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

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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

ContatosWolfgang.Biben@cenpra.gov.br19-3746-6075