See also our information sheet about quality assurance issues according to converting electronic products to a lead free process.

To contact us concerning issues of lead free production and quality assurance, send a mail to leadfree@kitron.com

 

Below follows the article in plain text

Övergång till blyfri produktion – utmaningar och lösningar

Övergången till blyfria produkter från och med 2006-07-01 enligt RoHS-direktivet kommer starkt att påverka såväl produktionsprocessen som konstruktionen. Förutom användning av blyfritt lödtenn och blyfri lodpasta måste även att mönsterkort och komponenter vara blyfria. Var och en av dessa delar får innehålla maximalt 0,1% bly enligt RoHS-direktivet. Blyfria mönsterkort har diskuterats i tidigare nummer av Elektronik i Norden. Artikeln fokuserar därför på de förändringar som behövs i konstruktion, process, material och kvalitetssäkring.

Som bekant innebär övergången till blyfria lod att processtemperaturen ökar med ca 15°C till 20°C samtidigt som processfönstret minskar, se figur 1. Detta innebär att alla komponenter och även mönsterkort ingående i processen måste klara av den förhöjda temperaturen.

Processförändringar

De lod som dominerar idag är tenn/silver/koppar-blandningar med en smältpunkt på ca 217°C, men även tenn/koppar med nickeldopning med en smältpunkt på ca 227°C förekommer. En effekt av nickeldopningen är att det ger en slät, ljus och välformad fog, som gör inspektionen enkel. Som en konsekvens av de nya loden kommer maxtemperaturen i omsmältningsugnen öka med ca 20°C till ca 245°C och i lodvågen med ca 15°C till ca 260°C. En del tillverkare har till och med rapporterat temperaturer på uppåt 270°C i lodvågen. Ett problem som kvartstår är dock flussmedlen och hur det skall lösas med den högre processtemperaturen. När lodtillverkarna tillfrågas ger dessa olika svar på frågan när flussmedel för blyfri process finns tillgängliga. En del svarar att det redan finns idag, medan andra erkänner att utvecklingen av flussmedel inte varit prioriterad och att det fortfarande återstår några år innan flussmedel finns optimerade. Det kommer därför att dröja några år tills en fullständigt optimerad temperaturprofil finns införd. Under tiden fram till dess gäller det alltså för kontraktstillverkaren att välja rätt leverantör av lod och vara noggrann vid processverifiering. Valet av flussmedel i kombination med process påverkar som alltid ett eventuellt behov av tvätt. Kitron är troligen den av de skandinaviska kontraktstillverkarna som arbetat längst med övergången. Sedan år 2000 har prototypserier körts i våra fabriker i Nordiska projekt, se http://www.ittf.no/prosjekter/none/site/.

Processförståelse

Beträffande maskinparken är handlödningsstationen den plats som påverkas minst. Här handlar det mest om att operatörerna skall lära sig nya kvalitetskrav beträffande utseende på lödfogar och att andra lödspetsar skall användas. Omsmältningslödningen kräver inte heller större förändringar under förutsättning att ugnen har tillräckligt många temperaturzoner för att klara av den nya profilen. De största frågorna vid omsmältningslödningen är huruvida lödningen skall ske i kvävgasmiljö eller inte, och om personalen har tillräcklig förståelse för processen. Det vill säga innebörden av den högre processtemperaturen och det minskade processfönstret vid lödning av kort med varierande termisk massa.

Den största utmaningen på maskinparksidan ligger således i våglödningen. Där påverkar det högre tenninnehållet grytorna och kanalsystemen såtillvida att de måste bytas ut. Vidare är även här frågan om kvävgasmiljö eller inte högintressant. Övergången till blyfritt betyder även här förändrade flussmedel och ny temperatur för förvärmningen. Ökad processförståelse och nya processparametrar är nyckelord. Parallellt med den "nya blyfria" processen kommer tillverkarna att tvingas ha kvar en blyad process för tillverkning åt de kunder som idag inte omfattas av RoHS-direktivet.

Utmaningar

Processförändringarna är relativt enkla och många skandinaviska tillverkare har sedan länge kört försök och några har verifierade processer. I samband med de förändrade processerna, väcks även frågor om materialen ingående i komponenterna kommer klara en temperaturökning på 10°C-20°C? Det handlar alltså inte bara om att komponenterna skall vara blyfria, de skall dessutom vara kvalificerade för den högre temperaturen, med andra ord RoHS-kompatibla. Beträffande tillgången och kvaliteten på komponenter anpassade för blyfria processer så varierar detta stort. Vissa komponenttillverkare kan idag leverera komponenter specificerade för blyfriprocess. Andra kan inte tala om när deras komponenter kommer vara fullt RoHS-kompatibla

På grund av att komponentmärkning och information är knapphändiga, har redan idag många kontraktstillverkare blyfria komponenter i sina lager (blandat med blyade).

Hur märkningen förändras på blyfria komponenter varierar också beroende på leverantör. Vissa märkningar kommer inte att ändras, en del får tilläggsbokstäver och på andra ändras numren helt och hållet.

För konstruktörer och komponentingenjörer gäller det redan nu att börja tänka på vilka komponenter som används i nya och befintliga konstruktioner som omfattas av RoHS direktivet. Variationen av märkning och tillgänglighet av blyfria komponenter kommer definitivt att få inverkan på produktägarna. Det gäller för konstruktören att ha ett väl utvecklat samarbete med sin tillverkare och att de besitter samma information om komponenternas status. Som exempel kan nämnas att Kitron har uppdaterat sitt komponentinformationssystem (CIS) så att man enkelt kan se vilka komponenttillverkare för en specifik typ som erbjuder komponenten RoHS-kompatibel. Systemet ger också stöd för enkel Bill of Material (BOM) analys för befintliga konstruktioner.

Att jämföra BOM är det första som görs för att kontrollera en produkts kompabilitet med blyfri process. Om vissa av komponenterna inte finns tillgängliga eller utgår när produkten konverteras behöver konstruktören och tillverkaren hjälpas åt för att finna en lämplig ersättare. I vissa fall kan det kanske till och med bli nödvändigt med en omkonstruktion för att klara av den blyfria processen. Ett problem som uppstår med äldre konstruktioner är att vissa äldre komponenttyper inte kommer att produceras blyfria.

Hanteringen av blyfria komponenter i produktionen kan sedan delas i två delområden:

1 Hur hanteras de i MPS systemen

2 Hur löses det lagringsmässigt (förrådshantering)

Inga komponenter får fysiskt kunna förväxlas och vi kommer från och med nu och några år framöver att få leva med två lagerplatser som kanske rent av har samma komponentnummer.

Beträffande produkter som levererats före den 1:a juli 2006 och som innehåller bly är det tillåtet att reparera dessa med motsvarande process även efter införandet av RoHS-direktivet. Även detta leder till dubbla lager, då komponenter, material och lödspetsar måste finnas tillgängliga för senare bruk. Som en konsekvens av en successiv övergång krävs att samtliga produkter, troligen på kretskortsnivå, märks med information om att de är blyfria. Det finns idag accepterade standarder från bland annat JEDEC och IPC, men än så länge finns det inte någon standardiserad märklapp, vilket gör det svårt att börja märka produkter.

Beträffande ändringar i process och komponentval kan det i dagsläget krävas någon form av omverifiering av produkten. Vissa applikationer kan kräva att nya systemprov utförs om en process eller ett komponentnummer ändras vid reparation, service eller nyproduktion av reservdelar.

Jämförande provning

Generellt finns det gott om forskning på blyfria lod, och sedan ett antal år tillbaka finns det ett antal blyfria produkter på marknaden. Men, oavsett detta är det att rekommendera att någon form av verifiering av den nya lödprocessen eller omkonstruktionen görs innan produkter släpps ut på marknaden. Till exempel kan problem uppstå med delaminerade komponenter, dålig vätning etc. Därför bör någon form av jämförande provning ske mellan den idag existerande processen och den nya blyfria processen. Även om tillverkarna har optimerat sina processer och genomfört utvärderingar är det viktigt att produktägarna tar sitt ansvar och genomför minst en enkel analys. Än så länge är effekten av olika miljöer och deras inverkan på olika kombinationer av ytbehandling på komponentben och mönsterkort relativt okänt.

Ett förslag är att initialt verifiera kvaliteten och skillnader mot en blyad process på lödfogar och kretskort med röntgen och snittning. Misstänker man delamineringar kan ultraljudsmikroskop vara ett komplement till snittningen. Vid snittningen kan även svepelektronmikroskop användas för att säkerställa att inga olämpliga materialkombinationer används i komponenterna, vilket tyvärr är allt för vanligt idag.

Efter den initiala granskningen görs en normal produktverifiering med hjälp av accelererad miljöprovning varefter eventuella skillnader i förändringar hos lödfogar görs. Slutligen kan, om applikationsmiljön så kräver, även en vibrationstest genomföras. Detta då hårdheten hos blyfria lod skiljer från blyade.

Mats Lindgren, Kitron Development, mats.lindgren@kitron.com