Tutkimus

LYIJYTTÖMÄN AALTOJUOTTAMISEN IMPLEMENTOINTI (Aapeli) -hanke (2003)

Lyijyttömän aaltojuotos-hankkeen aikana juotettiin mm. 12 elektroniikkavalmistajan juotostestisarjat.

1. Hankkeen tavoitteet

• tuottaa käytännön läheistä pohjatietoa lyijyttömästä teollisuusmittakaavan aaltojuotosprosessista
• tutkia kuonanmuodostusta typetetyssä sekä normaalin happipitoisuuden prosessissa
• mitata juotteeseen liukenevat epäpuhtausmäärät ja arvioida niiden vaikutusta juotosliitoksen luotettavuuteen
• tutkia juotosliitoksen luotettavuutta ympäristöolosuhdetestien kuten tärinän, iskujen tai lämpösyklauksen avulla (Diplomityö TTY, Di Timo Mikkonen)

2. Lyijyttömään aaltojuotosprosessiin siirryttäessä huomioitavaa

Lyijytön juote kuluttaa juotoskoneen juotteen kanssa kosketuksiin joutuvia materiaaleja enemmän kuin tinalyijy. Lyijytön juote syövyttää materiaaleja erityisesti niistä kohdista, joissa juote virtaa kosketuksissa materiaaliin kuten tapahtuu esimerkiksi juotesuuttimissa. Vanhemmissa juotoskoneissa materiaalit eivät tyypillisesti juotoskonevalmistajien mukaan kestä lyijytöntä juotetta, vaan juotepata tulee vaihtaa materiaaliltaan lyijyttömän juotteen kestävään.

Elektroniikan 3K-tehtaalla juotteen vaihdon yhteydessä vaihdettiin juotepata uuteen, mutta muita juotteen kanssa kosketuksiin joutuvia osia ei vaihdettu. Juotoskoneen osat puhdistettiin kuumailmapuhaltimen avulla sulattamalla. Puhdistuksesta huolimatta juotoskoneen osiin jäi sen verran tinalyijyä, että lyijyttömän juotteen lyijypitoisuus nousi arvosta 0,03% arvoon 0,06%. Elektroniikan 3K-tehtaalla olevaan juotepataan mahtuu lyijytöntä juotetta noin 650 kg.

Tiedusteltaessa vuoden 2003 aikana kolmen satunnaisen juotevalmistajan valmistajakohtaista spesifikaatiota lyijyttömän juotteen maksimilyijypitoisuudelle kyseisen juotetoimittajan valmistamassa juotteessa, oli kahden toimittajan ilmoittama maksimipitoisuus 0,1% ja kolmannen 0,05%. Juotetta valmistettaessa ei juotteen koostumus ole aivan helposti kontrolloitavissa, vaan lopullinen koostumus selviää, kun juote-erä on valmistettu. Elektroniikan 3K-tehtaalle toimitetussa juote-erässä lyijypitoisuus oli 0,03%, kun kyseisen juotevalmistajan spesifikaatio on, että lyijyä on alle 0,1%. Juoteanalyysi oli tehty vain yhdestä näytteestä, joten on toki mahdollista, että analysoitu koostumus vaihtelee hieman riippuen mistä harkosta tai mistä kohtaa harkkoa näyte on otettu.

RoHS-direktiivin ehdotettu maksimilyijyraja on 0,1%. Raja 0,1% saattaa aiheuttaa ongelmia, mikäli lyijytön aaltojuotosprosessi saastuu lyijystä yli mainitun rajan joko juotteen vaihdon yhteydessä tai esimerkiksi siksi, että siirtymävaiheessa pataan liukenee lyijyä juotettavista komponenteista ja piirilevyistä.

3. Tinalyijy- ja lyijyttömän aaltojuotosprosessin vertailu

• Hankkeen aikana saadun kokemuksen perusteella on todettavissa, että tinalyijy (SnPb) ja tina-hopea-kupari (SnAgCu eli SAC) käyttäytyvät käytännön juottamisessa saman tyyppisesti. Molemmilla esiintyy saman tyyppisiä juotevirheitä ja havaitut virheet on korjattavissa samoilla menetelmillä.
• SAC-prosessi optimoidaan pääpiirteissään juotoslaadun kannalta samalla tavalla kuin tinalyijyprosessi. SAC-prosessin optimointi kannattanee suorittaa kullekin tuotteelle erikseen. SAC-prosessissa käytettävissä oleva prosessi-ikkuna on kapeampi kuin tinalyijyjuotteella.
• Optimoitu SAC-prosessin juotoslaatu ei visuaalisesti havaittavien juotosvirheiden osalta eroa tinalyijyprosessin juotoslaadusta lukuunottamatta juotosliitoksen mattamaisempaa pintaa. Lyijyttömällä juotteella esiintyy tinalyijylle tuntemattomia juotosvirheitä kuten nk. Fillet lifting -ilmiö, jonka voi havaita juotosliitoksesta valmistettua poikkileikkaushiettä esimerkiksi elektronimikroskoopin avulla tarkastelemalla. Fillet lifting - juotosmurtumalle altistaa esimerkiksi lyijykontaminaatio. Hankkeen aikana tehdyissä poikkileikkaustarkasteluissa fillet lifting - murtuma havaittiin kuitenkin myös lyijyttömillä komponenteilla ja piirilevyillä eli ainoa lyijykontaminaatio oli juotteen sisältämä lyijy, jonka määrää voidaan pitää hyvin vähäisenä.
• Typetyksen todettiin vaikuttavan sekä SnPb- että SAC-prosessissa saman suuntaisesti. Typetys vähentää juotteesta riippumatta tiettyjen juotosvirheiden kuten juotesiltojen ja pallojuotosten muodostumistodennäköisyyttä, mutta lisää levyllä esiintyvien pienten juotepallojen määrää.
• Tinapadan lämpötilaa on lähes välttämätöntä lisätä. Hankkeen puitteissa ajettiin juotepadan lämpötiloilla 250°C-275°C. Myös lämpötilalla 250°C saavutettiin hyvä juotoslaatu, jos käytettiin pitkää kastoaikaa.

4. Typetyksen vaikutus

Testisarjassa käytetyssä juotoskoneessa oli käytössä typpioptio, jossa kolmen suuttimen avulla voitiin syöttää typpeä juotospadan ylle. Suuttimet oli asennettu siten, että ne puhalsivat nestetypestä höyrystettyä typpeä ennen juoteaaltoja, aaltojen väliin ja aaltojen jälkeen. Suuttimien typpivirtaus oli yhteensä 20 Nm3/h. Nestetypen happipitoisuus on alle 20 ppm. Juotepadan yläpuolelta mitatut happipitoisuudet olivat noin 2-15% riippuen mittauskohdasta. Ilman happipitoisuus on noin 21 %. Typpilaitteistojen valmistajien mukaan piirilevyn alapinnalla on juotostilanteessa läsnä matalampi happipitoisuus, sillä juotostilanteessa piirilevyn alapinnalle muodostuu osittain suljettu atmosfääri.

Typpi- ja ilma-atmosfäärissä juotettujen levyjen juotoslaatua vertailemalla havaittiin, että kun prosessi on ollut lähellä optimia, ei typetyksellä ole ollut merkittävää vaikutusta juotoslaatuun.

Kun juotosprosessi on kauempana optimista, ovat typetyksen vaikutukset havaittavissa: juotesiltoja ja pallojuotoksia esiintyy typpiatmosfäärissä vähemmän kuin ilma-atmosfäärissä. Toisaalta pieniä (halkaisija 0,2-0,6 mm) juotepalloja esiintyy typpiatmosfäärissä juotetuilla piirilevyllä enemmän.

Typetys kuitenkin laajentaa prosessi-ikkunaa siten, että myös kauempana optimista olevilla juotosparametreilla saadaan edelleen hyvää juotoslaatua.

Typetyksen etuja juotoslaadun kannalta pohdittaessa tulee arvioida, miten paljon huonommasta juotoslaadusta aiheutuvat korjauskulut kustantavat ja toisaalta miten paljon on varaa panostaa prosessin optimointiin. Toisaalta tulee arvioida typetyksen aiheuttamien levyillä esiintyvien pienten juotepallojen haitallisuus.

Typetyksen vaikutusta kuonaantumiseen tutkittiin kahdella tapaa. Ensinnäkin suoritettiin jatkuvaa seurantaa juotetuista piirilevymääristä ja typetyksen käytöstä. Lisäksi suoritettiin erillinen kuonaantumisajo.

Typpiatmosfäärillä oli suuri merkitys kuonan muodostumisen määrään. Kuonan muodostuminen putosi keskimäärin 58%:n kun juotos tehtiin typpiatmosfäärissä ilma-atmosfäärin sijasta.

5. Yhteenveto

• Lyijyttömään aaltojuotosprosessin siirryttäessä tulee huomioida, että juotteen kanssa kosketuksiin joutuvat juotoskoneen osat kestävät riittävän hyvin lyijytöntä juotetta. Lyijyttömän juotteen kontaminoitumista lyijystä tulee pyrkiä välttämään.
• SnPb- ja SAC-juote käyttäytyvät aaltojuotoksessa saman tyyppisesti ja molempien säätö tapahtuu samoilla periaatteilla. Typetys vaikuttaa molempiin juotteisiin samalla tavalla.
• SAC-prosessi vaatii korkeamman juotelämpötilan ja pidemmän kastoajan kuin SnPb-juote.
• SAC-juotteella tavataan fillet lifting-ilmiötä, jota SnPb-juotteella ei tyypillisesti tavata.
• Typetys parantaa juotoslaatua vähentämällä mm. juotesiltojen ja pallojuotosten määrää sekä vähentämällä kuonan muodostumista. Toisaalta typetys lisää pienten juotepallojen muodostumista. Typetyksen etuja typetyksestä aiheutuviin kustannuksiin nähden vertailtaessa tulee ottaa huomioon
• ilma-atmosfäärissä saavutettavasta heikommasta juotoslaadusta aiheutuvat kustannukset
• ilma-atmosfäärissä vaadittavasta tarkemmasta prosessin säädöstä aiheutuvat kustannukset
• ilma-atmosfäärissä suuremmat kuonan poistamiskustannukset ja toisaalta juotteen lisäyksestä aiheutuvat kulut

	Tutkimus Elina Havia Projekti-insinööri Fax. 015-525 0257 Gsm. 050 461 5572 Tutkimus Henri Montonen Projekti-insinööri Gsm. 044 417 4975 Fax. 015-525 0257 Etusivu | Uutisia | Koulutus | Tuotekehitys| Valmistus | Olosuhdetestaus | Röntgentarkastus | Tutkimus | Laitteisto | Yhteystiedot | Linkit | Tilaa esite