Significante
aandacht en heel wat inspanning zijn besteed aan het begrip
betrouwbaarheid van loodvrije soldeerverbindingen. Misschien zijn de
eisen die aan loodvrij solderen worden gesteld, waar het de
betrouwbaarheid van PCB soldeerverbindingen betreft, significanter. De
betrouwbaarheid van de PCB na het assemblageproces, wordt hoofdzakelijk
veroorzaakt door één bron - de temperaturen die
worden vereist om componenten tijdens het loodvrije assemblage te
solderen. Deze betrouwbaarheidskwesties vereisten de ontwikkeling van
een White paper1 waaruit onderdelen in dit artikel werden opgenomen.
Met SnPb solderen, was de betrouwbaarheid van PCB geen issue, maar in
onze moedige nieuwe loodvrije wereld, is dit niet meer het geval.
PCB’s moet nu volledig compatibel worden ontworpen en worden
gespecificeerd om in lijn te zijn met het loodvrije solderen. Tenzij
deze veranderingen in de specificatie van een PCB inbegrepen zijn, zal
dit niet gebeuren, omdat PCB fabrikanten zullen produceren met de
laagst mogelijke kosten. De aanpassingen die nodig zijn voor het
loodvrije assemblage proces, resulteren in een verhoging van
productiekosten.
Om er
zeker van te zijn dat de PCB het loodvrije assemblage proces zal
overleven en om de betrouwbaarheid te kunnen garanderen, zijn
verbeteringen van de harseigenschappen van PCB noodzakelijk. De
betrouwbaarheid van PCB verbindingen; de doorgemetalliseerde gaten en
de verbinding van het doorgemetalliseerde gat met de binnenlaag,
vereisen een verbeterde glasovergang temperatuur (Tg) en lagere
coëfficiënten van de thermische uitzetting (CTE). De
verbeterde waarde van Tg en Td zijn ook noodzakelijk voor de thermische
stabiliteit van de hars van PCB.
De basis en prepreg materialen van de PCB worden vaak gespecificeerd
volgens het industriedocument IPC-4101. Men moet er rekening mee houden
dat het gebruik van de IPC-4101 bladen, voor materiaal keuze, niet
volstaat om specifieke eigenschappen te specificeren. De waaier van
eigenschappen in deze bladen is te ruim. Geadviseerd word om specifieke
materialen of hun equivalenten voor kritische toepassingen te
specificeren.
De Tg temperatuur zou moeten worden bepaald met behulp van de Thermo
Mechanische Analyse (TMA) methode zoals beschreven in de IPC-TM-650
2.4.24C. Deze TMA methode heeft de voorkeur boven de DSC4 en DMA5
methode, omdat de thermische uitzetting van de PCB een kritieke
parameter is en door TMA als functie van temperatuur gegeven.
Voor alle PCB’s, behalve de hele dunne, zal de minimum
decompositie temperatuur Td (volgens IPC-TM-650 2.4.24.66) en de
maximum thermische uitzettingscoëfficiënt in de
Z-richting CTE (volgens IPC-TM-650 2.4.417) moeten worden
gespecificeerd. De CTE temperaturen zouden zowel onder als boven de Tg
temperatuur gegeven moeten worden, echter de thermische uitzetting (TE
in %) word vaak in een range van temperaturen tussen de 50 en 260˚C
gegeven. Een goede TE waarden is 3.2% of lager. De decompositie waarde
Td word meestal gegeven als Td (5%) bij 5% gewicht verlies. Beter is
een Td (2%) bij 2% gewicht verlies, gegevens die op deze parameter
worden gebaseerd is niet ruim voor handen.
Vaak word de tijd tot delaminatie (T-288 of T-260) gespecificeerd,
naast Td of in plaats van Td. De T-288 delaminatie tijd geeft een
nauwkeuriger prestatie niveau aan, gezien de temperatuur van het
loodvrij soldeer proces. Delaminatie tijd is soms gecombineerd met de
eisen dat een PCB de proces temperatuur 4 tot 5 keer moet kunnen
overleven.
Jammer genoeg zijn de data sheets van diverse laminaat en prepreg
leveranciers niet consistent of compleet. Sterker nog de eigenschappen
of metingen zijn vaak verricht door commerciële laboratoria
(waarden bleken vaak niet geloofwaardig), de CTE (x) en de CTE (y) in
de praktijk bleken vaak het dubbele te zijn van de waarden uit de data
sheets. Tijdens de kwalificatie of de selectie van laminaten zijn er
drie kritische eigenschappen die van groot belang zijn op de
betrouwbaarheid van de PCB en de inter-connecties tijdens een loodvrij
assemblage proces;
• glasovergang temperatuur Glass transition temperature = Tg
• delaminatie temperatuur Decomposition temperature = Td, en
• Thermische uitzetting Thermal expansion = TE
Deze kritische parameters kunnen ingevoerd worden in een Soldeer
Temperatuur Impact Index (STTI).
De formule hiervoor is STII = Tg/2 + Td/2 – (TE%(50 to 260˚C)
x 10)
Voor PCB’s met een einddikte van 1,5mm of dikker, is een STII
waarde van 215 of groter aanbevolen. Het STII concept word nog niet
veel toegepast, maar de meeste (helaas nog niet alle) basis materialen
hebben een STII waarde van 215 of meer.
Deze reden voor het belang van deze drie eigenschappen komt voort uit
de thermo-fysieke krachten welke op de structuur en inter-connecties
van de doorgemetalliseerde gaten, de via’s, de buried- en
micro-via’s worden uitgeoefend tijdens de temperatuur cycli
van het loodvrij soldeer proces. Problemen als een gebarste
doormetallisering (figuur 1) en een gebroken inter-connectie (figuur 2)
kunnen worden vermeden door een juist ontwerp.
Om de thermische uitzetting in Z-richting te verminderen, worden
diverse materialen aan de hars toegevoegd. In sommige gevallen wordt de
materiaalsterkte verminderd en leid dit tot delaminatie van het basis
materiaal zelf en tot delaminatie van het koper van het basis materiaal
(Figuur 3).
Desmear
Loodvrij compatibel; hoge Tg (170-180˚C) materialen gebruiken vaak
phenolics als uitharding component. The weerstand van deze materialen
tegen de desmear chemicaliën is substantieel hoger dan bij de
traditionele dicey-cured, hoge Tg materialen. Daarom moeten we het
desmear-process opnieuw beoordelen. We veronderstellen dat elk nieuw
basismateriaal het oude basismateriaal in de huidige productie
processen kan vervangen. Indien het desmear proces niet geoptimaliseerd
is zal er geen strakke doormetallisering gevormd kunnen worden en
bestaat er een grote kans op het achterblijven van hars met losse
inter-connecties tot gevolg.
Specificaties
Wegens bovengenoemde kwesties, moeten nieuwe basismaterialen,
ontwikkeld voor het loodvrij soldeer en assemblage proces, niet alleen
nauwkeurig geselecteerd worden aan de hand van de datasheets, maar ook
op coupons welke getest kunnen worden om aan te tonen dat deze voldoen
aan de gestelde kwaliteit eisen en betrouwbaarheid. Sommige
leveranciers verkiezen een specificatie en eigenschappen van het
eindproduct boven de specificatie van de toe te passen materialen. Het
argument daarvoor is dat niet enkel de eigenschappen van de
grondstoffen (basis materiaal) maar ook de verwerking processen het
uiteindelijke succes van het product bepalen.De product specificatie
kan opgegeven worden in termen als, de maximaal te verwachten
temperaturen tijdens het loodvrij soldeer proces en de tijd dat het
product aan deze temperaturen wordt blootgesteld, bijvoorbeeld 280˚C
gedurende 3 minuten, inclusief het HASL, reflow, golf en bewerking en
herstel werkzaamheden. Als alternatief kan men een solder-float of
solder-dip test voorschrijven, bijvoorbeeld 288˚C voor 3 tot 5 cycli,
waarbij de coupons geen delaminatie, gebarste doormetallisering of
scheiding van de binnenlagen mogen laten zien. Men heeft ook
voorgesteld een zogenaamde tijd tot delaminatie protocol in te voeren.
Zo kan misschien naast of in plaats van de T-260 test een cT-260 waarde
toegevoegd worden. Deze waarde wordt gegenereerd door het board een
x-aantal cycli bloot te stellen aan een omgeving van 260˚C of hoger om
het assemblage proces te simuleren. Bijvoorbeeld 6 thermische cycli
kunnen 3 reflow processen en 3 herstel werkzaamheden simuleren. Na deze
thermische blootstelling, kan de PCB aan de standaard T-260˚C test
onderworpen worden totdat delaminatie optreed. Het is aangetoond dat
sommige “high performance” hars houdende
basismaterialen, gemakkelijker degraderen na een aantal thermische
cycli dan na een enkelvoudige opwarming naar 260˚C of zelfs 288˚C en
dat materialen met slechte cT-260 resultaten, doorgaans niet uitvallen
door delaminatie maar door gebarste doormetalliseringen.
Bron:
Printed Circuit Design and Fab. www. pcdandf.com, januari 2008 1).
Engelmaier, W., “Recommendations for PCB FAB Notes and
Specifications in Printed Circuit Board Drawings for SnPb and Lead-Free
Soldering Assemblies, the Qualification of PCB Shops and Activities to
Assure Continued Quality, v.07,” White Paper/Multi-Client
Study,
Engelmaier Associates, L.C., February 2007
