Tutkimus

Lyijytön aaltojuotos: Juotosmurtumat ja juoksutteet Akseli -hanke
01.04.2004 - 31.5.2005

LOPPURAPORTTI - TIIVISTELMÄ

1. Johdanto

Hankkeessa Lyijytön aaltojuotos: Juotosmurtumat ja juoksutteet (Akseli) tutkittiin lyijyttömässä aaltojuotoksessa esiintyviä juotosmurtumia sekä toisaalta lyijyttömässä aaltojuotosprosessissa käytettäväksi soveltuvia juoksutteita ja niiden ominaisuuksia. Tutkimukseen sisältyneet juoteseokset olivat Sn3.0%Ag0.5%Cu sekä Sn0.7Cu(Ni), joista testisarjat ajettiin pääasiassa ensin mainitulla SAC-juotteella. Hankkeen aikana juotettiin Elektroniikan 3K-tehtaan testisarjat sekä hankkeeseen osallistuneista yrityksistä 12 eri testisarjaa. Yksittäisessä yrityskohtaisessa testisarjaan sisältyi tyypillisesti yhden tai kahden korttityypin juottaminen yrityksen valitsemilla juoksutteilla. Yhteensä testisarjoissa käytettiin 18 erilaista juoksutetta. Testisarjoihin sisältyi viisi erilaista lyijytöntä piirilevyn johdinpinnoitetta, jotka edustavat kattavasti tutkimushetkellä markkinoilla saatavilla olevia lyijyttömiä piirilevyn johdinpinnoitteita.

Elektroniikan 3K-tehtaan testisarjoissa tutkittiin juotosmurtuman syntymistä sekä juotettiin nk. juoksutetestisarja, jossa tutkittiin kuuden juoksutteen ominaisuuksia. Eri juoksutteilla saavutettua juotoslaatua arvioitiin visuaalisesti ja röntgenmikroskooppitarkastelun avulla. Juoksutejäänteiden määrää mitattiin puhtausanalyysitestin sekä SIR-mittausten avulla.

Hankkeeseen osallistuu useita suomalaisia elektroniikkaa valmistavia yrityksiä. Hankkeeseen osallistuvat yritykset voivat tutkia valitsemillaan tuotteilla laiteparametrien sekä apuainevalintojen vaikutusta juotosten luotettavuuteen.

Lyijyttömässä aaltojuotoksessa esiintyy nk. fillet lifting-tyyppisiä juotosmurtumia, joita ei tyypillisesti tavata käytettäessä juotteena perinteistä tinalyijyä. Hankkeessa tutkittiin kyseisten juotosmurtumien muodostumista, niiden syntymiseen vaikuttavia tekijöitä, murtuman etenemistä juotoksen altistuessa rasitukselle sekä keinoja havaita kyseisiä murtumia. Juotosmurtumien tutkimustulokset esitetään H. Montosen diplomityössä.
(LTY - 2005 - Juotosmurtumat lyijyttömässä aaltojuotoksessa)

2. Juoksutteet

2.1. Juoksutteilla saavutettu juotoslaatu

Tämän tutkimuksen testisarjoissa käytettiin juoksutteen annostelijana sprayflukseria. Sprayflukserilla saavutetaan tarkempi juoksutteen annostelu kuin vaahtoflukserilla.

Kaikilla testatuilla juoksutteilla saavutettiin vähintään kohtuullinen juotoslaatu. Testatut juoksutteet on jaettu seuraavassa esitettävissä kahdessa taulukossa kahteen ryhmään sen mukaan onko niillä saavutettu juotoslaatu ollut keskimääräistä parempaa vai heikompaa. Tähti (*) -merkintä juoksutemerkinnän perässä kertoo, että kyseistä juoksutetta on testattu useammassa kuin yhdessä sellaisessa testisarjassa, jossa juoksutteiden välillä on voitu havaita tilastollisesti merkittävää eroa ja havaittu ero on samansuuntainen muiden testisarjojen kanssa. Tällöin kyseisen juoksutteen tuloksia voidaan pitää luotettavampina.

2.2. Puhtausanalyysi

Juotetuille testilevyille tehtiin puhtausmittaukset Ionograph 500M -laitteistolla. Juoksutteet, joille puhtausanalyysimittaus tehtiin olivat: F1, F2, F3, F4, F11 ja F17.

Kaikilla edellä mainituilla flukseilla juotetut testilevyt alittivat suurimman sallitun johtavien epäpuhtauksien mittausarvon puhtausanalyysimittauksessa. Käytettävällä Ionograph-menetelmällä puhtausanalyysin suurin hyväksyttävissä oleva puhtausarvo on 3.1 mg NaCl eq./cm2. (Käytöstä poistetun MIL-standardin mukainen arvo.)

Testisarjassa käytetty IPC TM650 2.3.25 mukainen puhtausanalyysi soveltuu nykyään paremmin valmistusprosessien seurantaan kuin piirilevyjen varsinaiseen puhtausmittaukseen, koska menetelmät on kehitetty aiemmin käytössä olleille RMA ja RA tyypin flukseille. Nykyään piirilevyjen puhtausmittauksiin suositellaan käyttämään joko IPC TM650 2.3.28 määrittelemää ioni-kromatografia-menetelmää tai SIR-mittauksia.

3. Piirilevyn johdinpinnoitteet

Testisarjoihin sisältyi viisi erilaista lyijytöntä piirilevyn johdinpinnoitetta, jotka kattavat hyvin markkinoilla tutkimushetkellä saatavissa olevat lyijyttömät piirilevyn johdinpinnoitteet. Testatut piirilevyn lyijyttömät johdinpinnoitteet olivat:

Näistä selkeästi paras juotoslaatu visuaalisesti ja röntgentarkastuksen avulla arvioituna oli lyijytön HASL-pinnoite. Lyijyttömän HASL-pinnoitteen jälkeen pinnoitteissa oli todettavissa juotoslaadun osalta seuraava järjestys: kemiallinen immersiotina, NiAu, kemiallinen immersiohopea ja orgaaninen pinnoite, joista siis viimeksi mainitulla saavutettiin heikoin juotoslaatu. Tulee kuitenkin huomioida, että tämä järjestys on vain suuntaa antava osoitus eri johdinpinnoitteilla saavutetusta juotoslaadusta.

Heikoin juotoslaatu saavutettiin OSP-pinnoitteella. OSP-pinnoitteella saavutettua juotoslaatua saattaa heikentää se, että piirilevy on jo ennen aaltojuotosprosessia altistunut melko korkeille lämpötiloille, kun pintaliitoskomponenttien liima on kuivatettu uunissa. OSP-pinnoite sietää heikosti korkeita lämpötiloja ja pinnoitteessa oleva orgaaninen yhdiste saattaa hajota korkeissa lämpötiloissa. Tällöin hapettumiselta suojaava pinnoite menetetään ja kyseinen pinta juottuu heikosti.

Testisarjojen perusteella lyijyttömällä HASL-pinnoitteella saavutetaan yleisesti paras juotoslaatu muihin pinnoitteisiin verrattuna. Tulee kuitenkin huomioida, että lyijytön HASL-pinnoite on pinnaltaan samalla tavalla epätasainen kuin perinteisellä tinalyijyllä tehty HASL-pinnoitekin, mikä rajoittaa sen käyttöä joissakin sovelluskohteissa.

Juotosliitoksessa esiintyvien huokosten eli nk. voidien eli määrään vaikutti eniten käytetty piirilevyjen johdinpinnoite. Ero oli selvä OSP ja kemiallisen tinapinnoitteen välillä, joilla 3K-tehtaan omat testit ajettiin. OSP-pinnoitetuilla levyillä esiintyi huomattavasti vähemmän voideja kuin tinapinnoitetuilla. Esilämmityksen määrällä ei ollut suurta merkitystä liitoksiin jääneiden voidien määrään. Käytetyissä tinapinnoitetuissa piirilevyissä oli sama pinnoite kuin tätä tutkimushanketta edeltäneessä Aapeli-hankkeessa käytetyissä levyissä. Voidien määrä kuitenkin käyttäytyi eri tavalla kuin Aapeli-hankkeessa, jossa tinapinnoitteella saavutettiin pienin voidien määrä. Aapeli-hankkeen immersio-Sn levyt oli tosin tilattu eri valmistajalta. Voitaneen todeta, että piirilevyvalmistajan käyttämillä prosessiparametreilla ja prosessin puhtaudella voi olla jopa suurempi vaikutus piirilevyä juotettaessa syntyvien voidien määrään, kuin käytetyllä johdinpinnoitteella.

4. Yksittäisiä tuloksia testisarjoista

Lyijyttömässä aaltojuotoksessa tyypillisesti havaittavaan ongelmaan, läpivientikomponenttien vajaaseen juottumiseen, havaittiin parhaiten auttavan juotteeseen kastoajan lisääminen ja/tai juotteen lämpötilan nostaminen. Kyse on lämpötilan rajoittamasta juottumisesta, jolloin muilla tekijöillä kuten juoksutetyypillä tai j uoksutteen määrällä ei asiaan voida vaikuttaa.

Tarkasteltaessa sitä, vaikuttaako valittu juoksute vai valittu piirilevyn johdinpinnoite juotoslaatuun enemmän havaittiin, että lyijytön HASL-pinnoite oli ylivoimainen muihin tekijöihin nähden. Juoksutteesta riippumatta sillä saavutettiin yleisesti hyvä juotoslaatu. Muilla pinnoitteilla tai juoksutteilla ei havaittu olevan vastaavaa muihin tekijöihin nähden ylivoimaista vaikutusta juotoslaatuun.

Tutkimushankkeen aikana tutkittiin mahdollisuutta jäähdyttää piirilevyä välittömästi juotoksen jälkeen ilmapuhalluksen avulla. Jäähdytyksen arvioitiin pienentävän piirilevyn lämpölaajenemista, minkä oletettiin ehkäisevän fillet lifting - juotosmurtuman syntymistä. Puhallusjärjestelyn ensimmäisen version havaittiin kuitenkin heikentävän yleistä juotoslaatua ja lisäävän esimerkiksi juotesiltojen määrää, koska puhallus ei ollut suunnattu riittävästi poispäin juoteaalloista. Jatkokehittelystä luovuttiin rajallisten resurssien vuoksi. Sivuhuomiona puhalluskokeilussa kuitenkin havaittiin, että levyn alapuolelle suunnattu voimakas ilmapuhallus vähensi merkittävästi levyn pinnalla havaittujen pienten juotepallojen määrää. Ilmapuhalluksella voitaneenkin poistaa pieniä juotepalloja piirilevyn pinnalta, mikä parantaa tuotteen luotettavuutta. Tulisi tutkia, voidaanko puhallus toteuttaa kustannustehokkaasti saavutettuun juotoslaadun parantumiseen verrattuna.

5. Murtumat

Lyijyttömässä aaltojuotoksessa tyypillisesti havaittavaan ongelmaan, läpivientikomponenttien vajaaseen juottumiseen, havaittiin parhaiten auttavan juotteeseen kastoajan lisääminen ja/tai juotteen lämpötilan nostaminen. Kyse on lämpötilan rajoittamasta juottumisesta, jolloin muilla tekijöillä kuten juoksutetyypillä tai j uoksutteen määrällä ei asiaan voida vaikuttaa.

Lyijyttömässä juottamisessa nousevat juotoslämpötilat väistämättä suuremmiksi kuin tinalyijyjuotteella juotettaessa. Suuremmat lämpötilan muutokset aiheuttavat suurempia rasituksia piirilevyjen kuparoituihin läpivienteihin sekä niiden ja piirilevyn sisäkerroksien välisiin liitoksiin.

Tutkimuksessa käytettiin 96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu-juoteainetta ja sillä juotettuja komponenttilevyjä rasitettiin täristinlaitteella sekä sääkaappiolosuhteissa. Pääpaino tutkimuksessa oli komponenttilevyissä esiintyvien juotemurtumien tutkimuksessa. Pienimuotoinen testi suoritettiin myös SN100C-juoteaineella (SnCuNi). Visuaalisten ja röntgentarkastelujen lisäksi komponenttilevyistä tehtiin piirilevyhieitä, joista murtumia voitiin tarkastella elektronimikroskoopilla.

Testilevyjä juotettiin neljällä eri aaltojuotoskoneen asetusyhdistelmällä. Muuttuvia parametreja olivat kokonaiskastoaika aaltoihin sekä juotteen lämpötila.

Piirilevyjen johdinpinnoitteista OSP-pinnoite oli selvästi heikommin juottuva pinnoite kemialliseen tinapinnoitteeseen verrattuna. Juoteaineilla ei ollut suurta eroa juottumisen suhteen OSP-pinnoitteisilla levyillä, mutta kemiallisella tinapinnoitteella pinnoitetuilla levyillä SAC-juoteseos toimi varmemmin.

Komponenttipaikkojen ja maadoituksen erilaisella suunnittelulla voitiin parantaa juotteen nousua läpivienteihin. Myös juotoslämpötilan tai kastoajan lisääminen paransi juotteen nousua läpivienteihin. Vähiten vajaita läpivientien juotoksia esiintyi käytettäessä pitkää juotteeseen kastoaikaa.

Juottamisen jälkeen juotosmurtumia löydettiin useista juotosliitoksista. Juotteen murtumisia juotostäplästä tavattiin Au-pinnoitteisessa (4-napaisessa) liitinrimassa.

Murtumia esiintyi ainoastaan piirilevyn yläpinnalla. Juotosmurtuman tapahtuessa juotteen ja juotostäplän väliltä murtuma eteni lähes poikkeuksetta välimetallikerroksen ja juotteen välistä rajapintaa pitkin. SN100C-juotteella yhdessä neljästä hienäytteestä havaittiin lievää juotteen murtumista juotostäplästä. Kaikissa neljässä näytteessä sen sijaan oli havaittavissa juotostäplien irtoamista piirilevyn pinnalta. Läpikuparoimattomilla CEM-1 laminaattimateriaalia olevilla levyillä ei esiintynyt juottamisen jälkeen lainkaan juotosmurtumia, koska l äpikuparoimattomassa levyssä rasitukset juotosliitokseen ovat huomattavasti pienempiä.

Syntyneet välimetallikerrokset olivat odotettuja Cu6Sn5 tai (Cu,Ni)6Sn5 -yhdisteitä. Välimetallikerrokset eivät kasvaneet merkittävästi sääkaappitestin aikana eikä Cu3Sn välimetallikerrosta havaittu.

Merkittävimmät täristyksessä syntyneet vauriot havaittiin piirilevyn läpikuparoinnin ja piirilevymateriaalin välisellä rajapinnalla. Kuparointien pystysuorat osuudet olivat osittain tai kokonaan irronneet piirilevylaminaatista. Tämä vaurio on todennäköisimmin saanut alkunsa jo juottamisvaiheessa liian suuresta lämpömäärästä. Irtoamisia esiintyi useammin korkeilla juotosparametreilla juotettaessa (kastoaika 6s, juotteen lämpötila 270°C). Juotettaessa syntyneet fillet-lifting juotosmurtumat eivät olleet edenneet tärinätestauksen aikana.

Sääkaapissa olleissa CEM-1-materiaalia olevissa levyissä ei havaittu vaurioita lämpötilasyklin päättyessä. FR-4 levyjen juotosliitoksissa oli havaittavissa yleisesti joko juotteen irtoamista juotostäplästä, murtumia juotemassan läpi tai vajaasti juottuneissa komponenteissa murtumia läpivientikuparoinnin vieressä. Sääkaapin lämpötilan vaihtelu oli siten aiheuttanut lisää murtumia ja pahentanut jo juotettaessa syntyneitä juotemurtumia FR-4 levyillä.

6. Johtopäätökset

Tutkimuksen perusteella juotteen murtumat lyijyttömillä juoteaineilla ovat yleisempiä kuin osattiin odottaa, mutta tutkimustuloksia hyödyntämällä voidaan vähentää syntyvien murtumien lukumäärää valitsemalla tuotteita valmistettaessa oikeat laiteasetukset.

Tutkimuksen tavoitteena oli tuottaa tietoa lyijyttömässä aaltojuottamisessa esiintyvistä juotosmurtumista elektroniikka-alan yrityksille, selvittää juotosmurtumia aiheuttavia ominaisuuksia materiaaleissa sekä selvittää aaltojuotoslaitteiston juotosasetusten vaikutuksia juotteen murtumiseen. Tavoitteena oli myös selvittää juotosmurtumien syntymistä ehkäiseviä toimintamalleja elektroniikkatuotantoon. Tavoitteisiin päästiin monellakin osa-alueella ja opittiin tuntemaan joitakin prosessiin liittyviä ja juotosmurtumiin selkeästi vaikuttavia laiteasetuksia ja niiden vaikutuksia.

Jatkotutkimuksille on tarvetta jo melko suosituksi lyijyttömäksi juotteeksi tulleen SN100C-juoteaineen sekä eri juoteaineilla tapahtuvan korjausjuottamisen osalta.