Anforderungen an Design und Verarbeitung von Fine Pitch-Bauelementen (QFN, CSP, 01005)

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1 Anforderungen an Design und Verarbeitung von Fine Pitch-Bauelementen (QFN, CSP, 01005) Bauteile Design Leiterplattenfertigung Bestückung Lötung Prüfung Zukunftstendenzen 1

2 Bauteiltypen G0201 (G01005) (i) = 0.6 x 0.3 x 0.25mm Toleranz x/y 30µm (i) = 0.4 x 0.2 x 0.1mm Toleranz x/y 20µm CSP (Chip Size Packages) - in der Regel µbga - Raster/Pitch <= 500µm - Beispiel BGA49 4x4mm - Ball Ø 250µm, Pad Ø 250µm JEDEC Package Code MO mm BTC (Bottom Termination Components) - Raster/Pitch <= 650µm - nur Anschlußflächen - meistens Thermalpads zur Entwärmung 0.5mm 2

3 Grössenvergleich Widerstände THT - SMT mm Wellenlötung Reflowlötung Wellenlötung inch mm 3

4 Gewichtsvergleich von SMD-Widerständen Bauteilgewichte = 0,04mg!!! = 40µg 0201 = 0,15mg 0402 = 0.80mg 0603 = 2.00mg 0805 = 4.00mg 1206 = 10.00mg 1210 = 16.00mg 1812 = 27.00mg 2010 = 27.00mg 2512 = 45.00mg 4

5 Verbreitung von 0201 und Markteinführung 0201 in 2000 Ca. 175 Milliarden Keramikchipkondensatoren (MLCC) in 2010 Ca. 20% des Gesamtmarktes für MLCC 1) Einsatz vorwiegend in mobilen Geräten und minaturisierten Modulen - Mobiltelefone - mobile Verstärker - mobile Tuner - Hörgeräte Kleiner Teil des Marktes mit hohen Produktionsstückzahlen Nur 7% der Firmen, die 0201 einsetzen, verwenden gleichzeitig Bauformen 1) 1) Quelle: DfR Solutions White Paper 0201 and Adoption in Industry 5

6 Warum 0201 und Hochpolige FPGAs im BGA-Gehäuse erfordern immer kleinere Abblockkondensatoren und Terminierungswiderstände Immer kleinere mobile Endgeräte erzwingen immer kleinere Bauteile Immer höhere Datenverarbeitungsanforderungen (High Speed) erfordern Bauteile mit geringeren parasitären Effekten (Kapazitäten, Induktivitäten). Je kürzer die Verdrahtungsstrukturen innerhalb des Bauteils, um so kleiner die parasitären Effekte. Gleiches gilt beim Übergang vom Bauteil zur Leiterplatte. 1) Quelle: DfR Solutions White Paper 0201 and Adoption in Industry 6

7 Hindernisse für die Verwendung Einschränkung bei der Auswahl der Baugruppenproduzenten (EMS) Schwierigkeiten bei Test und Inbetriebnahme mit diesen Bauteilen Allgemeine Schwierigkeiten bei der Verarbeitung - Platzierungsgenauigkeit hinsichtlich Position (x,y), Absetzhöhe/Druck (z) - Feeder- und Maschinenkosten - Prüfung - Reparatur Höhere Anforderungen an den Pastendruck und das Pastendepot, insbesondere wenn diese Bauteile mit Bauteilen kombiniert sind, die ein größeres Lotvolumen für zuverlässige Lötstellen benötigen Höhere Verarbeitungskosten Zweifel an der Zuverlässigkeit Fehlende Daten bezüglich der Langzeitzuverlässigkeit 1) Quelle: DfR Solutions White Paper 0201 and Adoption in Industry 7

8 Hauptrisiko bei 2-pol. Bauteilen - Tombstoning Das Tombstoning oder der Grabsteineffekt entsteht durch ein Ungleichgewicht der Benetzungkräfte an den Bauteilanschlüssen beim Aufschmelzen der Reflowpaste. Das Risiko nimmt zu je kleiner und leichter die Bauteile sind und sind sehr anfällig für Tombstoning 8

9 Reflowlötfehler Tombstoning /1 Tombstoning oder Grabsteineffekt ist eines der häufigsten Fehlerbilder beim Reflowlöten, hervorgerufen durch ein fehlerhaftes Design von Anschlußflächen. Verhalten vom Lot beim Aufschmelzen (Reflow) Nach dem Bestücken liegt das Bauteil lose auf den Pastendepots 9

10 Reflowlötfehler Tombstoning /2 Beim Überschreiten des Schmelzpunktes benetzt das Lot die Bauteilanschlüsse. Aufgrund verschiedener Faktoren kann es sein, daß die Benetzungskräfte nicht gleichmäßig groß sind. Die Bauteilanschlüsse werden ins Zentrum des Lotdepots gezogen 10

11 Reflowlötfehler Tombstoning /3 Je weiter das Zentrum der Anschlußflächen auf der Leiterplatten und das Zentrum des Bauanschlusses auseinanderliegen, um so größer die Wahrscheinlichkeit, daß sich das Bauteil während des Lötprozesses verschiebt Die Bauteilanschlüsse werden ins Zentrum des Lotdepots gezogen 11

12 Reflowlötfehler Tombstoning /4 Wenn die Benetzungskräfte die an der Stirnfläche des Bauteils angreifen größer sind als die auf der Unterseite des Bauteilanschlusses entsteht ein Drehmoment, welches das Tombstoning verursacht. F 12

13 Anti Tombstoning - Design Tombstoning läßt sich sicher vermeiden, wenn das Zentrum des Bauteilanschlusses und das Zentrum der Anschlußfläche auf der Leiterplatte annähernd im gleichen Punkt liegen. In diesem Fall treten beim Benetzungsvorgang nur vertikale Kräfte auf und es kommt nicht zu Verschiebungen, Verdrehungen oder zu Tombstoning. Es wirken fast nur vertikale Kräfte 13

14 Entwicklungstendenzen bei mehrpoligen Bauteilen 3-polige SMD-Bauteile 14

15 Entwicklungstendenzen bei mehrpoligen Bauteilen 6-polige SMD-Bauteile 15

16 Entwicklungstendenzen bei mehrpoligen Bauteilen 8-14 polige SMD-Bauteile 16

17 Entwicklungstendenzen bei µ-bauteilen Es geht noch kleiner: Gehäuse 6TSSON 1x1mm 8 Anschlüsse Raster/Pitch 350µm Anschlussdichte: 8 Pins/mm

18 Weitere Typen Sehr viele unregelmäßige Varianten 18

19 BTC-Eigenschaften BTC sind die am schnellsten wachsende Bauteilfamilie Vorteile Sehr preisgünstig herstellbar Wenig anfällig bezüglich mechanischer Beschädigung Keine speziellen Handhabungsvorschriften erforderlich Leicht bis auf Chip-Size verkleinerbar Weniger anfällig für Popcorning aufgrund des kleinen Gehäuses Oft bessere MSL-Einstufung Bessere Wärmeableitung - Wärmewiderstand im Durchschnitt halb so groß wie bei Bauteilen mit geformten Anschlüssen Nachteile Geringe Lotspalthöhe heißere Bauteile - größere Temperaturwechselbelastungen der Lötstelle größerer TK-Mismatch 19

20 Struktur von BTC - Thermalpad Durch die Miniaturisierung wächst die Leistungsdicht und damit die Anforderungen hinsichtlich der Wärmeabfuhr. Daher haben BTC in der Regel neben den peripher angeordneten Signalanschlüssen ein sogenanntes Thermal- oder Exposed-Pad zur Wärmeabfuhr. Wenn das Thermalpad gelötet werden muß - abhängig von der Bauteilfunktion, und den Einsatzbzw. Umgebungsbedingungen der Baugruppe- muß auf der Leiterplatte eine entsprechende Anschlußfläche zur Entwärmung vorhanden sein. 22

21 Struktur von BTC - Thermalpad Durchkontaktierungen in dieser Anschlußfläche können erforderlich sein, um eine ausreichende Ableitung der Wärme aus dem Inneren der Bauteile in die Leiterplatte bzw. die Umgebung sicherzustellen. In den meisten Fällen ist dieses Thermalpad an GND angeschlossen. Bei offenen Durchkontaktierungen kann beim Löten das Lot durch diese Vias abfließen uns zu einer unzuverlässigen Lötverbindung führen. Selbst wenn das Thermalpad aus Gründen der thermischen Stabilität nicht gelötet werden muß, kann es die Zuverlässigkeit der Baugruppe verbessern, wenn es gelötet wird. Das Thermalplad muß deshalb in der Lötstoppmaske freigestellt werden. 23

22 BTC Typen BTC mit nicht benetzbaren Kanten Häufigste Variante Leadframe aus Kupfer Kanten gesägt oder gestanzt Keine Oberflächenmetallisierung nach dem Sägen oder Stanzen BTC mit benetzbaren Kanten Eher selten Teurer Zusätzlicher Metallisierungprozeß nach Trennung aus Lead-Frame erforderlich BTC (QFN)-Gehäuse sind wenig standardisiert, daher ist es ein großes Risiko Standard- Anschlussflächen zu verwenden 24

23 Bauteile und Bibliotheksarbeit Um eine hohes Maß an Reproduzierbarkeit in Design und in der Fertigung zu erreichen, müssen die Anschlußflächenmuster (Landpattern) der Bauteile in den Bibliotheken des CAD- Systems abgelegt werden. Grundlage dafür sind die Datenblätter der Bauteilhersteller. Alle CAD-Systeme werden mit einer Standardbibliothek geliefert. Standardbibliotheken entsprechen häufig nicht den Anforderungen der Fertigungsprozesse. 2x QFN32 mit unterschiedlich großem Thermalpad, Bestückung von Typ 1 auf Anschlussflächen von Typ 2 führt zu Kurzschlußrisiko 25

24 Beispiele: BTC Alle QFN32 Die Verwendung von Anschlussflächenmustern bei QFN aus ungeprüften CAD- Bibliotheken kann zu großen Fertigungs- und Zuverlässigkeitsproblemen führen Typ1 Typ1 Typ2 Typ2 Typ3 Typ3 26

25 Beispiel: Gleiches Standardlandpattern für alle Typen QFN32 Typ 2: Herstellerspezifisch QFN32 Typ Typ 1: 3: JEDEC 488-AM-01 MO

26 Beispiele: BTC Typ 1 QFN32 5x5mm 500µ Pitch QFN32 Typ 1: MO

27 Beispiele: BTC Typ 2 QFN32 5x5mm 500µ Pitch QFN32 Typ

28 Beispiele: BTC Typ 3 QFN32 5x5mm 500µ Pitch Optimierte Anschlußfläche n für Typ 3 QFN32 Typ 3: 488-AM

29 Beispiel Designregel für BTC 500µ-Pitch Beispiel: Bauteilanschluß: Anschlußflächen: Lötstoppfreihaltung: QFN32 5x5 mm 500µ Pitch Kanten nicht benetzbar Nominal 230µm (250µm) x 400µm innen verrundet umlaufend 25µm größer, aufgerundet auf 300x450µm innen verrundet umlaufend 50µm größer Lötstoppsteg: 100µm (minimale Stegbreite aktuell 75µm) Start-Leiterbahnbreite 100µm Abstand zu benachbarten Bauteilen: 2mm 31

30 Beispiel Designregel für BTC 500µ-Pitch Beispiel: Bauteilanschluß: Anschlußflächen: Lötstoppfreihaltung: QFN32 5x5 mm 500µ Pitch Kanten benetzbar Nominal 230µm (250µm) x 400µm innen verrundet umlaufend 25µm größer, aufgerundet auf 300x600µm innen verrundet umlaufend 50µm größer Lötstoppsteg: 100µm (minimale Stegbreite aktuell 75µm) Start-Leiterbahnbreite 100µm Abstand zu benachbarten Bauteilen: 2mm 32

31 Beispiel Gehäuse TSSON6 Raster 350µm 33

32 Beispiel Gehäuse TSSON6 Raster 350µm Nicht benetzbare Schnittkanten 34

33 Strukturen auf der Leiterplatten Die kleinste Anschlußflächenstruktur hat einen Sollwert von 150µm Der Istwert auf der Leiterplatte ist 130µm Schablonenöffnungen für Strukturen < 200µm können erst nach dem Vermessen der Leiterplatte festgelegt werden Lötstoppfreihaltung ca. 30µm 35

34 Differenzen zwischen CAD-Daten und Realität CAD-Systeme sehen Leiterplatten als 2- dimensionale geometrische Strukturen. In der Realität ist eine Leiterbahn aber 3- dimensional und trapezförmig Die Oberfläche der Leiterbahn ist schmaler als der Fuß Diese Breitenreduzierung beträgt bei semiadditiver Herstellung und 18µ- Basiskupfer ca µm. Bei Strukturbreiten unter 250µm wird dieser Wert kritisch und muß bei den folgenden Fertigungsprozessen berücksichtigt werden. Da die Breitenreduzierung von der Kupferschichtdicke abhängig ist, muß bei Strukturbreiten unter 250µm ggf. mit reduzierten Kupferschichtdicken gearbeitet werden. 36

35 Ermittlung der Schablonendicke Die Anforderungen an die Schablone ergibt sich aus dem kleinsten Strukturelement auf der Leiterplatte 130µm x 300µm = 39000µm 2 Aufgrund der geringen Strukturbreite von 130µm empfiehlt es sich auf eine Reduzierung der Pastenöffnung zu verzichten. Ohne Reduzierung der Öffnung Unterwanderung der Schablone durch Lotpaste bei geringstem Versatz der Schablone. Erhöhte Kosten - die Schablone muß nach jedem Druck gereinigt werden. 37

36 BTC-Pastendruck Coplanarität - d.h. gleiche Höhe der Pastendepots ist kritisch Pastendepot des Thermalpads sollte 50-60% Flächenbedeckung haben Lifteffekt durch zu viel Lot auf den Thermalpads Gleiches Volumen der Pastendepots aller peripheren Anschlüsse Aufrasterung der Thermalpad-Depots Hohe Reproduzierbarkeit des Pastendrucks erforderlich Strukturabhängige Lötstoppfreihaltung - keine globale Lötstoppfreihaltung möglich Eine zu große Lötstoppfreihaltung führt zum Abfließen des Lotes und kann zu sehr dünnen und unzuverlässigen Lötstellen führen Gleichmäßige Leiterbahnbreiten Gleiche Größe und Form bei allen Anschlußflächen Schwieriger Pastendruck bei µbga mit Raster 400 µm und Padgrösse 200µm bzw. 250µm Beim Aufschmelzen fließt ein Teil des Lotes auf den breiten Leiterbahnen in den Bereich der Lötstoppfreistellung ab. Dadurch können unzuverlässige Lötstellen entstehen 38

37 Pastendruck BTC - Thermalflächen Pastenvolumen ist kritisch bezüglich Lötstellenzuverlässigkeit geringerer Standoff reduziert die Zuverlässigkeit daher Pastenverluste reduzieren Ausgleich von Koplanaritätsdifferenzen BTC haben eine geringe Kompatibilität zu einigenfertigungsprozessen (AOI, Reinigung, Coating) Thermal-Pad Pastenvarianten 39

38 Pastendruck BTC - Thermalflächen Offene Bohrungen in Thermalpads sollten vermieden werden Beispiel: QFN mit Thermalpad Risiko von Lotabfluß durch die Vias Risiko von unzuverlässigen Lötstellen Risiko von unkontrollierbaren Voids Beispiel: Thermalpad zu groß Pastendruck so optimiert, daß die Punkte nur im Bereich der Anschlußfläche liegen 40

39 Ermittlung der Schablonendicke Die Schablonendicke ergibt sich also aus Minimale Strukturbreite/Pad Size 130µm = Apertureöffnung: 5.1 mil Maximale Schablonendicke 2.5 mil = 63.5µm (verfügbar 75µm) 41

40 Schablonendruck Beim Schablonendruck wird die Lotpaste mit einem Rakel durch die Öffnungen der Pastenschablone auf die Leiterplatte gedruckt. Für die Gestaltung der Schablone und das Verhältnis von Pastenkorngröße und Schablonenöffnung sind im Laufe der Jahre 3 Regeln entwickelt worden, die in der Regel einen zuverlässigen Pastendruck ermöglichen. Regel für die Pastenauswahl Die Lotpaste soll so ausgewählt werden, daß mindestens 5 Lotkugeln nebeneinander durch die kleinste Schablonenöffnung passen. Standard: J-STD 005 / Requirements for Solder Pastes 42

41 Lotpaste - Pastentypen Klassifizierung von Lotpasten gemäß IEC Symbol für Pulvergröße a Nicht größer als mm Weniger als 1% größer als mm Pulveranteil in Gewichtsprozenten Mindestens 80 % zwischen mm Mindestens 90 % zwischen mm Weniger als 10 % kleiner als mm Daraus folgt für die Pastenauswahl: 130µm : 5 = Pulvergröße 26 µm 130µm : 6 = Pulvergröße 22 µm Es müßte für den Pastendruck eine Lotpaste Typ 5 verwendet werden 43

42 Lotpaste - Verfügbarkeit Typ 5 Lotpaste ist schwer zu beschaffen Nur 1 Hersteller konnte die Paste kurzfristig liefern Druckversuche mit Typ 5 ergaben kein brauchbares Ergebnis Tackiness (Klebrigkeit) nimmt zu mit abnehmender Partikelgröße, daher schlechteres Auslöseverhalten. Daher Ausweichen auf Typ 4 Lotpaste Deutlich bessere Beschaffbarkeit Geringeres Oxidationsrisiko Aber bei Strukturen unter 150µm grenzwertig hinsichtlich der Partikelgröße Höheres Risiko hinsichtlich des Auslöseverhaltens im Pastendruck 44

43 Überprüfung der Öffnungsparameter Aspekt Ratio (AR) Verhältnis von Öffnungsbreite/ Schablonendicke soll größer sein als 1.5 AR = B/h > 1.5 B = 130µm AR > 130µm/h h < 130µm / 1.5 B h < 86µm verfügbare Schablonendicke = 75µm AR = 130µm/75µm = 1.73 h L 45

44 Überprüfung der Öffnungsparameter Area Ratio (Flächenverhältnis) Das Verhältnis der Grundfläche zur Summe der Seitenflächen soll größer sein als 0.66 Die Grundfläche ist 130µm x 300µm = 39000µm 2 Die Summe der Seitenflächen ist t x 2x(L + W) = h x 2x(L + B) 80µm x 2x(130µm + 300µm) = 68800µm 2 75µm x 2x(130µm + 300µm) = 64500µm 2 Das Flächenverhältnis/Area Ratio Soll: > 0.66 Bei 80µm Schablonendicke Area Ratio 80µm = Grundfläche = 39000µm 2 = 0.56 Seitenflächen 68800µm 2 Area Ratio 75µm = 39000µm 2 = µm

45 JET-Dispensen? Viele Vorteile Schablonenloser Pastendruck Flexible Dosierung des Pastenvolumens Minimale Umrüstzeiten Keine Lagerkosten für Schablonen Minimaler Reinigungsaufwand Geringerer Pastenverbrauch Aber Begrenzte Pastenauswahl Minimale Punktgröße ist 330µm JET-Printing ist zur Zeit nicht einsetzbar bei Strukturbreiten < 300µm Langsamer als Schablonendruck Paste Typ 5, daher höheres Oxidationsrisiko 47

46 Padgrößen für 0201 auf der Leiterplatte Einbettung von Anschlußflächen in Kupferflächen ohne Wärmefallen führen zu erheblichen Flächendifferenzen. X1 = 320µm x 410µm = µm 2 X2 = 260µm x 310µm = 80600µm 2 X1 ist ca. 63% großer als X2 X1 X2 = µm µm 2 = 50600µm 2 (vereinfachte Rechnung, normalerweise wäre das Pastendepot 25µm umlaufend reduziert) Daraus folgt bei 38µm Lotspalt bei Schablonendicke 75µm ein Lotvolumen für X1 = µm 2 x 38µm = µm 3 X2 = 80600µm 2 x 38µm = µm 3 Oder die Lothöhe auf X1 bei gleichem Lotvolumen wie bei X2 beträgt nur 23.3µm 48

47 Strukturen auf der Leiterplatte X1 = 320µm x 410µm = µm 2 X2 = 260µm x 310µm = 80600µm

48 Strukturen auf der Leiterplatte X1 = 320µm x 410µm = µm 2 X2 = 260µm x 310µm = 80600µm 2 Lothöhe auf X1 bei gleichem Lotvolumen wie bei X2 beträgt nur 23.3µm 50

49 Anforderungen an die Lötstoppmaske Bei Bauteilen mit Rastern <= 500µm steigen die Anforderungen an die Positionsgenauigkeit der Lötstoppmaske drastisch an. Gleichzeitig sollte die Lötstoppfreihaltung umlaufend nicht größer sein als etwa 10% des Bauteilrasters. Viele Leiterplattenhersteller haben Schwierigkeiten diese Anforderungen zu erfüllen. Daher wird oft die Lötstoppfreihaltung durch den Leiterplattenhersteller vergrößert. Dadurch können Probleme bei der Zuverlässigkeit der Lötstellen entstehen. Um Probleme in der Fertigung zu vermeiden, muß eine sorgfältige Kontrolle der Lötstoppmaske bei der Wareneingangskontrolle erfolgen. 51

50 Bestückung - Positionstoleranz & Aufsetzdruck Erhöhte Anforderungen an die Positionstoleranz des Bestückungsautomaten Bei der Automatenbestückung muß die Bauteilhöhe genau eingegeben werden, damit durch einen zu hohen Aufsetzdruck keine Brücken der Lotpaste hervorgerufen werden. Daher muß die Maschine bezüglich der Leiterplattendicke genau eingerichtet werden. Bauteildickentoleranzen müssen genau berücksichtigt werden. Folge von zu hohem Anpressdruck: 1. Lotperlen 2. Kurzschlüsse 52

51 Bestückung - Bauteilmix Große Bauteile oder Strukturen mit großer Wärmekapazität in der Nähe von sehr kleinen Bauteilen können zu Lötproblemen führen. (Thermische Abschattung) Lösungsansätze für unterschiedlichen Pastenbedarf kombinierte Druckverfahren Step 1: Schablonendruck für die kleinen Bauteile Step 2: Jet-Printing für Bauteile mit höherem Pastenvolumen Stufenschablonen nur einsetzbar, wenn das beim Design berücksichtigt wurde Pastendruck für Standardbauteile und Flux-Dipping für CSPs 53

52 Bestückung - Handhabung - MSL Kunststoffe nehmen Feuchtigkeit aus der Umgebung auf, die während des Lötens verdampft. Durch den dabei entstehenden Dampfdruck können Schäden innerhalb der Bauteilgehäuse auftreten (Delamination) oder die Gehäuse können zerplatzen (Popcorning). Daher werden die Bauteile von den Herstellern mit einer MSL-Einstufung versehen, die etwas darüber aussagt, wielange das Bauteil ungeschützt der Umgebung ausgesetzt werden darf. Diese Klassifizierung erfolgt nach J-STD-020 und führt zu Handhabungs- und Trocknungsvorschriften, die in J-STD-033 festgelegt sind. Dabei wird die MSL-Einstufung sowohl für bleihaltige wie für bleifreie Lötprozesse vorgenommen. Die in J-STD-020 festgelegt maximale Temperatur wird auf der Gehäuseoberseite gemessen, es ist nicht die Temperatur an der Lötstelle. Da kleine Bauteile beim Konvektionsreflowlöten heißer werden, sind diese in der Regel für 260 C qualifiziert, mittlere Bauteile für 250 und große Bauteile wie z.b. BGA s in der Regel für 245 C. MSL = Moisture Sensitivity Level = Feuchtigkeits Empfindlichkeits Einstufung 54

53 Lötung - Lötstellen- Zuverlässigkeit in Zuverlässigkeitsberechnung ist die Lotspalthöhe ein wichtiger Parameter bei Chip-Bauteilen und BTC oft ein extrem geringer Standoff/Lotspalthöhe bei Chipkondensatoren und Chipwiderständen ist ein Standoff über 50µm sehr selten, im Durchschnitt liegt er zwischen 25 und 40µm. ca. 5% haben einen Standoff von weniger als 1µm bei diesen ist oft die Anschlußfläche entlang der Kontour des Bauteilanschlusses verformt diese Anschlüsse sind sehr anfällig für Rissbildung, besonders bei Coating und Verguß 55

54 Lötung - Voids Voids - Hohlräume - Lunker sind insbesondere in den Lötstellen der Thermalpads unvermeidlich Ursache: die Lotspalthöhe ist so gering, daß die Gase aus dem Flußmittel nicht vollständig entweichen können Extrem ungünstiges Volumen - Oberflächenverhältnis Die Auswirkungen von Voids auf die Zuverlässigkeit sind umstritten Folge von Voids können sein: geringere mechanische Festigkeit der Lötstelle eingeschränkte Zuverlässigkeit lokale Überhitzung Beeinträchtigung von - Festigkeit - Duktilität - Kriechfestigkeit - Ermüdungsfestigkeit 56

55 Lötung - Graping Kleinere Lotpastendepots mit Pastentyp 4 und 5 erhöhen das Oxidationsrisiko und führen verstärkt zu Graping (traubenförmiger Lotoberfläche) Als Graping wird die partielle Koaleszenz der Lotkugeln an der Oberfläche der Lötstelle bezeichnet. Ursache: das Flußmittel verdampft in der Vorheizung die Lotkugeln an der Oberfläche des Pastendepots oxidieren das Lotkugeln schmelzen an der Oberfläche nicht mehr vollständig zusammen Das Lötprofil muß sorgfältig auf die verwendete Lotpaste abgestimmt werden 57

56 Lötung - Beeinflussung des Voidings Einflußfaktoren Lotspalthöhe = Entgasungsfläche Temperaturprofil Vermeiden von Vias in Thermalpads Platzierung von Vias in Randbereichen Plugging von Vias Aufteilung des Thermalpads, dadurch kontrolliertere Ausgasung Alles was die Ausgasung verbessert reduziert das Voiding mehrfaches Reflowlöten vergrößert das Voiding Quelle dazu: Herron, Lui, Lee Voiding Control for QFN Assembly, 2011 Indium Corp. 58

57 Lötung - Voiding - Einfluß des Lötprofils Voiding ist so komplex daß es keinen eindeutigen Kontrollfaktor dafür gibt Voiding ist um so geringer, je besser die Möglichkeiten für das Entweichen der gasförmigen Bestandteile der Lotpaste sind. Vias in Thermalpads sollten gefüllt werden um Voiding zu reduzieren. Wenn offene Vias erforderlich sind, sollten diese am Rand liegen oder das Thermalpad sollte aufgeteilt werden. Quelle dazu: Herron, Lui, Lee Voiding Control for QFN Assembly, 2011 Indium Corp. 59

58 Zuverlässigkeit - Risiken Kleinerer Ausdehnungsausgleich zwischen Siliziumchip und Gehäuse - das Gehäuse ist nur unwesentlich größer als der Chip. Je mehr Anschlüsse pro Bauteilfläche, um so geringer die Zuverlässigkeit. Risiken hinsichtlich eingeschlossener Flüssigkeiten (Dendritenwachstum) Coating kann die Zuverlässigkeit reduzieren, wenn das Coatingmaterial unter den Körper eindringt und bei Temperaturwechseln Stress in die Lötstellen einträgt Wölbung/Verwindung der Leiterplatte ist kritisch bezüglich der Lötstellenzuverlässigkeit. Risiko bei ICT und Nutzentrennung aufgrund mechanischer Belastung Wenig Testdaten bezüglich der Zuverlässigkeit in Bezug auf Vibration und Schockbelastungen Cycles to Failure -40 C bis +125 C Quelle: Hillman/Tulkoff, Manufacturing and Reliability Challenges w ith QFN,

59 Handhabung Immer kleinere Anschlussflächen reduzieren dramatisch die Haftung auf der Leiterplatte. Daher großes Risiko von Beschädigungen aufgrund unachtsamer Handhabung. Rißbildung und Padabhebung durch seitlichen Druck beim Einspannen der Baugruppe aufgrund eines zu schmalen Transportrandes Kondensator 0201 abgerissen Effekt wird noch verstärkt durch das ungünstige Grundflächen/Höhenverhältnis speziell bei Keramikkondensatoren 61

60 Inspektion µbtc 500µ Pitch zweireihig mit Lötfehlern Lötfehler an BTC sind nur noch mit Röntgentechnik zu erkennen. 62

61 Inspektion µbga 500µ Pitch Inspektion per Röntgen Lotabfluß durch übermäßig breite Leiterbahnen 63

62 Inspektion - Wettable Flank Option bei QFN Visuelle Inspektionsmöglichkeit bei QFN mit benetzbarer Flanke US Patent No. 6,608,366 Amkor speziell für Automotive Benetzbare Hohlkehle im Bauteilanschluß zur Verbesserung der visuellen Inspektion 64

63 Inspektion - Wettable Flank Option bei QFN Dieses Gehäuse wird erst seit sehr kurzer Zeit von verschiedenen Hersteller bei BTCs angeboten Benetzbare Hohlkehle im Bauteilanschluß zur Veresserung der visuellen Inspektion 65

64 Rework Höhere Löttemperaturen mit bleifreien Loten führen zu einer Tendenz zu gefüllten Basismaterialien, um die Z-Achsen Ausdehnung CTEz zu reduzieren. Diese Materialien haben aber in der Regel eine schlechtere Kupferhaftung (peel strength). Das ist eine zusätzliche Herausforderung für das Rework von sehr kleinen Baueilen. Für die meisten Bauteile ist eine dreimalige Erhitzung auf Löttemperatur gemäß J-STD-033 zulässig. 66

65 Zukünftige Entwicklung von Leiterplattenstrukturen 67

66 Weitere Miniaturisierung - Embedded Components 68

67 Zusammenfassung Voraussetzungen für die zuverlässige Verarbeitung von µcomponents (<500µ-Pitch): 1. Präzise Anschlußflächendimensionierung Leiterplattenanschlußfläche = Bauteilanschluß + 25µm umlaufend 2. Präzise Dimensionierung der Lötstoppmaske Lötstoppfreihaltung = Leiterplattenanschlußfläche + 50µm umlaufend 3. Präzise Dimensionierung des Pastendepots Pastendepot = Leiterplattenanschlußfläche - 25µm umlaufend Gleichzeitig gelten die 4 Regeln für Schablonendicke, Kugeldurchmesser/Pastentyp, Aspekt Ratio und Flächenratio 4. Um Lotabfluß zu vermeiden, muß die wegführende Leiterbahn deutlich schmaler sein als die Anschlußfläche 5. Alle ableitenden Kupferstrukturen müssen von der Anschlußfläche durch Lötstopplack im Abstand von 50µm bedeckt sein. 6. Keine ungefüllten Vias in Anschlußflächen oder Thermalpads 69

68 Nachtrag µ-components lassen sich nicht mehr sehr gut mit einer Pinzette bestücken kleinste Pinzette 0201 daher brauchen wir für die automatische Bestückung an bzw. auf der Leiterplatte Transportränder bzw. einen Transportrahmen Kameramarken 70

69 Kameramarken Kameramarken sollen dem SMEMA-Standard Rev. 3.1 entsprechen Mindestdurchmesser = 1 mm Lötstoppfreihaltung 0.5 mm umlaufend Abstand zum Leiterplattenrand >= 4.75 mm max. Metallisierungsdicke mm Planarität <= mm für Bauteile mit sehr hohen Platzierungsanforderungen sollten zusätzlich lokale Kameramarken eingebracht werden 71

70 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Gibt es Fragen? 72