Dirk Stans (Eurocircuits) és Geert Willems (Center for Electronics Design & Manufacturing, imec) írásának magyar nyelvű fordítása.

Hivatkozások

[1] PBA Design-for-Manufacturing Guideline EDM-D-001: PCB Specification, imec-cEDM, 2013. július

[2] IPC-4101C: Specification for Base Materials for Rigid and Multilayer Boards

[3] Geert Willems, Piet Watté, Predicting PCB delamination in lead-free assembly, Global SMT &
Packaging, Vol. 10, No. 9, 2010, szeptember, 10. o.

Mostani helyzet

  • Az ólommentes forrasztás korszakát éljük
  • A forrasztási hőmérséklet 235°C és 250°C (+25-35°C) között van
  • Az FR-4 lapok ólommentes forrasztásával kapcsolatos sokéves tapasztalatunk rávilágítottak előnyeire és hátrányaira
  • A termék minősége és megbízhatósága döntő fontosságú a piaci siker szempontjából
  • Ezek a tényezők egyre fontosabbá teszik a nyomtatott áramköri lapok laminált alapanyagának kiválasztását
  • De hogyan hozhat PCB tervezőként megalapozott döntést?
  • És hogyan tervezhet robusztus nyomtatott áramköri lapokat, hogy optimális minőséget biztosítson az beültetés során és megbízhatóságot a termék teljes tervezett élettartama alatt?

Első reakció

A PCB tervek mostani generációjánál rengeteg anyagparamétert kell figyelembe venni:

  • T260, T288
  • CTEz
  • Td
  • Tg
  • Nedvességfelvétel

Meghatározó paraméterekről beszélünk a delaminációt illetően, továbbá az átvezető furatok ellenálló képessége tekintetében a nyomtatott áramköri lapra alkalmazott ólommentes beültetési körülmények alkalmával.

Hogyan válassza ki a megfelelő kombinációt tervéhez?

Adja magát, hogy kiválasszuk minden egyes paraméterhez a lehető legjobb értéket, de ez jelentősen korlátozza a rendelkezésre álló anyagok számát. Ráadásul ezeknek az anyagoknak megvannak a maguk hátrányai, mint például a rossz gyárthatóság és a ridegség.

Milyen következményekkel jár?

  • Amennyiben speciális anyagokat választ szükségtelenül magas hőteljesítmény követelményekkel, akkor egy rendkívül drága PCB lesz az eredmény
  • Előfordulhat, hogy PCB beszállítója nem tartja raktáron az Ön által megadott anyagot
  • Az alapanyag gyártó esetleg leállítja a ritkábban használt anyagok gyártását

Összefoglalva tehát az Ön PCB ellátása drága és a jövőre nézve bizonytalan lehet.

Annak érdekében, hogy költséghatékony és tudományosan megalapozott megoldást nyújtsunk ügyfeleinknek, az Eurocircuits együttműködött az imeccel (Center for Electronics Design & Manufacturing). Az itt bemutatott módszertan részletesen a PBA Design-for-Manufacturing Guideline című dokumentumban kerül ismertetésre: EDM-D-001: PCB Specification, amelyet az imec/cEDM fejlesztett ki, és a www.edmforum.eu oldalon érhető el. Az irányelv egyes részeit az imec/cEDM engedélyével közöljük.

Jobb abból kiindulni, amit ismer és ellenőrizni tud

Termékét ólommentesen forrasztják, ezért ólommentes forrasztással kompatibilis FR-4-re van szüksége.

A nyomtatott áramköri lapra vonatkozó követelmények függnek:

  1. Hányszor fogják a nyomtatott áramköri lapot ólommentes forrasztási hőmérsékletre emelni a gyártás és beültetés során, illetve “hány forrasztási ciklusra lesz szüksége a lapnak a beültetéshez és az esetleges javításhoz”
  2. A termék maximális üzemi hőmérséklete
  3. A termék tervezett élettartama a hőciklusok számát tekintve

Beültető partnerének meg kell tudnia adni a választ az első kérdésre. A többi kérdésre pedig az Ön partnere, illetve a végfelhasználó tud válaszolni.

Lehetséges gyártási és beültetési forrasztási ciklusok

Hogyan határozható meg a forrasztási hőmérsékleti ciklusok száma egy nyomtatott áramköri laphoz? A választ az alábbi táblázat tartalmazza, Hiv. [1].

Az első oszlopban megadott PCB gyártási és beültetési folyamatok határozzák meg a figyelembe veendő forrasztási ciklusok számát.

Folyamat Ciklus Magyarázat
Ólommentes HAL (szereletlen PCB) 2 Egy HAL merítés + egy extra merítés
Reflow 1
Hullámforrasztás 1
Szelektív forrasztás 1 Beleértve a manuális forrasztást
Javítás / utómunka 1 Zárlatok vagy szakadások eltávolítása az alkatrészeknél
Alkatrészcsere 3 Eltávolítás+tisztítás+újraforrasztás: helyi melegítés esetén érvényes

Ólommentes forrasztással kompatibilis FR-4 specifikációk

Mindig egy nemzetközileg elfogadott szabványból kell kiindulni. Az ólommentesen forrasztható FR-4 alapanyagot meghatározó IPC szabvány az IPC-4101C:

  • Az ólommentes kompatibilitású laminátumoknak 14 osztályát különbözteti meg: /99, /101, /102,/103[WG1] ,/121,/122, /124, /125/126,/127,/128,/129,/130,/131, amelyek mindegyike némileg eltérő tulajdonságokkal rendelkezik.


Részletesebb információ a www.ipc.org oldalon érhető el.

  • Főbb paraméterek:
    • Bomlási hőmérséklet: Td (Termikus bomlási hőmérséklet: lásd tovább)
    • Delaminációig eltelt idő: T260, T288, T300 (A delaminációig eltelt idő 260°C-on, 288°C-on és 300°C-on; lásd lentebb)
    • Z-tágulás (vastagság irányában): az alfa 1 és alfa 2 hőtágulási együtthatók (ppm/oC), és CTEz a z-tágulás %-ban 50oC és 260oC között

Ahelyett, hogy konkrét alapanyagot adna meg a PCB beszállítójának, ellenőrizze, hogy alapanyagaik megfelelnek-e az IPC által meghatározott osztályok valamelyikének, illetve nézze meg, hogy milyen minimális értékeket garantálnak ezekre a kulcsfontosságú paraméterekre. A nyomtatott áramköri lapok így olcsóbbak lesznek és beszerzési idejük lerövidül.

Hasonlítsuk össze az SnPb-korszak FR-4 alapanyagait és az ólommentes kompatibilitású FR-4 alapanyagokat az említett kulcsparaméterek tekintetében.

A táblázat az SnPb-korszak FR-4 alapanyagainak tipikus értékeit tartalmazza az ólommentes kompatibilitású FR-4 osztályok értékeivel összehasonlítva.

FR4 SnPb

99

101

121

124

126

129

122

125

127

128

130

131

Td (°C)

+/-300

325

310

310

325

340

340

310

325

310

325

340

340

T260 (perc)

2-15

30

30

30

30

30

30

30

30

30

30

30

30

T280 (perc)

>10 sec

5

5

5

5

15

15

5

5

5

5

15

15

CTEz (%)

+/-4.5

3.5

4.0

4.0

3.5

3.0

3.5

4.0

3.5

4.0

3.5

3.0

3.5

Amint a táblázat mutatja, jelentős különbségek vannak a régebbi FR-4 és a jelenlegi ólommentesen forrasztható FR-4-ek között (IPC-osztályokban feltüntetve) a Td, T260, T288 és CTEz kulcsparaméterek tekintetében.

Napjainkban 25-35°C-kal magasabb hőmérsékleten forrasztunk, mint korábban az ón/ólom forrasztás során. Ez kockázatot jelent a következőkre nézve:

  • Delamináció: a T260, T288 és kisebb mértékben a Td paraméterek.
  • Via repedések: CTEz paraméter

Vizsgáljuk tovább e paraméterek hatását!

Delamináció

  • Hajtóerő:
    • Laminátum bomlása
    • Nedvesség a NYÁK-ban[1]
  • Kulcsparaméterek:
    • Delaminációig eltelt idő: T260 – T288 – T300
    • Bomlási hőmérséklet Td
  • Hibatípusok
    • “Hólyagok”
    • Nagy Ohm ellenállású zárlatok
    • Vezető hibák (szakadás)
    • Via repedés (szakadás)
    • Field hiba (általában nem észlelhető a PCB beültetés tesztelés során)

Delamináció (kiterjedt szeparáció a nyomtatott áramköri lapon belül)

Legfeljebb a szomszédos vezetők vagy fémezett furatok közötti távolság 25 %-a.

A nyomtatott huzalozás területének legfeljebb 1%-a lehet érintett mindkét oldalon.

Nincs terjedés a hőterheléses vizsgálat vagy reprezentatív állapot eredményeként.

(6A) az alapanyag két üvegszövésű rétege közötti elválást mutat. A szeparáció az alapanyag és a rézfólia között is előfordulhat.
(6B) az egyes rétegek közötti elválást mutatja.
(6C) és (6D) szeparációt mutat a laminátum, illetve a belső és külső padeket vagy rézfelületek között.

Az FR-4 legfontosabb specifikációi a hőmérsékleti viselkedés tekintetében

  • Bomlási hőmérséklet – Td
    • TGA-val mérve: Termogravimetrikus analízis
    • A Td bomlási hőmérséklet határozza meg, hogy a lap milyen gyorsan kezd el bomlani a melegítés során. A Td hőmérséklet elérésekor a 10°C/perc sebességű felmelegítés után az alapanyag 5%-a bomlik le. Mivel az ólommentes forrasztáshoz a korábbiaknál körülbelül 25°C-kal melegebb hőmérsékletre van szükség, ezért anyagunkhoz a korábbiaknál magasabb Td értékekre van szükségünk.
  • Delaminációig eltelt idő: T260-T288-T300
    • TMA-val mérve: Termomechanikai analízis
      A T260-T288-T300 határozza meg, hogy az alapanyagunk mennyi ideig tud ellenállni ezeknek a hőmérsékleteknek, mielőtt az anyag elkezdene delaminálódni (az anyag vastagsága növekedni fog).

Ciklusok a delaminációig a laminátum tulajdonságainak függvényében

Az imec-cEDM által végzett kutatások és modellezés bizonyította, Ref. [1, 2], hogy az IPC/lemez peremfeltételek – különösen a rögzített T260=30min nem nyújtanak elegendő védelmet a delamináció ellen. A következő IPC-4101 kompatibilis hőteljesítményosztályok meghatározása garantálja a megadott Nd számú forrasztási ciklusokat kohéziós[2] delamináció nélkül, Ref. [1]. Vegyük figyelembe a szigorúbb T260 és T288 követelményeket.

Kategóra

Td (°C)

Min. v

T260 (perc)

Min. v

T288 (perc)

Min. v

CTEz (%)

Max. v

Nd

Potenciálisan megfelelő

IPC-4101 lapszámok

Alap

310

30

5

4

7

99, 101, 102, 103, 121, 122, 124,

125, 126, 127, 128, 129, 130, 131

Közepes

325

50

10

3.5

12

99, 102, 103, 124, 125, 126, 128,

129, 130, 131

Magas

340

80

15

3

20

102, 126, 130

Egy közepes teljesítményű alapanyag T260=50min és T288=10min értékkel legalább 12 forrasztási ciklust képes elviselni, mielőtt a laminátum nagy részében delamináció lépne fel, feltéve, hogy a PCB száraz. A fizikai-kémiai mechanizmus összekapcsolja a Td, T260 és T288 értékeket. Ezért a tényleges Td érték nem egy további paraméter.

Grafikonok a forrasztási ciklusok számának meghatározásához a delaminációig tartó időtartam és a bomlási hőmérséklet adott kombinációja esetén adottak az EDM-D-001-ben és a Ref. [2]-ben. Kalkulátor elérhető a www.cedm.be címen (cEDM-tagok számára ingyenes).

Via repedés

Az átvezetők repedését általában a laminátum és a furatfémezés közötti hőtágulási különbség okozza. Ezt befolyásolja a PCB vastagság, a rézvastagság és a furatátmérő. A legfontosabb alapanyag paraméter ehhez a CTEz érték.

  • Hajtóerő:
    • A laminátum és az átvezető furatfémezésének CTE különbsége.
  • Kulcsfontosságú paraméter:
    • CTEz: 50-260oC. Minél nagyobb a tágulás, annál rosszabb a helyzet.
  • (Tg, a1, a2) (Magyarázat a szöveg lentebbi részében)
  • Hibatípusok
    • Látszólag szakadt forrasztási kötés (különösen BGA)
    • Időszakosan szakadt kapcsolat
    • Szakadt átvezető kapcsolat
    • Field hiba (gyakran nem vizsgálható a gyártás során)
    • Csökkentett élettartamú PCB

A hőterhelés okozta via repedések a forrasztás során vagy a PCB működése közben jelenhetnek meg. A forrasztási feszültség okozta repedések ismételt forrasztással tesztelhetők, az élettartam tekintetében pedig gyorsított hőciklusos teszteléssel (tipikusan -40oC/125oC) vizsgálható ez a hatás.

Koncentráljunk a hőmérsékleti ciklikusság legkritikusabb hatására: z-tengelyű feszültség az átvezető falában a laminátum sokkal nagyobb hőtágulási együtthatója CTE miatt a z-tengelyben a réz CTE=17ppm/oC értékéhez képest.

CTEz, a1, a2: tágulás z irányban

A CTEz érték az az alapanyag paraméter, amely a legnagyobb hatással van a ciklikus feszültségre a z tengely irányában.

A fenti grafikonon látható az alapanyag z tengelyirányú tágulása (CTEz) és a hőmérséklet közötti kapcsolat. A tágulás meglehetősen lineáris folyamat, de egy ponton a görbe szöge megváltozik, és a z-tengelyű tágulás °C-onként gyorsabban növekszik. Ez a pont az alapanyag Tg értékénél van. Tulajdonképpen így határozzák meg a Tg értéket a termomechanikai analízis (TMA) segítségével.

A grafikon azt is mutatja, hogy a Tg=150°C-os hagyományos FR-4 anyag (narancssárga vonal) CTEz értéke sokkal magasabb, mint az új, ólommentes forraszthatásra alkalmas anyagé (világoszöld vonal) azonos Tg értékkel. Ezt a laminátum CTE értékének csökkentésével érik el inert töltőanyagok alkalmazásával (növeli a fúrószerszámok kopását!) vagy/és magasabb funkcionalitású epoxi típusok használatával (keményebb, ridegebb anyagok).

Következtetés: A CTEz sokkal fontosabb, mint a Tg a z-tengelyű tágulás szempontjából. A magasabb Tg értékű anyag nem garantálja a nagyobb termikus teljesítményt az ólommentes forrasztás tekintetében. Növeli azonban a nyomtatott áramköri lap költségeit.

Via repedés modell

Az EDM-D-001, 4.4.3, Ref. [1] szerint forrasztási körülmények között a plasztikus átvezető deformáció dominál. Ezért az átvezető furat élettartama (a meghibásodásig tartó forrasztási ciklusok száma) elsősorban a laminátum CTEz értékétől függ. Az átvezetők méretétől való kis mértékű függés specifikációs célokra elhanyagolható. Az EDM-D-001 CTEz alapú kritériumokat biztosít a laminátumok kiválasztásához, amelyek elegendő számú forrasztási ciklust biztosítanak az átvezetők meghibásodásáig.

Az Eurocircuits alapanyagok maximális CTEz=3,5%-os értékkel 14 forrasztási ciklus után konvencionálisan kevesebb, mint 1%-os via hibát garantálnak.

Vegye figyelembe, hogy forrasztási körülmények között az átvezető fuaratok több százalékkal megnyúlnak, ami nagyon nagy mechanikai terhelés, tudván, hogy a furatfal azonnal meghibásodik, ha 7-10% a megnyúlás, Ref. [1], B. függelék.

Via üzemi megbízhatósága – a -40/125oC-os ciklusok száma az átvezető meghibásodásáig

Üzemeltetési körülmények között a méretek, a lapvastagság és a furatfém jelentős hatással lehet az élettartamra. Általában a feszültség növekszik és így az élettartam csökken a lap vastagságának növekedésével, az átvezetőfurat átmérőjének csökkenésével és a furatfém csökkenésével. Az Imec/cEDM pontos analitikus modellt dolgozott ki a hőciklusok során fellépő via deformáció kiszámítására és az átvezető furatok élettartamának becslésére.

Az alábbi grafikonok a via deformáció függőségét mutatják -40/125oC -os ciklikus hőmérsékleten a1=50 ppm/oC-kal, D lemezvastagsággal és d átmérővel rendelkező laminátum esetében t=20µm (balra) és t=10µm (jobbra) átvezetés esetén. (FEM: numerikus Végeselem-modellezés eredményei)

A Wöhler-összefüggés segítségével, amely a meghibásodásig tartó ciklusok számát az átvezetők ciklikus igénybevételével hozza összefüggésbe, kiszámítható az átvezetők élettartama különböző üzemi körülmények között. A www.cedm.be weboldalon elérhető egy online élettartam kalkulátor (a cEDM-tagok számára ingyenes). Az imec/cEDM-től elérhető egy offline változat is a PCB tervezési eszközökbe való integráláshoz.

A forrasztás hatása a PCB várható élettartamára: via degradáció

Mint már említettük, a forrasztás nagyon nagy feszültséget jelent az átvezetőkre. Amennyiben az átvezetések nem hibásodnak meg a forrasztás során – ami természetesen alapcélunk –, abban az esetben is a PCB átvezetések élettartama a forrasztás után csökken a forrasztás nélküli PCB átvezetések élettartamához képest. Az EDM-D-001 magyarázatot ad, hogyan lehet ezt a hatást kiszámítani. Fontos azt is szem előtt tartani, hogy az alacsony CTEz értékű alapanyagok kiválasztása csökkenti a forrasztás hatását az átvezetők élettartamára.

Amennyiben ismét a standard 3,5%-os CTEz értékünket vesszük alapul, akkor az alkalmazott forrasztási ciklusonként kevesebb mint 4,6%-os élettartam-csökkenést érünk el (EDM-D-001, 4.4.4.), ami egy javítatlan PCBA esetében 13-20% közötti teljes élettartam-csökkenést eredményez.

Eurocircuits összevont panelek

Megrendeléseink túlnyomó többsége pooling paneleken készül (rendelésösszevonéás).

Ezen nyomtatott áramköri lapok standard technológiai paraméterei a következők:

– PCB vastagsága 1.55 mm

– min. vezető és szigetelő 150 µm

– legkisebb furatátmérő 0.25 mm

– min. furatfém a furatokban 20 µm

Ezen értékek és az imec/cEDM által a Ref. [1] és a fentiekben ismertetett módszertan alapján határoztuk meg az általunk használt alapanyagra vonatkozó specifikációkat.

Célunk, hogy ügyfeleinknek garantált teljesítményt nyújtsunk a nyomtatott áramköri lapok számára az beültetési folyamatok során, valamint megfelelő PCB megbízhatóságot a közepes üzemi igénybevételnek kitett elektronikus szerelvényekhez.

Milyen gyakran melegítheti fel a nyomtatott áramköri lapot forrasztási hőmérsékletre?

  • Pooling – minimális alapanyag specifikációk és a forrasztási ciklusok maximális száma
    • T260 = 60 perc, T288 > 10 perc és Td = 325°C =>16 ciklus
    • CTEz = 3.5%
    • 1.6 mm PCB => 14 ciklus 1%-os meghibásodás vagy 11 ciklus 0.1%-os meghibásodás
    • 20 µm furatfém
    • Tg 145°C=> max. üzemi hőmérséklet 120°C
    • Az Eurocircuits biztosra akar menni => -2 ciklus
    • Az ólommentes HAL magában foglalja => -2 ciklus
  • Tehát, a minimálisan garantált alapanyag specifikációnkat alkalmazva, egy standard Eurocircuits pooling PCB ólommentes HAL kivitelben 10 alkalommal emelhető ólommentes forrasztási hőmérsékletre (=<260°C) a beültetés során – azzal a feltétellel, hogy a PCB kellően száraz[3].
  • A PCB maximális üzemi hőmérséklete 120°C.
  • Valójában azonban, az általunk jelenleg használt anyagok, az Isola IS400 és a Nan Ya NP-155F sokkal jobban teljesítenek, mint a minimálisan garantált specifikációk. Ezekkel az értékekkel rendelkeznek: T260=60 perc, T288>10 perc, Td=350°C, CTEz=3%, Tg=145°C. A CTEz=3% a 14 ciklus helyett már 20-ra emelné az alap forrasztási ciklusok számát 1%-os meghibásodással.
  • Az átvezetők megbízhatósága az idő múlásával és minden egyes alkalmazott forrasztási ciklussal csökken (például 8 ciklus 4,6%-os értéken -37%-os élettartam-csökkenést jelent).
  • A jobb megbízhatóság érdekében használjon nagy átvezetőket és korlátozza a lapvastagságot. A laminátum CTEz és a Tg a1 alatti CTE a domináns átvezető megbízhatósági paraméterek.
  • IS400 és Nan Ya NP-155-F specifikáció itt érhető el.

A cikk létrejöttét támogatta:

Imec’s Center for Electronics Design & Manufacturing
Kapeldreef 75
3001 Heverlee
Belgium

Geert Willems – 0498 919464 – Geert.Willems@imec.be

[1] A nyomtatott áramköri lapba felszívódó nedvesség súlyosbíthatja a delaminációt, valamint a magasabb forrasztási hőmérséklet miatt sokkal kritikusabb paraméterré vált, mint az SnPb forraszanyag esetében. Ez ellen úgy lehet fellépni, hogy a nyomtatott áramköri lapokat ellenőrzött hőmérsékletű és páratartalmú környezetben tároljuk. Mivel a nedvesség, amennyiben jelen van, helyi változó lenne, az alapanyag tulajdonságok bemutatása során nem vettük figyelembe.

[2] Kohéziós delamináció: delamináció a laminátum tömegében, szemben a gyanta/réz határfelületen történő delaminációval.

[3] A nyomtatott áramköri lapba felszívódó nedvesség növeli a delaminálódási hajlamot a vízgőznyomás okozta további belső feszültség miatt. Ez ellensúlyozható a nyomtatott áramköri lapok száraz tasakokban vagy alacsony páratartalmú (<5 RH%) száraz szekrényekben történő tárolásával.