05.Nufesa electronics

Juan Manuel Sánchez Piqueras
Responsable Línea de productos Henkel:
Loctite
Multicore
Hysol
Optimel
CONTENIDO
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Datos técnicos con plomo
Elección de la Aleación
Equipamiento-Maquinaria
Fluxes para ola de soldadura
Fluxes para impresión y reflow
Inspección – Acostumbrar el ojo
Acabados de Componentes
Acabados de PCB
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Porqué utilizamos plomo?
• Porque forma un amplio rango de
composiciones con el estaño con puntos de
fusión que van desde los 183ºC-300ºC
• Es barato
• Reduce la tensión superficial
• Reduce la disolución
• No forma intermetálicas frágiles con el estaño
PLOMO
• Suave, maleable
• Pobre conductor de la electricidad
• Muy resistente a la corrosión
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Utilización del Plomo
• El plomo es uno de los elementos químicos
más desenvolupados del planeta.
• Se utiliza o se ha utilizado en:
– Soldadura, pintura, baterías, gasolina, insecticidas,
cristales, fontanería, bolígrafos, cubre cables,
containers para líquidos corrosivos...
PLOMO
• Pb es un metal tóxico
• Citado por la Agencia Americana de protección
del medio ambiente como uno de los 17
elementos químicos más perjudiciales para la
salud humana.
• Dificultad del cuerpo para deshacerse del Pb:
– De la sangre: 25 días
- De los huesos:25 años
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PLOMO
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•
•
•
Es un veneno acumulativo
Ataca el sistema nervioso
Daños neurológicos,anemia.
Teratogeno
– Las mujeres en estado tienen que tener cuidado
– Retarda el desarrollo mental en los niños
Peligros de exposición al Pb
Rutas de
exposición
Riesgo
tóxico
Comentarios
los componentes inorgánicos del plomo no
son absorvibles a través de la piel,solamente
Absorción
bajo
Ingestion
Medio
10% del Pb absorvido a través del canal
gastrointestinal.
Inhalación
Alto
30 ? 10% Pb vapores son retenidos en los
pulmones
algunos componentes orgánicos pueden ser
absorvidos.
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SELECCIÓN DE LA ALEACIÓN:
Muchas aleaciones sin plomo están basadas en la adición
de pequeñas cantidades de un tercer y cuarto elemento a
la aleación binaria Sn/Ag para reducir el punto de fusión y
incrementar el mojado y la fiabilidad.
-Está demostardo que cuando aumentamos el número
de elementos:
1.Baja el punto de fusión
2.La resistencia mecánica es menor
3.La mojabilidad aumenta *
“Las siguientes aleaciones están consideradas como
candidatas viables para reemplazar a la eutéctica Sn/Pb”:
Sn96,5/Ag3,5
(221ºC)
Es una de las aleaciones más fiables aunque su mojabilidad
en refusión es más pobre que otar aleaciones más ricas en
Sn.(NCMS,Ford,Motorola,TI Japan)
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Sn99,3/Cu0,7
(227ºC)
La calidad de la soldadura es parecida al Sn/Pb según Nortel
fabricante de telefonia móbil.
En atmósfera de oxígeno la mojabilidad es baja y el menisco pobre.
La fuerza mecánica es la más baja de entre todas las aleaciones
pero su bajo coste la hace estar entre una de las predilectas para
ola e hilo.
Sn/Ag/Cu (217ºC)
El cobre se le añade para evitar la disolución de cobre en la
soldadura,bajar el punto de fusión , mejorar el mojado así como
se consigue mejorar la fatiga térmica.
Nokia y Multicore encontraron puntos de fiabilidad comparables
e incluso mejores que la aleación eutectica Sn/Pb.
Parece ser la tendencia a seguir por todos los fabricantes
Sn/Ag/Cu/Sb (213ºC-218ºC)
Mejor comportamiento en fatiga Sn/Pb.
Sn/Ag/Bi/X
(202ºC-217ºC)
Con la adición de el 5% o menos de Bismuto bajamos el punto
de fusión y mejoramos la mojabilidad puede ser una de las
aleaciones que mejores resultados ha dado pero tiene un problema
en trhough hole que es la formación de fillet lifting.
Otro grave problema :Contaminación de plomo-96ºC
Sn/Sb
(232ºC-240ºC)
Mojado pobre aunque mejor que Sn/Ag pero la tª de líquidos
es muy alta
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Sn/Zn/X
Eutectica 199ºC
El Zinc es un elemento muy reactivoy causa oxidación y corrosión,
reacciona con el flux aumentando la viscosidad en el caso de la
pasta.
Sn/Bi Eutactica 138ºC
Aleación idónea para aplicaciones en las cuales necesitamos
poca temperatura.
La contaminación por cobre puede convertirla en una aleación
ternaria reduciendo su punto de fusión a 96ºC y creando
intermetálicas frágiles.
Consideraciones para la maquinaria
• Ola de soldadura
– Posible erosión de la metalización de la cuba
– Chequear con el proveedor de maquinaria
• Horno de soldadura
– Hornos convencionales tienen suficiente capacidad
e eficiencia para soldar sin plomo
– El sistema de convección es recomendable
(posiblemente esencial)
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Ola de soldar sin plomo:
Parametros del proceso
• Temperatura en el Top-side del Pcb:
– Fluxes en base alcohol : 85 - 95?C
– Fluxes en base agua :100 - 120?C
• Temperatura de cuba:
– 255 - 260?C
• Tiempos de contacto
– 2.5 - 4.0 segundos (depende del diseño de tarjeta)
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Parametros de proceso
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Proceso típico
Temperatura en el Top-side: 119 °C
Temperatura de cuba: 260 °C (99C aleación)
Velocidad de conveyor: 0.7m/min
Tiempo : 4.5 segundos (doble ola)
Maquina utilizada: Soltec Aolapha Wave 6651
Flux utilizado: Multicore MF300 VOC free
Temas de proceso
• Incrementar Tª de cuba
– Incrementa el choque térmico en placa
• Incrementar precalentamiento para Voc free
fluxes
– Reducción de choque térmico
• Ejemplo (Standard FR4 de doble cara):
– Sn/Pb aleación, alcohol flux:
• Cuba 250°C, temperatura en el bottom 120°C
– 99C aleación, VOC free flux
• Cuba 260°C, temperatura en el bottom 140°C
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Disolución del Cu en el
proceso de soldadura sin plomo
El estaño ha
reducido el
espesor de la
pista de cobre
Erosión del rotor o
boquilla
Seleccionar materiales
más resistentes
Evidence de erosión on
en a boquilla de acero
inoxidable después de
fabricación.
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Problemas por contaminación metálica
• La contaminación por plomo puede ser un
grave problema
• El 1% de contaminación de PB podría:
– Reduce los sólidos en 40 - 50 °C
– Tener muy poco efecto en líquidos
– Rangos de estado pastosos más largos
• Ejemplo:
• SnCu0.7 (99C) 227°C?
• SnAg3.5 (96S) 221°C?
183°C
179°C
• El acabado del PCB y componentes
debe ser Lead-free
Problemas por contaminación metálica
• Fillet Lifting
– Ocurre cuando la aleación es rica en estaño y
contiene Bismuto
– Ocurre cuando soldamos placas o componentes
acabados en Sn/Pb
• Causado por Tª de fusión bajas en las
interfases
– Differential contraction across the soldered joint
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Fillet Lifting
Fillet Lift
Fillet Lift
Otros aspectos de soldadura
• El estaño no sube bien o no llena los throughhole
• Bolitas de soldadura
• Oxidos en la ola más persistentes
– Se necesitarán fluxes más activos
• Coste de la aleación
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Relleno incompleto
del through hole
• Estudio de laboratorio
–
–
–
–
Cuba 99C– SnCu0.7 @ 265°C
Temperatura del top-side - 97°C
Velocidad conveyor – 100cm min
Placas testeadas acabadas en OSP
Flux resinoso
Flux bajo en resina
Flux libre de resina
6
36
84
Bolas de soldadura
• Especialmente en sistemas de doble ola
• Causado por:
– Alta tensión superficial de la aleación
– Incrementa la saturación del flux a altas Tª
• Típico en VOC free fluxes
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Bolas de soldadura
400
300
Microsolder 200
Balling
100
Nuevo flux
0
rk
ma
ch
n
Be
d
ve
pro
Im
270
tor
tiva
Ac
sin
Ro
ree
c-f
Vo
260
Bath
Temp.
Oxido en la ola más persistente
• Requerimiento fluxes alta actividad
– Limpiar capa de óxido de la ola
– Reducción de cortos
– La seguridad del residuo tiene que ser estudiada
• Uso de nitrogeno(atmosfera inerte)
– La experiencia nos dice que no es esencial
• Dopaje con fosforo para reducir la escoria
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Costos de las diferentes aleaciones
Sn63Pb37
Sn99.3Cu.7
Sn95.5Ag3.8Cu.7
$0.00
$1.00
$2.00
$3.00
$4.00
$5.00
$6.00
$7.00
Lead Free Serigrafia&Refusión
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Serigrafía con lead-free
• Mínimas modificaciones
– Menor contenido metálico-Densidad
– Mas cantidad de pasta el stencil
Cambios en refusión
• Cambio de aleación Tª fusión más altas
– Sn62 liquidos a 179C
– 96SC liquidos a 217C
• Las temperaturas de las diferentes zonas de
• refusión se tienen que incrementar
• Altas temperaturas tienen impacto en el
aspecto cosmético
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Consecuencias en placas más complejas
• Disipadores, componentes grandes
– diferencia de Tª a lo largo de la placa
– más tiempo de mojado
• Más calentamiento de placa en general
– sobrecalentamiento
– Daños en componentes y placas
– evaporación del flux
Minimizar daño térmico
• Mejorar diseño
• Mejorar los sistemas de medida
– trabajar cerca de los límites
• Trabajar con atmosfera inerte
–
–
–
–
menos oxidación de los sustratos metálicos
menos evaporación del flux
menos oxidación de la resina
más gasto
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Refusión en placas simples
Temperature, °C
300
? T bajo , sin mucho
precalentamiento
200
100
200
400
600
Time/s
Punto más
caliente
800
1000
Punto más
frío
Refusión en placas relativamente complejas
Temperature, °C
300
El pico de Tº podría
ser más alto
200
100
Se requiere más
precalentamiento
200
400
Punto más
caliente
600
Time/s
800
1000
Punto más
frío
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Refusión para placas más
complejas(+Densidad/Multicapa)
Temperature, °C
300
Pico de Tª más
que el
necesario para
el mojado
AT
200
100
200
400
punto más
Tª
600
Time/s
800
1000
Punto más
frío
Inspección
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Inspección
Inspección
Cuál es cuál
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Mojado en terminaciones
Atmosfera inerte
Atmosfera en aire
Selección de los acabados de los componentes
Tipos de componentes:Periféricos (QFP,SO)
Discretos (Resistencias,Condensadores)
Arrays
(BGA,CSP,flip chip)
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RECUBRIMIENTOS VIABLES:
•Ni/Pd
•Pd
•Ni/Pd/Au
•SnBi
•Sn
•SnCu,SnAg,Ag
Desde el punto de vista de la fiabilidad de la soldadura
a largo tiempo,los materiales de recubrimiento para las
terminaciones de los componentes se pueden considerar
en dos grupos:
-Recubrimientos Nobles o Semi-nobles:
Au,Pd o Ag
-Recubrimientos en base SN:
SnBi
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Puntos a tener en cuenta:
-Tiempo de almacenamiento
-Soldabilidad
-Migración(Ag)
-Tin Whiskers
-Tiempo de almacenamiento
-Absorción de humedad
Selección del acabado de PCB:
¿Qué tiene que proporcionar?
-Buena soldabilidad
-Creación de la intermetálica
-Superficie de contacto necesaria
-Protección de los pads antes de la soldadura(oxidación)
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Acabado tradicional SnPb:
•HASL(Hot Air Solder Level)
Alternativas a HASL:
•Ni/Au
•Sn
•Ag
•OSP
•Inmersion Tin
Parámetros a tener en cuenta a la hora
de seleccionar nuestro acabado de PCB:
•Soldelabilidad
•Estabilidad ambiental
•Estabilidad a altas Tª
•Integridad e Estabilidad de la intermetálica
•Disponibilidad para ser usado como contacto
•Coste
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