Blyfri manuel lodning

Transkript

1 Blyfri manuel lodning

2 Indhold Blyfri - Hvorfor? Substratmateriale (printplader) Overfladefinish på loddepads/loddeøer Komponenter ESD Inspektion (anvendelse af forstørrelsesudstyr) Lodde materialer Tinoverflader Flus 2

3 Rensemetoder Loddemaskiner Loddemetoder Standarder Kontrolmetoder Specialudstyr RoHS og WEEE direktiverne RoHS (Reduction of certain Hazardous Substances) Alle er enige om at en verden uden bly er et bedre sted at leve og derfor er der fokus på elektronikindustriens forbrug af bly og andre stoffer. EU har vedtaget et direktiv - RoHS (Reduction of certain Hazardous Substances), som forbyder brugen af bly, kviksølv, kadmium, hexavalent krom og visse brommerede flammehæmmere PBB og PBDE i elektroniske produkter markedsført efter 1. juli WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment) Gør producenten ansvarlig for indsamling, behandling og genanvendelse af. elektronisk affald også finansieringen 3

4 Det gælder for både nyt og gammelt affald. (produceret før og efter 3. August 2005) Indsamlingsfaciliteterne skal være klar til at modtage elektronik affald før 13. August 2005 Kina-RoHS 1. marts 2007 Substratmaterialer Print Fenolpapir printplader (FR3) Fremstilles af tynde papirplader, der limes sammen med fenol Brunt udseende Epoxypapirprintplader (FR 3) Fremstilles af tynde papirplader der limes sammen med epoxy Gulligt udseende Epoxyglasfiberprintplader (FR4) Fremstilles af tyndeglasfiberplader der limes sammen med epoxy Grønt udseende Multilayer (FR 4) Fremstilles af tyndeglasfiberplader der bygget op i flere lag print Grønt udseende 4

5 Aluminiumoxid (keramik) Fremstilles af keramisk materiale Hvidt udseende Specielle materialer (Flexprint) Kan være fremstillet af polyestermaterialer Brunt udseende FR- betyder Flame Resist og er et udtryk for hvor brandbart materialet er, FR-4 er brandhæmmende Printtyper: Enkeltsidet print En enkeltsidet printplade er en isoleringsplade med lederbaner på den ene side Dobbeltsidet print En dobbeltsidet printplade er en isoleringsplade med lederbaner på begge sider Gennempletterede print En gennempletteret printplade er en printplade med lederbaner på begge sider, hvor monteringshullerne er foret med en kobberlegering, som har elektrisk forbindelse med loddeøer og ledebaner (viahuller). Multilayer (Flerlagsprint) Et multilayerprint er en printplade med lederbaner i flere lag, som er adskilt af isoleringsplader. Denne type print vil altid være gennempletterede, gennempletteringen skal skabe elektrisk forbindelse mellem de forskellige lag af lederbaner, Kan fremstilles med mere end 22 lag. Keramisk print Et keramisk print er en isoleringsplade af keramik med påtrykte lederbaner Flexprint Er et print fremstillet af et meget tyndt lag polyestermateriale der er meget fleksibelt, og kan formes efter behov, meget anvendt til at skabe elektrisk forbindelse mellem printplader. 5

6 Printets opbygning FR-4 laminat Laminatopbygning: 8 lag af vævet glasklæde Bindemateriale: Epoxy Laminatbelægning: Kobberfolie Brandhæmning (FR4 selvslukkende) Under loddeprocessen udsættes printet for en voldsom varmepåvirkning, denne varme kan forårsage ødelæggelse af printet. Ved bølgelodning der betegnes som en flow lodning tager loddeprocessen ca. 7 min,ved reflow lodning i infrarød loddeovn 5-10 min. og en håndlodning tager ca. 2-5 sekunder. Det der skader mest er håndlodning, der er en ikke særlig kontrolleret proces. Både bølgelodning og lodning i infrarød ovn er kontrollerede processer, hvor loddeudstyret er programmeret til fastlagte loddeprofiler. Temperaturerne som printet udsættes for, er blevet højere efter indførelse af blyfrie tintyper hvor smeltetemperaturen er ca. 40º C højere. Højere temperatur bevirker at printet udvider sig mere i tykkelsen (Z- retningen) og i nogle tilfælde vil det kunne løsne loddeøer /loddepads. Især ved lodning på print med gennempletterede huller vil printet være udsat for ødelæggelse, da udvidelsen i Z- retningen kan løfte loddeøen under lodning. Når lodningen er gennemført og temperaturen er faldet, trækker printet sig sammen, men loddeøen kan stadig være løftet. 6

7 før lodning under lodning efter lodning FR-4 er ikke kun et laminat, FR4 kan være alt muligt. Eks: Tg Glass transition temperature (det punkt hvor laminatet bliver blødt) Td Decomposition temperature (det punkt hvor laminatet bliver nedbrudt) FR- 4 Bromited 7

8 226/240: 140ºC Tg, 320ºC Td 370HR: 180ºC Tg 350ºC Td FR- 4 Halogen Free 541: 150ºC Tg, 340ºC Td 571: 170ºC Tg 340ºC Td Ved temperaturer op til Ca. 150 ºC udvider printet sig med 70 ppm º/C og ved ca. 340 ºC vil printet udvide sig med 280 ppm º/C, svarende til 0,2-0,5 µm i Z retningen. ppm betyder part per million = 1/ Overfladefinish For at undgå fugt, vil overfladen på printet være beskyttet af et tyndt lag lak (coating) På de lodbare flader (loddeøer / loddepads), vil der være et tyndt lag lodbart metal (overfladefinish). For at beskytte mod oxydering (irdannelse) og snavs. Før RoHS direktivets ikrafttræden, var den mest anvendte overfladefinish tinbly (Sn/ Pb HAL) For normale driftstemperaturer på op til 125º C, kan FR-4 print stadig bruges i kombination med de fleste blyfrie loddemetaller: FR-5 og polyamide print bør anvendes til brug ved højere temperaturer, f.eks. 150º C, for at undgå delaminerings problemer. Eksempler på overfladefinish Hot Air Solder Level (HASL), tin/ sølv/ kobber (Sn,Ag,Cu) og, stabiliseret tin/ 8

9 kobber (Sn,Cu,Ni). Kemisk nikkel/guld (Ni, Au) Kemisk sølv (Ag) Kemisk tin (Sn) Organisk beskyttelse (OSP) HASL stabiliseret tin/ kobber (Sn, Cu, Ni). nikkel/guld (Ni, Au) kemisk sølv (Ag) kemisk tin (Sn) OSP (Organic Solder Protection) 9

10 Hot Air Levelling Teknologi Blyfrie (RoHS Konbertible), HAL print Sn,Cu,Ni og Sn,Ag,Cu Der er gjort mange forsøg på at opnå blyfri løsninger, der kan sammenlignes med de gamle kendte HAL (Sn, Pb print) med hensyn til teknologi og pris. To typer har gjort sig særlig bemærket, tin, sølv og kobber (Sn, Ag, Cu) og sidst, stabiliseret tin, kobber og nikkel (Sn, Cu, Ni). Hvad angår Tin, Sølv og Kobber skelner man mellem flere sammensætninger Sn95,8 - Ag3.5 - Cu0.7 og Sn95,5-4Ag - 0.5Cu og Sn96,5-3Ag - 0.5Cu. De teknologiske forskelle mellem de tre legeringer er ubetydelige. Sn95,5-3.5Ag-0.7Cu er den mest almindelige i Europa. Den stabiliserede tin / kobber system Sn99,2-0.7Cu - 0.1Ni, viser lovende resultater. Det kaldes "stabiliseret" fordi tilsætning af nikkel giver en forbedret hærdende reaktion i lodningen. Og denne legering gør det muligt at få, en glat, skinnende overflade og pålidelige lodninger ved bølge- og reflow- lodning. Nikkel /guld (ke Ni, Au) Nikkel guld anvendes især hvor printoverfladen er udsat for aggressive miljøer, for eksempel i mobiltelefoner, eller bil elektronik. På grund af den konsekvente kemiske bundfældning af metallerne, er guld et oplagt valg for alle de fine-pitch monteringer med under 0,5 mm pitch afstand. På grund af sin glatte overflade er kemisk nikkel guld overflade et godt alternativ til HAL, især for tætte SMD monteringer på begge sider af printet. Den faktiske ledningsføring sker ved hjælp af en 4-6 μm tykt lag nikkel, og ikke ved hjælp af det meget fine 0, 05 til 0,2 μm lag guld, der er pålagt for at forbedre loddeproccessen. Tykkere guld lag, op til 0,3 µm, er kun anvendt ved thermosonic wire bondings, til påsvejsning af guldtråde. Problemer med loddetinnets forurening af tinkarret er også en grund til, så tyndt et lag guld som muligt. Det er ikke kun prisen på guld, der gør Ni, Au printene dyre, men også proces omkostningerne, arbejdstimerne er langt højere end for HAL. De faciliteter, der kræves, er lige så omfattende som ved galvanisering. Den kemiske Ni, Au proces kræver stor nøjagtighed af de kemiske bade, belægningen samt deoxidation af de nøgne kobber overflader (aktivering) skal passe perfekt til guld- pletteringen. Derudover kræves et kompliceret edb styret spildevands renseanlæg. Kemisk tin (immersion tin), (ke Sn) Et lag tin er tilført printet ved en speciel proces, hvor kobber atomer på øerne skifter til tin atomer ved at tilføje Thiourea. Denne kemiske reaktion slutter, når kobber overfladen er ca. 0,6 til 1,2 µm. Mellem tin og kobberlag er der nu skabt et inter- metalisk lag, d. v. s. blandet metal. Der er en række grunde til med fordel at anvende kemisk tin. En af fordelene er den ensartede glatte overflade der gør det muligt, at anvende fine pitch komponenter med < 0,5 pitch afstand. Den glatte overflade overgår begrænsningerne af klassisk tin - bly overflader (Sn, Pb), især når Fine- Pitch teknologi anvendes på begge sider af printet. 10

11 Kemisk sølv (ke Ag) Fremstilling af kemisk sølv er ukompliceret og pålidelige, På grund af den tynde overfladelag - en tykkelse på 0,15 til 0,3 μm anbefales - overfladen er glat og selv i fine- pitch områder, er der ingen restriktioner ved montering. Sølvet fungerer blot som en beskyttelse mod oxidation, og den faktiske lodning sker mellem kobber og kemisk tin, derfor er lodningen helt stabil. OSP (Organic Surface Protection) Er en økologisk løsning, baseret på imidazone (meget basisk væske) som når printet dyppes i væsken går i forbindelse med kobberbanerne, derved opstår der et 0,2-0,6 μm tyndt lag gennemsigtigt blankt lak, som fordamper, når der tilføres kraftig varme, som f.eks. ved lodning. OSP er den absolut billigste løsning når der skal vælges overfladefinish. Men på grund af kort lagringstid max. 6 mdr. og nedbrydning af overfladefinishen ved temperaturer over 150º C samt forskellige ulemper ved montage på begge sider af printet, er der begrænsede produktionsmetoder. 11

12 Komponenter: Alle komponenter skal efter RoHS direktivets ikrafttræden være blyfri, både opbygning og loddeterminaler, nogle komponenter er helt udgået, idet man har valgt ikke at producere dem igen, da der ikke findes alternativer der er RoHS konvertibel. Hulmonterede (HMT) Overflademonteret (SMT) Die s (Nøgne IC`er) BGA (Ball Grid Area) Specielle komponenter (Transformere, relæer, stik, følere m.m.) Eksempel på Chips kondensator: 12

13 Eksempel på SMT/ HMT transistor 13

14 Overgangen fra de almindelige tin- bly lodninger til nye blyfrie loddematerialer med højere smeltetemperatur, som f.eks. tin - guld- kobber (Sn,Ag,Cu), har skabt en række problemer. De fleste af dem stammer fra komponenter der bliver udsat for højere temperaturer. De højere temperaturer vil kunne skade ikke kun komponenter, men også de billige FR4-laminater. At der sker skade på komponenterne er ikke noget nyt, der sker til en hvis grad også skade på både komponenter og kredsløb, når der loddes med almindelig tin- blyloddetin. Men skaderne forekommer oftere, når loddetemperaturen stiger til 260 C, eller måske 280 C. Mange af skaderne som opstår ved blyfri lodning er delaminering, revner og huller i de integrerede komponenter, da de blyfri typer kan være lavet i et nyt design, måske med en ny monteringsramme, et andet polyestermateriale eller andre ukendte faktorer. Der findes komponenter der faktisk ikke kan indloddes (manuel montering) efter loddemetallets smeltepunkt er øget til ca. 220 ºC. Komponenter Lodning Eksempel på loddespidstemperatur. *Soldering with iron *The following conditions must be strictly followed when using a soldering iron Soldering iron: max 30 Watt Tip temperature: 280 ºC max. Soldering time: 10 sec. max *Do not allow the tip of the soldering iron to directly touch the chip. If soldering is repeated, please note that the allowable time is the accumulated time 14

15 Komponenter Komponentmærkninger: 15

16 Lagerfaciliteter ESD sikring af komponenter Temperatur Nitrogen Luftfugtighed (MSL) Tidsbegrænsning For at undgå ESD skader på komponenterne er det vigtigt at lageret og personer der har kontakt med komponenterne er sikret i henhold til virksomhedens ESD krav. ESD sikring er nødvendig igennem hele produktionsforløbet, lige fra indgangskontrollen til det færdige produkt. Efter at mange af kredsløbene er blevet mindre og mere kompakte er de også blevet mere følsomme overfor statiske udladninger. Det er vigtigt at opbevare komponenter under ideelle forhold for at undgå fugt i komponenterne og oxydering af loddeterminalerne, som regel vil der på indpakningen være oplysninger om lagringstid og fugtfølsomhed. Høje temperaturer og høj luftfugtighed kan medføre at loddeterminalerne på komponenterne hurtigt oxyderer og derfor bliver meget vanskelige at lodde på, hvilket medfører ringere kvalitet og kortere levetid for produktet. Nitrogen For at undgå oxydering af loddeterminalerne kan komponenterne opbevares i poser der er fyldt op med nitrogen 16

17 Atmosfærisk luft indeholder 78 % Nitrogen og 21 % oxygen samt ca. 1 % andre gasser m.m.. Ved at fjerne oxygenet har man næsten ren nitrogen som takket være sin specielle karakteristik er bedre end til opbevaring af metaloverflader der har nemt ved at ilte i atmosfærisk luft.. Fugtfølsomhed Emballage til fugt følsomme komponenter Dette dokument henvender sig SMD producenter og brugere med standardiserede metoder til håndtering, pakning, transport og anvendelse af fugt / reflow følsomme SMD komponenter. Nu udviklet til komponenter, der bliver udsat for høje temperaturer, såsom bly - fri processer. IPC / JEDEC J-STD-033A hjælper med at opnå en sikker reflow- lodning og denne indpakning giver en mindste holdbarhed på 12 måneder fra den dato, der er påstemplet emballagen IPC / JEDEC J-STD-033A JOINT IPC/JEDEC STANDARD FOR HANDLING, PACKING, SHIPPING AND USE OF MOISTURE/REFLOW SENSITIVE SURFACE-MOUNT DEVICES 17

18 Forskellige hustyper har forskellig følsomheds niveauer for fugt indtrængen og dens påvirkninger. De ældre, HMT, huse fylder mere og absorberer fugt per volumen i et langsommere tempo end de mindre, SMD huse. Problemet med fugtoptagelse og opbevaring i emballagen er, at den optagne fugt fordamper, og forårsage et internt tryk i huset, når komponenten udsættes for pludselige høje temperatur, som f.eks. ved bølgelodning. Revner som opstår på grund af for hurtig opvarmning er kendt som popcorn cracking. Generelt, er overflade monterede komponenter (SMD) mere tilbøjelige til popcorn cracking, fordi: 1) de er tyndere, og derfor har lavere fraktur styrke, 2) de absorberer og bevarer fugten i længere tid, og 3) Ved SMD monterede print føres varmen direkte ind i huset via loddeterminalerne. I erkendelse af de forskellige grader af popcorn cranking tendens i forskellige hustyper, har IPC / JEDEC defineret en ensartet klassificering af fugtfølsomheds niveauer (MSL's). Det MSL's er udtrykt i tal, med MSL nummer stigende med sårbarhed i pakken til popcorn cracking. Således at MSL1 svarer til huse, der er immune over for popcorn revnedannelse uanset fugt, mens MSL5 og MSL6 enheder er mest udsatte for fugt-induceret fraktur. 18

19 IPC/JEDEC J-STD-20 MSL Classifications Soak Requirements Floor Life Standard Accelerated Level Time Cond Time (hrs) Cond Time (hrs) Cond degc/%rh degc/%rh degc/%rh 1 unlimited <=30/85% 168+5/-0 85/85 n/a n/a 2 1 year <=30/60% 168+5/-0 85/60 n/a n/a 2a 4 weeks <=30/60% 696+5/-0 30/ /-0 60/ hours <=30/60% 192+5/-0 30/ /-0 60/ hours <=30/60% 96+2/-0 30/ /-0 60/ hours <=30/60% 72+2/-0 30/ /-0 60/60 5a 24 hours <=30/60% 48+2/-0 30/ /-0 60/60 6 TOL <=30/60% TOL 30/60 n/a 60/60 1) TOL betyder 'Time on Label', eller tiden der er angivet på mærkaten. Afsnit fra komponent datablade: 19

20 Electro Static Discharge / ESD Globalt koster Statisk elektricitet hvert år elektronikbranchen millioner af dollars. 20

21 Da komponenterne der anvendes bliver mindre og arbejder hurtigere. Stilles store krav til ESD beskyttelse, i nogle IC er, er afstanden mellem lederbanerne under 1 µm, dette betyder øget risiko for ødelæggelse, selv ved meget små udladninger, mindre end 10 volt. ESD følsomme komponenter kan holde op med at fungere eller helt ændre funktion ved forkert håndtering eller behandling. Nogle fejl viser sig med det samme, andre kan opstå senere, uger, måneder, måske år efter de er produceret, disse skader kaldes latente skader. Latent skade i IC Fejlene der viser med det samme f.eks. ved funktionstest, medfører yderligere omkostninger, test og reparation. De latente fejl er de mest alvorlige, da de først viser sig efter produktet er leveret til kunden. For at sikre sig bedst muligt mod ESD relaterede fejl, skal alle områder i forbindelse med produktionen sikres mod statisk elektricitet, helt fra lager og videre gennem produktionen, til og med slutsamling. Komponenters følsomhed Komponentnavn MOSFET Effekt MOSFET VLSI (efter 1990) HCMOS CMOS B serie Lineær MOS Små bipolar komponenter Effekt Bipolar komponenter Filmmodstande Følsomhed volt volt volt volt volt volt volt volt volt Symbolet anvendes på emner, værktøj m.m. specielt designet til at give ESD beskyttelse af produkter og komponenter der er følsomme for ESD. ESD følsomme komponenter skal leveres i ESD sikker emballage 21

22 Når de løse print transporteres fra et produktionsafsnit til et andet, skal det foregå I ESD sikre kasser, rammer m.m. Et totalt ESD sikret område, er et område der er kontrolleret mod ESD dette kaldes EPA område (Electrostatic discharge Protected Area). I dette område gælder helt specifikke krav til gulv, maskiner, udstyr, og personer Alle materialer skal være ledende (conductive) og være forbundet til ESD jordingspunkt. Dette område vil typisk være af mærket med gule striber på gulvet, skiltet med ESD Protected Area Alle former for kontakt mellem genstande, enhver adskillelse af en enhed fra en anden og hver gang en ting glider oven på en anden medfører det i større eller mindre grad, at der opstår en ubalance af den elektriske ladning. Når ladningen opbygges hurtigere end ladningen kan fjernes, samler den statiske ladning sig. Dette fænomen kendes som gnidningselektricitet. Mennesker er blandt de største generatorer af statisk elektricitet. Det kan let påvises, hvordan en persons elektriske ladning konstant skifter i almindelige omgivelser, når man måler i volt. Ladningen kan bevæge sig op og ned ved et enkelt skridt, når personen sætter sig eller rejser sig op, når personen berører ting, eller når en anden person går forbi. Derfor er der stor risiko for, at personer som håndterer ESD følsomme enheder (ESDS = electrostatic discharge sensitive devises) uden hensigtsmæssige forholdsregler, uforvarende beskadiger dem. Statisk elektricitet kan også opstå ved induktion. Det er derfor at alle genstande, som kan være statisk ladede og derved overføre ladninger, skal holdes væk fra det ESD beskyttede område (EPA) area). Størrelsen af den genererede statiske ladning er uafhængig af luftfugtigheden, men den aflades hurtigere til omgivelserne hvis luftfugtigheden er høj. 22

23 Det er således umuligt at undgå statiske ladningernes opståen, så det er vigtigt at disse ladninger fjernes lige så hurtigt som de opstår. Typiske genererede statiske spændinger Kilde % luftfugtighed % luftfugtighed Gang på tæppe volt volt Gang på vinyl volt 250 volt Arbejde ved arbejdsbord volt 100 volt Plastiklommer(arbejdsinstruktioner) volt 600 volt Plasticpose som løftes op fra bordet volt volt Arbejdsstol med skumsæde volt volt For at eliminere disse statiske ladninger findes en del personligt udstyr: ESD armbånd Sko med hælstrop ESD fodtøj Kittel med microfiber For at sikre at det personlige ESD udstyr overholder specifikationerne findes der forskelligt testudstyr. 23

24 Hvor ofte udstyret skal testes, er fastlagt af virksomhedens ESD bestemmelser Tester til håndledsbånd Teststation til fodtøj Udstyr til neutralisering af ESD: En måde at fjerne statisk elektricitet på, er at neutralisere ladninger ved at udsende både negative og positive ioner. Ionerne trækkes til materialerne og neutraliserer ladningerne. Ionisator til neutralisering af statiske ladninger fra alle materialer også personer der er indenfor dækningsområdet. Til nogle ionblæsere kan der tilsluttes en føler, der sørger for at ionblæseren går på fuld styrke hvis der registreres en ladning ESD sikret arbejdsplads Loddematerialer: 24

25 Tin Flus Tinpasta Loddetin: 25

26 Blyet i den blyholdige tin, har til formål at mindske overfladespændingen, fremme flydeevnen og nedsætte smeltetemperaturen, som for en loddetin af typen, 63 % tin (Sn) og 37 % bly (PB) er 183 C, det har derfor været nødvendigt at tilsætte alternative metaller for at opnå brugbare legeringer, med tilstrækkeligt lavt smeltepunkt og uden uheldige bivirkninger. De mest anvendte tintyper er sammensætninger af tin, sølv og kobber af varierende mængder, hvor smeltetemperaturen typisk ligger omkring 220 C, altså næsten. 40 C højere end for tin/bly legeringer. Tintyper med de laveste smeltetemperaturer indeholder typisk sølv og er en kombination af: Tin/ Sn Sølv/Ag og kobber/ Cu og går under fællesbetegnelsen SAC tin Tin, sølv og kobber er hovedbestanddelene i tinnet, men der er indeholdt en masse andre forskellige metaller, bare i små mængder. De metaller der anvendes er: Navn Latin Forkortelse Tin Stannum Sn Kobber Cuprum Cu Sølv Argentum Ag Silicium Bismut Si Bi Bly Plumbum Pb Zink Zinkum Zn Antimon Stibium Sb Indium Gallium Germanium Germania In Ga Ge Nogle af de mest anvendte rulletin SAC SA SCS 26

27 Skema med forskellige metalsammensætninger Metaller Sammensætning Smeltepunkt Spidstemperatur Tin/Bly 63 Sn/37 Pb 183 ºC 320 ºC 340 ºC Tin/Sølv 96,5 Sn/3,5 Ag 221 ºC 360 ºC 380 ºC Tin/Kobber 99,3 Sn/0,7 Cu 227 ºC 365 ºC 385 ºC Tin/Sølv/Kobber 95,5 Sn/4,0 Ag/0,5 Cu 96,5 Sn/3,0 Ag/0,5 Cu 96,3 Sn/3,0 Ag/0,7 Cu 215 ºC 220 ºC 355 ºC 375 ºC 95,5 Sn/3,8 Ag/0,7 Cu Tin/Kobber/Silicium 99,28 Sn/0,7 Cu/Si 0, ºC 365 ºC 385 ºC Tin/Kobber/Nikkel 99,28 Sn/0,7 Cu/Ni 0, ºC 365 ºC 385 ºC Tin/Sølv/Antimon 94.0 Sn/4,0 Ag/1,0 Sb 221 ºC Tin/Sølv/Bismut 91,8 Sn/3,4 Ag/4,8 Bi 208 ºC ºC Tin/Kobber/Bismut 90,0 Sn/0,5 Cu/9,5 Bi 210 ºC C Da loddetin er klassificeret i EU under farlige stoffer, skal der forelægge en leverandørbrugsanvisning Eks. 27

28 28

29 29

30 30

31 31

32 Tinpasta: Tinpasta er en grødet substans der består af små tinkugler (ca µm i diameter) og flus som er rørt sammen til en pasta, det anvendes i sær ved infrarød og varmluftslodning(flowlodning) pastaen kan leveres i mange forskellige varianter blyholdig og blyfri. 32

33 Flus: Flus er et hjælpemiddel som anvendes i forbindelse med lodning Formålet med flusen er at beskytte loddestedet mod luftens ilt under opvarmning og eventuelt rense loddestedet for oxider. At blyfri lodning er mere besværlig, skyldes et smallere proces vindue. For eksempel er kemikalierne i flusen, der gennem årene er udviklet til at arbejde fint med blyholdig loddemetal, næsten ubrugeligt i blyfri loddeprocesser. De højere smeltetemperaturer på de blyfri tintyper stiller også større krav til flusen som er i loddetinnet. Et af problemerne er, at en stor del af flusen er fordampet tidligt i processen, så tinnet ikke flyder tilstrækkeligt til gennemføre en korrekt lodning. Ordet flus kommer fra det latinske ord fluere, der betyder at flyde det findes i flere kemiske sammensætninger: Harpiks organisk baseret flus Harpiks syntetisk flus Vandbaseret flus Harpiks baserede flus indeholder Rosin (kolofonium som er naturharpiks fra fyrretræer) eller det kan indeholde Resin som er en syntetisk harpiks. Ingen af disse er giftige, men kan give allergi. Nogle flustyper betegnes som No - Clean flus, det er flus med et meget lavt syreindhold og derfor lille risiko for ætsning i lodningerne. No- Clean flus betyder egentlig at den flus, der er tilbage efter lodningen er gennemført, ikke er særlig aggressiv og derfor ikke behøver afrensning. Til håndlodning anvendes loddetin hvor flusen er indlagt i loddetinnet, her kan det forekomme i en eller flere kanaler(korer), afhængig af hvor højt flus- indholdet er. Harpiks (kolofonium) - kogepunkt 120º C Rosin (ægte) ikke giftig, men kan give allergi Resin (syntetisk) ikke giftig, men kan give allergi. Flusen er opdelt i typer alt efter hvor aktiverende de er (syreindhold). Aktivering R = Beskytter og renser RMA = Mild Aktiverende RA = Aktiverende skal afvaskes RSA = Stærk Aktiverende skal afvaskes 33

34 Flusens formål? At fjerne oxider og organiske forureninger fra loddestedet At fremme loddetinnets flydeevne At befordre varme At holde overfladen på loddetin og lederbaner oxidfri, indtil metallisk forbindelse er etableret I forbindelse med håndlodning på SMD komponenter og ved reparation m.m. kan det være nødvendigt at tilføre ekstra flus, dette kan fås i både flasker og penne. De mest aktiverende typer kræver afrensning efter lodning på grund af til den ætsende virkning flusen kan have på det færdige produkt, selv No- Clean flus skal i flere situationer afrenses især på kredsløb med høj impedans, hvor flusrester med tiden kan optræde som en leder. Flere oplysninger om flus findes i JOINT INDUSTRY STANDARD IPC J-STD-004B Kurve over flusens virkningsgrad i forhold til temperaturen 34

35 Loddeudstyr Der er mange loddestationer på markedet og de fleste kan også anvendes til blyfri lodning. Den skal være med variabel temperatur indstilling Det er ikke kun temperaturen der er afgørende for at få gode og holdbare lodninger. Men også hvor hurtig loddestationen kan levere varmen og holde temperaturen på loddespidsen, temperaturen skal helst være indenfor +/- 5,5 C af den valgte temperatur, når den bliver belastet på større områder. Loddetemperaturen vælges efter opgaven. Hvis der loddes på store stelplan og eller store komponenter kan det være en fordel at anvende højfrekvente loddestationer med eller uden undervarme. Undervarmnestation med infrarød varme Undervarmestation med keramisk varmelegeme 35

36 Manuel lodning Når der loddes med blyfrit tin øges smeltetemperaturen med ca.40 ºC, i forhold til lodning med blyholdige tintyper, derfor stilles der større krav til valg og vedligehold af loddespidsen. For at udføre en god lodning skal loddespidsen vælges så den nogenlunde svarer til bredden eller diameteren af loddeøen og være fri for oxydering d. v. s. at spidsen skal være blank og fri for sorte områder, det er en god ide at fortinne loddespidsen efter lodning, før den anbringes i holderen igen. Når lodddespidsen bliver snavset (oxyderer), kan den rengøres med stålsvamp eller en fugtig svamp, for at undgå termisk stress af loddespidsen, skal rengøring af loddespidsen foregå med hårdt opvredet svamp. Stålsvampen kan imidlertid medvirke til hurtigere nedbrydning af det tynde cromlag, yderst på spidsen. Hvis der er sorte huller i overfladen på cromlaget skal loddespidsen skiftes. Levetiden for loddespidser er reduceret med ca. 30 %, efter indførelse af blyfrie loddetin, dette skyldes højre tin indhold i loddetinnet og højere spidstemperatur. Husk jævnligt at kontrollere kalibrering, loddespidstemperatur og display skal helst vise det samme. 36

37 Lodningens udseende: For at sikre en god lodning skal komponenter og loddeøer være lodbare. Lodningen skal være glat og jævn Lodningen skal være indadbuet (konkav), Tinnet skal smyge sig tæt om emnerne (god vædning) Jævn udfyldning på loddestedet Konturerne på de loddede dele kan ses Lodninger der indeholder sølv kan have en ru grynet glansløs overflade Dette skyldes at molekylernes struktur er meget kantet og ikke smelter sammen på samme måde som tin og kobber, så ved langsom afkøling når sølv molekylerne at komme op i overfladen af lodningen. Ag sølvmolekyle Smeltetemperatur ca Der sker ingen egentlig legering, men en form for sammensmeltning Cu kobbermolekyle Sølv (Ag) Ved langsom afkøling trækker sølvet ud på overfladen af lodningen, og kan ses som nogle grå pletter Sølv (Ag) Ved hurtig afkøling bliver sølvet inde i lodning, og kan ikke ses. 37

38 Af hensyn til printet og komponenternes holdbarhed er det vigtigt at holde loddespids temperaturen så lav som mulig, ºC. Ved lodning på store emner kan det derfor blive nødvendigt at tilføre ekstra varme (preheat), for at opnå korrekt loddetemperatur. For at få en god lodning med lille intermetallisk lag (lag der opstår når tin og kobber opnår den rigtige temperatur ved sammenlodning) skal der loddes med den laveste temperatur det kan lade sig gøre at gennemføre lodningen med. Nogle komponenter tåler ikke temperaturforskelle større end 150 C, her vil det være nødvendigt at forvarme, for at modvirke komponenternes termiske chok, inden den egentlige lodning foretages. For at få et godt produkt anbefales det at følge anvisningen på databladet. EKS.: Data for en keramisk SMD kondensator Ud fra ovenstående skema kan ses, at en chip komponent type 1206( 3,2 mm x 1,6 mm ), ikke må udsættes for højere ΔT (delta) temperatur end 190 ºC. Smeltetemperaturen på tinnet er ca. 220º C for at danne intermetallisk lag med kobberet på loddeøen, skal temperaturen på loddestedet være mindst 40º højere end smeltetemperaturen. D. v. s. at temperaturen på loddestedet skal være mindst 260º C, da print lederbane, viahuller og komponenter vil aftage en betydelig mængde varme, skal spidstemperaturen på loddekolben være ca. 100º C højere, spidstemperaturen skal da være i nærheden af 360º C, Hvis temperaturen i lokalet er ca. 20º og ΔT temperaturen ikke må overstige 190º C, må loddetemperaturen ikke overstige 210º C. Da det ikke kan lade sig gøre at gennemføre en lodning ved 210º C, vil det være nødvendigt at tilføre varme til print og komponenter før lodningen kan udføres. Spidstemperatur 360º C Delta 190º C Undervarme 170º C Undervarme på 170º C er lidt for høj temperatur til undervarme da printes temperatur da vil overstige printets Tg punkt, men idet der tilføres undervarme vil der ikke være så stort varmetab i print og komponenter, det vil da være muligt at gennemføre lodningen ved ca. 340º C. Så ser beregningen således ud: 38

39 Spidstemperatur 340º C Delta 190º C Undervarme 150º C Loddeprofil for håndlodning: For at opnå den korrekte loddeprofil vil det være nødvendigt med en varmekilde til at hæve temperaturen på print og komponent, inden den egentlige lodning kan gennemføres. Anbring printet ca mm over varmekilden, sæt effekten til 90 watt og tiden på ca. 120 sek. Efter 120 sek. skulle temperaturen på printet gerne være ca. 150º C. og lodningen kan gennemføres med spidstemperatur på omkring 340º C. Afhængig af printtype Alle lodninger skal vise god kontakt (god vædning) hvor tinnet smelter sammen med overfladen. Den største forskel på blyholdige og ikke blyholdige lodninger er lodningens udseende, blyholdige loddeforbindelser er næsten altid blanke og skinnende, hvorimod blyfrie lodninger kan have en grå glansløs overflade, afhængig af loddemetallernes sammensætning.. 39

40 Loddemetoder Der findes flere former for lodning, hvilken form der vælges afhænger af hvad produktet skal kunne holde til og hvilke komponenter og print der anvendes til opgaven. Flowlodning Reflow IR lodning Laser lodning Vapour phase lodning Selektiv lodning Flowlodning/Bølgelodning Bølgelodning foregår ved at føre de bestykkede print hen over et flydende tinbad, som holdes i konstant bevægelse, for at undgå iltning af overfladen. Bølgelodning har i mange år været anvendt til lodning på enkeltsidet HMT bestykkede print og anvendes nu især på gennemplettere print der er bestykket med blandede komponenter HMT og SMD, her er det nødvendigt at lime SMD komponenterne på printpladen for at fastholde dem under loddeprocessen. For at opnå et godt resultat skal der være fuld kontrol over alle processer, og at printet er designet korrekt. Bølgelodning Reflow Reflow/ IR lodning Ved reflow lodning anvendes især på SMD bestykkede print, her screenes loddepasta på loddeøerne og komponenterne anbringes i pastaen, lodningen foregår ved at det bestykkede print anbringes i en ovn med infrarød (IR) varmestråling. IR varmestrålingen frembringes af keramiske varmelegemer eller kvartzrør. 40

41 Laserlodning/ Selektiv lodning Her foregår lodningen ved, at en eller flere laserstråler via optiske systemer rettes mod loddestedet og herved opvarmes. Denne metode har den fordel at det er meget præcis opvarmning hvor kun de udvalgte områder opvarmes (Selektiv lodning). Vapour phase Selektiv Vapour phase lodning Vapour phase lodning(dampzonelodning) foregår ved at en væske med et kogepunkt på ca. 220 ºC, bringes i kog, herefter nedsænkes det bestykkede printkort hvor komponenterne er monteret i pasta ned i dampende fra den kogende væske, og lodningen gennemføres. Fordelen ved denne loddemetode er en ensartet og effektiv opvarmning. Selektiv bølgelodning En særlig form for bølgeloddeudstyr er de såkaldte selektive loddemaskiner, som er udstyret med specialdesignede loddedyser, der er tilpasset udvalgte HMT komponenter som f.eks. transformatorer, stik m.m. 41

42 Til de forskellige loddeprocesser hører der forskellige loddeprofiler. Eks. 42

43 Rensning Da komponenterne bliver mindre og mindre og afstanden mellem loddeterminaler og loddeland bliver tilsvarende mindre, stilles der store krav til renheden af materialerne. Hvis loddeøerne er så snavsede af oxydering, at en lodning får en dårlig vedhæftning, vil det være nødvendigt at rense printene før lodning. Efter lodningen vil det være nødvendigt at fjerne flusrester, hvis flusresterne ikke fjernes fra printet kan de efterfølgende ætse ned i lodningen og derved skabe løse forbindelser, i andre tilfælde kan den efterladte flus skabe små krybestrømme (kortslutninger) dette kan bevirke at kredsløbet ikke fungerer på den tilsigtede måde. For at undgå fugtproblemer og oxydering vælger mange virksomheder at lakere printene efter montagen, er der mange flusrester, vil det give en dårlig vedhæftning af denne lak, Rensning af printet er en omkostning og derfor er der virksomheder som fravælger at rense efter monteringen, disse virksomheder vælger ofte en tin med meget lavt flusindhold eller no clean flus, med risiko for dårlige forbindelser på sigt. Til afrensning anvendes forskellige rensevæsker: Propanol Sprit Propylalkohol Sæbevand Vand Da Propylalkohol, sprit og propanol er organiske opløsningsmidler og er på AT liste over farlige stoffer bør sikkerhedsdatabladet følges nøje. Der findes flere forskellige rensemetoder Manuel rensning Ultralyds rensning Vaskemaskine Plasma rensning Manuel rensning Dette foregår med et organisk opløsningsmiddel og evt. pensel eller serviet. Til No clean flustyperne anbefales ofte et rensemiddel, der er tilrettet flusen i loddetinnet Ved vandbaserede flustyper anvendes koncentreret sæbe opløst i vand, denne sæbe skal efterfølgende skylles efter med destilleret vand. 43

44 Ultralyds rensning Her kommes printet i et kar med væske, som bringes i bevægelse ved hjælp af ultralyd. Ikke alle standarder tillader denne metode på monterede print (MIL). Vaskemaskine Anvendes især til vandbaserede flustyper, printene kommes i en industriopvaskemaskine, der vasker ved 50-70º C. Som vaskemiddel anvendes speciel sæbe. Herefter tørres vandet væk i tørreskab med varm luft. Plasma rensning Her anbringes printene i et skab med luftarten argon, denne sættes i bevægelse ved hjælp af ultraviolet lys og derved skrubbes printene rene. Da nogle komponenter ikke tåler rensning, skal disse eftermonteres efter rensning.. 44

45 Standard/ workmanship: En standard er et redskab som bruges til at sikre ensartethed og kvalitet i produktet. Standarder findes i flere udgaver, med forskellige krav til kvalitet, afhængig af hvor produktet skal anvendes. Når et produkt sættes i produktion skal der tages udgangspunkt i hvor produktet skal anvendes og hvor pålideligt skal det være, hvilken belastning bliver det udsat for, m.h.t. fugt, rystelser, stød, kulde, os, varme, forstyrrelser fra andre produkter m.m. Standarden beskriver f.eks. hvordan komponenterne skal placeres i forhold til loddeland eller hvor højt den skal være løftet over printet eller hvor meget tin der skal være på en given lodning, hvis lodningen skal være fuldstændig perfekt ved hver udførelse, vil det være et meget dyrt produkt der bliver fremstillet, derfor er der ønskelig, samt øvre og nedre grænser for hvor meget tin der må være. Er det f.eks. et produkt til legetøj, behøver apparatet ikke at være så pålideligt, som et produkt indenfor medicinal eller rumfartsindustrien. Kravene er meget forskellige, derfor findes der forskellige standarder. Rumfart MIL Civil o EPF Workmanship standard både som Civil og MIL o IPC-A-610 Civil 45

46 En standard vil typisk beskrive med detaljeret tekst hvordan tingene skal være, hvorimod en workmanship er både illustreret og beskrevet, det er hermed lettere at vurdere om den givne standard er overholdt. I den Danske Elektronik Industri har der gennem årene været anvendt flere standarder/ workmanships indenfor elektronikproduktion, den mest anvendte i dag er IPC- A- 610, som er en civil standard der anvendes globalt, denne standard er inddelt i 3 klasser. Klasse 1. der har de laveste krav anvendes til f.eks., legetøj, ringe krav til pålidelighed/ kvalitet Klasse 2. anvendes til kommercielle produkter, radio, TV computere, mobiltelefoner. Klasse 3. Til produkter med høj pålidelighed f.eks. medicinalindustrien, industrimaskiner styringer til vindmøller m.m. Lodningens udseende på pletteret print i henhold til IPC- A- 610 Eksempel lille tinmængde Ønskelig Ingen områder med voids eller overfladefejl Leder og loddeland er vædet korrekt Leder er synlig 100 % loddefyldning omkring leder Lodning dækker leder og spreder sig ud til en tynd kant mod loddeland Ingen tegn på fillet lifting (løftet lodning, adskillelse mellem lodningens bund og loddeøens overflade) Acceptabel klasse 3 75 % af loddeøens areal skal være dækket med tin på sekundærsiden 46

47 Defekt klasse 3 Under 75 % af loddeøen er dækket på sekundærsiden Lodningens udseende på pletteret print i henhold til IPC- A- 610 Eksempel stor tinmængde. Ønskelig Ingen områder med voids eller overfladefejl Leder og loddeland er vædet korrekt Leder er synlig 100 % loddefyldning omkring leder Lodning dækker leder og spreder sig ud til en tynd kant mod loddeland Ingen tegn på fillet lifting (løftet lodning, adskillelse mellem lodningens bund og loddeøens overflade) Procesindikator klasse 2 og 3 Lodning er konveks men leder er synlig i lodning Defekt klasse 1, 2 og 3 Leder ikke synlig i lodning 47

48 Pletterede huller vertikal loddefyldning i henhold til IPC- A- 610 Klasse 1 Klasse 2 Klasse 3 Vertikal loddefyldning Ikke specificeret 75 % 75 % Vædning rundt om leder og hulvæg på komponentsiden Ikke specificeret 180 º 270 º Procentdel af loddeø som er dækket med tin på komponentsiden Loddefyldning og vædning rundt om leder og hulvæg på loddesiden 270 º 270 º 330 º Procentdel af loddeø som er dækket med tin på loddesiden 75 % 75 % 75 % Ønskelig- klasse 1,2,3 Loddefyldning er helt igennem og fylder loddeøen 100 % Acceptabel klasse 1,2,3 Minimum 75 % loddefyldning, en samlet fordybning på 25 % på loddesiden og komponentsiden er tilladt. 48

49 Chip komponenter sideudhæng i henhold til IPC- A- 610 Ønskelig klasse 1,2,3 Intet sideudhæng Acceptabel klasse 1,2 Sideudhæng mindre end eller lig med 50 % af komponenttermineringen eller 50 % af bredden på loddeland mindste mål gælder Acceptabel klasse 3 Sideudhæng er mindre eller lig med end 25 % af komponenttermineringens bredde eller 25 % af bredden af loddeland, mindste mål gælder 49

50 Kontrolmetoder: Visuel Vision Elektrisk test Røntgen Visuel kontrol Efterhånden som komponenter og loddeøer og dermed også lodningerne bliver mindre stilles der større krav til kontroludstyr til inspektion af produkterne. Mikroskopet er efterhånden blevet en del af hverdagen når der skal kontrolleres lodninger og komponenter. For at opnå ensartethed af kontrollen er det vigtigt at der bruges ens referencer d. v. s. at forstørrelsen der anvendes er tilpasset emnets størrelse. Forstørrelsen vil være beskrevet i standarden. F.eks. anbefaler IPC A 610 Loddeøens bredde Forstørrelse eller diameter Inspektion område Maksimum reference > 1,0 mm 1,5X til 3X 4X >0,5 til 1,0 mm 3X til 7,5X 10X 0,25 til 0,5 mm 7,5X til 10X 20X < 0,25 mm 20X 40X Vision Der findes i dag maskiner der kan udføre automatisk optisk inspektion Maskinerne udfører en optisk kontrol af lodning og placering af komponenterne på det bestykkede printkort og vurderer om de opfylder de ønskede krav i forhold til standarden. Elektrisk test Kan udføres som en simpel ohmmåling med universalinstrument eller det kan være en datamatbaseret test. Her anbringes det færdigmonterede print i et fikstur hvor der er anbragt målepinde der har kontakt til nogle udvalgte målepunkter. Ved at sammenholde måleresultaterne med data i databasen, kan det kontrolleres om printet udfører de korrekte funktioner. Røntgen Ved hjælp af røntgen kan der kontrolleres for revner og luftblærer i lodninger og komponenter. Røntgenbillede af lodninger på BGA kreds. 50

51 Specialudstyr til Rework- Hvis standarden ikke overholdes vil det være nødvendigt at udføre reparation. Tættere placering af komponenterne og mindre komponenter sammenholdt med øget smeltetemperatur på tinnet, medfører at reparationerne bliver mere og mere komplicerede. Dette stiller store krav til udstyr og medarbejder. For at kunne udføre kvalitetsreparation vil det i de fleste tilfælde være nødvendigt med kontrollerede ind og udlodninger. Når man taler om kontrolleret lodning, er det for ikke at tilføre print og komponent mere varme end nødvendigt i kortest mulig tid. Da for høj temperatur i lang tid kan medføre stor skade på printet, såsom løftede loddeøer/ lederbaner samt delaminering af printet. For at undgå skader bør anvendes undervarme og termometer, så temperaturen holdes på et fornuftigt niveau. Temperaturen ved udlodning bør ikke overstige smeltetemperaturen på tinnet med mere ca ºC samtidig bør opvarmningen foregå med ca. 2-3 ºC/ sek. op til ca. 150º under forvarmeprocessen (preheat), for derefter at stige til udloddetemperaturen i løbet af ca. 10 sek. Kontrolleret udlodning med hot air og undervarme Luftflow 4-7 l/min. varmluft ca. 420 ºC 51

52 Til ind og udlodning findes forskelligt specielt udstyr: IR-Loddeudstyr Ind og udlodning af F.eks. PLLC og QFP IR- loddeprocessen kan ved nogle udstyrs - typer, styres meget præcist, så der opnås en skånsom og effektiv ind og udlodning Reworkstation Ud og indloddeudstyr til BGA 52