Schadstoffarme Funktionswerkstoffe in der Elektronikmontage

Transkript

1 Bleifreies Löten in Mikrodimensionen Siemens AG CT MM6 J. Albrecht Siemensdamm Berlin Tel.: Fax:

2 Skalierung Bauform / Baugruppe Reichl, H.: Educ. Conf. Dresden, March 2002

3 Ereignisdetektion Sensoren p, T, a, RH.. Betriebs- Daten / Fehler Ereignismeldung Datenerfassung Bewertung? Abfrage Ereignis- Speicherung Intervall Besondere Internet / Hersteller Auslesung Feuchte Stoß/Schock Druck Temperatur Einwirkungen von außen Atmosphäre T-Gradient Korrosion Power on/off RH Chip 2,5 ppm/k Stress Temperatur Board (Underfiller+GlobTop weggelassen) 17 ppm/k Steckenborn, A.: Oct 2002 Wirkungen von innen Material, Verarbeitung

4 Adaption an biotechnologische Lösungen Selbstheilende Lote bei Defekten an Oberflächen / Volumen werden nanoskalierte Partikel frei, die die Defekte kompensieren Crack-Closer Vergleich biologischer und technischer Schadensanalyse-Systeme Mensch - Flugwesen

5 Adaption an biotechnologische Lösungen Lotwerkstoffe, die unter mechanischer Spannung diffusiv gegensteuern, Versetzungssteuerung? Friedrich, H.; Wolfsburg Beispiel Autolacke

6 Nanotechnologien / Aufbaukonzepte elektronischer Baugruppen Integrale Werkstoffsimulation für Mehrfunktionalität / Hochintegration Anforderungen Specification Design Nano- Bauteil Prozess Technologien Technologie- Umsetzung Gefüge & Mikrostruktur

7 Bleifreies Löten in Mikrodimensionen Adaptronik Kombiniert Sensorik, Aktorik zu einer gewünschten Funktionalität (Beispiel Memory Metalle) Sensorik plus Aktorik zusammengefasst in einem Werkstoffverbund

8 Bleifreies Löten in Mikrodimensionen Molekulare Elektronik Röhre Transistor Chip Molekül 0.05 m m m m Grundlagen für Bio-Computer und neue Anforderungen an AVT (molekulare AVT?) Mayor, M..; Karlsruhe

9 Bleifreies Löten in Mikrodimensionen Nanowerkstoffe, neue physikalische / chemische Eigenschaften SiO2, ZnO, Fe2O3, ZrO2, TiO2, In2O3/SnO2, CeO2 Cer-Oxid für wafer polishing Abkühlraten stoffschlüssiger Verbindungsprozesse: Variationen führen auch zur Nanoskalierung (z. B. -DT / Dt, Prozessführung Reflow) Nanomaterialien als Finishes BE / LP und Zusatzwerkstoffe zur Erhöhung der Interaktion bei der Verbindungsbildung bei miniaturisierten Bauteilen (z. B. Au T liquid als Nanopartikel) Lotuseffekte (superhydrophob) an Mold / Keramikmassen (C-R) zur Vermeidung von SIR-Erhöhung oder Brücken für skalierte Bauteile

10 Bleifreies Löten in Mikrodimensionen Nanowerkstoffe, neue physikalische / chemische Eigenschaften Paramagnetisieren: Fe2O3-Ausrichtung reversible Eigenschaft (Ni-in Bauteilen / LP zur Magnetisierung), für brückenfreie Lötmontage Pitch 0.4 / P0.3, Benetzungsunterstützung durch Orientierungszuwachs) C-Tubes als Lichtleiter

11 Stabilitätsmerkmale / Akzeptanzgrenzen Greil, P..; Erlangen Voids in Lötverbindungen immer negativ? Zellularer Aufbau biomorpher Keramiken mit gerichteten Porenkanälen zur Festigkeitssteigerung

12 Bleifreies Löten in Mikrodimensionen Wissenschaft wird zu neuen Technologien und Produkten Interdisziplinarität: Wie gelebt??, siehe Nano, siehe Biokompatibilität

13 Bleifreies Löten in Mikrodimensionen Bioelektronik Biologische Organisationsprinzipien (Adaptivität in Abhängigkeit Ambient / Operating) Körper Lötverbindung Adhäsionsproteine =? (Lötverb., bei Belastung) an GFn (Knochen, Knochengewebe, Bindegewebe) Bindegewebe = IMV (Belastbarkeit, Haltbark.) Bindegewebszelle, Verb. d. Zelladhäsion Ca-Phosphat-Charakterisierung = Lötverb.?, SEAL als Adhäsionspromoter

14 Bleifreies Löten in Mikrodimensionen Bioelektronik Biologische Organisationsprinzipien (Adaptivität in Abhängigkeit Ambient / Operating) Hierarchische Zellularstruktur = LV-Struktur (Gefüge, GFn?) (höchste Ordnung) Bindegewebszellen orientierte, lamellare Zellen, die untereinander vernetzt sind, Haftfestigkeit steigt, = Dendriten ähnliche Wirkung?? Ordnungsstruktur Lote, GFn Drop-Performance hoch = DP?

15 Die Natur benutzt Komposite Claes, L: Ulm Interkonnektierende Porosität = Topologie BE / LP?

16 Bleifreies Löten in Mikrodimensionen Biologische Organisationsprinzipien übertragen auf synthetisch erzeugte Materialien Mechan. Belastung im Körper führt dazu, dass die Zellentstehung angeregt wird, mehr Stabilität Wie in stoffschlüssigen Verbindungen umsetzbar??

17 Bleifreies Löten in Mikrodimensionen Nanobiotechnologie und Biokompatibilität (ISO 10993) Biokompatibilität ist nur über Nanotechnologie zu erreichen Herzschrittmacher Retina-Implantat: Sehhilfe für Blinde (Seheindruck über Miniaturkamera im Nervenzentrum); BG 25% der sichtbaren Augenfläche (Kamera plus Auswerteelektronik) Biocomputerzelle (d. h. alle Umgebungseinflüsse werden erfasst, verglichen und berechnet), jede Zelle (T, P, Licht,...); Elektronik: wir hätten gerne Systeme, die ihre Beanspruchung erfassen und Eigenschaften anpassen Selbstorganisierende Lösungen (Anwendungs-Orientiertheit) Mensch; Zahn, Fingernägel; Insekt: Chitinpanzer Das Harte weicht dem Weichen, IMV in LV???

18 Guidelines Lead free Implementation C O R P O R A T E T E C H N O L O G Y 2002/96/EG und 2002/95/EG EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of/on waste electrical and electronic equipment (WEEE); Brüssel 27. Januar 2003 Article 4 Prevention 1. Member States shall ensure that, from 1 July 2006, new electrical and electronic equipment put on the market does not contain lead, mercury, cadmium, hexavalent chromium, polybrominated biphenyls (PBB) or polybrominated diphenyl ethers (PBDE). National measures restricting or prohibiting the use of these substances in electrical and electronic equipment which were adopted in line with Community legislation before the adoption of this Directive may be maintained until 1 July 2006.

19 Lead-free Solders Used for Tests C O R P O R A T E T E C H N O L O G Y SnPb reference SnPbAg reference SnCu eutectic SnAg eutectic SnAg( )Cu( ) SnAg( )Cu( )XYZ Paste Qualification / Reflow Testing Static / Dynamic Qualification Reproducibility of Printed Volume Process Capability and Other Metrics (LFBGA, CSP, FC) Evaluation of Solder Paste Wetting, Spreading, and Slump Evaluation of Interconnection Yield Evaluation of Interconnect Voiding

20 Components vs Finishes for the Test Component Finish C-R 0402 Sn C-R 0603 Sn C-R 1206 AgPd C-R 1206 Sn C-C 1206 AgPd MiniMelf 0402 / 0201 Sn SO 14 / 20 SnPb / Ni-Pd / Ni-Pd-Au SSOP 56 Ni-Pd TSOP SnCu / SnX, X - Bi QFP SnPb / Ni-Pd CSP 144 SnAgCu CSP 64 SnAgCu CSP 48 SnAgCu CSP 208 SnAgCu PBGAxxx SnAgCu

21 Lead free Finishes on PCB Ni-Au Immersion Sn Immersion Ag Cu OSP HAL SnCuNi Cu-Au SEAL

22 Temperatur [ C] Temperatur [ C] Proposal for Paste Qualification Profiles / Product Related Temperaturprofile Round Robin: Profile im Bereich des Profils CT_Bln_P1 CT_Bln_P1 A&D_Khe_P1 EWW_Vie_P1 A&D_Erl_P1 ICM_Bch_low ICM_Bch_high Temperaturprofile Zeit Round [s] Robin: Profile im Bereich des Profils CT_Bln_P5 CT_Bln_P5 A&D_Khe_P5 A&D_Erl_P5 Temperatur [ C] Temperaturprofile Round Robin: Profile im Bereich des Profils CT_Bln_P Zeit [s] CT_Bln_P3 A&D_Khe_P3 A&D_Erl_P3 Med_Erl_low EWW_Vie_P2 ICN_Bsl_low A&D_Amb_low ICN_Bsl_high A&D_Amb_high Med_Erl_high Zeit [s] CT_Bln_P1 CT_Bln_P3 CT_Bln_P5 Peak 232, ,5 Rank T>217 C [s] Rank Zeit [s] Rank Zeit [s] ,5 Rank Zeit 170-Peak 76,5 133,5 229,5 Rank

23 Process Window C O R P O R A T E T E C H N O L O G Y RASH RASH Knowledge Inhouse No Qualified Paste Available APEX 2002 Comparison of Process Windows Oven-temperature vs Time above Liquidus for Conventional (SnPb) and Pb-free (SAC) Solders

24 - CuSnNiX Ternary or Qua-ternary IMC on Lead-side (brittle properties) - Composition At%: Cu=42, Sn=44, Ni=14 Knowledge about more-element phase diagrams???

25 Solutions Preferred Solders: SnAg3.9Cu0,6 SnAg3.5Cu0.75 SnAg3.0Cu0.5 SnAg( )Cu( ) NEMI JEITA-Project JEITA-Roadmap ITRI SnAg( )Cu( ) National under Evaluation

26 Lead-free Soldering Timeline and Standards Roadmaps by Lead-free Soldering Roadmap Task Force formed under IEC President's Advisory Committee on Future Technology (PACT), Nov. 2002; Draft from July 2003

27 Actual Results Consumer Products Industrial Solutions Networks / Automotive ( ) (?) ((?)) Components Lead free Profile requirements Backwards transformation Basic alloy SAC SAC Improved alloy SACXY SACXYZ SACXYZ IMC undereutectic eutectic overeutectic TCT-40/+125 BLR (packages except ceramic devices Damage mechanisms: interface / solder? Rework / repair?