Post on 28-Jun-2015
Placas de Circuito ImpressoAplicação, Qualificação e
Adequação para RoHS
Wolfgang BibenDAPE-Divisão de Qualificação e Análise de Produtos Eletrônicos
CenPRA-Centro de Pesquisas Renato ArcherMinistério de Ciência e Tecnologia
Escopo
• Ambiente de aplicação da PC I• Funções da PC I• Necessidades de qualificação derivadas
destas funções• Materiais e suas características• Ensaios de qualificação• Adequação da PC I para RoHS
Ambiente de Aplicação da PC I
• No processo de montagem: reflow, solda de onda, retrabalho. Exposição a um esforço térmico formidável
• No equipamento final a exposição a variações de temperatura, umidade, tensão, surtos de tensão, poluição, vibração, choque, esforços mecânicos de montagem
A Placa de C ircuito Impresso faz o que?
• A conexão elétrica dos componentes entre si
• Proporciona um suporte mecânico para os componentes
• Isola os componentes e conexões entre si• Destas funções derivam-se as
especificações de qualificação e confiabilidade da PC I
CONEXÃO• As conexões são compostas por trilhas,
externas e internas, furos de conexão entre as camadas, contatos de borda (pouco utilizados atualmente) e as ilhas (pads) e furos (PTH) de solda para os componentes
• Boa parte dos requisitos de qualificação estão focalizados na correta implementação destes elementos seguindo regras de dimensionamento
CONEXÃO• Do ponto de vista de confiabilidade, a
conexão entre componentes deve manter sua baixa resistência inicial durante a influência do ambiente de aplicação na vida útil do produto
• O fator climático mais deletério para a conexão no ambiente de aplicação é a variação de temperatura
• Afeta fortemente a integridade dos furos metalizados e das soldas
IS OLAÇÃO• A placa de circuito impresso deve manter
as diferentes conexões isoladas entre si, tanto na superfície como no interior da placa
• A isolação é afetada pelo ambiente de aplicação
• Temperatura e umidade alta e tensão aplicada entre trilhas e furos são os principais parâmetros que afetam a isolação
S UPORTE MECÂNICO
• Quase a totalidade dos componentes atuais são unidos à placa por solda, já na superfície das ilhas (pads) ou nos furos metalizados
• Raras vezes é necessário usar parafusos, rebites ou terminais dobrados ou crimpados na fixação
• Alguns componentes pesados exigem elementos de fixação adicionais além da solda
• Alguns componentes precisam de dissipadores de calor que por sua vez precisam de elementos de fixação na placa
FIXAÇÃO por S OLDA• Para possibilitar a solda, as ilhas e furos devem
apresentar uma superfície com boa soldabilidade: molhar e espalhar bem a solda
• A superfície do cobre (facilmente oxidável) precisa de um tratamento superficial para evitar a oxidação e torna-se apta para receber a solda
• E nas regiões onde o cobre não deve entrar em contato com a solda, o cobre deve ser protegido por uma máscara isolante, o solder resist, para evitar sua corrosão
FIXAÇÃO por S OLDA
• É essencial que as superfícies soldáveis estejam firmemente aderidas à placa
• Esta aderência sofre degradação durante o processo de montagem pela exposição a alta temperatura
• Ensaios de descolamento e de tração nas ilhas e nos furos devem considerar isto
• A aderência do solder resist deve ser avaliada
Materiais Base• Cobre como condutor• Papel• Fibra de vidro• Resinas fenólicas, epoxídicas ou outras• Algum aditivo anti-chama• Resinas para proteção superficial• É essencial entender como se
comportam estes materiais base no ambiente de aplicação
PLÁS TICOS
• Três características fundamentais
• A expansão térmica % entre 50°C e
260°C
• Temperatura de vitrificação Tg
• Temperatura de decomposição Td 5%
PLAS TICOS
Temperatura de vitrificação
Estado vitreo Estado mole
PLÁS TICOS
• Temperatura de vitrificação é determinada por três métodos
– TMA Thermo-Mechanical Analysis– DS C Differential S canning Calorimetry– DMA Dynamic Mechanical Analysis (1 Hz)
PLÁS TICOS
α 1 ~60 ppm
α 2 ~240 ppm/°C
Temperatura de vitrificação Tg
T
Uso
Mais mole
Cura adicional
Fragilização
∆ L
Propriedades mecânicas
•
Temperatura
E
Tg
PLÁS TICOS• Temperatura de decomposição é um
indicador da temperatura de delaminação• Temperatura na qual o material perde 5%
de peso
TemperaturaTd 5%
Peso
Expansão térmica
• A expansão térmica da placa é ditada pelos materiais que a compõem
• No plano da placa , eixos x e y é ditada pelo material de reforço, papel ou uma manta entrelaçada de fibras de vidro, tentando assemelhar-se ao cobre com um coeficiente de expansão térmica de ~17ppm/°C
Expansão térmica
• Mas, no eixo z, perpendicular à placa, não há reforço que impeça a expansão
• E o que não teve possibilidades de expandir na horizontal, vai expandir na vertical com mais intensidade
• Mais ainda, acima da temperatura de vitrificação, a expansão da resina é quatro vezes maior ( durante reflow e/ou solda de onda)
• Quem sofre é o furo metalizado
Expansão térmica
• Essa expansão exagerada no sentido vertical tem que ser absorvida pelo cobre do furo metalizado sem danos durante o processo de reflow, seguido de solda de onda e ainda possíveis reparos
• O cobre tem que ser muito dúctil e elástico para suportar os esforços mecânicos resultantes do processo de montagem
• E ainda suportar os rigores do ambiente de aplicação
O Cobre dos Condutores
• O cobre dos condutores pode ter características mecânicas diferentes, dependendo de sua história prévia de deformação: o laminado e o grau de recozimento após o laminado ( mais duro sem recozer,
mais mole com recozimento) • Nos furos é essencial ter um cobre que permita uma
grande elasticidade (deformação elástica reversível), chegando a 12% ou mais de elongação de ruptura
• O material nos furos é depositado eletroliticamente; para obter essas qualidades, o banho e o processo têm que ser muito bem controlados
Expansão térmica
• Os requisitos de confiabilidade da conexão dos componentes na placa são especificados num ensaio de ciclagem térmica ( severidade de acordo com o ambiente de aplicação)
• Na indústria automotiva, no ambiente debaixo do capô, tipicamente 1000 ciclos de 125°C a -40°C com menos de 20% de aumento de resistência das conexões
Danos da ciclagem térmica nos furos
• Trincas no sentido horizontal até levar à interrupção da conexão
• Quebra da conexão entre a parede do furo e as camadas internas
• Verificação da integridade da conexão à alta e a baixa temperatura para verificar conexão intermitente- faz contato na temperatura ambiente mas falha em alta ou baixa temperatura
Danos da ciclagem térmica nos furos
• S ão agravados por defeitos de processo– Furação com superfície irregular propiciando uma
parede com pontos fracos– Desmear impróprio levando à separação entre
parede do furo com as camadas internas– Furação arrancando fibra de vidro e criando fendas
nas quais penetra o cobre eletrolítico– Parede do furo muito fina– Fibras de vidro penetrando na parede do furo– Propriedades do cobre eletrolítico inadequadas-
pouca elasticidade e/ou resistência mecânica
Danos da ciclagem térmica na isolação
• Na superfície pode produzir rachaduras no solder resist-- fica menor a distância de corrente de fuga entre duas trilhas vizinhas
• S e as rachaduras do resist expõem o cobre pode ocorrer corrosão num ambiente úmido
• No interior da placa pode contribuir para a separação entre resina e fibra de vidro; sob umidade alta ali podem ocorrer processos eletrolíticos e correntes de fuga
Isolação• Uma verificação a grosso modo é a medição da
contaminação iônica» Omegameter, Ionograph, Condutividade da solução de
água DI e isopropanol usada para remover contaminantes superficiais
• Resistência de isolação (S IR ) medida antes, durante e no final de exposição a temperatura e umidade altas
• E letromigração: aplicar tensão às estruturas de ensaio durante a exposição e medir continuamente a resistência de isolação
• Condições típicas: 85°C/85% UR, 1000 horas• Avaliação visual para detectar descoloração do resist e
inicio da formação de dendritos
Isolação CAF-condutive anodic filaments
• É uma falha de isolação no interior da placa causada por processos eletrolíticos em ambientes quentes e úmidos
• Ocorre ao longo das fibras de vidro
• E de preferência entre furos vizinhos, mas pode ocorrer entre qualquer metalização interna sob tensão
Estruturas de EnsaioCupons de Teste
• Os cupons devem refletir os dimensionamentos mais críticos da placa de produção: menores trilhas e distanciamentos, furos pequenos
• A avaliação dos furos sob ciclagem térmica e suas interconexões com as diversas camadas, internas e externas é feita com cupons de teste com múltiplos furos e trilhas conectados em cadeia (daisy chain) para medir continuidade
• A medição da isolação é feita com estruturas interdigitadas de trilhas paralelas
Qualificação da PC I• Além dos aspectos visuais e geométricos com suas
tolerâncias, a resistência da placa aos fatores ambientais deve ser avaliada para garantir sua função e confiabilidade
• S oldabilidade virgem e após simulação de processo• Aderência de solder resist virgem e após simulação de processo• Força de descolamento virgem e após simulação de processo• Aderência de ilhas virgem e após simulação de processo• Resistência à delaminação• Contaminação iônica• Resistência de descolamentos de furos• Ciclagem térmica• Resistência de isolação• E letromigração, CAF conductive anodic filaments Após processo• HIPOT, tensão de ruptura• Ensaio de corrente
Qualificar cupons de teste ou placas de produção?
• Geralmente o cliente prefere qualificar a placa de produção, sabendo que todos os processos de produção são os definitivos para seu produto
• Fica difícil encontrar estruturas de ensaio adequadas na placa
• Ciclagem térmica: trilhas com bastantes furos de passagem ou caminhos por camadas internas
• Isolação : pares de trilhas paralelas e que passem por furos bem próximos
S imulação do processo de montagem
• Para as placas simples face pode ser uma passagem pela solda de onda mais uma simulação de reparo (outra passagem)
• Para placas de dupla face são necessárias quatro passagens de reflow (lado 1 , lado 2, remoção, componente novo) ou solda de onda
• A simulação é com o mesmo perfil de temperatura do processo de montagem
RoHS
• Como adequar a placa para RoHS
• As substâncias a serem eliminadas
• Os rigores do processo de montagem
• A escolha do material base
• A escolha do acabamento
• A qualificação da placa
Adequação à Legislação Européia
• A norma 2002/95/EC restringe, a partir de Julho de 2006, produtos que contenham
• Chumbo > 0,1%• Mercúrio > 0,1%• Cádmio > 0,01%• Cromo hexavalente > 0,1%• Bromo (bifenil) > 0,1%• Bromo (bifenil-eteres) > 0,1%
• Resumido na sigla RoHS (restriction of hazardous substances)
Placas de C ircuito Impresso podem conflitar com RoHS ?
• S IM; onde ?• No acabamento HAS L (solda chumbo-
estanho)• Nos aditivos a base de bromo que
permitem obter a classificação UL 94V-0 de flamabilidade (amostra vertical, apaga em 10 segundos, não goteja com chama acessa) para o material base
Como adequar as PC I’s?
• E liminando o chumbo• E liminando o bromo-bifenil ou bifenil-
eteres do material base da placa
• LF (lead-free) ≠ RoHS• Não basta eliminar o chumbo para
cumprir a legislação !!!• Todas as seis substancias devem ser
eliminadas
Como eliminar o bromo e o chumbo da PC I
• Escolhendo o material base sem bromo• Escolhendo o acabamento sem chumbo• Mas isso não basta, tem que garantir a
vida da placa durante o processo de montagem e no ambiente de aplicação
• A placa tem que resistir melhor às altas temperaturas de processo
• O material base tem que ser adequado
A difícil escolha do material base
• O dilema é como obter suficiente robustez térmica, compatibilidade RoHS , UL94V-0 e custos compatíveis que satisfaçam as necessidades de seu cliente e de seu processo
• Pertech, Formline no Brasil; Doosan,TUC,Isola, NanYa, Nelco, etc no mercado internacional
• Considerando fretes e taxas de importação, prazos de entrega e de transporte
Escolha do Material Base
• Um índice que pode ajudar na escolha:
• S TII = (Tg + Td)/2 - 10*(% expansão50-260°C)• S oldering Temperature Impact Index
• Valores maiores que 215 são recomendados para LF
• E as exigências do ambiente de aplicação de seu cliente
Tipos de material base• FR1, FR2, FR3 papel-resina fenolica• CEM1, CEM3 papel-resina com capa• FR4 Tg baixo/ fibra de vidro- resina
epoxy dicy cured• FR4 Tg alto/ fibra de vidro- resina
fenolica• Teflon, Polimidas, bismaleimide triazine
Getek..... Aplicações de RF ou militares• BT bismaleimide triazine
Conseqüências da eliminação do chumbo
• As soldas sem chumbo economicamente viáveis tem ponto de fusão maior
• S oldas S nPb 183 °C• S oldas LF 217-220 °C• As operações de montagem das placas
precisam de temperaturas até 40°C maiores
• As placas e os componentes têm que suportar estas temperaturas maiores sem danos
Acabamentos
• HAS L com solda LF- planicidade
• OS P (maior degradação por temperatura)
• Immersion TIN
• Immersion S ILVER
• ENIG (electroless nickel/inmersion gold)
Acabamentos• HAS L com solda LF resulta num esforço térmico muito
alto e uma superfície não plana; é uma opção pouco usada atualmente para componentes S MD
• Immers ion Tin consegue uma superfície plana mas é facilmente oxidável; uma segunda operação de reflow mostra soldabilidade menor que a placa virgem
• Immers ion S ilver consegue muito boa soldabilidade. Precisa de boa limpeza do cobre para evitar micro-voids (champagne voids). Proteção da prata com papeis especiais por muito tempo
• OS P se degrada por temperatura; após um primeiro reflow, a operação seguinte de solda já tem a soldabilidade reduzida
S oldabilidade• É uma condição essencial das ilhas (pads) e
furos da placa de circuito impresso• Precisa ser verificada por ensaios objetivos que
simulem o processo de montagem com várias passagens de reflow ou solda de onda e reparo
• S imulação de envelhecimento da placa• S older dip, wetting balance, pasta de solda• Duas condições devem ser verificadas: wetting
(cobertura maior que 95 % da superfície soldável) e de-wetting ( ausência de de-molhagem após exposição prolongada a alta temperatura )
S oldabilidade de soldas sem chumbo
• Além da maior temperatura necessária, a solda sem chumbo tem um ângulo de molhagem maior; a solda “corre” menos (S preadability)
• Os fluxos (e fluxos contidos nas pastas) têm que atuar com uma temperatura maior; a formulação é diferente, os resíduos são diferentes
Dissolução do cobre durante a solda
• Na interface entre cobre e solda é formada uma camada de intermetálico e cobre difunde para o interior da solda
• Este processo é acelerado por temperatura (tanto no processo como na aplicação da placa)
• Caso a metalização dos furos PHT seja demasiado fina, nos joelhos a camada de cobre pode chegar a ser interrompida durante os processos de solda da montagem
A degradação da placa pela temperatura maior de processo
• O que sofre?• O material base-descolamentos,
delaminações• As conexões que passam pelos furos
metalizados• E também na superfície e no interior da placa
a isolação entre trilhas e furos pode degradar-se na sua capacidade de suportar ambientes úmidos e quentes sob tensão
Perda de vida útil pelo processo de montagem
• O esforço térmico a que é submetida a placa durante a montagem dos componentes causa danos que podem diminuir sua vida útil em 30 a 50% no ambiente de aplicação, dependendo da escolha do material base da placa:
– Tg– Td– % de expansão térmica entre 50°C e 260°C
– e do ambiente de aplicação
Perda de vida útilapós processo
ReliaSoft Weibull++ 7 - www.ReliaSoft.com.brProbabilidade - Weibull
β=3,0000, η=1000,0000
Ciclos Térmicos
Pro
babilid
ade d
e F
alh
a, F(t
)
100,000 5000,0001000,0001,000
5,000
10,000
50,000
90,000
95,000 Probabilidade-Weibull
Dados 1Weibull-2PRRX SRM MED FMF=0/S=0
Linha de Probabilidade
Placa após processo Placa virgem
Marcação das Placas
• Geralmente segue as indicações do desenho do cliente- número do desenho
• Para um produto que será exportado para Europa ou China a marca “RoHS compliant” é indicada
• Outras marcas encontradas são e1 , Pb • E ainda o código de data, RU,
flamabilidade UL94V-0 e outras
Finalizando
• LF ≠ RoHS , além do chumbo.........
• Umidade é um grande inimigo da PC I
• Temperatura alta degrada
• Ensaios de qualificação/confiabilidade são indispensáveis para aplicações exigentes
• S ucesso na era “green”/LF é custo e qualidade
Informação e literatura
• Normas IS O/IEC, NBR , Jedec, IPC, AS TM• S ites da IPC, S MTA, IMAPS , S MART• IEEE , Global S MT, .......e revistas • Calce, S andia, NIS T....• Fabricantes de materiais base
Obrigado por sua atenção
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