alaşımının tercih edilmesi.
Tercih edilen sıcak daldırma alaşım SnAgCu’dır .
•Ana metal malzeme ile kalay kaplama arasına nikel kaplama yapılması.
•Mat kalay kaplamanın, kaplamadan kısa bir süre sonra (24 saatden az bir süre) 150
° C de 1 saat süre ile ısıl işleme tabi tutulması. Bu metod bütün kullanıcılar
tarafından kabul edilemiyebilir.
JESD22A121-Kalay ve kalay alaşımı yüzeylerde
kılcal uzama ölçümü
En uzun kılcal uzantı
Bileşen tipi
Sınıf 1
Sınıf 2
İki bacaklı bileşen
Çok bacaklı paket
Sınıf 3
67 μm
Saf kalay ve
yüksek kalay
oranında
alaşımlar kabul
edilmez
Çalışma frekansı
> 6GHz (RF)
40 μm
(Bacaklar arasındaki
en küçük boşluk0.5mm)/3 veya 67
μm, hangisi daha
küçkse
50 μm
•Sınıf 1: Görev ve ömür olarak yüksek güvenilirlik gerektiren ürünler-Askeri, uzay, tıbbi uygulamalar
•Sınıf 2: Yüksek güvenilirlik gerektiren ticari uygulamalar- iletişim altyapı aygıtları, sunucular, disk sürüler, vb.
•Sınıf 3: Tüketici ürünleri- en fazla 5 yıl ömür beklenen ürünler.
Kaynak:International Electronics Manufacturing Initiative Inc.(INEMI)
Krem Lehim
•
Krem Lehim Baskı
parametrelerinin
belirlenmesi:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Stencil kalınlığı (Stencil
thickness)
Aperture büyüklüğü
Aperture şekli
Kart sonlandırması
Krem lehim tipi
Baskı hızı
•
•
•
•
•
•
•
Viskosite
Basılabilirlik
Çökme testi
Yayılma testi
Yapışma testi
Lehimlenebilirlik testi
Toplaşma testi
Krem lehimin kurşunsuz olduğunu gösterir etiketi olmalı, ilk giren ilk çıkar,
açmadan önce 4 saat oda sıcaklığında bekletilmeli, depolama ömrü daha kısa,
uzatılması için araştırmalar devam ediyor
Lehim Pastası (Flux)
Lehim pastası lehimleme sırasında üç fonksiyona sahiptir:
1.Yüzeydeki hafif oksit tabakasını giderir.
2.Yüzey metalini tekrar oksitlenmeye karşı ve eriyik lehim yüzeyini de
oksitlenmeye karşı korur.
3.Erimiş lehimin yüzey gerilimini azaltır
Kurşunsuz lehim ile kullanılan lehim pastası kalıntılarının temizliği
kalay-kurşunlu sistemlere göre çok daha zordur, bunun sebebi:
1.Yüksek reflow sıcaklığı
2. Kullanılan lehim pastası ile daha fazla yan reaksiyonların olması
3. Daha fazla kalay tuzlarının oluşması
SnPb ile SAC lehimin farklı lehim pastası ile sıcaklık döngüsü
ömür karşılaştırılması
•55ºC ile 125 º C
•30 dak döngü süresi
•Max. ve min. de
bekleme:10 dak.
•Hata modu: lehim
yorulması
•CTE ppm/º C
•-40ºC ile 125 º C
•12 dak döngü
süresi
•Max. ve min. da
bekleme:5 dak.
•Hata modu: lehim
yorulması ve
ayrılma
Kaynak:Lead-Free and Mixed Assembly Solder Joint Reliability Trends”, Jean-Paul Clech, Ph.D.EPSI Inc.Montclair, NJ, February 26, 2004