Temperaturprofils auf die Reflowqualität

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1 rehm Anlagenbau GmbH Der Einfluss des Temperaturprofils p auf die Reflowqualität Hamburger Lötzirkel, Kappelner Werkstätten Dr. Hans Bell Rehm Thermal Systems GmbH

2 Grundlagen der Temperaturprofilierung Diffusion abhängig vom Konzentrationsgradient (gradn), der Temperatur (T) und der Zeit (t) J N = D gradn Q D = D0 exp( ) kt x = 4Dt 2 = J Number of particles D N 2 per area section and time D Diffusion constant Q Activation energy k Bolzmann constant T Temperature D 1 m Mass of the atoms v Mean speed x Distance D1 D 2 t Time Rehm Thermal Systems GmbH 2

3 Grundlagen der Temperaturprofilierung Bildung einer Lötstelle Kupfer-Zinn Reaktion, SAC, Bildung intermetallischer Phasen Cu 6 Sn 5 Cu 3 Sn Cu Quelle: Matthias Hutter, FhG IZM, Auswirkungen von zusätzlichen Elementen auf die Eigenschaften von Lötverbindungen WeichLöten 2009, Hanau Rehm Thermal Systems GmbH 3

4 Grundlagen der Temperaturprofilierung Der Effekt von Peaktemperatur und Zeit über Liquidus auf die intermetallische Phase (IMZ) Lot: SnAg3,0Cu0,5 LP: OSP der IMZ [µ µm] 2,5 2 1,5 1 d = k t über 30 s E 90 s k( T ) = k0 exp R T t Löt Dicke 0, Temperatur d Schichtdicke t Lötzeit k 0 Diffusionskonstante R Gaskonstante E Aktivierungsenergie T Löttemperatur Quelle: John Pan u. Andere, Effects of Reflow Profile and Thermal Shock on Intermetallic Compound Thickness for SnPb and SnAgCu Solder Joints, Proceedings APEX Feb. 2006, Los Angeles CA Rehm Thermal Systems GmbH 4

5 Grundlagen der Temperaturprofilierung Spreitung des Lotes - Bleifreies Prozess Oberfläche: chemisch Zinn 5 mm 19 [mm²] Benet tzte Fläche 18, , cm/min 85 cm/min 125 cm/min 140 cm/min 247 C ~ C C 244 C ~ C C Transportgeschwindigkeit - Peaktemperatur Quelle: H. Wohlrabe, T. Herzog,S. Schröder, Bericht zur Untersuchung des Einflusses von verschiedenen Löt- und Materialbedingungen auf die Qualität von gefertigten SMD-Baugruppen-Versuch 2, 2007 Rehm Thermal Systems GmbH 5

6 Grundlagen der Temperaturprofilierung Der Einfluss der Diffusion Ablegierung des Basiskupfers (nach Auslagerung 240 C / 24 h, Lot Sn95Sb) T L = 240 C T S = 235 C Rehm Thermal Systems GmbH 6

7 Die Zeit über Liquidus t L Paste: SnAgCu, Vakuum-Kondensationslöten Zeit über Liquidus id ~ 30 s Zeit über Liquidus id ~ 120 s Rehm Thermal Systems GmbH 7

8 Die Zeit über Liquidus t L Umschmelzverhalten eines Pastendeposits 300,00 250,00 emperatur [ C C] 200,00 150,00 100, C 4,5 s 30 µm 125 µm T 50,00 Pastendepot 100 % Pastendepot 80 % 0,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 Zeit [s] Rehm Thermal Systems GmbH 8

9 Die maximale Temperatur T max Benetzung an 0201 Gap, nicht benetzter Bereich ereich Nichtbe enetzter B [Pixel] Temperatur [ C] Gap Quelle: H. Wohlrabe, T. Herzog,S. Schröder, Bericht zur Untersuchung des Einflusses von verschiedenen Löt- und Materialbedingungen auf die Qualität von gefertigten SMD-Baugruppen-Versuch 2, 2007 Rehm Thermal Systems GmbH 9

10 Die maximale Temperatur T max Pillow Effect Ursache: Oxidation der Lotoberflächen BGA-Ball und Lotpaste Initial 215 C 220 C 230 C 240 C Quelle: Koki, Development of Anti-Hidden Pillow Defect Lead Free Lead Free solder paste, Rehm Thermal Systems GmbH 10

11 Die maximale Temperatur T max Voids Der Einfluss der Peaktemperatur rer Voidgeha alt [%] mittle BGA176 QFN Peaktem peratur [ C] Quelle: Voiding-Projekt (in Zusammenarbeit mit Rehm und Heraeus), H. Wohlrabe, TU Dresden 2008 Rehm Thermal Systems GmbH 11

12 Der Einfluss der Wärmemenge SnAgCu-Ball mit SnPb-Lotpaste Wenn QT > Ks erreicht, verteilt sich das Blei regelmäßig fein im Volumen *) QT = t über ( 2) t über (1) T ( t) dt Überhitzung über T L = 8K Mittlere Gröss se der Pb Pha asen [µm²] QT [K.s] Quellen: G.Grossmann, J.Tharian, P. Jud, U. Sennhauser, EMPA, Untersuchung der Mikrostruktur von bleifreien BGA-Anschlüssen, die mit Zinn-Blei-Lot verarbeitet worden sind, PLUS 8/2006 Bilder von Dr. F.W. Wulfert, 7. EE-Kolleg Sant Jordi März 2004 Rehm Thermal Systems GmbH 12

13 Der Einfluss der Wärmemenge Integral über Liquidus s (QT) [Ks] Integral üb ber Liquidu 1250,0 1000,0 750,0 500,0 250,0 0,0 Tmax T 235 C t über [s] QT = t über ( 2) t über (1) T ( t ) dt Temperatur über Liquidus [K] Rehm Thermal Systems GmbH 13

14 Moisture Sensitive Components PFCM 100, MSL 4 Delamination nach dem Reflowlöten Rehm Thermal Systems GmbH 14

15 Non-IC Components XY-Versatz (weggeblasenes Bauelement) 0603 Chip neben einem Tantal-Kondensator fehlt Ursache: Ausbläser Maßnahmen: Trockene Lagerung, Tempern kann empfehlenswert sein Bilder: H. Öttl, SRI Durach, 2003 Rehm Thermal Systems GmbH 15

16 Non-IC Components Kapazitätsverlust von Elektrolytkondensatoren nach Konvektionslöten vs. Kondensationslöten Beispiel RVZ 35V 47 µf D8x6,5L 0-1,4 Δ L erlust [%] -3-5 Bosch intern -1,9 Kapazitätsv -10 vorher Elna intern nachher Elektrolyt siedet bei ca. 200 C Max. Löttemperatur ca. 250 C Kondensation Konvektion Rehm Thermal Systems GmbH 16

17 Reflowprofil und Lötfehler Tombstones Lineares Reflowprofil hat einen Vorteil Tom mbstones abs solut Sattelprofil Reflowprofil Linearprofil Quelle: Gemeinsame Untersuchung Fujitsu Siemens Computers - Rehm - Fraunhofer ISIT, 2003 Rehm Thermal Systems GmbH 17

18 Reflowprofil und Lötfehler Tombstones Der Einfluss der Profilgeometrie Tempera atur [ C] K/s 0,5 K/s C 2,5 217 C t über = 68 s 100 Gradie ent [K/s] , ,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0 400,0 Zeit [s] 0,5 Vorheizung Peak 0 200,0 210,0 220,0 230,0 240,0 250,0 Zeit [s] Sattelprofil Linearprofil 217 C 245 C Gradient 2 K/s Gradient 0,5 K/s Gradient Sattelprofil Gradient Linearprofil Rehm Thermal Systems GmbH 18

19 Reflowprofil und Lötfehler Tombstones Der Einfluss der Transportgeschwindigkeit 8 Tombstone es Transportgeschwindigkeit [cm/min] Quelle: H. Wohlrabe, T. Herzog,S. Schröder, Bericht zur Untersuchung des Einflusses von verschiedenen Löt- und Materialbedingungen auf die Qualität von gefertigten t SMD-Baugruppen - Versuch 2, 2007 Rehm Thermal Systems GmbH 19

20 Reflowprofil und Lötfehler Solderballs Der Einfluss der Vorheizzeit 0,6 0, Beading an 0,4 0,3 0,2 0, Vorheizzeit [s] Quelle: H. Wohlrabe, T. Herzog, S. Schröder, Bericht zur Untersuchung des Einflusses von verschiedenen Löt- und Materialbedingungen auf die Qualität von gefertigten SMD-Baugruppen-Versuch 2, 2007 Rehm Thermal Systems GmbH 20

21 Reflowprofil und Zuverlässigkeit Der Effekt von Peaktemperatur und Zeit über Liquidus auf die Scherkraft von Chips Kein allgemeingültiger Zusammenhang erkennbar Einfluss von LP/BE-Finish und Phasenbildung SnAg3,0Cu0,5 SnPb T max 230,240,250 C t über 30,60,90 s T max 195,205,215 C t über 30,60,90 s 1206 signifikant ifik nicht sign nicht sign Quelle: John Pan, Effect of Reflow Profile on SnPb and SnAgCu Solder Joints Shear Force, Proceedings APEX Feb. 2006, Anaheim CA Rehm Thermal Systems GmbH 21

22 Reflowprofil und Zuverlässigkeit Konvektionslöten - Ergebnisse der thermomechanischen Alterungen Vergleich der Reflow-Temperaturen (Beispiel: SAC 405, chem. Sn) Keine signifikante Unterschiede Quelle: P. Frühauf, Siemens AG - Abschlusspräsentation BMBF-Verbundprojekt LIFE - Oktober 2008 Rehm Thermal Systems GmbH 22

23 Reflowprofil und Zuverlässigkeit Zuverlässigkeit und Abkühlrate Drop-Test von 6 ft (182,88 cm) CSPs auf chem. Silber und chem. Sn, Paste: Sn96,5Ag3Cu0,5 5 Mean Dr rops to Faitu ure Ag/-1,9 K/s Ag/-4,6 K/s Sn/-1,9 K/s Sn/-4,6 K/s Peak 246,3 C, Abkühlgradient 1,9 K/s Hours Storage at 125 C Quelle: Y. Liu, S. Gale, T. Burts, R.W. Johnson, Effect of Surface Finish, Reflow Profile and High Temperature Aging on Drop Test, Reliability of Lead Free CSPs, Auburn University, it Proceedings APEX 2006 Peak 248,9 C, Abkühlgradient 4,6 K/s Rehm Thermal Systems GmbH 23

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit und stets fehlerfreie Baugruppen Rehm Thermal Systems GmbH 24