Ressourcenschonende Nachbearbeitung von Leiterplatten. APL Oberflächentechnik GmbH, Dirk Kaschel , FED Konferenz, Kassel

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1 Ressourcenschonende Nachbearbeitung von Leiterplatten APL Oberflächentechnik GmbH, Dirk Kaschel , FED Konferenz, Kassel

2 Inhalt Über APL Endoberflächen Nacharbeiten von isn-oberflächen Nacharbeiten von ENIG/ ENEPIG-Oberflächen Nacharbeiten von OSP-Oberflächen technologische/ ökologische Vorteile Wirtschaftliche Vorteile Zusammenfassung

3 Über APL Status Quo APL Oberflächentechnik GmbH ist Dienstleister für funktionelle Oberflächen in der Elektronik- und Leiterplatten (LP)- Industrie Änderung des Geschäftsmodells (neue Dienstleistung/ Produkte) durch individuelle Konzepte & Kundenlösungen Kunden Wachstum: 2008: 58 Europäische EMS-Industrie (>5%) Globale OEMs (>20%) Internationale LP-Hersteller (>20%) 2014: >150 nationale/ internationale Kunden

4 Dienstleistungen der APL Nachbearbeitungs-Dienstleistung der APL smarttin Refresh Selbstheilende Wirkung Erreichen eines lötbaren Zustands Entfernen von Kontamination FinalClean Reinigen und Reaktivieren von ENIG/ ENEPIG LPs Erreichen eines lötbaren Zustands OSP Refresh Erreichen eines lötbaren Zustands Entfernen von Kontamination

5 Endoberflächen Letzter Schritt des Herstellungsprozesses von LPs Funktion: Verhindern von Oxidation des Kupfers und Gewährleistung der nachfolgenden Verarbeitung (Löten, Bonden, Kontaktieren, Einpressen) Reinheit und Sauberkeit spielt dabei eine enorme Rolle Ist die Oberfläche kontaminiert kommt es zu Problemen und/ oder Feldausfällen Ist die maximale Lagerzeit der LPs überschritten, können diese nicht mehr problemlos verarbeitet werden Meist gibt es bei überlagerten und/ oder kontaminierten LPs nur noch die Möglichkeit, die Oberfläche herunter zu strippen und anschließend neu zu beschichten oder die LPs zu verwerfen (verschrotten) kostenintensiv Bestimmte Endoberflächen lassen sich mit neuen Verfahren einfach nachbearbeiten Nickel/ Gold-Oberfläche (gelötet) chemisch Zinn-Oberfläche

6 Endoberflächen Welche etablierten Endoberflächen werden derzeit vom Markt angeboten?

7 Welche Oberflächen lassen sich nachbearbeiten? Nicht alle Oberflächen lassen sich nachbearbeiten, jedoch gibt es eine Reihe von Oberflächen die sich ohne größeren Aufwand nacharbeiten lassen. Oberfläche: isn ENIG ENEPIG OSP iag HAL Nachbearbeitungsmöglichkeit: Qualifizierter Prozess; Im Einsatz seit 2010 smarttin Refresh Verfahren Qualifizierter Prozess; Im Einsatz seit 2014 FinalClean Verfahren Qualifizierter Prozess; Im Einsatz seit 2014 FinalClean Verfahren Etablierung und Validierung des Prozesses läuft Mit Einschränkungen möglich (auf Anfrage) Wird von APL Oberflächentechnik GmbH nicht angeboten

8 Wie können isn LPs nachbearbeitet werden? Alle chemisch Zinnschichten sind nachbearbeitbar LPs sind nach einer Oberflächen-Kontamination oft nicht mehr lötbar Durch die Bildung von intermetallischen Phasen sind die LPs nach Überlagerung ebenfalls oft nicht mehr lötbar Mit dem chemisch Zinn Nachbearbeitungsverfahren Refresh können die LPs wieder in einen lötfähigen Zustand versetzt werden Das Refreshen ist ein Zinn-auf-Zinn Verfahren, ein vorheriges Strippen ist nicht notwendig APL hat eine Refresh-Erfolgsrate der letzten zehn Jahren von >95% APL vertreibt die chemisch Zinnschicht unter dem Namen smarttin und das Refresh Verfahren unter dem Namen smarttin Refresh Kupfer + smarttin x smarttin auf Pads einer LP

9 Was sind intermetallische Phasen? Intermetallische Phasen entstehen durch Diffusion aus mindestens 2 Ausgangsmetallen (hier Kupfer und Zinn) Dabei diffundiert das Kupfer in die Zinnschicht, es bilden sich zwei Phasen: Cu 6 Sn 5 (zinnreich) und Cu 3 Sn (zinnarm) Die intermetallischen Phasen bilden sich dabei schon während der smarttin Abscheidung Das Wachstum der intermetallischen Phasen ist abhängig von der Zeit und noch viel gravierender von der Temperatur und somit ein natürlich ablaufender physikalischer Prozess Durch das Wachstum der intermetallischen Phase kann nach Ablauf der maximalen Lagerzeit Kupfer an die Oberfläche der chemisch Zinnschicht gelangen Dabei kann durch Reaktion mit der Luft Kupferoxid entstehen und die LPs sind nur noch schlecht oder gar nicht mehr lötbar Schematische Darstellung der Diffusion (links Cu; rechts Sn) [1] Schematische Darstellung nach der Diffusion [1] reines Zinn Cu 6 Sn 5 Cu 3 Sn reines Kupfer Schichtaufbau Cu/ Sn [1] Intermetallische Kupfer / isn Phase (Diffusionsschicht); APL, Dirk Kaschel 2015

10 Wie funktioniert das smarttin Refresh Verfahren? Aus der ursprünglichen Zinnschicht werden Zinn-Oxide entfernt, Kupfer- Verunreinigungen und intermetallische Phasen werden gelöst Durch Ladungsaustausch (Zinn Kupfer) wird eine frische, reine Zinnschicht abgeschieden (>0,1 - max. ca. 0,3 µm) Selbstheilungsprozess Mittels EDX (Energiedispersive Röntgenspektroskopie) -Analyse kann eine deutliche Abnahme des Kupfergehaltes in der Schicht nach dem Refresh analysiert werden [2] vor dem smarttin Refresh [2] nach dem smarttin Refresh [2] [2] Fraunhofer ISIT U-Reihen: 2009/09_ und 2014/11_397142

11 Wann wir das smarttin Refresh Verfahren angewandt? Die Löt- und Einpress-Oberfläche isn kann generell refresht werden (unter industriellen Bedingungen) Der smarttin Refresh Prozess ist wirtschaftlich und sehr effektiv (keine Verschrottung von LPs notwendig) Der smarttin Refresh Prozess ist ausgiebig getestet & zugelassen (tägliche Anwendung für mehrere europäische Elektronik-Unternehmen) Endoberfläche isn ist dem Alterungsprozess ausgesetzt (reduzierten Lötfähigkeit mit zunehmender Lagerzeit) Max. Lagerzeit 12 Monate (bei mind. 1 µm Zinnschicht) Garantierte Lötfähigkeit bei vielen Lieferanten und Wettbewerbern nur 6 Monate nach Beschichtung mit isn Zinn-Oxide und Cu x Sn y intermetallische Phasen können entfernt werden LPs werden ein zweites Mal in der Verzinnungs-Anlage horizontal beschichtet

12 Warum smarttin Refresh? Keine ausreichende Lötbarkeit für mehrfache Lötprozesse Keine ausreichende Lötbarkeit für unterschiedliche Lötverfahren Erstbeschichtung mit chemisch Zinn ist veraltet / Überlagerung isn-schichtdicke ist kleiner als die Sollvorgaben Kupfer-Ablagerung auf der isn-oberfläche / Zementation (durch 1. Verzinnungsprozess) Ionogene Verunreinigung sind >1,55 µg/cm2 NaCl-Äquivalent / mangelhafter Spülprozess (durch 1. Verzinnungsprozess) Veränderung der original isn-oberfläche (z.b. gebürstet)

13 Wie gut ist das smarttin Refresh Verfahren? Untersuchungen von refreshten LPs (2009/2014) durch das Fraunhofer ISIT Es wurden 3x Reflow bzw. 2x Reflow/ 1x Wellenlötungen nach Echtzeitlagerungen durchgeführt (SAC305 Lot; Peak ~245 C) Refreshte LPs zeigen sehr gute Benetzung Lotdurchstieg = 100%; (nach IPC-A610D Mindestdurchstieg 75%) Es lässt sich nachweislich mit dem smarttin Refresh Prozess eine bereits tote chemisch Zinn-Schicht wieder in einen lötfreudigen Zustand überführen [2] ½ Jahr gelagert + Refresh nach 3x Reflow und Benetzung durch Wellenlötung [2] 1 Jahr gelagert + Refresh nach 3x Reflow und Benetzung durch Wellenlötung [2] [2] Fraunhofer ISIT U-Reihen: 2009/09_ und 2014/11_397142

14 Wie können ENIG und ENEPIG LPs nachbearbeitet werden? FinalClean Neues Verfahren in horizontaler Anlagentechnik Speziell für ENIG (electroless nickel/ immersion gold) und ENEPIG (electroless nickel/ electroless palladium/ immersion gold) LPs Reinigungs- und Reaktivierungsverfahren für LPs nach dem Fräsen und Schneiden Wird angewandt für überlagerte und nicht lötbare LPs Prozessabfolge Reinigung Cleaner ultraschallunterstützt PallaBond CLN Spülen Micoetch mit VE Wasser PallaBond 4-fach Kaskade ME PreDip Trocken und Abkühlen PallaBond PREDIP

15 Wie funktioniert das FinalClean Verfahren? Bei ENIG/ ENEPIG erfolgt eine direkte, stromlose Abscheidung von Nickel auf Kupfer Neben der Nickelschicht (1) ist zusätzlich eine Goldschicht notwendig, die im Austauschverfahren mit Nickel abgeschieden wird (2) Während des chemischen Verfahrens der Goldabscheidung werden zwei Nickelatome durch ein Goldatom ersetzt, was zu einer falschen Positionierung der Goldatome im Gesamtgefüge führen kann (3) Ni Ni Au Au (1) (2) (3) Ni Au Ni Au Au Au Au Schematische Beschreibung des stromlosen Ni/ Au Prozess Nach der Ni/ Au Beschichtung werden die LPs durch weitere Prozessschritte Umwelteinflüssen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit) ausgesetzt Dies führt zu einer künstlichen Alterung der LPs, wobei sich Nickeloxid auf der LP- Oberfläche bildet

16 Was passiert auf der LP-Oberfläche? Nickeloxid wird durch korrosive Medien aufgelöst (4), so dass Nickel in ionogener Form an die Oberfläche diffundiert (5), wobei wiederum Nickeloxid auf der Gold- Oberfläche entsteht Aurotech FinalClean enthält spezielle Substanzen, welche die Oberfläche vollständig benetzten Die Komposition aus Aurotech FinalClean und Schwefelsäure lösen ultraschallunterstützt das Nickeloxid von der Goldschicht (6, 7) (4) (5) Au Ni Au Au Au Au Au Ni Au Au Au Au (6) Schematische Beschreibung der Nickeloxid Bildung (7) Nickelion Nickeloxyd Au Ni Au Au Au Au Au Ni Au Au Au Au Schematische Beschreibung der Nickeloxid Auflösung

17 Was passiert auf der LP-Oberfläche? Nach dem ultraschallunterstützten Reinigungs- und Reaktivierungsschritt werden die LPs in einer 4-fach Kaskade mit VE-Wasser gespült Anschließend erfolgt die Trocknung und Abkühlung auf Raumtemperatur Das FinalClean Verfahren aktiviert die Oberfläche wodurch diese in einen lötbaren Zustand versetzt wird Weitere Bestückungs- und Lötprozesse können nach dem FinalClean Prozess ohne Probleme erfolgen Die Wartezeit vor der Verarbeitung sollte so kurz wie möglich gehalten werden, um eine erneute Oxidation der Oberfläche zu verhindern

18 Wie sieht es in der Praxis aus? Vor und nach dem FinalClean Prozess wurden LPs (DC 4299) gelötet Die LPs wurden 15 Jahre bei Raumtemperatur, ohne Verpackung und ohne spezielle klimatischen Konditionen gelagert Vor dem FinalClean Nach dem FinalClean

19 Wie sieht es in der Praxis aus? Da die LPs nach der Wellenlötung sehr gute Ergebnisse zeigten, wurden sie zusätzlich analytisch untersucht 3 LPs aus der Charge DC 4299 wurden mittels XPS (Röntgen-Photoelektronen- Spektroskopie ) vor und nach dem FinalClean Prozess analysiert Parameter Messzeit 1 h Systemdruck 1 x 10-8 Torr Röntgenquelle 15 kv; 150 W Al k-α Strahlung (monochromatisiert) (1486,6eV) Spotgröße 300 x 700 µm Eindringtiefe 1-4 nm [3] NiP [µm] Au [µm] Test-LP 1 3,657 0,127 Analysenparameter Test-LP 2 3,572 0,125 Test-LP 3 3,637 0,133 verwendetes Pad sowie Schichtdicken der Test-LPs [3] Die Eindringtiefe des Röntgenstrahls in die Probe beträgt mehr als 1 µm. Die Informationstiefe wird durch die mittlere unelastische freie Weglänge der ausgelösten Photoelektronen limitiert. Wenn man die Informationstiefe als diejenige Tiefe definiert, aus der 90% des Messsignals stammen, so beträgt die Informationstiefe bei Au etwa 1-4 nm

20 Analysenergebnisse vor dem FinalClean Prozess: Na Ni O N C Cl Br S Si Au Test-LP 1 -/- -/- 4,19 19,96 1,89 59,43 0,08 0,98 1,19 11,14 Test-LP 2 -/- -/- 5,49 22,65 1,89 56,97 -/- -/- 1,81 9,34 Test-LP 3 0,36 3,43 19,68 1,73 62,84 0,23 0,08 1,00 0,98 8,43 nach dem FinalClean Prozess: Na Ni O N C Cl Br S Si Au Test-LP 1 -/- -/- 0,85 14,07 1,32 53,14 -/- 2,84 1,20 19,48 Test-LP 2 0,28 1,11 17,45 0,83 50,19 -/- -/- 2,67 1,52 18,79 Test-LP 3 -/- -/- 0,29 11,67 1,28 61,19 -/- 2,17 0,65 17,04 Deutliche Abnahme der Elementkonzentrationen Ni und O nach FinalClean Zunahme der Konzentration von Au (Au liegt nun wieder ohne Ni und O Beläge vor) Zunahme von N, S, und Si sind Spuren aus der Luftpolsterfolie durch das Einschrumpfen

21 Warum müssen OSP LPs nachbearbeitet werden? OSP-Beschichtung ist eine organische Beschichtung Lösung besteht aus substituierten Imidazolen Chemie reagiert direkt mit dem Kupfer der LPs und bildet eine dicht schließende Schutzschicht aus Übliche Schichtdicken betragen zwischen 0,2 µm - 0,6 µm Maximale Lagerzeit wird i. d. R. mit 6 Monaten angegeben Wird die Lagerzeit überschritten, kann die Schicht ihre schützenden Eigenschaften verlieren Werden bei der Erstbeschichtungen die Parameter nicht exakt eingehalten, kann es ebenfalls zu Lötproblemen kommen Extrem wichtig: Die Trocknungstemperaturen sind einzuhalten. Weichen diese ab, geht die Performance der OSP-Schicht verloren Grundsätzlich wird das OSP-Refresh Verfahren bei Überlagerung oder Lötproblemen angewandt

22 Wie funktioniert das OSP Verfahren? Bei der Erstbeschichtung mit OSP werden die LPs gereinigt und mikrogeätzt Dabei beträgt der Kupferabtrag ca. 1 µm - 2 µm Anschließend wird in einem 2-stufigem Arbeitsschritt die OSP-Schicht erzeugt Die Prozesschemie reagiert mit Kupfer und bildet eine 0,2 µm - 0,6 µm dicke Schutzschicht aus Nach optimaler Spülung (VE-Wasser mögl. <2 µs/cm2) und optimaler Trocknung (gefilterte Luft) ist der Prozess fertig und die Schutzschicht ausgebildet Bei dem OSP-Refresh Verfahren wird zuerst die vorhandene OSP-Schutzschicht entfernt (starke Säure und Oxidationsmittel) Dann erfolgt ein MicroEtch mit einem Kupferabtrag von ca. 1 µm Dabei erfahren die LPs sehr geringen Stress (Basismaterial und Lötstoppmaske) Im Anschluss erfolgt eine erneute Beschichtung mit OSP

23 Technologische und ökologische Vorteile smarttin Refresh Verfahren: smarttin Refresh ist zugelassen und wird in Europa von LP-, Automobil-, Telekommunikations-, und OEM-Industrie verwendet Kein Verschrotten der LPs mit schlechter Zinn-Oberfläche Sehr effiziente Ausbeute >95% Schnelle Verfügbarkeit (kleinere Mengen noch am Anliefertag) Sauberkeit - mit smarttin Refresh Prozess <0,5 µg/cm2 NaCl-Äquivalent (je nach Ausgestaltung der LPs) FinalClean Prozess: Gold muss nicht von der Oberfläche gestrippt werden, keine Neubeschichtung notwendig, kein Ausschuss durch Stripperangriff Sehr geringer Stress für Lötstoppmaske und Basismaterial Hocheffektives Verfahren, Erfolgsquote >95% Der Prozess enthält keine giftigen und umweltschädlichen Chemikalien Geringer Wasser- und Energieverbrauch, da kurze Prozesszeiten mit niedrigen Temperaturen

24 Technologische und ökologische Vorteile OSP Refresh Verfahren: Sehr einfaches Verfahren um LPs wieder in einen lötfähigen Zustand zu versetzen Sehr geringer Stress für Lötstoppmaske und Basismaterial Sehr plane Oberfläche, auch nach zweiter OSP-Beschichtung

25 Wirtschaftliche Vorteile smarttin Refresh Verfahren: Sehr hohes Kosteneinsparpotential; der Refresh-Preis liegt bei 10% im Verhältnis zu den gesamten LP-Kosten. Bei ca. 85% der Refresh-Aufträge ist das smarttin Refresh Verfahren viel günstiger, als neue LPs zu produzieren Kostenvergleich: Neubeschaffung von 6-Lagen Multilayer (ML-6) und 4-Lagen Multilayer (ML-4) gegenüber den Kosten des smarttin Refresh Prozesses: (Maße: 233,4 x 160,0 mm; Anzahl: Stk.) [3] Kosten pro LP in Euro 6-Lagen Multilayer (ML-6) 4-Lagen Multilayer (ML-4) Darstellung der Kostenverhältnisse Kostenersparnis XX % Kostenersparnis XX % Refresh [3] _general_information_smarttin Refresh, ein hocheffizientes und kosteneinsparendes Verfahren

26 Wirtschaftliche Vorteile FinalClean Verfahren: Kosteneffizient durch kürzeren Prozess im Vergleich zu einer Neubeschichtung mit Ni/ Au nach vorherigem Strippen FinalClean und OSP Verfahren: Keine Neubeschaffung von LPs notwendig, da die vorhandenen wieder verwendet werden können Faktor Zeit: LPs können kurzfristig prozessiert werden

27 Zusammenfassung Technologie von APL steht im Einklang mit gesellschaftspolitischen Leitlinien zum Qualitäts- und Umweltschutz APL möchte aktiv einen Beitrag zur nachhaltigen Schonung und Verbesserung der Ressourcen Boden, Luft und Wasser leisten APL möchte auch beim Thema Umweltschutz die Balance halten und legt großen Wert auf einen schonenden Umgang mit ihren Ressourcen (Zertifiziert nach DIN 14001:2004) Dank dieser Verfahren ist es möglich, ressourcenschonende Oberflächenbehandlungen zur Nacharbeit anzubieten Diese Verfahren bringen der Umwelt einen Mehrwert Diese Verfahren bringen nicht nur der Umwelt einen Mehrwert, sondern auch den Kunden, und zwar durch Kosteneinsparungspotentiale Auf den Einsatz von schädlichen Chemikalien wird bei diesen Prozessen verzichtet Es wird nur ein sehr geringer Teil an Energie und Wasser benötigt, im Gegensatz zur Herstellung und Beschichtung neuer Leiterplatten.

28 Abschluss Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit Für weitere Informationen: APL Oberflächentechnik GmbH Im Entenbad Lörrach Dirk Kaschel Telefon: