Kopioi artikkelin PDF-versio
Elektroniikan juotosprosessi on muutosten kourissa. Lyijyn käytön kieltävä lainsäädäntö pakottaa siirtymään perinteisestä ja turvallisesta SnPb:stä lyijyttömiin vaihtoehtoihin. Tämä asettaa uusia vaatimuksia muun muassa prosessiparametreille ja materiaalien valinnoille.
Lainsäädännön muuttuessa lähitulevaisuudessa lyijyn käytön kieltäväksi elektroniikkateollisuus on uusien haasteiden edessä. Tina-lyijyn korvaaminen lyijyttömällä juotevaihtoehdolla lopputuotteen riittävä luotettavuustaso säilyttäen ei ole helppo tehtävä. Vaikka tutkimus tina-lyijyjuotteen korvaamiseksi on ollut varsin vilkasta viimeisen vuosikymmenen aikana, useita kysymyksiä lyijyttömään juottamiseen liittyen on edelleen avoinna.
Tällä hetkellä käytöstä poistettavissa elektroniikkatuotteissa oleva lyijy pääsee leviämään kaatopaikoilla ympäristöön ja pohjavesiin. Sieltä lyijy siirtyy eläinten ja ihmisten elimistöön säilyen ravintoketjussa pitkiä aikoja. Elimistöön päästyään lyijy leviää verenkiertoon, pehmytkudoksiin ja luihin vaurioittaen muun muassa keskushermostoa ja munuaisia, sekä aiheuttaen anemiaa ja lapsilla kehityksen hidastumista. Lyijyn haitalliset ympäristö- ja terveysvaikutukset ovat saaneet aikaan kansainvälisen trendin muuttaa valtioiden lainsäädäntöä lyijyn käytön kieltäväksi myös elektroniikkateollisuudessa.
Japanilaiset ovat olleet lyijyttömyyteen siirtymisessä edelläkävijöitä, ja maailman ensimmäinen lyijytön kulutushyödyke, MD-soitin, valmistettiin Japanissa jo vuonna 1999. Japanissa käytöstä poistettavien elektroniikkatuotteiden keräämisen ja kierrätyksen edellyttävä laki astui voimaan vuonna 2001. Kyseinen laki ei kuitenkaan määrittele tuotteiden lyijyttömään valmistukseen siirtymisen aikataulua, jonka kuitenkin uskotaan säädettävän lähitulevaisuudessa.
USA:ssa ei ole vielä olemassa lyijyttömyyteen tai elektroniikkatuotteiden kierrättämiseen määräävää lakia, mutta useiden osavaltioiden tiedetään suunnittelevan määräyksiä kierrätyksen järjestämiseksi. Lainsäädännön puuttumisesta huolimatta USA:n elektroniikkateollisuus on jo suurelta osin siirtymässä lyijyttömyyteen paitsi imagokysymysten, mutta myös siten saavutettavien markkinaetujen vuoksi.
EU:ssa ROHS-direktiivi (Restriction of Hazardous Substances) astuu voimaan vuonna 2006 tai 2007 kieltäen haitallisten raskasmetallien, mukaan lukien lyijyn käytön lähes kaikessa kulutuselektroniikan valmistuksessa. Tästä syystä myös Suomen elektroniikkateollisuuden on siirryttävä lyijyttömiin juotemateriaaleihin sekä piirilevy- ja komponenttipinnoitteisiin lähivuosina.
Useimmat elektroniikka-alan yritykset pitävät kehitysohjelmissaan SnAgCu:a parhaimpana vaihtoehtona SnPb:n korvaajaksi kaikilla juotostekniikoilla. Näiden lisäksi varteenotettavia vaihtoehtoja ovat mm. SnAg reflow-juottamisessa ja SnCu aaltojuottamisessa. Myös vismuttipohjaiset juotteet ovat joidenkin tahojen suosiossa, mutta ne ovat käyttökelpoisia vain matalan lämpötilan sovelluksissa matalan sulamislämpötilansa vuoksi. Tässä artikkelissa keskitytään pintaliittämiseen SnAgCu:lla, koska se on potentiaalinen vaihtoehto kaikessa juottamisessa, ja koska LYKO-projektin tutkimukset keskittyvät SnAgCu-liitosten tutkimiseen eri koostumuksilla.
Pintaliitosprosessi
Pintaliitosprosessin työvaiheita ovat pastanpaino, komponenttien ladonta sekä reflow. Jokaisen työvaiheen jälkeen suoritetaan visuaalinen tarkastus. Pastanpainokoneessa liitosalustan päälle asetetaan ohut teräslevy eli stensiili, jossa on avaukset niillä kohdin johon pastaa on tarkoitus levittää. Pasta pakotetaan työntymään avauksien läpi niin sanotun raakelin avulla, minkä jälkeen stensiili nostetaan irti liitosalustasta.
Tämän jälkeen komponentit ladotaan liitosalustoille, jotka seuraavaksi kulkevat kuljettimella läpi reflow-uunin. Uuni koostuu useista eri lämmitys/jäähdytysvyöhykkeistä, joiden lämpötilaa voidaan erikseen säädellä toivotunlaisen lämpötilaprofiilin saavuttamiseksi. Reflow-uunien lämmitysvaikutus perustuu joko konvektioon, IR-säteilyyn tai näiden yhdistelmään.
Lyijyttömien juotospastojen käyttäminen ei aiheuta merkittäviä muutoksia nykyisiin pastanpaino- tai ladontaprosesseihin. Pastanpainossa pastan fluksin ominaisuudet määrittelevät prosessiparametrit, ja vaikka lyijyttömyyteen siirryttäessä fluksit tulevatkin vaihtumaan, eivät ne edellytä juurikaan muutoksia parametreihin. Sen sijaan reflowssa lyijyttömyyden mukanaan tuomat muutokset ovat merkittäviä.
Muutoksia reflow-
profiiliin
Merkittävin ero SnAgCu:n ja SnPb:n välillä on niiden sulamispisteessä. SnAgCu:lla se on selvästi korkeampi (217ºC/183ºC), minkä edellyttää muutosta reflow-profiiliin. Tyypillinen profiili koostuu lämpötilan nostoalueesta, esilämmitysalueesta, varsinaisesta reflow-alueesta ja jäähdytysalueesta. Esilämmityksessä juotepastan fluksi aktivoituu, jolloin fluksin hapot poistavat hapettumat juotettavilta pinnoilta. Reflow-alueella juote sulaa, ja SnAgCu:lla profiilin maksimilämpötila on noin 20-30ºC korkeampi kuin juotettaessa SnPb:lla, mikä asettaa vaatimuksia myös komponenttien ja liitosalustojen lämpötilakestävyydelle. Maksimilämpötilan ehdottomana yläarvona pidetään yleensä 260ºC.
Reflow'ssa lämpötilan nosto tulisi tehdä riittävän hitaasti, jotta varsinkin suuremmat komponentit välttyisivät lämpöshokilta lämpötilaa nostettaessa. Niin ikään jäähdytys tulisi olla riittävän hidas, jotta liitoksiin tai komponentteihin ei syntyisi jännityksiä. Juottamisessa käytettävien lämpötilojen kasvun myötä konvektiouunien käyttö on suositeltavampaa kuin IR-uunien käytettäessä FR-4 liitosalustaa, koska IR-säteily saattaa herkästi polttaa piirilevyn ja siten heikentää piirilevyn ja Cu-padien välistä adheesiota.
Tarkkuutta materiaalivalintoihin
Liitosalustojen osalta lyijyttömässä liitosprosessissa käytetyin piirilevymateriaali on epoksipohjainen FR-4. Paksujen ja suurikokoisten piirilevyjen kohdalla suositellaan käytettävän korkean lasittumislämpötilan (Tg) omaavia piirilevymateriaaleja, jolloin levyjen taipuminen ja lämpölaajeneminen paksuussuunnassa on vähäisempää.
Edellä mainitussa ROHS-direktiivissä kielletään myös bromipohjaisista palonestoaineista PBB ja PBDE, mikä pakottaa käyttämään jatkossa joko ROHS-direktiivin kieltolistan ulkopuolelle jäävää TBBA:ta tai halogeenivapaita palonestoaineita sisältäviä piirilevyjä, jollaisia ovat muun muassa orgaaniset fosforiyhdisteet ja epäorgaaniset fillerit. Piirilevyllä sähköisinä kontaktikohtina olevien kuparipadien pinnoitteissa joudutaan niin ikään siirtymään täysin lyijyttömiin vaihtoehtoihin. Aiemmin suosittujen SnPb HASL-pinnoitteiden väistyessä alaa valtaavat useat erilaiset vaihtoehdot, joista turvallisimpina valintoina lyijyttömään juottamiseen voidaan mainita NiAu ja OSP.
Myös komponenttien liitosjohtimien pinnoitteet on muutettava lyijyttömiksi. Tyypillisimpiä SnPb:n korvaajia ovat NiPd, NiPdAu, SnBi, SnCu ja Sn. BGA- ja CSP-komponenteissa olevat lyijyttömät juotepallot tehdään tavallisesti SnAgCu:sta tai SnAg:sta. Puhtaiden tinapinnoitteiden käyttö on varsin yleistä erityisesti passiivikomponenttien terminaatioissa, vaikka eräät tahot epäilevätkin tinapinnoitteista kasvavan whiskereitä, jotka saattaisivat aiheuttaa oikosulkuja ja siten heikentää tuotteiden luotettavuutta. Tällä hetkellä ei ole vielä olemassa lopullista päätöstä siitä, mikä tulee olemaan lyijyn kynnysarvo lyijyttömissä tuotteissa. Todennäköisimmin toteutuvana raja-arvona pidetään 0,1 wt-% lyijymäärää jokaisessa lopputuotteen materiaalissa.
SnAgCu-pastoista suosituin valinta on eutektinen koostumus 95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu, minkä käyttöä yleensä perustellaan yhdessä tietyssä lämpötilassa, niin sanotussa eutektisessa pisteessä tapahtuvalla sulamisella. Käytettäessä eutektista koostumusta juote sulaa yhdessä ja samassa lämpötilassa, jolloin niin sanotut puuroalueet pystytään välttämään reflow'n jälkeisessä jäähdytyksessä. Tällöin juotosliitoksen rajapinnoilla tapahtuvan välimetallikerrosten kasvun uskotaan olevan kontrolloidumpi. Kuitenkin koostumuksen vaikutusta SnAgCu-juotteen lujuuteen, mikrorakenteeseen ja luotettavuuteen on tutkittu varsin vähän, mikä on osasyy LYKO-projektissa tehdyille tutkimuksille.
SnAgCu-liitosten ominaisuudet
LYKO-projektissa on tarkasteltu SnAgCu-juotosliitosten mikrorakennetta, mekaanisia ominaisuuksia ja luotettavuutta kolmella eri koostumuksella; alieutektisella, eutektisella ja ylieutektisella koostumuksella. Tutkimuksissa käytettyjä piirilevypinnoitteita ovat OSP, NiAu ja Sn-pinnoite. Kaikissa tutkimuksissa käytettiin SnPb-pastaa referenssinä, jotta säilytettäisiin tulosten vertailtavuus nykytilanteeseen. Kaikki tutkimuksissa käytetyt juotepastat ovat olleet tavanomaisia kaupallisia laatuja.
Projektissa on suunniteltu ja valmistettu koesauva, jonka avulla on tutkittu juotosliitosten leikkauslujuutta ja virumiskestävyyttä. Vetokoesauvat juotettiin tyypillisellä SnAgCu-lämpötilaprofiililla teollisessa reflow-uunissa. Reflown jälkeen osa sauvoista keinovanhennettiin 85 °C:ssa 500 ja 1000 tunnin ajan. Vetokoetulosten perusteella SnAgCu-liitosten leikkauslujuus on kaikilla koostumuksilla hieman suurempi kuin SnPb-liitoksilla. Tulokset myös viittaavat vanhentamattomien liitosten lujuusarvojen olevan korkeammat käytettäessä piirilevypinnoitteena OSP:a kuin käytettäessä NiAu:a. Pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM) suoritetun mikrorakenneanalyysin perusteella tämä johtuu juotteen rakennetta lujittavien Ag3Sn-dispersioiden kokojakauman erilaisuudesta eri pinnoitteilla. Erot dispersioiden kokojakaumassa selittyvät juotosliitosten jäähtymisnopeudella, joka on riippuvainen käytettävästä piirilevypinnoitteesta. Vanhennuksen seurauksena kokojakaumaerot tasoittuvat johtaen myös lujuusarvojen tasoittumiseen.
QFP-pakkausten jalkojen juotosliitoksiin kohdistuneiden vetokokeiden sekä mikrorakennetarkasteluiden tulokset vahvistivat koesauvoilla saatuja havaintoja piirilevypinnoitteen vaikutuksista juotteen mikrorakenteeseen ja lujuuteen. Lisäksi QFP-vetokokeet osoittivat SnAgCu-juotospastalla olevan huomattavia vaikutuksia liitosten mikrorakenteeseen ja murtumiskäyttäytymiseen. Erityisesti alieutektisten juotosliitosten lujuusominaisuudet heikkenivät huomattavasti vanhennuksen seurauksena. Tämä johtui välimetallikerroksen erilaisesta koostumuksesta, mikä teki kerroksesta hauraamman kuin eutektista/ylieutektista pastaa käytettäessä. Tästä syystä eutektisen tai lähellä eutektista pistettä olevan koostumuksen omaavan juotospastan käyttö näyttäisi olevan turvallisin vaihtoehto SnAgCu-pastalla juotettaessa.
Virumiskestävyydeltään SnAgCu-liitosten todettiin olevan merkittävästi SnPb-liitoksia parempia. Virumiskestävyydellä tarkoitetaan materiaalin kykyä vastustaa ajasta riippuvaa plastista muodonmuutosta. Vastaavasti tutkittiin myös liitosten käyttäytymistä termisen väsytyskuormituksen alaisuudessa. Kyseiset testit tehtiin lämpötilasyklauksena, jossa lämpötila vaihteli -40°C:n ja 125°C:n välillä. Siirtymäaika syklauksessa oli 1 minuutti ja pitoaika 14 minuuttia. Tulosten perusteella SnAgCu- ja SnPb-liitosten termisellä väsymiskäyttäytymisellä ei ole sanottavaa eroa.
Kaiken kaikkiaan LYKO-projektissa saavutetut tulokset ovat olleet varsin rohkaisevia. Lähes poikkeuksetta SnAgCu-liitosten ominaisuuksien on todettu olevan SnPb-liitosten tasolla, monesti jopa parempia. Käytetyillä materiaaleilla ja prosessiparametreilla on tulosten perusteella mahdollista valmistaa riittävän luotettavuustason omaava tuote tavanomaisiin käyttöolosuhteisiin. Kuitenkin esimerkiksi lyijyttömien juotosliitosten käyttäytyminen iskumaisen kuormituksen alaisena on edelleen lähes täysin kirjoittamaton lehti lyijyttömien juotteiden tutkimuskentässä. Vastaavasti oma lukunsa on tinalla alle 13°C:ssa tapahtuvan faasimuutoksen vaikutukset SnAgCu-liitosten luotettavuuteen, mitä on tutkittu toistaiseksi maailmanlaajuisestikin erittäin vähän.
Työ lyijyttömien juotteiden tutkimuksen parissa kuitenkin jatkuu. Matka lyijyttömyyteen on pitkä ja vaikeakulkuinen, mutta päämäärä; luotettavuutensa vaikeimmissakin käyttöolosuhteissa säilyttävät lyijyttömät juotosliitokset, on saavutettavissa.
Aiheesta enemmän:
Soldertec: http://www.lead-free.org
Janne J. Sundelin, Sami T. Nurmi, Toivo K. Lepistö, Eero O. Ristolainen: Pull Testing of Lead-Free QFP Solder Joints, Proceedings of 52nd Electronic Components and Technology Conference, pp. 1622-1626, San Diego, 2002.
Special Issue on Basic Science and Advanced Technology of Lead-Free Electronics Packaging, Materials Transactions, Vol. 42, No. 5, May 2001.
Harrison, M.R., Vincent, J.H., Steen, H.A.H., Lead-free Reflow Soldering for Electronics Assembly, Soldering & Surface Mount Technology, Vol. 13, No. 3, 2001, pp. 21-38.
Abtew, M., Selvaduray, G., Lead-free Solders in Microelectronics, Materials Science and Engineering, R27, No. 5-6, June 2000.
ROHS-direktiivi - Restriction of Hazardous Substances; EU-direktiivi, joka kieltää lyijyn käytön elektroniikan pakkaustekniikassa.
IR-säteily - Infrapunasäteily
FR-4 - Epoksipohjainen piirilevymateriaali
Tg - Lasittumisämpötila; lämpötila jossa muovi alkaa menettää mekaanisia ominaisuuksiaan
PBB - Polybromatut bifenyylit, piirilevyn palonestoaine
PBDE - Polybromatut difenyylieetterit, piirilevyn palonestoaine
TBBA - tetrabromibifenoli A, piirilevyn palonestoaine
HASL - Hot Air Solder Leveling, piirilevyn SnPb-pinnoite
OSP - Organic Solderability Preservative, orgaaninen piirilevypinnoite
NiAu - Nikkeli-kulta, piirilevypinnoite
Taustat
Kirjoittajat: DI Janne Sundelin toimii tutkijana TTKK:n Materiaaliopin laitoksella. Professori Toivo Lepistö on TTKK:n Materiaaliopin laitoksen johtaja ja toimii tutkimuksen vastuullisena johtajana.
Yhteyshenkilö: toivo.lepisto@tut.fi
Tutkimus: LYKO (Lyijyttömät komponentit, niiden liittäminen ja mekaaninen testaus)
Yhteistyössä: TTKK:n Elektroniikan laitos, Tekes, Aspocomp Oyj, Elcoteq Network Oyj, Nokia Mobile Phones, Tellabs Oy
Teknologiaohjelma: ELMO