JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.
Forskningsprogrammet Elfnet hjälper europeiska företag inför övergången till blyfri produktion, skriver Dag Andersson och Per-Erik Tegehall på IVF

Den här e-postadressen skyddas mot spambots. Du måste tillåta JavaScript för att se den.disputerade 1989 vid Göteborgs Universitet i fysik. Han var gästforskare 1990 vid FOM-AMOLF -institutet i Amsterdam, 1991‒94 vid Laboratory of Atomic and Solid State Physics, Cornelluniversitetet och från 1994 på Chalmers Tekniska Högskola i Göteborg. Sedan 1997 arbetar han på IVF, först som projektledare och sedan årsskiftet som avdelningschef för Elektronik och Mikrosystemintegration. Han har arbetat inom flera EU-projekt, och lett ett svenskt och ett nordiskt projekt om blyfri lödning. Inom Elfnet leder han tekniska expertgrupper och det svenska nätverket.

Den här e-postadressen skyddas mot spambots. Du måste tillåta JavaScript för att se den.disputerade 1990 vid Chalmers Tekniska Högskola i oorganisk kemi med inriktning på korrosion och ytbehandlingskemi. Efter att ha arbetat två och ett halvt år på Ericsson Microwave Systems AB med korrosions- och ytbehandlingsproblem började han som projektledare på IVF. Från att inledningsvis ha arbetat med tillförlitlighetsproblem relaterade till freonavvecklingen har han därefter fokuserat på hur man skall säkerställa tillförlitlighet på kretskortsnivå under konstruktionsfasen vid införande av ny teknik. Inriktning har varit att skapa relevanta test utifrån förståelse av de kritiska felmekanismerna för en specifik applikation.
Image Med mindre än åtta månader kvar tills RoHS-direktivet träder i kraft med förbud mot eller starka begränsningar av  nvändningen av bly i lod för elektronik är Elfnet – European Lead-Free Soldering Network – en viktig enande kraft för att samla experterna inom området och att sprida deras kunskap till europeisk elektronikindustri. Elfnet har under året arbetat vidare med att söka lösningar på återstående nyckelfrågor inom området blyfri lödning.

Målet för Elfnets initiativ ”Issues to Solutions” är att samordna, integrera och optimera europeisk forskning inom blyfri lödning. Elfnet sammanför experter specialiserade på lod, komponenter, processer, tillförlitlighet och återanvändning med grupper inom konsument-, fordons-, industri-, rymd- och försvar samt IT- och telekomsektorn. Elfnet har genomfört två större projektmöten i år där grupper formats runt prioriterade frågor som har som mål att ta fram lösningar för europeisk elektronikindustri som uppfyller kraven i RoHS och WEEE-driektiven. Grupperna har tagit
fram prioritetslistor för implementeringsfrågor inom blyfri lödning.

Arbetet har lett till ”Elfnet Issues to Solutions Matrix”, publicerad på projektets webbsida, av vilka cirka 20 för närvarande har högsta prioritet. Utgående från denna lista har en mängd nya initiativ sjösatts för att nå gemensamma lösningar.

Det står redan nu klart att i några av de identifierade frågorna finns nyckelkunskapen hos bara några få. Det är Elfnets främsta uppgift att genom sin webbsida sprida denna kunskap. Information har lagts in av experter på områden som materialdeklarationer, ”tin whisker”, lagstiftning och patent.

”Obsolescence” är en fråga av stort intresse för sektorer som hittills är undantagna som rymd- och försvarselektronik. Här arbetar Elfnet med BAE Systems, Component Obsolescence Group (COG) och National Physics Laboratory (NPL), samtliga i Storbritannien, med att sponsra en lathund i frågan som snart kommer att göras allmänt tillgänglig.

Tillförlitlighet för blyfria lod är, och kommer under överskådlig tid vara, ett område som kräver extra uppmärksamhet. En mängd tillförlitlighetsdata har redan publicerats men många observationer är till synes motsägelsefulla. Bilden kommer att klarna när ytterligare  materialforskningsresultat kommer fram, men det finns stora gap i vår kunskap. Genom forskningsinstitutet Imec i Belgien har Elfnet initierat ett projekt för utbyte av data för att harmoniera kunskapsbasen.

Testprocedurer är ett komplext område där standarder håller på att utarbetas men många är ännu inte publicerade. ”Tin whiskers” är ett potentiellt stort tillförlitlighetsproblem som blivit värre med de rena tennpläteringar som ersatt bly. Här finns teststandarder men tilltron till de åtgärder som föreslås för att minska riskerna med ”tin whiskers” är inte fullständig eftersom de grundläggande mekanismerna fortfarande debatteras. Elfnet kommer snart att sjösätta ett e-postforum för att förenkla utbytet av idéer inom detta område.

En fråga som aktualiserats av artiklar publicerade av iNemi i USA rör temperaturkompatibilitet när man löder stora komplexa kort. Sådana kort används typiskt i tillämpningar inom IT/telekom-, rymd/flyg- och försvarselektronik. Det har visat sig att den högre processtemperaturen förvärrar nedbrytningen av laminatmaterialet (se GreenRose nedan) och kan orsaka problem vid reparation och omarbetning. Under en övergångsperiod blandas dessutom blyfria och blyade komponenter på kortet, så väl som stora och små komponenter. Kontraktstillverkaren Celestica leder arbetet med dessa frågor inom Elfnet.

Experter vid Universitetet i Wien arbetar med att täcka ett behov som länge väntat på lösning nämligen att på ett enkelt sätt presentera legeringsdata i datablad. Detta görs i samarbete mellan Elfnet och COST 531 (se länk). Elfnet bevakar också utvecklingen av SnZn-lod, SnAgCu+-lod och nya lågkostnadslod med lågt silverinnehåll.

Förutom det som nämnts ovan prioriteras arbetet med till exempel materialdeklarationer, märkning av komponenter, krävande driftsmiljö och kompatibilitet. IVF, Kimab och övriga medlemmar av Elfnet Sverige leder arbetet med en av de prioriterade lösningarna nämligen att hantera den ökade risken för sprödbrott som observerats för blyfria lod. En litteraturstudie har inledningsvis gjorts av Per-Erik Tegehall på IVF som behandlar lödning mot koppar och nickel.

Erfarenheten visar att lödfogar mot nickel/guld med vanligt tenn-blylod har en benägenhet för sprödbrott i intermetalliska skikt, speciellt för BGA-kompo-nenter. Detta har blivit ett stort problem och enligt IPC 7095A inträffar sprödbrott både vid höga töjningsnivåer och hög töjningshastighet. Detta kan inträffa när ett kretskort utsätts för chock, till exempel tappas i golvet, böjs eller utsätts för vibrationer. Sprödbrottet inträffar då i intermetallskiktet mellan lod och lödyta.

I korthet visar litteraturstudien för blyfria lod lödda mot kopparytor att struktur och sammansättning av det intermetalliska skiktet i stort sett är det samma som för tenn-blylod men att det kan bildas Kirkendallporer i stor utsträckning i Cu3Sn/Cu mellanytan och inom Cu3Sn skiktet.

För blyfria lod och nickelytor gäller att sammansättningen hos skiktet förändras kraftigt om lodet innehåller koppar. Ofta bildas två skikt med olika sammansättning som kan öka risken för sprödbrott. För att undersöka och kartlägga benägenheten för sprödbrott för olika kombinationer av lod, komponentmetallisering och mönsterkortsplätering kommer vi att använda enkla testkort med monterade BGA-strukturer. BGA:erna görs av små kvadratiska mönsterkort (5 x 5 mm) med 3 x 3 lodkulor. På detta sätt kan vi enkelt variera metalliseringen både på komponent och kort och fritt välja lodkulor av önskad legering.

Tjocklek och sammansättning hos IMC kommer att analyseras. Sprödheten kommer att undersökas med skjuvtester där skjuvningshastigheten varieras. Vi kommer även att genomföra fallprov och HALT-test. Det senare medger treaxlig vibration och temperaturcykler mellan –100 °C and +200 °C som kan varieras
och kombineras).

Inom GreenRose, ett forskningsprojekt som bland annat håller på att ta fram guidelines för att hjälpa främst små och medelstora företag i Europa att uppfylla RoHS-direktivet kommer IVF att leda en ”round robin”- studie kring laminat. I projektet deltar ett flertal europeiska institut, industriorganisationer, exempelvis Elektronikindustriföreningen från Sverige, och småföretag.

Bakgrunden till studien är att blyfri lödning utsätter mönsterkort för högre processtemperatur. Detta medför en ökad risk för delaminering och termisk nedbrytning, speciellt vid upprepade lödcykler. Bromfria så väl som traditionella laminat har uppvisat dessa problem och det är epoxisystemet som orsakar problemet. Ett epoxisystem som är lämpligt för blyfri lödning måste tåla den högre temperaturen men måste också vara processbart, till exempel får det inte vara så hårt att det spricker vid borrning och laminering.

Informationen från leverantörer är ofta begränsad och ibland svår att finna. Därför har vi tagit initiativ till denna oberoende utvärdering och kvalificering av laminat och mönsterkort.

Faktorer som påverkar termisk stabilitet hos laminat är bland annat
• Typ av basmaterial
• Typ av härdare
• Graden av tvärbindning
• Td, termisk nedbytningstemperatur hos epoximaterialet
• Vidhäftning av epoxi till bärare
• Fyllnadsmaterial

Vi kommer därför bland annat utföra följande:
• Identifiera epoxi, härdare och flamskyddssystem (och exempelvis Tg)
• Bestämma nedbrytningsprocessen och vid vilken temperatur den sker
• Bestämma processbarheten hos mönsterkort
• Bestämma inverkan av temperatur och fuktexponering
– T260 och T288, tid till delaminering vid 260 °C och 288 °C
– Antal lödcykler till delaminering
• Ytisolationsresistans

Nyheter om dessa områden kommer att publiceras på nätverkets hemsida.

Elfnet-projektet har finansierats av EU-kommissionen för att möjliggöra samordning av olika blyfriverksamheter. Ta tillfället i akt nu och gå med i Elfnet för att vara med och bidra till detta samarbete. Ni är välkomna att kontakta IVF om ni har frågor som rör blyfri lödning.

■ Ytterligare information om Elfnets ”Issues to Solutions Matrix” finns på: www.europeanleadfree.net

Andra länkar:
IVF: www.ivf.se
COST 531: www.univie.ac.at/cost531
Elfnet är ett nätverk där tekniska experter och industrigrupper arbetar med blyfria lösningar inom mikroelektroniken. Elfnet
är en plattform för att samordna, integrera och optimera forskningen, vilket gör det möjligt för elektronikproducenter inom EU
att optimera sina lösningar och att möta EUs deadline för införandet av blyfria lösningar
för konsumentprodukter 1 juli
2006.

Elfnet stöds av EU-kommissionen och
verkar inom 19 europeiska länder. Genom att förmedla ”best practice” kommer
Elfnet att bidra till Europas konkurrenskraft inom elektronikproduktion även efter 2006.

IVF koordinerar verksamheten inom det svenska nationella nätverket, Elfnet Sverige,
och leder även det europeiska arbetet inom Elfnets tekniska expertgrupper.

MER LÄSNING:
 
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus