JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.
 ETN.fi  Annonsera Utgivningsplan Månadsmagasinet Prenumerera Konsultguide Om oss  About / Advertise
söndag 19 januari 2020 VECKA 03
Den högre temperaturen orsak till de flesta svårigheterna

Övergången till blyfri elektronik bjuder på en lång rad tekniska problem som bara delvis är undersökta. Problemen gör att ingen idag kan bygga blyfritt med garanterat lång livslängd. De flesta av problemen härrör från det nya lodet, SnAgCu, som har högre smälttemperatur och sämre vätning än tenn-bly-kombinationen. Alternativa lod finns, men nackdelarna med dem anses ännu större.
Whiskers fortfarande ett problem
För ett år sedan skrev Elektroniktidningen om whiskers, morrhårsliknande materialförändringar i lodet över tiden som kan orsaka fel. Även blyfria lod som påstods vara whiskersfria hade problem. Ett år senare har problemen minskat, men de är kvar.
- Jag skulle aldrig våga säga att problemen är lösta Det finns sätt att göra tennskikt mindre whiskersbenägna, men man har dålig koll, och de dyker fortfarande upp, säger Margareta Nylén på Institutet för Metallforskning.
När blyet ska ut ur elektroniken är det framför allt lodet som ställer till med problem. Det vanligaste förslaget till ersättare för dagens tenn-bly-blandning är en blandning av silver, koppar och tenn. Den främsta skillnaden mellan materialen är att det blyfria har högre smälttemperatur, 217 grader jämfört med 183 för tenn-bly. En lödfog måste komma upp i 232 grader innan den garanterat smält.

Samtidigt minskar processfönstret, det vill säga skillnaden mellan den lägsta temperatur som behövs för att garantera att lodet smält och den högsta temperatur som komponenterna tål. I vanlig elektronik är detta fönster 55 grader. För blyfritt blir det bara 10 grader.

Blanda inte stort och smått
Detta ställer till problem om man blandar stora och små komponenter på ett kort. När de stora komponenterna har uppnått tillräcklig temperatur kan de små ha blivit överhettade.

- Min upplevelse är att ingen tillverkare idag har erfarenhet av blyfri tillverkning av kort där man blandar stora passiva komponenter med små kretsar. Hittills har man bara gjort enkla, enkelsidiga kort. Det saknas processtatistik, hävdar Vidar Wernöe på Elektronikkonsult AB.

- Vi har gjort dubbelsidiga kort. Man måste ha bättre kontroll över processen och göra kortlayouten på ett genomtänkt sätt. Det är svårare, men inte oöverstigligt, hävdar Anders Söderbärg på Note.

En del komponenter som är blyfria och uppfyller RoHS-direktivet klarar trots det inte av den högre lödtemperaturen, och kan alltså inte användas för blyfri produktion. Kontaktdon i plast och kondensatorer är exempel på komponenter som kan ställa till med problem.

Andra komponenter kanske inte ens kommer i blyfritt utförande. Vidar Wernöe påpekar att även befintliga konstruktioner måste göras om.

- Om designen är gjord för 10-15 år sedan kan det vara svårt att hitta blyfria varianter av samma komponenter. Hela konstruktionen måste då göras om. För små företag kan detta bli dyrt.

Poppar lätt
Ett tredje problem som den högre temperaturen ställer till med är den så kallade popcorneffekten. Plastkomponenter som tagits ur förpackningen drar med tiden åt sig fukt, som kan orsaka ett så högt ångtryck i komponenten under lödningen att den sprängs. Vid högre temperatur krävs det mindre fuktmängd för att förstöra komponenten.

- Vi har ändrat lagringsrutinerna så att och fuktkänsliga delar lagras i avfuktande miljöer. Dessutom har vi infört ett extra bakningssteg innan montering sker för att minimera risken för popcorneffekter, säger Anders Söderbärg.

- Egentligen tror jag att vi har full kontroll på det här, men man vet aldrig vad som händer förrän man kommit igång i praktiken, anser Vidar Wernöe.

- Förmodligen måste man även börja betrakta mönsterkort som fuktkänsliga, säger Per-Erik Tegehall på IVF.

Mönsterkorten, ja, de är problem nummer fyra.

- När man går över en viss temperatur blir korten mjuka. Man är rädd för att de kommer att säcka och via-hålen spricker upp, berättar Vidar Wernöe.

Svårupptäckta avbrott
Den större värmeutvidgningen vid högre temperaturer skapar också problem med mönsterkorten. Särskilt utvidgningen i z-led kan skapa svårupptäckta avbrott i ledarskikten. Man får också större skillnader i värmeutvidgning mellan olika material, till exempel mellan en kiselskiva och ett mönsterkort. Det kan skapa större materialspänningar på det färdiga kretskortet, som senare kan orsaka defekter. BGA-kapslar pekas ofta ut som ett problem.

- Man har mer problem med BGA än andra kapslar redan idag. Framför allt i kombination med nickel-guld på kortet kan det bli ett sprött intermetalliskt skikt mellan lodet och lödytan som spricker lätt så att kretsen lossnar. Detta problem kan bli större med de högre spänningarna i blyfritt, berättar Per-Erik Tegehall.

- De flesta mönsterkortstillverkare har redan alternativ framme som har mindre z-utvidgning vid den förhöjda temperaturen. Men det är en kostnadsfråga, anser Anders Söderbärg.

Tenn-koppar-silver-blandningen har även andra skillnader i egenskaper jämfört med tenn-bly. Vid belastning av en lödfog töjs den långsamt, så kallad krypning, och vid regelbunden värmeutvidgning vid användning uppstår till slut sprickor. Det blyfria lodet har lägre kryphastighet, vilket brukar framhållas som en fördel, men enligt Per-Erik Tegehall är det inte självklart så.

- När man jämför resultat från test med kort cykeltid överskattar man det blyfria lodets livslängd för produkter med lång cykeltid. Det kryper långsammare under användning, men för längre temperaturcykler, som bilar som används två gånger om dagen hinner krypningen bli avsevärd ändå. Livslängden blir då kortare för det blyfria lodet, men det finns för få studier för att man ska kunna säga någonting säkert om detta.

Flyter sämre
Ytterligare en skillnad är att SnAgCu-lod har sämre vätbarhet. Vid våglödning flyter det sämre upp i hålen, vilket kan ge kortare livslängd på lödningarna. Detta löser man ofta med mer aggressivt fluss, som dock kan orsaka korrosion på kortet om det finns i en fuktig miljö. En annan lösning är att löda i kvävgas, vilket naturligtvis blir dyrare.

- NOTE nyttjar kvävgas i de fall vätningen är ett problem. För de flesta korten är dock vätningen fullt tillräcklig även vid lödning i luft säger Anders Söderbärg.

Inget av dessa problem är olösliga, men de skapar extra krångel och svårigheter. Man kan tycka att man hellre skulle välja något annat lod som orsakar mindre problem. Alternativ finns och används, men trots det är SnAgCu huvudspåret i Europa.

- I Asien använder man lod med tenn-zink som har en smälttemperatur på 199 grader. För konsumentprodukter duger det, men materialet är korrosivt lodpastor har kort hållbarhet. Lod med vismut smälter vid 205 - 210 grader, men om det kontamineras med bly får man en smältpunkt på 95 grader, vilket åtminstone innan blybaserade lod är utfasade utgör en stor risk, berättar Per Erik Tegehall.

- Tenn-silver-koppar är huvudspåret. Det har visat den bästa tillförlitligheten och fler och fler komponenter klarar den förhöjda processtemperaturen. Vår kinesiska samarbetspartner inom EMS-alliansen hävdar att även Kina och Japan mer och mer går över till SnAgCu- lod och överger tenn-zink och vismut alternativen, säger Anders Söderbärg.

Elias Nordling
MER LÄSNING:
 
Branschens egen tidning
För dig i branschen kostar det inget att prenumerera på vårt snygga pappers­magasin.

Klicka här!
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus

Vi gör Elektroniktidningen

Anne-Charlotte Sparrvik

Anne-Charlotte
Sparrvik

+46(0)734-171099 ac@etn.se
(sälj och marknads­föring)
Per Henricsson

Per
Henricsson
+46(0)734-171303 per@etn.se
(redaktion)

Anna Wennberg

Anna
Wennberg
+46(0)734-171311 anna@etn.se
(redaktion)

Jan Tångring

Jan
Tångring
+46(0)734-171309 jan@etn.se
(redaktion)