Balver Zinn Josef Jost GmbH & Co.KG Selective Soldering Issues Hamburger Lötzirkel 12/05/09

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1 Balver Zinn Josef Jost GmbH & Co.KG Selective Soldering Issues Hamburger Lötzirkel 12/05/09 Han Raetsen Sales Manager Certified IPC-A-610 Trainer (CIT) 1

2 Balver Zinn Josef Jost GmbH & Co.KG Selective Soldering Issues Hamburger Lötzirkel 12/05/09 Han Raetsen Sales Manager Certified IPC-A-610 Trainer (CIT) 2

3 Die Balver Zinn Gruppe in Kürze!! Jost Zink Gießerei Kapazität: 2700to./Monat (Kokillenguss) 3350to/Monat (Draht, Strangguss) Legierungen: Zn, ZnAl; ZnTi, ZnMn, etc. Märkte: Automotive, Schiffsbau, Korrosionsschutz, Targets, etc. Balver Zinn Josef Jost (Recycling) Kapazität: 950to./Monat (Kokillen.-Strangguss) Legierungen: Sn; SnPb; SAC; SN100C; etc. Märkte: Automotive; Medizin; Consumer;etc. BaTiLoy Kapazität: 450to./Monat (Draht; Anoden) Legierungen: Sn; SnPb; SAC; SN100C; etc. Märkte: Automotive; Medizin; Consumer etc. Cobar Kapazität: l / Tag (Flussmittel) 900kg / Tag (Paste) Legierungen: SnPb; SAC; SN100C; etc. Märkte Automotive; Medizin; Consumer; etc. 3

4 BalverZinn News SN100CS Produktfamilie SN100C (SnCu0,7Ni0,05Ge0,005) EU985486/JP /US SN100CS / SN100CeS (SnCu0,7NiGe0,01) SN100CLS / SN100CLe+S (SnCu0,7NiGe0,01) i - SAC105 Produktfamilie i-sac Iowa US B1 i-sac105 i-sac205 i-sac305 i-sac387 Profiler Kic on Board 7 12 Eingänge Klein, Kompakt Leistungsfähig Einfache Bedienung (SnAg1,0Cu0,5Co0,0045Ge0,0045) (SnAg2,0Cu0,5Co0,0045Ge0,0045) (SnAg3,0Cu0,5Co0,0045Ge0,0045) (SnAg3,8Cu0,7Co0,0045Ge0,0045) 4 März 2009

5 5 Selective Soldering Issues

6 Warum Selektivlöten? Ablösen des Wellenlötens Durchkontaktierungen auf beiden Seiten des PCB Große SMD`s auf beiden Seiten Nur einige Durchkontaktierungen zwischen den SMD`s Aluminium oder Metallgehäuse der Boards 6

7 Herausforderungen Selektivlöten Geringste Flussmittelmengen, größtmögliches Prozessfenster Flussmittelherausforderung (hohe Temperatur) Lokal Flussmittelauftrag (Ruckstande) Geringste Brückenbildung Geringste Lötperlenbildung Füllung der Durchkontaktierung (IPC) Miniaturisierung Prozessstabilität 7

8 Düsenauswahl 8

9 Nichtbenetzbare Düse Nichtbenetzbare Düse mit SDC (Solder Drainage Conditioner) Benetzbare Düse 9

10 Düsenauswahl Benetzbar Durchmesser (Verhältnis Größe zu Temp.) Material (Fließeigenschaften) Düsenform (Abstand) Höhe (Bauteilunterseite) Nicht Benetzbar 10

11 Oxidfilm Bleifrei Selektivlöten - Stickstoff notwendig. 11

12 Prozess-stabilität Prozessfenster: Keine Flussmittelspritzer, Keine Elektromigration (VOC free fluxes) Keine Lotberührung bei SMD`s Kein aufschmelzen der Paste Düsenauswahl (Durchmesser, Material) Lotbadtemperatur 12

13 Designrichtlinie (Literatur) Wenig Daten verfügbar. ERSA: max. Beinchenlänge 3mm Abstand zu Durchmesser + 20% 13 Quelle: Ersa

14 Flussmittel-generationen Pro s Con s Alcohol Moderate preheat, surface reliability, known technology Flash point High tendency for creaping away (white residues) VOC-free Environmental friendly Proces changes, risk of corrosion issues under humid conditions Low-VOC Ultra-low-VOC Best of both worlds These fluxes do not creap away Soldering power for lead-free, cleanliness, ease of use compared with voc-free Need proper pre-heat for water evaporation Need good and long pre-heat. In selective soldering only usable in machines with extended pre-heat 14

15 Selektiv Flussmittel Selective soldering flux selection chart 21-January =Perfect for this purpose 4=Generally good 3=Might work, to be tested well 2=Not advised for this purpose 1=Wrong choice 15 Application RX-HT 323-ITV 95-RXZ-M Low-VOC ULV ULV = Ultra-Low-VOC Selective sold. Process Near-azeotropic mix of Sn100C alloy capability % water, 40% alcohol N2 around wave Wave temp. > 300 C Consumer electronics Med-Rel electronics Hi-Rel electronics QMP 396-BS OSP compatible Ni/Au compatible Ag + Sn compatible Moderate preheat Reduces solder balling Reduces bridging No white residues No spreading of residues ICCT compatible Conformal coating IPC-ANSI-J-STD-004 ROL1 REL0 REL0 REL0 REL0 REL1 ISO A A A A A A Solid Content %

16 Flussmittel neben die Düse 16

17 Wass sind Dendriten A dendrite in metallurgy is a characteristic tree-like structure of crystals When a voltage is applied between an anode and cathode, a metal dendrite grows from the cathode through the ion conductor towards the anode 17

18 18 Dendriten

19 Gibt es 100% sicher(e) Flussmittelrückstände? Sicher--- jedes Flussmittel gibt Ruckstande Sichere--- jedes Flussmittel kann Dendriten produzieren Dendriten können auch ohne Flussmittel wachsen Es kommt auf den Feuchtigkeitslevel, Temperatur, Pitch, Spannung, PCB Kontamination und Flussmittelformulierung Special high-end Flussmittel konnen risikos reduzieren Genaue Flussmittel Auftrag (innerhalb Lot Duse Bereich) Complete Aufheizung Flussmittel 19

20 Bridging Design rules (anti-bridging) Reduce length of leads Length > 3x pad diameter Increase peel off distance Solder thief Solder resist defined pads Design defined pads Stretched pad Smaller pads 20

21 Solderballs (4) Parameters effecting solderballs Machine se ttings 11% Storage conditions (hum idity) 11% Flux 17% Solde r 6% Atmosphere (Nitroge n) 4% Solder resist 51% Resource: The solderball problem. Research and results H. Bell Rehm / R. Zajitschek Siemens VDO 21

22 Solderballs Hohere temperaturen machen Lotstoplack weicher Wass ist erlaubt (IPC-A-610 D) Kugel mussen festliegen in Ruckstande Process indicator (interne Richtlinien) Minimaler Elektrischer Distanz 22

23 Durchsteig Verhalten Design Loch : Draht diameter Ratio Lot Legierung Lot Temperatur (~ 300 o C!) Flussmittel Auftragung Filling >75% 23

24 Through hole penetration (2) Design rules (promote top side wicking) Bigger holes for lead-free THT, up to 0.4 mm gap (=2x the standard Pb gap) Length > 3x pad diameter 24

25 25 Lotbadmangement, Grenzwerte u. Auswirkungen auf die Löteigenschaften

26 Lotbadqualität (homogene Legierung) Ziel Konstante Lötqualität gewährleisten Nachvollziehbare Lötprozesse Zuverlässige Lötverbindungen Hinweis Verunreinigungen / Bestandteile sollten nicht außerhalb der Grenzwerte sein Kleinere Bäder reichern sich schneller an Hohe Prozesstemperaturen beeinflussen negativ 26

27 Aufgaben der Grundelemente Alle Legierungen haben Zinn (Sn) als Matrix Zinn (Sn): Schmelztemperatur 232 C Kupfer (Cu): Auswirkung auf die Schmelztemperatur, beeinflusst die Kupferablösung Silber (Ag): Reduziert die Schmelztemperatur 217 C, fördert die Benetzung, erhöht die Kriechfestigkeit Mikrodotierungen um bestimmte Eigenschaften hervorzuheben!! 27

28 Legierungen SAC 305 Legierung: SnAg3,0Cu 0,5 Schmelzbereich: ºC Dichte: 7,5 g/cm³ + Schmelzbereich Bekannt (IPC) + Langjährige Erfahrung - Hoher Preis - Hohe Kupferablösung - Edelstahlkorrosion - Krätzebildung - Duktilität 28 - Oberfläche / Lunker

29 Legierungen LowSAC Legierung: SnCu0,7Ag0,3 Schmelzpunkt: ºC Dichte: 7,37 g/cm³ + Günstiger Preis - Schmelzbereich C - Krätzebildung - Fließverhalten - Kupferablösung - Edelstahlkorrosion - Oberfläche 29

30 Legierungen SN100C Legierung: SnCu0,7NiGe Schmelzpunkt: 227 ºC Dichte: 7,4 g/cm³ + Günstiger Preis + Krätzebildung + Glänzende Lötstelle + Duktilität + Zuverlässigkeit - Schmelzpunkt 227 C 30

31 Legierungen SnCu0,7 Legierung: SnCu0,7 Schmelzpunkt: 227 ºC Dichte: 7,4 g/cm³ + Günstiger Preis - Schmelzpunkt 227 C - Krätzebildung - Oberfläche / Lunker 31

32 32 Kritische Werte im Lotbad

33 Leaching (Einflussfaktoren) Lotbadtemperatur Zinngehalt Kupfergehalt Silbergehalt Strömungsgeschwindigkeit des Lotes Endoberfläche der Leiterplatten 33

34 Kupferleaching Auszug aus Ablöseversuch (Cu-Stange D=6 mm) SAC 305 Sn63Pb37 SN100C3 Ablöseraten verschiedener Lote bei 360 C und Miniw elle Angaben in Gramm / Minute 34

35 Kupferleaching (Abhängigkeit zur LP-Oberfläche) Geringste Ablösung Höchste Ablösung 35

36 Darstellung / Lötung SAC387 SAC305 SN100C THT SMT Dynamic wave conditions : T=265 C t=4 s 36

37 Zusammenfassung Design Leiterplatte wichtig um Probleme zu meiden Flussmittel Aftragung sehr wichtig: Platz & Menge Hohere Temperaturen gibt mehrere Issues Special Selektiv Flussmittel kann helfen Verschiedene Legierungen (leaching) 37

38 38 Danke fur Ihre Aufmerksamkeit