На пути к бессвинцовой автомобильной электронике

Энди Лонгфорд, PandA Europe

Почему производители автомобильной электроники, до сих пор не обязанные подчиняться требованиям евроди-рективы ЯоНЭ, все чаще и чаще используют бессвинцовые решения? Во-первых, рано или поздно экологические ограничения затронут все области применения электроники. Во-вторых, и это еще более важная причина, уже сегодня цепочки поставок в электронной промышленности стали практически полностью «зелеными». В большинстве случаев поставщики компонентов предлагают исключительно бессвинцовые продукты. Таким образом, переход от свинец-содержащих припоев к бессвинцовым неизбежен, несмотря на то, что применение новых альтернативных материалов и процессов влечет за собой определенные трудности. Рассмотрим некоторые особенности перехода к бессвинцовым альтернативам в автомобильной промышленности.

Версия в PDF (164Kb)

В июле 2006 года европейская индустрия электроники вплотную столкнулась с введением в действие директивы об использовании вредных веществ в производстве (RoHS — Restriction of Hazardous Substances). Этот документ затрагивает целый ряд материалов, используемых в электронной промышленности, однако наибольшую значимость имеет запрет на использование свинца. Оловянно-свинцовый сплав по сути является «клеем» электроники, и в связи с его запретом возникли определенные трудности. Впрочем, директива RoHS имеет исключения, и по данным Elfnet, воспользоваться ими могут до 75% участников рынка. Такие исключения, к примеру, касаются автомобильной промышленности или высоконадежного оборудования, где по-прежнему можно использовать свинцовые припои.

Так почему же автомобильная индустрия стремится использовать все больше бессвинцовых технологий? Постепенно все исключения будут отменяться, но гораздо большее значение имеет то, что уже сейчас в производственных цепочках поставок более 80% компонентов являются бессвинцовыми, а на конец 2007 года, по данным ассоциации Semi, эта цифра составит 90—95%. Переход от свинцовой пайки к экологически чистой неизбежен, несмотря на несомненные трудности, связанные с этим процессом.

Электронные системы для автомобильной промышленности требуют повышенного внимания к разработке, так как жизненный срок этих изделий достигает 20 лет. Отсюда следует, что к выбору компонентов надо подходить крайне ответственно, все платы и процессоры каждого модуля

должны обладать практически абсолютным качеством. Адаптация новых технологий требует высокозатратного и интенсивного анализа жизненного цикла изделия. Это подразумевает оптимизацию используемых материалов в соответствии со специфическими автомобильными нуждами — работа в высоком разбросе температур, при различных режимах работы двигателя, в системе контроля торможения или управления мощностью, или более потребительских применениях — в блоке навигации или стереосистеме.

Больше всего труда при переходе к бессвинцовым технологиям потребуется при определении значимости каждого из этих автоприложений, для чего понадобится выработать ряд ключевых показателей. Это и необходимость внедрения и проверки новых экологически чистых компонентов, и проверка их работоспособности при неблагоприятных внешних условиях. Только так можно быть уверенным в достаточно большом сроке службы изделия без занижения стандартов качества и при минимально возможной цене. Поэтому, чтобы дать согласие на

использование нового оборудования, предназначенного для работы в ответственных приложениях и неблагоприятных условиях, в автопромышленности сегодня активно разрабатываются новые стандарты тестирования бессвинцовых электронных изделий.

Надежность в автомобильной промышленности

Переход на бессвинцовые технологии требует значительных инвестиций от поставщиков электронных модулей, чтобы соответствовать уровню надежности, который во многих случаях превосходит стандарты IPC и MIL. Многие факторы говорят о том, что именно это окажет решающее влияние на внедрение новых технологий. К настоящему моменту на рынке появилось множество новых материалов и финишных покрытий, и задача выбора между ними является одной из наиболее сложных. Исходить следует из специфических свойств каждого вида припоя, среди которых сегодня наиболее распространены оловянно-се-ребряно-медные сплавы с добавлением какого-либо элемента (см. табл. 1).

Таблица 1. Эффекты, возникающие при добавлении в сплав SAC дополнительных элементов (по данным Siemens)

Использование подобных добавок приводит к образованию различных интерметаллических соединений, надежность которых до сих пор точно не установлена. Существует множество различных методов тестирования для припоев, компонентов и плат, а также измерения степени устойчивости изделия к деформации, не говоря уже о проверке системы в целом на энергоэффективность, т.е. на снижение энергопотребления при большей скорости и времени функционирования.

Наконец, для обеспечения высокой надежности продукта, внедрение бессвинцовых технологий сегодня должно проходить с учетом использования ряда новых материалов, в том числе пластиков и корпусов, способных выдерживать высокие температуры. С другой стороны, при разработке техпроцесса следует избегать чрезмерного образования интерметаллических соединений, а при выборе компонентов необходимо учитывать влияние финишных покрытий выводов, что особенно важно в условиях постоянной миниатюризации изделий. Дальнейшее развитие технологии, конечно, гарантирует высокую надежность изделий при работе в неблагоприятных внешних условиях, равно как и разработка новых методов тестирования.

Сборонные линии

Запуск технологической линии по производству бессвинцовых модулей требует принятия важнейших решений. Это и выбор материалов и оборудования, и разработка самого техпроцесса в зависимости от конечных целей. Не существует единого рецепта при запуске линии, отвечающей за сборку бессвинцовых модулей для автомобильных приложений, — каждый отдельный проект нуждается в разработке и оптимизации надежного и, в то же время, удовлетворяющего требованиям ЯоНБ процесса производства.

Например, бессвинцовая технология сужает окно техпроцесса, что либо вынуждает снизить скорость конвейера, либо требует более длинной печи оплавления. Более того, такой процесс должен иметь более короткий отрезок времени для оплавления и быстрый период охлаждения. Используемый при этом флюс

должен вскрыть оксидную пленку, в то время как азотная атмосфера при повышенных температурах препятствует дополнительному окислению при максимальном нагреве. Все эти факторы усиливают образование интерметаллических образований в микроструктуре паяного соединения, снижая его прочность.

Вообще, на надежность конечного продукта влияет множество факторов. Так, при выборе паяльных материалов сегодня придется рассмотреть предложения почти 20 поставщиков, предлагающих бессвинцовые сплавы собственной разработки. То же самое относится к поставкам печатных плат, которые могут быть как одно- и двухсторонними, так и многослойными, твердыми или гибкими, на органической или керамической основе. Выбор компонентов — и активных, и пассивных — может насчитывать тысячи вариантов от целого ряда поставщиков. Техпроцесс для обеспечения требуемого уровня качества и надежности конечного продукта в каждом конкретном случае должен быть оптимизирован и надежен.

Также следует рассматривать и другие факторы, влияющие на техпроцесс. Отладка процесса производства в значительной степени зависит от характеристик платы. К примеру, паяемость в значительной степени зависит от финишного покрытия платы. Правда, оценить качество изделия зачастую удается уже после процесса пайки, когда внезапно могут появиться интерметаллические соединения, «усы», черные площадки либо пустоты в припое. Но явилось ли это следствием плохо отлаженного техпроцесса, ошибки оператора или качества материала?

На отладку техпроцесса также оказывает влияние однотипность компонентов. Свой вклад вносит и оборудование, режим работы которого должен обеспечивать смачиваемость, препятствовать образованию «усов» или пустот в припое. Наконец, состав припоя прямо влияет на появление таких дефектов пайки, как «надгробный камень» и многие другие. Поэтому каждая технологическая линейка должна иметь целый набор техмарш-рутов, соответствующих спецификации конкретного изделия и применяемым материалам.

Готовых рецептов нет

Хотя директива RoHS в настоящее время и предполагает исключения в тех изделиях автомобильной электроники, где не допускается снижение надежности, многим компаниям все же предстоит найти замену для используемого пока стандартного свинцового припоя. Он все еще применяется в изделиях, которые подвергаются избыточным внешним нагрузкам, вибрациям, высоким температурам, поскольку обладает нужной гибкостью, или применяется там, где пайка производится при низких температурах. Однако, поскольку вновь появляющиеся компоненты и прочие комплектующие сегодня доступны только в бессвинцовом варианте, приходится либо отлаживать процессы с применением смешанных материалов (что не очень надежно), либо использовать только новые материалы. В настоящее время многие компании применяют припои SnAgCu (SAC), в том числе с различными примесями, позволяющими снизить температуру плавления или повысить эластичность (см. табл. 1).

Однако для применения подобного подхода требуется особый подбор техпроцесса, когда принимаются в расчет все бессвинцовые компоненты и покрытия выводов, которые тестируются каждый по отдельности для обеспечения должной оптимизации. Большинство ИС и выводов иных компонентов покрываются «чисто оловянными» покрытиями, в то время как другие компоненты могут иметь финишное покрытие из SnBi, NiPbAu, Ag, SAC или Au. Большинству компонентов необходимо пройти процесс идентификации материала выводов, в том числе рентген-анализ, анализ финишных покрытий, тест на смачиваемость и окончательную корреляцию данных тестов. Некоторые компоненты затем необходимо провести через дополнительные тесты надежности, такие как HAST, TCT, тесты на падение, вибрацию и удары, с тем чтобы обеспечить уровень надежности, достаточный для отбора и дальнейшего использования в агрессивной среде.

Предполагаемый рост потребности в бесвинцовых высоконадежных платах

Без сомнения, переход на бессвинцовые процессы принимает все более

широкий масштаб и существует уже много программ, рассматривающих эту проблему с точки зрения разработки материалов и процессов для будущего автомобильного оборудования, которое будет отвечать требованиям RoHS. Помимо того, что создаются новые составы SAC, которые обеспечивают более надежные межсоединения, в промышленности назревает переход на новые высокотемпературные и электропроводящие адгезивы и промежуточные материалы, а также разрабатываются новые виды тестирования в различных условиях, которые призваны обеспечить более высокую надежность. Идет работа по минимизации термомеханической усталости компонентов, плат и межсоединений. Также необходимо разработать процессы, которые предупреждали бы образование термических дефектов. В автомобильной промышленности в ряде случаев внутренние соединения уже заменяются на бессвинцовые штырьевые. Разрабатываются даже оптические шины для сокращения числа контактов, снижения веса и, конечно же, для соответствия требованиям RoHS.

Использование компонентов для нужд автомобильной промышленности, разумеется, налагает жесткие ограничения с точки зрения стоимости, воздействия на окружающую среду, надежности, которые могут быть компенсированы только при значи-

тельном объеме производства за достаточно долгий период. Несмотря на это, при переходе на бессвинцовую электронику возникают новые возможности с точки зрения повышения надежности и качества. Собрано уже достаточно много однозначных и проверенных данных, касающихся надежности достаточно большого количества материалов, упаковки, агрессивных воздействий. Стали более понятными причины неудач, что положительно сказывается на возможности проектирования более надежных изделий. Подход «Сертификация по технологии» доказывает свое право на существование и начинает определять базовые стандарты качества. Укрепление цепочек поставок автомобильной электроники за счет развития партнерских отношений с поставщиками помогает сокращать издержки.

Заключение

В будущем автомобильной электронике понадобятся компоненты и микросистемы, производимые с помощью новых, более надежных и экономически состоятельных технологий межсоединений. Европейской промышленности предстоит стать более экологичной, но бессвинцовые технологии, используемые в настоящий момент, все еще недостаточно интегрированы, им не хватает синергии, в частности, в том, что касает-

ся надежности паяных соединений. Недостаток данных и информации приводит к появлению областей неуверенности, что пагубно влияет как на безопасность, так и на экономическую жизнеспособность. Тем не менее, с помощью бессвинцовых технологий вполне можно добиться исключительной надежности, при условии, что особое внимание будет обращено на отбор компонентов и их упаковку с учетом стоящих задач. Концепция «Сертификации по технологии» уже доказала свою эффективность, но для будущего применения в бессвинцовом производстве еще большее значение будут иметь данные и информация о сертифицировании. Предприятия-контрактники должны будут использовать на практике процедуры Процесса одобрения комплектующих (РРАР) и вести учет изменений параметров новых процессов (максимальная температура, флюсы и т.д.). Поставщики компонентов также должны применять РРАР, используя информацию, необходимую для «Сертификации по технологии». В то же время, в будущем к продукции для автомобильной промышленности будут предъявляться еще более жесткие требования, поэтому уже сегодня необходимо приступать к исследованиям, которые позволят проводить количественный анализ жизненного цикла новых технологий.