נמרוד ברקוביץ’, אדנטק
בכדי להקטין את זהום הסביבה כתוצאה ישירה מתעשייה, הוצאו מספר תקנים אשר אחד מהם הוא ה ROHS6, בין שאר החומרים אותם שולל תקן זה הוא העופרת (PB).
תקופה ארוכה התבססה תעשיית האלקטרוניקה על סגסוגות עשירות בעופרת שהוכיחו עצמן כאמינות לאורך שנים מכול הבחינות (אורך חיים, עמידות בפניי הפרשי טמפרטורות, יצור פשוט ויציב וכו’).
כיום כאשר מרבית התעשיות עוברות לייצור תחת תקן זה, עולה השאלה האם התקן מתאים לכל ואם כן מהו המחיר.
הנושא עלה לפני כ- 6 שנים, בעקבות פניה של מספר לקוחות שהם יצרני מוצרי אלקטרוניקה הכוללים בתוכם לפחות כרטיס אלקטרוני אחד עם רכיבי ,SMT אל חברת SHENMAO. לקוחות אלה טענו כי כ4-6 שנים לאחר המעבר ל ROHS הם חוו נפל באחוזים ניכרים, התופעה אף הלכה והחמירה עם הזמן.
עוד דיווחו הלקוחות (שהיו רגילים עד אז לאמינות ההלחמה של בדיל העופרת SN60, SN63, SN62), כי המעגלים נוקו כהלכה וצופו בציפוי קומפורמי ואף ניתנה על חלקם אחריות למספר שנים ארוכות “הרי במעשה זה יבודדו ההלחמות מהשפעת הסביבה ואין חשש להתדרדרות איכות המעגל”.
בחברת SHENMAO (אחת משלושת היצרניות הגדולות בעולם של מוצרי ההלחמה, 23% ממשחות ההלחמה בעולם מיוצרות בחברה זו) הרימו את הכפפה ולאחר מחקר ארוך עלו על הסיבות לתופעה ואף פיתחו פתרון אמין (מוכח) שיוצג בהמשך במאמר זה.
ההתייחסות במאמר זה הינה לכל יצרן מוצרים אלקטרונים ב class 2, class 3 שעובדים או שוקלים לעבור ל lead free, ועושים שימוש בסגסוגות sac305 ובמיוחד low sac ו- sn100.
התופעה:
כאשר מלחימים סגסוגת ללא עופרת (SAC305) עם אחד הציפויים נושאי הנחושת (CU) ייווצר intermetalic compound בנקודת ההלחמה אשר תורכב מאחת הסגסוגות CU6/SN5 ואו
CU3/SN (שכבת IMC תיווצר בצד הרכיב ו- IMC נוסף ייווצר בצד הפד).
הבעיה:
1. ה-IMC חזק משמעותית משאר נקודת ההלחמה, מצד שני הוא גם פריך יותר, הדבר יכול לגרום לכך כי בטווח הארוך (מספר שנים מצומצם) כל תנועה, כל שינוי טרמי סביבתי עלול לגרום כשל.
2.לאורך זמן עובי השכבה הבין מתחתית (ה-IMC) בתוך נקודות ההלחמה גדל, אין נתונים מדויקים על קצב הגידול מפני שהוא מושפע ממספר גורמים (סגסוגות, טמפ’, זמן…) עם זאת ברור כי ככל ששכבת ה- IMC גדולה יותר לאחר תהליך ההלחמה, כך יגדל יותר ה-IMC לאורך הזמן. מצב זה עלול לגרום לסדקים ואף הפרדות מכאניות ואו חשמליות.
הגורמים המשפיעים על היווצרות ה- IMC
(בתהליך ההלחמה):
היווצרות ה- IMC מושפעת ממספר גורמים: הרכב הפד, הסגסוגת (סגסוגות מעוטות AG תורמות משמעותית לגידול ה-IMC), קצב חימום, משך החימום והקירור.
כאשר עולים לשלב הREFLOW
(217C ומעלה) מתבצעת דיפוזיה של הנחושת לתוך סגסוגת ההלחמה.
בעליית טמפרטורה איטית תתקבל שכבת IMC די אחידה, ואילו בעלית טמפרטורה מהירה יותר תתקבל שכבה לא אחידה.
ככל שטמפרטורת ההלחמה תהיה גבוהה יותר, כך תגדל שכבת הIMC בתהליך עצמו עד הקירור לטמפרטורת החדר.
תופעה זו גוברת כאשר עובדים בסגסוגות lead free, המחייבות עבודה בטמפרטורה גבוהה יותר.
הורדת טמפרטורה קיצונית – ( 4.5C0-6C0)
הורדת טמפרטורה קיצונית
לפני היציאה מהתנור, תקטין מאוד את היווצרות השכבה בדומה להתגבשויות מוכרות אחרות כמו מלח על משטחים.
בכל מקרה יש לשאוף לשכבה דקה ביותר IMC
של(micron 2±0.5) .
התהליך בתוך נקודת ההלחמה לאחר היצור:
השכבה האינטר מטלית (שכבה קשיחה ופריכה) גדלה בהתמדה. שכבת סגסוגת ההלחמה (שיכבה גמישה) נמתחת עד אשר אינה יכולה עוד למלא את כל החללים בנקודת ההלחמה. כך נוצרים חללים (VOIDS) קטנים שהולכים וגדלים באופן מתמיד. בסוף התהליך אפשר לראות כי ישנה הפרדה כמעט מלאה בין שכבת הנחושת ל-IMC. מצב זה עלול להוביל לבעיות המוזכרות לעיל.
עוד עולה מהמחקר כי יישון המעגלים בטמפרטורות נמוכות (95מעלות, 115 מעלות ו125 מעלות) גרמו הרבה פחות נזק למעגלים מיישון המעגלים בטמפרטורות גבוהות (150 מעלות ו 175 מעלות).
עוד עולה מהמחקר כי יישון המעגלים בטמפרטורות נמוכות (95, 115 ו-125 מעלות) גרמו משמעותית לפחות נזק למעגלים מיישונם בטמפרטורות גבוהות (150 מעלות).
כשל מוחלט אובחן ביישון מעגלים
ב- 25C0 למשך 41 ימים לעומת כשל מוחלט לאחר כ 90 יום 95C0.
בתמונות המצורפות ניתן לראות יישון (AGING) כדורית sac305 על פד OSP 125C למשך 3 ימים לעומת 40 ימים:
שלוש מסקנות ברורות עולות מתוך תמונות החתך:
•מעגלי ROHS6 אינם מתאימים לסביבת עבודה בטמפרטורה גבוהה (לא אמליץ על יותר מ- 65C0).
•אמינותם של מעגלי ROHS אינה רבה לאורך זמן. כשלים באחוזים ניכרים ניתן יהיה למצוא כבר לאחר מספר שנים מצומצם (תלוי כמובן בסביבת העבודה, טמפ’ חיצונית וכו’).
•מעגלים אשר אמורים להיות מאופסנים שנים רבות ולפעול ביום קריאה (מיועד בעיקר ל class 3 צבאי), עדיף כי לא ייוצרו תחת תקן זה (6ROHS).
פתרון מומלץ:
צמצום היווצרות ה-IMC בשלבי היצור הינו חשוב ביותר, לכן אמליץ על הסעיפים הבאים:
1.קיצור הפרופיל למינימום האפשרי (יש לדאוג כי המשחה והרכיבים יתמכו בכך).
2.הנמכת הפרופיל באופן כללי וה REFFLOW בפרט (230C0-235C0). יש לדאוג כי המשחה והרכיבים יתמכו בתהליך, אם ישנם רכיבים (BGA) בעלי רגליים העשויות בסגסוגות מעוטות כסף (105SAC, CASTIN, LOW SAC ו- 100 SN),לא תתבצע הלחמה טובה מתחת ל- 235C0, במקרים אלו יש לעבוד ב- 235C0-240C0.
3.יש לבצע קירור מואץ
(4.5C Seconds-6C Seconds) מיד לאחר קבלת מספיק זמן REFLLOW
(sec25-40) כמו כן יש לבדוק כי הרכיבים תומכים בתהליך זה. במידה ולא, יכתיבו הרכיבים את גבולות התהליך.
4.חברת SHENMAO החלה לפני כ-4 שנים בייצור משחת הלחמה מסוג P25 על מנת להתמודד ביתר קלות עם תופעה זו:
א. הרטבה בטמפרטורה נמוכה ביותר.
ב.נעשו בסגסוגת מספר שינויים המאפשרים צמצום התהליך (היווצרות IMC), עדיין עומדת המשחה בתקני ה IPC לסגסוגות SAC305.
בהסתמך על ניסיוני המקצועי בישראל, אסיה ומזרח אירופה, בתחום יצור האלקטרוניקה, שימושיה ומקומות נוספים בהם מתוכננת החלת ROHS6, הדבר נראה מטריד ביותר ולו רק מהסיבה המוזכרת לעיל (ישנן סיבות נוספות).
יש לנקוט בכל אמצעי הזהירות שצוינו לעיל, להארכת חיי המעגלים חיסרון בעלויות.
