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 Metal Maliyeti(USD/lb) Sn4Ag0,5Cu 5,24 Sn3,5Ag5Bi 4,96 96,5Sn3,5Ag 4,90 Sn3Ag3Bi 4,58 Sn2Ag0,8Cu0,5Sb 3,82 Sn58Bi 3,11 Sn0,7Cu 2,41 Sn8Zn3Bi 2,32 63Sn37Pb 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 SnAgBiCu 208-213 Askeri/Havacılık Panasonic SnAgBiCuGe 216(alaşım oranalrına Tüketici Elektronik Sony bağlı) SnAgBiX 206-213 Tüketici Elektronik Sony SnAgCu 217 Otomotiv Panasonic Telekomunikasyon Nokia, Toshiba, Nortel, Panasonic SnBi 138 Tüketici Elektronik Panasonic SnCu 227 Tüketici Elektronik Panasonic Telekomunikasyon Nortel SnZn 198.5 Tüketici Elektronik NEC, Panasonic, Toshiba
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. Islatma Kuvveti (mn/mm) 0,300 0,250 0,200 0,150 0,100 0,050 0,000 0,000 0,500 1,500 2,500 3,500 5,000 10,000 0 gün 30 gün 90 gün 180 gün 330 gün 672 gün Kurşunsuz HASL Risk: Yüksek sıcaklık, PCB de kamburlaşma, işlem sırasında emilen kimyasal maddeler. Islatma Süresi (sn) OSP sonlandırma için oda sıcaklığında 672 güne kadar depolanma durumunaki ıslatma kuvvetleri
Elektriksiz Nikel/Daldırma Altın (ENIG) 0,250 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 0,200 0,150 0,100 0,050 0,000 0,000 0,300 0,750 1,500 3,000 4,500 7,500 10,000 Islatma Süresi (sn) 18 ay 12 ay 6 ay 2 ay 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 1.Kalay kaplama 2.Kalay-Bizmut 3.Kalay-Bakır 4.Ni/Pd/Au 5.Ni/Pd Texas:1, 3, 5 Philips: 1, 5 Cypress:4 Samsung: 2 Sony: 2, 4 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 Lehim bağlantı güvenilirliği SnPbBi güvenilirliği Test edilmedi Kalay kılcal uzama riski SnPb ve Kurşunsuz proses Biraz daha fazla risk var Biraz daha fazla risk var SnPbBi güvenilirliği Önemli ölçüde risk var Biraz daha fazla risk var Test edilmedi Kontak direnci Test edilmedi Aşınma direnci Test edilmedi Kılcal uzama riski yoktur Kılcal uzama riski yoktur Sürtünme katsayısı Test edilmedi Kaplama işlemi SnPb den daha kolay Zor Zor Çok zor Bozulma değeri Bi miktarı Maliyet Pahallı Çok pahallı Çok pahallı
Kılcal uzantı değerlendirme diagramı Meksimum kılcal uzantı(micron) 60 50 40 30 20 10 Minimum kaplama kalınlığı için Ortalama kaplama kalınlığı 3 micron Eğrinin 26. haftadan sonra ektrapolasyonu durumunda, kılcal uzantı boyu 25. haftadan sonra 50 μm geçmemelidir. 0 0 1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Zaman(Hafta) Kaynak: Puttlitz, K., and Stalter, S. Handbook of Lead- Free Solder Technology for Microelectronic Assemblies, New York, USA, Marcel Dekker Inc., 2004. En uzun kılcal uzantı (micron) 250 200 150 100 50 0 0 20 40 50 60 Depolama süresi, Gün 85 C %85 nem Normal ortam 55 C
Farklı kaplama malzemeleri üzerine uygulanan kalay kaplamalı sonlandırmalarda görülen maksimum kılcal uzantı 160 140 Enuzun kılcal uzantı, um 120 100 80 60 40 20 0 0 50 100 150 200 Depolama süresi, Gün K65, 2.6um K80, 2.7um MF202, 2.5um A42, 3.5um K75, 2.5um 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 Sınıf 3 İki bacaklı bileşen 67 μm Çok bacaklı paket Saf kalay ve yüksek kalay oranında alaşımlar kabul edilmez 40 μm (Bacaklar arasındaki en küçük boşluk- 0.5mm)/3 veya 67 μm, hangisi daha küçkse Çalışma frekansı > 6GHz (RF) 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. Stencil kalınlığı (Stencil thickness) 2. Aperture büyüklüğü 3. Aperture şekli 4. Kart sonlandırması 5. Krem lehim tipi 6. 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