Bleifreies Handlöten. T. Ahrens, Fraunhofer ISIT, D D. .

Transkript

1 9. Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg vom März M 2006 in Colonia de Sant Jordi Bleifreies Handlöten T. Ahrens, Fraunhofer ISIT, D D Itzehoe Fraunhoferstraße e 1, Tel , Fax thomas.ahrens@isit.fraunhofer.de Certified IPC Trainer, Mastertrainer für f r FED Fachverband Elektronik-Design

2 ISIT Schwerpunkt-Aktivit Aktivitätenten LEADFREE Trainingslinie IC-Technology Microsystems Analog-Digital IC Design Biotechnical Systems Packaging, Module Integration Integrated Power Systems

3 LEADFREE Trainingslinie im Fraunhofer ISIT* leadfree.de Pastendruck - Bestücken - Reflowlöten (SMT) Rework AOI Rework Selektiv Kolben Selektiv Welle Welle (SMT&THT) Offline- Programmierung Handlöten Rework Dampfphase Inspektion Zugang durch Schleuse *LIFE05 ENV/D/ LEADFREE

4 Übersicht Metallurgie des Handlötens Probleme mit bleifrei Bewertungskriterien zur Prozessoptimierung Erfassung des Prozessfensters Lotlegierungen im Vergleich Innovative LötwerkzeugeL Schlussfolgerungen Literatur

5 Bildung der Lötverbindung L beim Kolbenlöten Kolbenspitze (Kupfer) Bewegungsrichtung Flussmittel Oxidschicht Eisenschicht: benetzt, löst sich nur langsam Lot Legierungsschicht Grundmetall A: Oxidschicht B: kochendes Flussmittel C: freiliegende Metalloberfläche D: Lot reagiert mit dem Grundmetall E: wachsende Legierungsschicht (intermetallische Phase) F: Grundmetall Quelle:DKI Lehrmittel

6 Metallurgie (1): Wann schmilzt das Lot? Das eutektische Zweistoffsystem Zinn-Blei P Die eutektische Legierung hat den niedrigsten Schmelzpunkt (183 C), d. h. auch die niedrigste Verarbeitungstemperatur und das beste Formfüllungsvermögen im System P: Primärdendrit (bleireich) im eutektisch erstarrten Gefüge (Legierung Sn60 Pb)

7 Metallurgie (2): Wann schmilzt das Lot? Das eutektische Zweistoffsystem Zinn-Silber Die eutektische Legierung schmilzt bei 221 C; unter Zugabe von 0,5-0,7% Kupfer sinkt die Schmelztemperatur auf 217 C Ag Sn

8 Metallurgie (3): Die Grenzschichtreaktion Kupfer-Zinn Bei der Benetzung löst sich ε Lot Cu η ε Kupfer im flüssigen Zinn. Bei Löttemperatur entstehen an der Grenzfläche stabile Keime η 227 C der intermetallischen Phasen ε (Cu 3 Sn) und η (Cu 6 Sn 5 ). Blei nimmt an der Reaktion nicht teil.

9 Bleifrei Handlöten Empfehlungen eines Bauelementeherstellers (1) Quelle: Murata Cat.No.C02E-9 Chip Monolithic Ceramic Capacitors

10 Folgen erhöhter hter Arbeitstemperatur / T-GradientenT Bauteilschädigung

11 Folgen erhöhter hter Arbeitstemperatur / T-GradientenT Bauteilschädigung

12 Folgen zu hoher Arbeitstemperatur Folgen zu hoher Arbeitstemperatur Lift off natürlich auch bei bleihaltigem Lot!! HandDetLötung.jpg Hand0lötung.jpg Zu viel Lötwärme führt zum Abheben der Restringe

13 Grundregeln für f r das Löten L von Hand Stelle einen guten Wärmekontakt zwischen der Lötspitze und der Lötstelle her. Dieser gute Kontakt kann nur über das flüssige Lot erzielt werden. Lass das Flussmittel seine Wirkung an den entsprechenden Stellen verrichten. Das Flussmittel muss frei auf die zu lötende Stelle kommen. Flussmittel fördert den Wärmeübergang. Erhalte den Kontakt zwischen Lötkolben und zu lötender Stelle so lange aufrecht, bis das Lot gut verlaufen ist. Verwende nur soviel Lot wie notwendig. Bei bedrahteten Anschlüssen sollte die Kontur der Drähte sichtbar bleiben. Die Bauteile dürfen sich während der Erstarrung nicht bewegen. Reichen diese Regeln schon aus für einen beherrschten Prozess? Quelle: Klein Wassink Weichlöten in der Elektronik Leuze-Verlag (1992)

14 Ergebnisse einer NPL-Umfrage bei 65 UK-Elektronikfertigern Rework mit schnell nachheizenden LötspitzenL a) LötspitzentemperaturL THT SMT b) Anzahl LötvorgL tvorgänge c) zulässige LötzeitL SMT SMT Quelle: Wickham, Hunt; Soldering & SMT (1999) NPL = National Physical Laboratory, Teddington,, UK

15 Quantifizierung der vorhandenen Lötfertigkeiten: Das Scoring Modell Das Scoring-Modell ist ein Punktwertverfahren, das eine systematische Auswahl von Alternativen(Objekten) ermöglicht Objekte haben Merkmale, die je nach ihrer Bedeutung unterschiedlich gewichtet werden. Jedem Merkmal pro Objekt wird je nach Erfüllungsgrad ein Nutzwert zugeordnet Die Summe der gewichteten Nutzwerte aller Merkmale pro Objekt ergibt den Summenwert des Objektes. Das Objekt mit dem höchsten Summenwert ist der Favorit

16 Scoring ist eine Gruppenaufgabe; Ermittlung und Gewichtung der Merkmale wird durch eine heterogene Gruppe objektiviert Der Prozess kann in sechs Stufen unterteilt werden: Definition der Bewertungsgruppe z. B. Lötergebnis Auswahl der Bewertungskriterien (Merkmale) Gewichtung der Bewertungskriterien (Merkmalsgewichtung) alle gemeinsam; intuitiv (ausdiskutieren), korrelativ (objektiviert) Durchführung der Bewertung - jeder für sich allein Auswertung (Mittelwertbildung der Summenwerte) Sensitivitätsanalyse

17 visuelle Kriterien* zur Bewertung durch das Fertigungspersonal Die Lötstellenoberfläche soll gleichmäßig und glatt sein (Glanz ist nicht erforderlich). Das Lot soll von den zu fügenden Teilen aus dünn auslaufen (kleiner Kontaktwinkel). Die Lötstellenoberfläche soll nicht unterbrochen sein. Die Konturen der gelöteten Teile sollen in der Lötstelle erkennbar sein. Die Lötstelle muss ausreichend Lot enthalten. *IPC-A-610 Abnahmekriterien für elektronische Baugruppen

18 Scoring Modell, 2 Beispiele für f quantifizierbare Merkmale Merkmal i Nutzwert Gewichtung g i [%] Lötzeit [s] t > 3 3 > t > 2 2 > t > 1 17 Abweichung in der Lötzeit s > 0,8 0,8 > s > 0,4 0,4 > s 9

19 Anwendung des Scoring Modells Der Nachteil des Scoring Modells liegt in der Subjektivität der Auswahl und in der Gewichtung der Merkmale. Der Vorteil ist die Einfachheit des Modells, der fachliche Austausch zwischen den Scoring Teilnehmern und die verursachte Diskussion zwischen den Mitgliedern verschiedener Hierarchiestufen.

20 Ermittlung des Prozessfensters Löttemperaturen 300 C, 325 C, 350 C C und 375 C. Lötzeiten werden aus Videoaufnahmen ermittelt. Untergrenze des LötprozessfenstersL tprozessfensters: Zeitdauer bis zur vollständigen Pad- Benetzung (100% mit Lot benetzt) Obergrenze des Lötprozessfensters: L Zeitdauer bis zur Fleckenbildung ( Measling( Measling,, d. h., bis sich eine weiße e Verfärbung rbung auf der Leiterplatte zeigt).

21 Verwendete Lotdrähte SAC SnCuNi Merkmale Lotlegierung Sn-Ag-Cu Sn-Cu-Ni Ni<0,1% Sn-Cu Sn-Pb Zusammensetzung SnAg3.0Cu0.5 Sn99.3Cu0.7Ni Sn99Cu1 Sn60Pb40 Schmelztemperatur [ C] 217 (eutektisch) 227 (eutektisch) 227 (eutektisch) 183 (eutektisch) Drahtdurchmesser [mm] 0,6 0,5 0,7 0,5 Flussmittelanteil [Gewichts%] Fluxtyp 3,4 3,5 1,5 2,5 Alle no-clean halogenfrei

22 Untergrenze des LötprozessfenstersL 5 4 Zeit in [s] 2 1 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Lötspitzentemperatur in [ C] Sn-Ag-Cu Sn-Cu-Ni Sn-Cu Sn-Pb

23 Untergrenze des Lötprozessfensters L - Streuung der LötzeitenL 1,1 0,9 Zeit in [s] 0,5 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 g Sn-Ag-Cu Sn-Cu-Ni Sn-Cu Sn-Pb 0,3 0,4 0, Lötspitzentemperatur in [ C]

24 Obergrenze des LötprozessfenstersL Grenzwerte der Fleckenbildung durchschnittliche Lötzeit unterer Grenzwert oberer Grenzwert Standardabweichung Zeit in [s] Lötspitzentemperatur in [ C]

25 4 3 4,0 3,5 3,0 Durchstiegszeiten g durchschnittliche Durchstiegszeit Standardabweichung Untergrenze der Durchstiegszeit Obergrenze der Durchstiegszeit Zeit in [s] 2,5 2,0 1 1,5 1,0 0, Lötspitzentemperatur in [ C] 375 THT

26 Zeit in [s] Prozessfenster im Vergleich nach Benetzung = Prozessfenster I Sn-Pb Kurve A Kurve B T L =183 C Zeit in [s] Sn-Cu-Ni Kurve A Kurve B T L =227 C Sn-Ag-Cu Kurve A Kurve B Sn-Cu Kurve A Kurve B Zeit in [s] T L =217 C Zeit in [s] T L =227 C

27 Auswirkung auf das Innenleben 300 C SAC SnCuNi SnPb SnCu 300 C SnCu 375 C SnCuNi 375 C SAC 350 C

28 Scoring Modell - Merkmale - Merkmal i Punktwert N Kürzel Gewichtung g i [%] Benetzungs- γ >90 90 <γ >45 γ <=45 für A 17 winkel min.1 Lötstellen alle Lötstellen Lötzeit t>3 s 3<t>2 s 2<t>1 B 17 Abweichung σ>0,8 0,8<σ> 0,4 σ<0,4 C 9 in der Lötzeit Durc hstieg unter 80% min. 80% 100% D 17 Löttemperatur [ C] T=> <= T> <= T E 17 FM- Spritzer stark mittel kaum F 4 zusätzliche ja - nein G 12 FM- Verwendung Poren viele wenig kaum H 7 Tabelle 1: Scoring ΙΙ, Merkmale A-H, Punktwerte und Gewichtungen

29 Scoring Modell - Ergebnisse - Löttemperatur=325 C Summenwert Löttemperatur=350 C Summenwert Objekt k des Objektes Objekt k des Objektes SnPb 1,72 SnCu 0,81 SnAgCu 1,16 SnCuNi 1,06 SnPb 1,72 SnCu 1,15 SnAgCu 1,33 SnCuNi 1,32

30 Zeit in [s] Prozessfenster im Vergleich nach Schliffen = Prozessfenster II Sn-Pb Kurve A Kurve B T L =183 C Zeit in [s] Sn-Cu-Ni Kurve A Kurve B T L =227 C Sn-Ag-Cu Kurve A Kurve B Sn-Cu Kurve A Kurve B Zeit in [s] T L =217 C Zeit in [s] T L =227 C

31 bleifreie Wellenlötung, SnAg3,5/265 C, Schutzgas SMD (Lötseite) QFP44 0,8 mm Raster R µm Ablegierung bei 265 C Stromschiene guter Durchstieg bei 265 C hohe Temperatur: besserer Durchstieg mehr Ablegierung

32 Löten von Litzendrähten: Ablegierverhalten nach 3x5s LötzeitL SnPbAg SnAgCu0,5 SnAgCu1,3 Litzendrähte verdrillt 250 C 280 C

33 Das Ablegieren wird durch erhöhten hten Kupferanteil im Lot stark vermindert: 260 C, 3x5s SnPbAg SnAgCu0,5 SnAgCu1,3

34 Beispiel für f r LötspitzenL tspitzen-korrosion Quelle: ZAVT

35 Übersicht über manuelle LötspitzenL Quelle: ERSA Löttechnik GmbH

36 Handlötwerkzeuge für f r spezielle Anwendungen Oben: Hohlkehl-Lötspitze zur Pad-Nach- und Vorbereitung sowie zum Füllen der Lötverbindungen an Fine-Pitch-Bauelementen links: Heizbare Pinzette zum Greifen und Auslöten von 0402-Bauelementen; nicht zum Einlöten verwenden - der Temperaturschock kann die Keramik zerstören! Quelle: SMT magazine

37 Oxidation auf der LötspitzeL Quelle: ZAVT

38 Bleifrei Handlöten bekomme ich genügend gend Wärme W in meine Fügestelle? Lötspitze mit hoher thermischer Masse Lötspitze mit gezielter Kapillarwirkung

39 Wie verringert man die Oxidation? Lötspitze für Schutzgas umspülten Lötprozess Schutzgas geflutetes flüssiges Lotdepot Quelle: Weller

40 Flussmittelauftrag durch Sprühen, mit Pinsel oder Flussmittelstift Auch beim Auslötvorgang Flussmittel verwenden Verwenden Sie einen Flussmittelstift zum selektiven Auftragen von Flussmitteln. Flussmittelstift mit Selektivlötflussmittel abgestimmt auf die für Ihren Prozess qualifizierten Flussmittel

41 Handlöten mit Schutzgas-umsp umspülter Lötspitze Vorwärmung um Schutzgasstrom Kontaktierung mit Lot Abkühlphase in Schutzgasatmosphäre Quelle: Soldercom GmbH

42 Bleifrei Handlöten Empfehlungen eines Bauelementeherstellers (2) Früher hieß es: Kinder betet, Vater lötet mdl. Überlieferung: Dr. H. Bell, rehm Anlagenbau (Ursprung Zille?) Heute heißt es: Löten auf eigene Gefahr! Grafik: Murata Cat.No.C02E-9 Chip Monolithic Ceramic Capacitors

43 Zusammenfassung: Bei Verwendung bleifreier Lote sind die Lötzeiten länger die Ergebnisse ungleichmäßiger die Arbeitstemperaturen höher die Flussmittelrückstände & Lötspitzenkorrosion verstärkt. Deshalb: Schulungsaktivitäten mit Prozessfähigkeitsanalysen verbinden (Methodik siehe z. B. Scoring ) Oxidation mit Einsatz von Schutzgas reduzieren neue Werkzeuge evaluieren

44 Literatur DKI Lehrhilfe Werkstofftechnik Herstellungsverfahren Klein Wassink Weichlöten in der Elektronik Leuze-Verlag (1992) IPC-A-610C Abnahmekriterien für elektronische Baugruppen ESA PSS : The manual soldering of high reliability electrical connections; March 1985 IPC 7711/7721: Rework of Electronic Assemblies & Repair and Modification of Printed Boards and Electronic Assemblies Seher Kurnaz, Diplomarbeit Fachhochschule Wedel Scoring-Prozess: