Referat 11 - Przemysłowy Instytut Elektroniki

I Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna „EKOLOGIA W ELEKTRONICE”
Przemysłowy Instytut Elektroniki
Warszawa, 16-17.10.2000
MONTAŻ LUTAMI BEZOŁOWIOWYMI
Krystyna BUKAT, Józef GROMEK
Instytut Tele i Radiotechniczny
03 - 450 Warszawa, ul. Ratuszowa 11, tel. 619-25-10
e-mail: [email protected]
W artykule przedstawiono przyczyny poszukiwań zamienników lutów cynowoołowiowych oraz informacje na temat szkodliwości ołowiu. Podano aktualny stan
wiedzy na temat światowych wyników poszukiwań zamienników ołowiu i lutów cynowo-ołowiowych oraz pierwszych prac nad montażem lutami bezołowiowymi.
Zawarto również wiadomości o prowadzonych w kraju pracach nad lutami bezołowiowymi i montażem bezołowiowym.
1. WPROWADZENIE
W połowie 1999 roku został zaprezentowany w Parlamencie Europejskim projekt
tzw. Dyrektywy WEEE (Waste from Electrical and Electronic Equipment), zwanej dalej
Dyrektywą 2004, która mówi o zakazie stosowania ołowiu w elektronice od 1 stycznia
2004 roku [1]. Dyrektywa WEEE ma na celu zabezpieczenie istniejących odpadów z
elektrycznego i elektronicznego sprzętu, zminimalizowanie szkodliwego wpływu odpadów na środowisko w trakcie składowania oraz eliminację szkodliwych materiałów z
nowopowstających produktów. Oczekuje się, że ostateczne zatwierdzenie Dyrektywy
nastąpi w 2001 roku. Poszczególne kraje Unii Europejskiej będą miały od tego momentu
1,5 roku na dostosowanie swoich przepisów do prawodawstwa Unii Europejskiej. Polska
aspirując do wejścia do Unii Europejskiej również musi się liczyć z możliwością zakazu
stosowania ołowiu w elektronice od 2004 roku, co może w sposób znaczący wpłynąć na
możliwości dalszej produkcji układów elektronicznych na potrzeby kraju i na eksport.
Ołów zaliczany jest do tzw. neurotoksyn, czyli tzw. trucizn mózgu. Powoduje on
trwałe uszkadzanie komórek mózgu (neuronów) oraz połączeń między neuronami, co
wpływa na sprawność myślenia a nawet zmiany osobowości, takie jak złośliwość, zdzie91
cinnienie, dziwactwa. Oprócz szkodliwego oddziaływania na mózg, ołów wpływa niekorzystnie na układ krwionośny człowieka powodując niedokrwistość. Stwierdzono też
rakotwórcze i embriotoksyczne działanie tego pierwiastka.
W elektronice ołów stosowany jest w stopach cynowo-ołowiowych do lutowania
wyprowadzeń podzespołów elektronicznych na płytkach drukowanych pokrytych również tym stopem. Znajduje się on w wielu elementach w bardzo rozproszonym stanie,
dlatego trudny jest do odzysku i recyklingu ze zużytych urządzeń elektrycznych i elektronicznych, które lądują na wysypiskach śmieci, z których może przedostawać się do
gleby i wód gruntowych. Na rys.1 pokazano mechanizm przedostawania się ołowiu do
wód gruntowych. Kwaśny deszcz, będący wynikiem zanieczyszczenia atmosfery, działa
na składowany na wysypiskach ołów zawarty w sprzęcie elektronicznym. Ołów stopniowo rozpuszcza się w kwaśnej wodzie, w wyniku czego powstają rozpuszczalne w
wodzie, trujące związki ołowiu (np. azotan ołowiu), które łatwo przenikają do gruntu, a
dalej do wód gruntowych, powodując zatruwanie eko-systemu człowieka [2].
kwaśny deszcz
zetknięcie się kwaśnego
deszczu z lutowiem
złomowane lutowane
elementy
woda zanieczyszczona ołowiem
woda gruntowa
zanieczyszczona
przez ołów
Rys.1. Mechanizm przedostawania się ołowiu z wysypisk śmieci do wód gruntowych
Jaka jest waga tego problemu? W 1995 r. kraje Unii Europejskiej wyrzuciły na śmieci ponad 6 mln. ton odpadów elektronicznych, w tym 25 mln. odbiorników telewizyjnych. Prognozy mówią o złomowaniu 150 mln. komputerów osobistych w USA do 2005
r.[3]. Sprzedaż sprzętu elektronicznego na świecie stale wzrasta, ze względu na ogromne
uznanie i aprobatę społeczną, W 1998 r. światowa sprzedaż produktów elektronicznych
wynosiła ponad 1 trylion dolarów, a do 2003 r. przewiduje się wzrost sprzedaży do ponad 1,5 tryliona dolarów [3]. Jak wynika z tych przytoczonych kilku liczb waga problemu jest duża.
2. ZALETY LUTOWANIA STOPAMI CYNOWOOŁOWIOWYMI
Z technicznego punktu widzenia wprowadzenie Dyrektywy WEEE będzie oznaczało
rewolucję w technologii lutowania. Lutowanie stopami cynowo-ołowiowymi ma wielowiekową tradycję, a w elektronice umocnioną pozycję od 50 lat mają eutektyczne i bliskoeutektyczne spoiwa cynowo-ołowiowe: 63Sn36Pb, 60Sn40Pb, 62Sn36PbAg2, które
charakteryzują się unikalnymi właściwościami (tabela 1), a szczególnie odpowiednim
zakresem temperatur topnienia, bardzo dobrymi właściwościami lutowniczymi, mecha92
nicznymi, elektrycznymi, odpornością na zmęczenie, dostępnością, taniością oraz możliwością stosowania lutowia w różnych formach: laski (do wanien, agregatów do zmechanizowanego lutowania), druty (naprawy ręczne), proszki do past (lutowanie rozpływowe) [4, 5].
Tabela 1. Właściwości fizyczne stosowanych w elektronice spoiw cynowo-ołowiowych [6], [7]
Lp.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Właściwość
Temperatura przemiany:
Solidus
Liquidus
Zakres plastyczności
Przewodność elektryczna
Przewodność cieplna
Współcz. Rozszerzalności
cieplnej (CTE)
Wytrzymałość na rozciąganie
Wydłużenie względne (a5)
Jednostka
°C
°C
104Ω-1 cm-1
W/mK
(w 300K)
10-6/°C
(w 293K)
MPa
%
63Sn/37Pb
60Sn/40Pb
62Sn36PbAg2
183
183
0
6,9
50,9
183
190
7
6,9
49,8
179
179
0
6,8
49,0
25
24,1
21,0
33,3
37,3
-
29
56
52
Najważniejszą jednak zaletą spoiw cynowo-ołowiowych jest to, że nadają się one zarówno do wykonywania połączeń lutowniczych, jak również na pokrycia ścieżek i pól
lutowniczych na płytkach drukowanych oraz na pokrycia końcówek i wyprowadzeń
podzespołów, zapewniając płytkom drukowanym i podzespołom odpowiednią lutowność.
3. WYNIKI BADAŃ NAD ZAMIENNIKAMI OŁOWIU I LUTÓW
CYNOWO-OŁOWIOWYCH
Od kilku lat prowadzone były na świecie prace ukierunkowane na poszukiwanie zamiennika ołowiu i eutektycznego stopu cynowo-ołowiowego [2, 8, 9]. Kryteria, którymi
kierowano się przy wyborze były: toksyczność, względy ekonomiczne, dostępność kopalin oraz właściwości fizyko-chemiczne potencjalnego zamiennika ołowiu i spoiwa bezołowiowego, a szczególnie jego temperatura topnienia oraz to, czy spoiwo jest eutektyczne. W tabeli 2 podano porównanie kosztu, produkowanych ilości i względnej toksyczności potencjalnych zamienników ołowiu [3].
Jak wynika z przytoczonych danych liczba pierwiastków możliwych do rozważenia
jest bardzo niewielka. Z tej listy eliminacji ulegają takie pierwiastki jak:
• ind, ze względu na zbyt wysoka cenę i niskie światowe zasoby,
• cynk, ze względu na zbyt duży stopień utleniania i korozję.
93
Tabela 2. Koszt i światowa produkcja potencjalnych zamienników ołowiu
NDS
Pierwiastek
Koszt
Światowa promg/m3
USD/kg
dukcja
x103 ton
Miedź (Cu)
2,29
9100
1
Cynk (Zn)
1,10
6900
5
Cyna (Sn)
5,95
210
2
Antymon (Sb)
2,06
60
0,5
Srebro (Ag)
195,60
14
0,1
Bizmut (Bi)
6,61
4
brak
Ind (In)
230,00
0,12
0,1
Ołów (Pb)
0,93
3370
0,03
W tej sytuacji, z praktycznego punktu widzenia, jako zamienniki ołowiu w stopie cynowo-ołowiowym mogą być brane pod uwagę: miedź, bizmut, srebro, choć również jest
drogie i ewentualnie antymon.
Przebadano około 200 spoiw cynowych z potencjalnymi zamiennikami ołowiu. Prace
te zakończone w ciągu ostatnich trzech lat doprowadziły do wniosku, że nie ma jednego
zamiennika stopu 63Sn37Pb. Spoiwa bezołowiowe najbardziej różnią się od 63Sn36Pb
zakresem temperatur topnienia. Aktualnie brane są pod uwagę jako zamienniki następujące spoiwa eutektyczne:
• 96,5Sn3,5Ag (w USA),
• 99,3Sn0,7Cu (w Europie),
• 48Sn52Bi (w Japonii).
Tabela 3. Temperatury topnienia eutektycznych spoiw bezołowiowych
Rodzaj spoiwa
Temperatura topnienia
°C
99,3Sn0,7Cu
227
96,5Sn3,5Ag
221
48Sn52Bi
139
Spoiwa 99,3Sn0,7Cu i 96,5Sn3,5Ag charakteryzują się wyższą temperaturą topnienia
niż stop 63Sn36Pb. Wyższe temperatury lutowania będą wymagały bardziej odpornych
termicznie podzespołów i topników niż dotychczas stosowane. Omówione czynniki będą
zatem zawężać okno technologiczne w procesie lutowania. Rozważa się możliwość
zastosowania tych stopów do lutowania układów elektronicznych dla przemysłu motoryzacyjnego, nie zmienia to jednak faktu poszukiwania nowych, bardziej odpornych termicznie materiałów, tzn. płytek drukowanych i podzespołów. Spoiwo 48Sn52Bi może
być rozważane do lutowania bardzo wrażliwych na temperaturę elementów elektronicznych, ze względu na znacznie niższą temperaturę topnienia. Zakres stosowania tego typu
lutowia jest znacznie ograniczony.
Coraz więcej prac skupia się na trójskładnikowych, pozaeutektycznych lub bliskoeutektycznych spoiwach: SnAgCu oraz SnAgBi i SnCuBi, ponieważ charakteryzują się
niższymi temperaturami topnienia niż 96,5Sn3,5Ag i 99,3Sn0,7Cu. Te spoiwa nadają
się raczej na proszki do past lutowniczych, natomiast nie są zalecane do agregatów lutowniczych [8].
94
Tabela 4. Temperatury topnienia wybranych trójskładnikowych lutów bezołowiowych
Rodzj spoiwa
Zakres temperatur topnienia
°C
95,5Sn-3,5A-g0,7Cu
217 (eutektoid)
93,5Sn-3,5Ag-3Bi
206 - 212
89,5Sn-10Bi-0,5Cu
190 - 200
Właściwości elektryczne omawianych lutowii są zbliżone do 63Sn37Pb, natomiast
wytrzymałości mechaniczne niektórych z nich są wyższe [9].
Rozważając dyrektywę WEEE należy brać pod uwagę nie tylko eliminację ołowiu z
lutowii, ale także z pokryć ścieżek płytek drukowanych oraz wyprowadzeń podzespołów. Jak pokazano na rys. 2, aktualnie około 60% produkowanych na świecie płytek
drukowanych powleka się spoiwem cynowo-ołowiowym tzw. metodą HASL (Hot Air
Solder Leveling). Resztę stanowią inne pokrycia, które nie zawierają ołowiu w swojej
recepturze.
1,9
7,8
5,3
Ni/Au
HASL
OSP
SnPb
Pd
25,6
1998
szacunkowo
59,4
Rys. 2. Udział poszczególnych rodzajów powłok zabezpieczających miedź na płytkach drukowanych (wg. IPC TMRC 1998 r.)
Od kilku lat obserwuje się postęp w zakresie powłok zabezpieczających lutowność
płytek drukowanych związany z koniecznością uzyskiwania płaskich pól lutowniczych
na pd do lutowania podzespołów o bardzo małym rastrze („fine pitch” i „very fine pich”)
w technologii montażu powierzchniowego. W praktyce przemysłowej istnieją pokrycia
złotem chemicznym na podwarstwie niklu (Ni/Au), do praktyki zaczynają wchodzić
chemiczna cyna, nikiel/pallad oraz powłoki organiczne (OSP), rozważane są powłoki
srebrowe [10]. Udział każdej z tych bezołowiowych powłok zabezpieczających lutowność płytek drukowanych jest jednak mniejszy w porównaniu z powłokami nanoszonymi metodą HASL (rys. 2), ponadto każde z tych nowych rozwiązań niesie ze sobą nie
tylko zalety ale i wady w porównaniu z tradycyjnym zabezpieczeniem miedzi powłoką
SnPb. Powłoki złote (Ni/Au) wymagają bardzo ścisłego reżimu technologicznego, bowiem niedotrzymanie parametrów może spowodować nieszczelność powłoki złotej,
migrację niklu do powierzchni i utratę lutowności przez ścieżki na pd. Poza tym jest to
bardzo drogie wykonanie. Powłoki organiczne, które są tanie, są wrażliwe na narażenia
termiczne, a te będą nieuniknione w przypadku lutowania stopami bezołowiowymi.
Dlatego też oprócz rozważań na temat całkowitej eliminacji nakładania powłok metodą
95
HASL, prowadzone są prace nad zamiennikami stopu SnPb do nakładania powłok tą
metodą [11]. Najbardziej obiecującym jest stop 99,3Sn 0,7Cu (o temperaturze topnienia
227°C) oznaczony przez firmę Multicore symbolem 99C. Jednak przemysłowe zastosowanie tego stopu będzie wymagało wielu prac dotyczących badań nad odpornością termicznej materiałów, niezawodnością, itp. Rozważana jest również zmiana sposobu prowadzenia procesu nakładania powłok metodą HAL z wertykalnej na horyzontalną, a to
wymaga zmiany aparatury i parametrów technologicznych procesu [12].
W przypadku podzespołów obserwuje się bardzo mało doniesień na temat prac zmierzających do eliminacji SnPb z pokryć wyprowadzeń, ponieważ te prace są najmniej
zaawansowane. Rozważane są następujące pokrycia wyprowadzeń: Sn, Pd/Ni, Au, Ag
Sn/Bi [13]. Najbardziej obiecujące wyniki po narażeniach termicznych połączeń lutowanych uzyskano dla wyprowadzeń podzespołów pokrytych cyną. Tego typu podzespoły
dawały trwałe złącza na złoconych chemicznie płytkach drukowanych lutowanych pastami zawierającymi stopy bezołowiowe: 99,3Sn 0,7Cu i 96,5Sn 3,5Ag [14].
4. WYNIKI PRÓB LUTOWANIA ZAMIENNIKAMI
LUTÓWCYNOWO-OŁOWIOWYCH
Wychodząc z założenia, że w połączeniu lutowanym stosunek udziału metalu z lutowia, podłoża i wyprowadzenia podzespołu wynosi jak 70:25:5, pierwsze prace nad montażem bezołowiowym skupiały się na lutowaniu stopami bezołowiowymi, uwzględniano
też płytki drukowane z pokryciami bezołowiowymi, natomiast podzespoły posiadały
pokrycia SnPb. Wkrótce okazało się jak błędny jest taki punkt widzenia. Otóż wprowadzenie nawet małej ilości ołowiu do połączenia bezołowiowego prowadzi niekiedy do
katastrofalnych wyników, ponieważ tworzą się niskotemperaturowe eutektyki z ołowiem, co powoduje obniżenie termicznej wytrzymałości połączeń. Szczególnie ostro
fakt ten ujawnił się w przypadku lutów SnBi, które z ołowiem tworzą bardzo nisko topliwą etektykę, jak to pokazano w tabeli 5.
Tabela 5. Wpływ dodatku ołowiu na temperaturę topnienia dwuskładnikowych stopów bezołowiowych [15]
Typ stopu bezołowiowego Temperatura topnienia stopu
Temperatura topnienia stopu
bezołowiowego
zanieczyszBezołowiowego, °C
czonego ołowiem, °C
Sn - Ag
221
178
Sn - Bi
138
97
Sn - Sb
230
182
Sn - Zn
199
183
Innym problemem, który ujawnił się podczas prób lutowania „na fali” stopami cynabizmut jest występowanie tzw. zjawiska lift-off, tj. odrywania się lutowia cynowego
zawierającego powyżej 5% Bi od podłoża miedzianego.
Zjawisko to jest wywołane mikrosegregacją bizmutu i gromadzeniem się jego nadmiaru przy powierzchni lutowiny, wskutek czego powstaje dodatkowa warstwa pomiędzy podłożem a lutowiem uniemożliwiająca połączenie się lutowia z podłożem [16].
Kolejnym problemem jest nadmierne utlenianie się lutów bezołowiowych, co w
przypadku lutowania na fali lutowia prowadzi do tworzenia nadmiernej ilości żużla,
który tworzy się około 3-5 razy szybciej niż dla stopów SnPb. Również nierozwiązany
96
jest problem zwiększonej rozpuszczalności niektórych pierwiastków z podłoża, np. Cu w
stopach bezołowiowych.
Do sukcesów w montażu lutami bezołowiowymi należy zaliczyć lutowanie rozpływowe pastą zawierająca lutowie 95,5Sn 4Ag 0,5Cu i topnik typu no-clean nie zawierający haklogenków. Proces montażu podzespołów typu PLCC oraz rezystorów i kondensatorów typu chip prowadzono na płytkach drukowanych pokrytych Au/Ni oraz płytkach
chemicznie srebrzonych. Montaż prowadzono na standardowej linii montażowej SMT.
Również pozytywnie wypadł proces lutowania podzespołów w obudowach BGA i
µBGA kulkami lutowia bezołowiowego 95,5Sn 3,8Ag0,7Cu na podłożu złoconym [17].
5. STAN PRAC NAD LUTAMI BEZOŁOWIOWYMI I
MONTAŻEM BEZOŁOWIOWYM W KRAJU
Prace nad lutami bezołowiowymi i lutowaniem bezołowiowym w kraju są dopiero na
początku drogi. W latach 1995-1997 prowadzony był projekt badawczy dotyczący badania wpływu halogenków w topnikach na kinetykę zwilżania i właściwości połączeń
lutowanych spoiwami bezołowiowymi [18]. Efektem tej pracy było wytypowanie topników typu no-clean do lutowania spoiwami 91Sn 7,2Bi 1,8Ag, 97Sn 9,4Bi 0,43Cu oraz
97Sn 1,8Ag 0,8Cu i 0,4Sb. Próba zainteresowania producenta stopów nowymi, bezołowiowymi materiałami nie dała pozytywnego rezultatu. Wiąże to się z brakiem zainteresowania polskiego rynku elektronicznego bezołowiowymi materiałami do lutowania.
6. WNIOSKI
Na podstawie dotychczasowej wiedzy należy stwierdzić, że montaż bezołowiowy na
potrzeby elektroniki jest nie tylko możliwy do przeprowadzenia, ale jest również nieunikniony ze względu na Dyrektywę WEEE Unii Europejskiej. Nie istnieje jeden zamiennik tradycyjnego lutowia bezołowiowego, dlatego badania nad montażem muszą
być prowadzone wielokierunkowo. Największe nadzieje wiąże się z cynowymi lutami
dwuskładnikowymi z dodatkami miedzi i srebra do lutowania na fali, do lutowania ręcznego oraz do procesu pokrywania płytek drukowanych metodą HASL. Trójskładnikowe
stopy SnAgCu oraz SnBiCu i SnBiAg preferowane są past lutowniczych przeznaczonych do lutowania rozpływowego. Nieuniknionym jest też stosowanie bezołowiowych
wyprowadzeń podzespołów. Tu największą nadzieję wiąże się z pokryciem cyną chemiczną. Przytoczone w artykule rozważania i przykłady świadczą o tym, że montaż
bezołowiowy jest możliwy do przeprowadzenia, świadczą również o tym, że tylko niewielka część problemów związanych z montażem bezołowiowym została na świecie
pokonana.
LITERATURA
1. Guidance for Pb-Free Soldering Technology. Tamura Corporation, Japan Productronic fair, Munich,1999.
2. Charles H.K., Sinnadurai N.:Microelectronics: Rinsing to the Environmental
Challenge?! Proceedings of 12th European Microelectronics and Packaging Conference. June 1999, 78.
3. Kisiel R.: Właściwości użytkowe lutowi bezołowiowych. Elektronika Vol 36 nr 8,
1995, 15.
4. Biocca P.:Global Update on Lead-Free Solders, SMT, June 1999, 61.
97
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
Hwang J.:Modern Solder Technology for Competitive Electronics Manufacturing, McGraw-Hill, 1996.
PN-76/M-69400. Spoiwa cynowo-ołowiowe do lutowania miękkiego. Gatunki
Grust A.:Connecting to Lead-Free Solders. Reprint with permission from Circuits Assembly, August 1999, Miller Freeman Inc.
Adolphi B.:Lead-Free Solders: And What Now?. VTE, 11, No. 5, 1999, E76.
Melton C., Feurhaupter H.:Lead-free Tin Surface Finish for PCB Assembly. Circuit World, Vol. 23, No. 2, 1997, 30.
Seto P., Evans J., Bishop S.:Analysis of the Palladium Finish. SMT, June 1999,
61.
Buetow M.:Green Stamps. PC Fabrication Vol 22, No. 6, June 1999, 58.
Snowdon K.:Towards a Green 2000. Proceedings of 12th European Microelectronics and Packaging Conference. June 1999, 71.
Russel M.:A Study to Determine a Suitable Replacement for Lead Based Solder
for Surface Finishing of Devices. Proceedings of Imaps-Europe Prague 2000
Conference, June 2000, 314.
Hampshire W.B.:Some Problems in Switching to Lead-free Solders. Soldering &
Surface Mount Technology. No.25, February 19997, 11.
Suganuma K.:Influence of Various Factors on Lift-Off Phenomenon in Wave
Soldering. Proceedings of 12th European Microelectronics and Packaging Conference. June 1999, 505.
Wojciechowski D.,Truzzi C.:Impact on BGAs, Process and Equipment of LeadFree Soldering. Proc. of Imaps-Europe, Prague 2000 Conference, June 2000,
308.
Kisiel R.: Badanie wpływu zawartości halogenków w topnikach na kinetyk zwilżania i właściwości połączeń lutowanych spoiwami bezołowiowymi. Raport końcowy projektu badawczego Nr 8 T11B 052 10.
LEAD - FREE ASSEMBLY
The search reason of lead-free solders and the information of lead toxicity were presented in this article. The currently knowledge of the investigated lead-free alloy results
and the first on the world lead-free assembly were contained too. The information of the
solder alloy substitution investigation and lead-free assembly carried out in our country
were also included in this paper.
98