WGIDT 2015 Löten von Leistungselektronik und aktuelle AVT-Themen

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1 WGIDT 2015 Löten von Leistungselektronik und aktuelle AVT-Themen Das Seminar Wir-Gehen-In-Die-Tiefe (WGIDT) 2015 bot nicht nur einen Überblick über aktuelle Trends in der Aufbau- und Verbindungstechnologie der Elektronik, sondern auch tiefer gehende Informationen sowie nützliche Informationen für die tägliche Praxis. Das Spektrum der Themen reichte von der Löttechnik für Leistungselektronik und andere Anwendungen über die Inspektion bis hin zur Zuverlässigkeit. Die begleitende Ausstellung bot ergänzende Informationen. Nach der Begrüßung durch den Moderator Prof. Dr. Mathias Nowottnick, IEF/IGS der Universität Rostock, Rostock, und den Organisator Thorsten Schmidthausen, 4-tec Marketing, Ottobrunn-Riemerling, wurden das Vortragsprogramm gleich mit einem Doppelvortrag zum BMBF Verbundprojekt HotPow- Con gestartet. Isothermes Erstarren bei niedrigen Löttemperaturen Neue Lösung für Leistungselektronik Dr. Andreas Fix, Robert Bosch GmbH, Renningen, zählte zuerst die Gründe für dieses Projekt auf, in dem eine neue Reflow- Löttechnologie für elektronische Anwendungen bis 300 C untersucht wird. Neben der Reduzierung von Kosten durch Weichlöten statt Silbersintern sind dies v. a. die weitere Miniaturisierung von Leistungsbaugruppen mit Integration von Sensor-, Logikund Steuerkomponenten sowie die angestrebte Reflow-Lötfähigkeit beim Die-Attach, die Zuverlässigkeit bei sehr hohen Betriebstemperaturen und das Fehlen eines,niedertemperaturhartlots angesichts des gesetzlichen Verbots hochbleihaltiger Legierungen wie PbSn5. Der HotPowCon-Lösungsansatz ist das Erzeugen hochtemperaturstabiler, intermetallischer Phasen aus der Schmelze, wobei ein isothermes Erstarren bei niedrigen Prof. Dr. Mathias Nowottnick, IEF/IGS der Universität Rostock, moderierte die Veranstaltung Dr. Andreas Fix, Robert Bosch GmbH Löttemperaturen erfolgt (T max < 300 C/Einsatztemperatur). Dr. Andreas Fix beschrieb die Anforderungen an entsprechende Fügewerkstoffe und deren Auswahl. Ein vielversprechendes Legierungssystem ist Cu-Sn (Bronze, Zielphase Cu 6 Sn 5 ). Die langen Prozesszeiten und hohen Temperaturen bei der isothermen Erstarrung sind allerdings ein Problem. Deshalb wird der Diffusionsweg verkürzt und die Reaktionsoberfläche vergrößert, indem der Lotpaste Kupferpulver zugegeben wird. Jörg Trodler, Heraeus Deutschland GmbH, Hanau, zeigte mehrere Möglichkeiten hierfür auf. Dr. Andreas Fix informierte über Finite Elemente Modellierungen derart realisierter Verbindungen. Nicht mehr die Lötverbindungen, sondern die Leiterplatte wird am stärksten belastet werden, so dass zum Auseinanderreißen kommt. Jörg Trodler stellte abschließend Ergebnisse entsprechend realisierter Lötverbindungen vor, die anhand von Testobjekten und Demonstratoren ermittelt wurden. Deren Festigkeit ist nicht so groß wie die von reinen intermetallischen Verbindungen aber deutlich besser als bei Lotverbindungen. Dies gilt insbesondere über der Lotschmelztemperatur, wie Temperaturzyklentests mit 240 C zeigten. Teilweise kam es bei diesen Belastungstests PLUS 10/2015 1

2 zu Grenzflächendelaminationen. Der Fügeprozess ist mit bis zu 100 mm 2 großen Si-Chips und typischen Metallisierungen dargestellt worden. Die neue HotPowCon-Löttechnik hat demnach das Potential für elektronische Anwendungen bei sehr hohen Temperaturen. Optimale Schablonenunterseitenreinigung Auch der nächste,vlies und nicht Vliess titulierte Beitrag erfolgte von zwei Experten, nämlich von Michael Kasper, Vliesstoff Kasper GmbH, Mönchengladbach, und Harald Grumm, Christian Koenen GmbH, Ottobrunn. Nach der Erläuterung, was ein Vlies, besser Vliesstoff ist, gingen sie auf die zunehmende Bauelementevielfalt ein, die dazu führt, dass das Verhältnis von größter zu kleinster Druckschablonenöffnung immer größer sowie die Schablonendicke immer geringer wird. Der Trend geht hin zu 50 µm dicken Schablonen, was allerdings beim Drucken Probleme bereitet, insbesondere, wenn die Schablonenunterseitenreinigung schlecht ist. Denn die Sauberkeit von Substrat und Schablone gewinnt, wie aufgezeigt wurde, an Bedeutung. Michael Kasper, Vliesstoff Kasper GmbH, und Harald Grumm, Christian Koenen GmbH Für die Wartung und Einstellung der Unterseitenreinigung empfahlen sie, mit einer Klarsichtschablone das Reinigungsergebnis zu prüfen, und beschrieben, wie dies erfolgen kann. Sie zeigten dabei auch Beispiele für die unterschiedlichen Ergebnisse bei Verwendung verschiedener Vliese. Laut Michael Kasper und Harald Grumm sind Unterseitenreinigungszyklen im Bereich von 20 bis 25 Drucken sinnvoll. Dokumentation der Fertigungsqualität statt Fehlersuche Michael Mügge, Viscom AG, Hannover, machte danach deutlich, dass effektiv genutzte Inspektionssysteme keine Fehler mehr finden. Denn die Qualitätsmerkmale werden von Inspektionssystemen kontinuierlich erfasst. Wenn kritische Grenzen überschritten werden, können durch Michael Mügge, Viscom AG die heutigen Regelkreise die Fehlerursachen identifiziert und Korrekturmaßnahmen eingeleitet werden, bevor echte Fehler auftreten. Vom SPI-System ist nicht nur eine Rückkopplung zum Lotpastendruck sondern auch eine Steuerung der nachfolgenden Bestückung möglich. Durch entsprechendes Setzen der Chips in die Pastendepots kann dann z. B. der Grabsteineffekt reduziert werden. Ferner können vom SPI-System mittels Quality Uplink Informationen an das AOI-System bzw. an den Verifikationsplatz übermittelt werden. Nachdem Michael Mügge über die Möglichkeiten der AOI, der 3D-AOI, der automatischen Röntgeninspektion (3D-AXI) und der manuellen Röntgeninspektion (MXI) informiert hatte, beschrieb er die heutigen Uplink-Möglichkeiten. Mittels Uplink können nicht nur die Lotpasten-Fehlerinformationen vom SPI-System ans Ende der Linie übertragen werden, sondern alle von den verschiedenen Inspektionssystemen erfassten (Fehler-)Daten. So können von den AOI- bzw. AXI-Systemen die Lötfehlerinformationen samt den dazugehörigen Lotpastenbildern zum Verifikationsplatz übertragen und angezeigt werden. Mit dem TITUS (Total Inspection and Traceability Uplink Service) ist es sogar möglich, die AOI/AXI nur bei Bedarf (on SPI demand) auszuführen. Auch eine Übertragung der Prozess- und Merkmalsdaten zum Kunden (MES) ist mittels Uplink realisierbar. Die Inspektionssysteme dienen bei der so realisierten Nullfehler-Produktion zur Dokumentation der Fertigungsqualität. 2 PLUS 10/2015

3 Die begleitende Ausstellung bot weitere Informationen Vakuumlöten und Selektivlöten Zwei Lösungen für anspruchsvolle Aufgaben Nachdem Andreas Kraus, Kraus Hardware GmbH, Großostheim, über das Dampfphasenlöten sowie dessen Funktionsprinzipien und Vorteile informiert hatte, zählte er die Argumente pro bzw. contra Vakuum auf. Vorteile beim Vakuumlöten sind die bessere Benetzung, der geringere Porenanteil, der zu einer besseren Entwärmung und dadurch höheren Lebensdauer der Bauteile führt, sowie zuverlässigere und mechanisch stabilere Lötverbindungen. Nachteilig sind die längere Prozesszeit, die größere Lotkügelchen- und -brückenbildung sowie das häufigere Verrutschen oder Absprengen von Bauteilen. Beim Löten von Leistungsbauteilen mit thermischer Anbindung gibt es mit Vakuum einen deutlich höheren Lotabfluss in die Thermovias und der Lotspalt zwischen Bauteil und Leiterplatte ist kleiner. Hier sind die resultierenden Konsequenzen für die Funktion und Zuverlässigkeit noch zu untersuchen. Allgemein gilt, nicht nur das Temperaturprofil muss evaluiert werden, auch das Vakuumprofil, denn viel hilft viel, ist keine Lösung. Auch für den Vakuumprozess sind Designrichtlinien zu beachten. Prinzipielle Probleme durch vermehrte Poren aufgrund der Beschaffenheit von Oberflächen, Bauteilen, Lötmaterial usw. lassen sich nicht ohne Weiteres mittels Vakuumlöten lösen. Für einen perfekten Vakuumlötprozess wird als Basis ein sicherer Lötprozess ohne Vakuum benötigt. Geht nicht, gibt s nicht. Wie Jörg Brandt, Kraus Hardware GmbH, Großostheim, anhand verschiedener Beispiele aus der Praxis aufzeigte, sind auch Andreas Kraus, Kraus Hardware GmbH PLUS 10/2015 3

4 anspruchsvolle Sonderapplikationen mit dem selektiven Heißgaslötprozess bzw. dem System Zevac Onyx 29 realisierbar. Allerdings müssen dazu oft spezifische Maßnahmen ergriffen werden, für die nachfolgend Beispiele aufgezählt werden. Bei Sonderapplikationen sowie bei Reparaturaufträgen werden die Prozessdaten mit dem System automatisch erfasst und protokolliert (Trace-Daten aller Prozessschritte). Damit eine Nutzenbearbeitung möglich ist, werden selbst gefertigte Aluminiumaufnahmen für die Einzel-Leiterplatten eingesetzt. Mit einer speziellen Vorrichtung werden bei lackierten Baugruppen die entstehenden Lötdämpfe direkt am Heißgaskopf abgesaugt. Um auch durch Kühlkörper verdeckte Bauteile bzw. deren Anschlüsse löten zu können, werden speziell geformte Heißgasdüsen eingesetzt. Zur besseren Wärmeableitung werden die Baugruppen mit einer Aluminiumträgerplatte verklebt. Zudem werden spezifische Vorrichtungen für den Lotpastendruck und die Bauteileaufnahme eingesetzt. Mit Farbe werden die Baugruppen auf Rissbildungen kontrolliert. Die erzielten Ergebnisse werden mittels Röntgeninspektion bzw. Schliffbildanalyse geprüft. Die Lösung für flexible Baugruppen Rollezu-Rolle-Linien Wie ein vollautomatischer LED- Produktionsprozess von Rolle zu Rolle (R2R) realisiert werden kann, zeigte Christian Daschner, db-matik GmbH, Roding, auf. Rolle zu Rolle-Systeme sind Jörg Brandt, Kraus Hardware GmbH Christian Daschner, db-matik GmbH Fabian Autenrieth, ASYS Prozess- und Reinraumtechnik GmbH bereits seit 20 Jahren Standard im Bereich der Smartcard-Produktion. Sie werden inzwischen hauptsächlich in der RFID-Produktion eingesetzt, ferner für LED/OLED- Beleuchtungen sowie für Folienelektronik. Christian Daschner erläuterte die verschiedenen Prozesse und beschrieb den Aufbau der jeweiligen Produktionslinien anhand von Beispielen. Dabei ging er im Detail auf eine vollautomatische LED-R2R-Produktionslinie ein, mit der LED- Bänder im Endlos-Prozess hergestellt werden können. Die von db-matik hierfür entwickelte Technik zeichnet sich durch hohe Effizienz und hohe Produktivität aus. Dies wird durch den Einsatz von Standardanlagen (Siebdruck-, Bestück- und Reflow-Lötsysteme), die für die Folienverarbeitung modifiziert sind, sowie speziellen Maßnahmen erreicht. Fachgerechte Lagerung und kontrollierte Umgebungsbedingungen werden immer wichtiger Fabian Autenrieth, ASYS Prozess- und Reinraumtechnik GmbH, Dornstadt, informierte über die IPC/JEDEC- Richtlinien-konforme Handhabung feuchtesensibler Bauelemente in der Produktion sowie über die Unterschiede zwischen Reinraum und Sauberraum. Ausgehend von den Richtlinien IPC/ JEDEC J-STD-033, IPC/ JEDEC J-STD-020 und IPC- 4 PLUS 10/2015

5 1601 für die Handhabung und Verarbeitung feuchtesensibler Bauelemente bzw. Leiterplatten zählte er die geforderten Maßnahmen auf. Diese umfassen die Verpackungen, die Kennzeichnung, die MSL-Klassifizierung, das Erfassen der Offenzeit zum Einhalten der Floor-Life-Time, das Trocknen und die Lagerung. ASYS bietet eine Auswahl an geeigneten Trockenlagerschränken sowie Mittel zur Überwachung und Protokollierung. Danach erläuterte Fabian Autenrieth die Aufgaben der Reinraum-/Sauberraumtechnik. Zum Produktschutz sind kontrollierte Bereiche bezüglich Schmutzpartikeln, Feuchtigkeit, Temperatur und ESD zu schaffen. Reinraum und Sauberraum unterscheiden sich u.a. hinsichtlich der betrachteten Partikelgrößen von <5 μm bzw. bis zu 600 μm. Erstere sind luftgetragen, die letzteren haften an den Produkten. Deshalb sind auch unterschiedliche Normen zu berücksichtigen sowie abhängig von der Reinraumklasse bzw. Sauberkeitsstufe unterschiedliche bauliche und andere Maßnahmen zu treffen. Dabei ist die gesamte Logistikkette zu berücksichtigen und das Personal einzubeziehen. Er zählte auf, was alles zu tun ist. Schutzlackierung und Verguss zur Vermeidung von Elektronikausfällen Jens-H. Klingel, KC-Produkte GmbH Laut Jens-H. Klingel, KC-Produkte GmbH, Friolzheim, sind Elektronikausfälle vermeidbar, indem durch eine Schutzlackierung und/oder einen Verguss dem Rückruf vorgebeugt wird. Anhand von Beispielen verdeutlichte er, dass viele Elektronikausfälle durch die Umgebungsbedingungen, insbesondere Feuchtigkeit verursacht werden. Weitere Verursacher sind extreme Temperaturen bzw. Temperaturwechsel, Vibration und Schock, chemische Stoffe (Flussmittel, Gase, Säuren usw.) sowie Schmutz. Diese können u. a. zu elektrochemischer Migration, Korrosion, Spannungsüberschlägen, Widerstandsabsenkungen und Belastungen der Lötverbindungen führen. Je nach klimatischer und funktionaler Anforderung können Elektronikbaugruppen unterschiedlich hoch geschützt werden. Das Spektrum reicht von der Schutzlackierung zum Schutz gegen kurzzeitige Betauung bis hin zum Verguss als Berührungs-, Brandund/oder Explosionsschutz. Für das Aufbringen der schützenden Medien sollen die Baugruppen trocken, staub- und fettfrei sein. Denn Verunreinigungen führen zur Verminderung der Haftfestigkeit und können zu Beschichtungsdefekten führen. (Flussmittel-)Rückstände führen mittelbar zu Korrosion und Migration. Wenn Verunreinigungen im Vorfeld nicht vermeidbar sind, empfiehlt sich diese durch eine Reinigung zu entfernen. Jens-H. Klingel zählte die dafür geeigneten Reinigungsmöglichkeiten auf und gab einen ausführlichen Überblick über die verfügbaren Schutzstoffklassen sowie deren Eigenschaften. Er beschrieb die möglichen Applikationsverfahren und zeigte dabei Beispiele vom selektiven Beschichten bis hin zum kompletten Gehäuseverguss. Erhöhen der Lotpastenmenge verbessert nicht immer die Zuverlässigkeit Helge Schimanski, Fraunhofer ISIT, Itzehoe, berichtete über ein AiF-Projekt, indem die Zuverlässigkeit von Lötverbindungen keramischer SMD-Komponenten auf FR4-Leiterplatten untersucht worden war. Dabei sollten die Zusammenhänge zwischen Lotpastenmenge bzw. Lotvolumen und resultierender Lötqualität und Zuverlässigkeit ermittelt und Maßnahmen abgeleitet werden. Helge Schimanski beschrieb die verwendeten Bauteile, die Leiterplatte, das Lötprofil und die Schablonen und präsentierte Ergebnisse, die durch optische und Röntgeninspektion sowie Scherversuche gewonnen wurden. Die Schablonendicken und Öffnungen (Größe) wurden variiert. Beim Einsatz von Stufenschablonen wurden auch die Druckparameter optimiert. Die mit Standard-Pads realisierten Lötverbindungen sind nach IPC A-610 Klasse 2 zulässig und zu empfehlen. Die untersuchte Variation der Lotpastenmenge hatte keinen negativen Einfluss auf die Lötquali- PLUS 10/2015 5

6 tät außer einer Lotkugel- und -brückenbildung bei starkem Überdruck. Mehr Lot bei gleich großen Pads erhöht die Lebensdauer, sofern die Bauteile keine seitlichen Benetzungsflächen aufweisen. Größere Pads führen meist zu einer erhöhten Zuverlässigkeit. Ebenso eine zusätzliche Lotmenge bzw. ein erhöhter Lotspalt. Allerdings ist letzteres durch Lotmengen- und Padvariation nur bedingt möglich. Die fehlende Nachgiebigkeit der Leiterplatte bei gegenüberliegender Bestückung führt bei größeren Komponenten zu einer deutlich reduzierten Lebensdauer. Stress durch Feuchte ist enorm Den Einfluss von Feuchte und Korrosion auf die Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen legte Dr.-Ing. Hans Walter, Fraunhofer IZM, Berlin, dar. Durch Feuchteaufnahme kann es zum Popcorn-Effekt sowie zu Änderungen des T g, der mechanischen und der Haftungseigenschaften, aber auch zu Rissbildungen und verstärkter Korrosion kommen. Deshalb wurde die Feuchteaufnahme und Diffusion in Verkapselungsmaterialien mit verschiedenen Methoden genauer untersucht. Die aus der Feuchteaufnahme resultierenden Effekte wie Massen- und Volumenzunahme sowie Änderung elektrischer Eigenschaften sind materialabhängig unterschiedlich. Absorption und Desorption erfolgen verschieden. Die hygroskopische Volumenänderung ist vergleichbar Helge Schimanski, Fraunhofer ISIT Dr.-Ing. Hans Walter, Fraunhofer IZM Prof. Dr. Mathias Nowottnick, IEF/IGS der Universität Rostock Organisator Thorsten Schmidthausen (r.), 4-tec Marketing, bedankte sich bei Prof. Dr. Mathias Nowottnick für die ansprechende Moderation der thermischen, was entsprechenden mechanischen Stress hervorruft. So wird beispielsweise durch Feuchteaufnahme im Basismaterial (Laminat) eine Delamination von Harz und Glasfasern verursacht. Liegt ein Potentialunterschied zwischen benachbarten Durchkontaktierungen vor, so kann sich dort aus der Feuchte ein Elektrolyt bilden und Kupferionen können entlang des durch die Delamination entstandenen Kanals zur Kathode wandern, was als CAF-Bildung (Conductive Anodic Filament) bekannt ist. Alternative Kühlkonzepte für Leistungselektroniken Mit einem Beitrag über alternative Kühlkonzepte durch funktionale Beschichtungen auf PCM-Basis von Prof. Dr. Mathias Nowottnick, IEF/ IGS der Universität Rostock, Rostock, wurde das Vortragsprogramm beendet. Leistungselektronische Baugruppen arbeiten mit immer höheren Frequenzen und Spannungen. Da auch die Packungsdichte zunimmt, steigt die Leistungsdichte deutlich. Als neue Lösungen für die Realisierung kommen Wide Gap-Halbleiter, Sintern, Diffusionslöten, Bändchen-Bonden und Beschichtungen sowie Vergießen zum Einsatz. Das thermische Management stellt weiterhin ein großes Problem dar. Phase Change Materialien (PCM) können als Latent- 6 PLUS 10/2015

7 wärmespeicher eingesetzt werden. Während der Phasenwechsel (Schmelzen/Erstarren oder Verdampfen/ Kondensieren) können sie bei konstanter Temperatur Wärme aufnehmen oder abgeben. Es gibt eine große Auswahl an PCM. Wichtigste Auswahlkriterien sind Applizierbarkeit, Temperaturstabilität, (keine) Toxizität und Kosten. Mit Silica-Gel-Coating, das Wasser desorpiert, und mit einem schmelzenden PCM-Coating kann Wärme von Bauteilen abgeführt werden. Um bessere Lösungen zu finden sind vom IEF/IGS 19 PCM getestet worden. Mit dem Zuckeralkohol Erythritol und dem Polyethylenwachs Astorphase wurden zwei geeignete Kandidaten für ein effektives thermisches Managementsystem für Leistungselektronikbaugruppen in Kombination mit hoher Betriebstemperatur gefunden. Sie sind in Pulverform verfügbar und können nach Mischung mit einer Trägersubstanz im Schablonendruck oder mittels Dispenser aufgebracht werden. Ihre thermischen Eigenschaften wurden mittels DSC, Power Cycling und Phasenübergangsbeobachtungen detaillierter untersucht. Zudem wurde der Zusatz von Additiven getestet. Denn durch Zusatz thermisch leitfähiger Materialien (PCC) sind weitere Verbesserungen möglich. Die beste Kombination ist Erythritol/Bornitrid. Langzeitstabilitätstests von PCM/PCC-Beschichtungen und Studien deren Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit der Baugruppe stehen noch aus. Mit einer Abschlussdiskussion endete die wiederum lohnende Veranstaltung. -gkwww.wir-gehen-in-die-tiefe.eu PLUS 10/2015 7