BAUGRUPPENTECHNIK. Wir gehen in die Tiefe 2011 zum 6. Mal AVT-Themen mit Tiefgang erörtert

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1 Wir gehen in die Tiefe 2011 zum 6. Mal AVT-Themen mit Tiefgang erörtert Am 29. und 30. Juni 2011 fand in Dresden das 6. Seminar Wir gehen in die Tiefe statt, in dem wieder mit dem nun schon traditionellen Tiefgang aktuelle Trends der Aufbau- und Verbindungstechnologie erörtert wurden. Mit 150 Teilnehmern war das attraktive Seminar ausgebucht. Neben 13 Fachvorträgen und einer Table-Top- Ausstellung gab es reichlich Gelegenheit zum Networking und intensiven Erfahrungsaustausch, unter anderem bei der gemeinsamen abendlichen Dampferfahrt auf der Elbe. Veranstalter und Organisator des Seminars war wie in den Vorjahren 4-tec Marketing. Die Firmen Christian Koenen, Asys, Heraeus, Vliesstoff Kasper, Rehm, Siplace (ASM) und Zevac unterstützten die Veranstaltung als Sponsoren und Aussteller. Neben diesen beteiligten sich die Firmen Handke, Kolb CT, Samtec, Viscom und Zestron an der begleitenden Ausstellung. Eröffnet und moderiert wurde das 6. Seminar von Dr. Hans Bell, Rehm Thermal Systems GmbH, Blaubeuren. Er bemerkte bei der Begrüßung, dass er dies ausnahmsweise anstelle von Prof. Dr. Mathias Nowottnick, Universität Rostock, Rostock, täte, da letzterer wegen einer anderen Veranstaltung verhindert sei. Er gab dessen Grußwort wieder. Anschließend gab Dr. Hans Bell eine kurze Einführung in das Seminar, wobei er auch auf Dresden als Stadt der Erfindungen bis hin zur Nanotechnik einging. Neue Möglichkeiten von der Schablonentechnik bis hin zum Rework Die Möglichkeiten der Oberflächenveredelung zur Leistungssteigerung von Pastendruckschablonen stellte Thomas Lehmann, Christian Koenen GmbH, Referenten der Veranstaltung Ottobrunn, vor. Neben dem automatischen Bürstprozess, der das Standardverfahren ist, werden von seiner Firma CK-Polish, ein spezielles nur die Oberflächen behandelndes Verfahren, CK Elektropolieren, ein geschütztes Verfahren zur Verringerung der Rauigkeit der Öffnungswandungen und die Plasmabeschichtung zur Verbesserung des Auslöseverhaltens bis um den Faktor 0,42 angeboten. Zudem sind das Enhanced CK Elektropolieren, eine Weiterentwicklung des Elektropolierverfahrens für noch geradere Wandungen, sowie eine Oberflächenaktivierung der Rakelseite zur Verbesserung der Füllung der Schablonenöffnungen in der Evaluierung. Ferner kann mittels Stufenschablonen (selektiv angepasste Schablonendicke) das jeweils optimale Lotpastenvolumen aufgebracht werden. Mit 3D-Stufen ist in Verbindung mit geschlitzten Rakeln auch ein Drucken in Kavitäten von Leiterplatten möglich. Bei Substratunebenheiten, wenn beispielsweise der Lötstopplack zu hoch ist, kann durch Zapfen auf der Schablonenunterseite eine Kompensation erfolgen. Anhand von beispielhaften Ergebnisdaten und Bildvergleichen wurden die jeweiligen Verbesserungsmöglichkeiten verdeutlicht. Jörg Trodler, Heraeus GmbH, Hanau, berichtete über eine Untersuchung der Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen bei höheren Betriebstemperaturen, die anhand von Testaufbauten auf Leiterplatten und Keramiksubstraten mit unterschiedlichen Loten und Belastungen erfolgte. Dabei standen die Korrelation zwischen den Scherkraft- und den Widerstandsmessungen mit der Rissbildung sowie die unterschiedlichen Zuverlässigkeitstests (TCT und HTS) im Mittelpunkt. Eine Hochtemperaturlagerung (HTS) über 1000 h bewirkt mit Ausnahme der Legierung SAC405 eine stärkere Zerrüttung als eine Temperaturwechselbelastung (TCT von -40 C bis +150 C) nach 2000 Zyklen. Aus einem Vergleich der TCT von -40 C bis +125 C und von -40 C bis +170 C PLUS 8 /

2 können Parameter für Zuverlässigkeitsmodelle nur bedingt abgeleitet werden. Denn bei Ersterem waren nur circa 20 % Ausfälle und bei Letzterem etwa 80 % zu verzeichnen. Silberleitkleber hat bei angepassten Kombinationen Vorteile gegenüber Loten. SAC305 weist gegenüber SAC405 Vorteile auf. Die Fünfstoff- HT-Legierung ist bei höheren Temperaturen und auf NiAu sowie Dickfilm vorteilhaft. SnPb ist bei TCT von -40 C bis +125 C gegenüber bleifrei vorteilhaft. Die Abnahme der Scherkraft auf 50 % des Initialwerts ist ein gutes Kriterium, denn sie entspricht einer Worst Case-Betrachtung, da die Scherkraft bei einem kompletten Durchriss der Lötverbindung in der Regel unterhalb des 50 %-Wertes liegt. Ausgehend von einer ausführlichen Erläuterung der Regelkreistechnik, beschrieb Torsten Vegelahn, Ekra GmbH, Bönnigheim, wie eine Effizienzsteigerung durch Closed Loop-Regelung im Druckprozess erfolgen kann. Dazu werden nach dem Drucker alle aufgebrachten Pastendepots mit einem SPI-System gemessen. Aus diesen Daten werden der Mittelwert des Druckversatzes aller Depots in Bezug auf die Registriermarken für beide Druckrichtungen sowie die Flächenbedeckungen berechnet und davon gegebenenfalls Korrekturwerte abgeleitet und an den Drucker übermittelt. So erfolgt, wenn der eingestellte Schwellenwert für die Bedeckung überschritten wird, automatisch eine Schablonenreinigung. Der Einsatz einer entsprechenden Closed Loop-Regelung ist schon ab etwa 70 bis 80 Leiterplatten sinnvoll. Die Pros und Cons für das Reflowlöten unter Stickstoff zählte Dr. Hans Bell, Rehm Thermal Systems GmbH, Blaubeuren, auf. Vor allem bei höheren Löttemperaturen kommt es unter Luft zu verstärktem Oxidwachstum. Deshalb liegt beim Wellenlöten mit SAC-Loten unter Stickstoff (< 400 ppm O 2 ) der Krätzeanteil nur bei 3 % bis 6 % im Vergleich zu Luft. Die Oberflächenspannung des Lots ist unter Stickstoff kleiner, was mit einer größeren Lotspreitung beziehungsweise einer besseren und schnelleren Benetzung verbunden ist. Aufgrund des Benetzungszeitgewinns durch Stickstoff kann die maximale Löttemperatur reduziert werden. Unter Stickstoff entstehen weniger Lotperlen sowie abhängig von der Bauform mehr oder weniger Poren. Da weniger Zinnoxide entstehen ist das Whisker-Risiko geringer. Das Risiko für den Grabsteineffekt ist allerdings größer. Dr. Hans Bell empfahl angesichts dieser Situation Lötanlagen mit Stickstoff- beziehungsweise Restsauerstoffregelung. Nachdem Michael Kasper, Vliesstoff Kasper GmbH, Mönchengladbach, die Einsatzfelder und deren besondere Anforderungen angegeben hatte, demonstrierte er während seines Reinigungstücher rund um Ihren Fertigungsprozess titulierten Beitrags eindrucksvoll die unterschiedlichen Reiß- und Saugeigenschaften verschiedener Reinigungstücher. Danach erklärte er die unterschiedlichen Möglichkeiten Reinigungstücher herzustellen sowie die Zusammenhänge mit den Gebrauchseigenschaften. Die ohne Bindemittel zur Faserverbindung hergestellten Tücher sind lösungsmittelresistent und zeichnen sich durch eine geringe Partikelabgabe, eine hohe Saugleistung und eine hohe Reißfestigkeit aus. Die von seiner Firma vertriebenen Dupont Sontara Produkte sind wasserstrahlverfestigt und weisen dementsprechend sehr günstige Eigenschaften auf. Das richtige Rüstkonzept für jede Fertigungsanforderung zeigte Alexander Nitzsche, ASM Assembly Systems, München, auf, indem er die verschiedenen 2 PLUS 8 / 2011

3 Möglichkeiten erläuterte. So sind ein Rüstwechsel mit einzelnen Förderern direkt an der Linie mit Produktionsunterbrechung, ein Rüstwechsel mit kompletten Wechseltischen oder ein fließender Rüstwechsel mit einzelnen Förderern direkt an der Linie ohne Produktionsunterbrechung möglich. Ersterer ist für die Low Mix-High Volume-Produktion günstig und ermöglicht eine optimale Linienbalance und Rüstung für jedes Produkt, wobei keine Investition in zusätzliche Förderer und Wechseltische erforderlich sind. Für den Rüstwechsel mit kompletten Wechseltischen, der sehr schnell ist, muss dagegen investiert werden, damit ausreichend viele Tische verfügbar sind. Dies gilt insbesondere beim statischen Wechseltischkonzept, bei dem die Tische nicht umgerüstet werden. Unterstützung bietet die Software SiCluster Professional. Der fließende Rüstwechsel ist für die High Mix-Low Volume-Produktion interessant. Das Siplace Line Execution System (LES) unterstützt letzteres Konzept. Mit dem Tool Random Setup Workflow erfolgt eine datentechnische Verheiratung von Bauteil und Förderer im Vorrüstbereich, wodurch ein wahlfreies Stellen der Förderer in der Linie ermöglicht wird. Mit dem Siplace Linien Monitor ist eine permanente Visualisierung der Füllstände der Linie möglich. Dass der Reworkprozess mehr als heiße Luft ist, verdeutlichte Andreas Kraus, Kraus Hardware GmbH, Großostheim, nachdem er die Eigenschaften der inzwischen weit verbreiteten QFN-Bauform erläutert hatte. Neben der Inspektion sind Nacharbeit und Reparatur schwierig. Dies gilt insbesondere bei einer guten thermischen Anbindung des Thermal Pad an die Leiterplatte. Deshalb wird ein passendes Equipment benötigt wie beispielsweise das Onyx 29 von Zevac, das sich unter anderem durch eine berührungslose Restlotabsaugung, Dispensemöglichkeiten, ein Vision-System mit Splitoptik und mehrere Temperaturüberwachungsmöglichkeiten auszeichnet. Damit kann, wie beschrieben wurde, das defekte QFN-Bauteil abgelötet und das Restlot abgesaugt werden. Danach kann die Lotpaste auf die Pads der Leiterplatte oder alternativ die QFN-Anschlussflächen gedruckt und das Bauteil aufgelötet werden. Ein QFN-Rework ist ferner mit Bekugeln des Bauteils möglich. Bei diesem Prozess wird nach dem Bekugeln des neuen QFN das alte entlötet und das Restlot abgesaugt. Dann wird das bekugelte Bauteil mit Flussmittel aufgelötet. Ein QFN-Rework ist auch unter Verwendung des Restlots Impressionen von der begleitenden Ausstellung und vom Networking PLUS 8 /

4 möglich. Dazu wird es mit Stickstoff als Prozessgas abgelötet, Flussmittel aufgetragen und eine neues QFN mit Stickstoff als Prozessgas aufgelötet. Das Onyx 29 bietet hierfür teilautomatisierte, reproduzierbare und dokumentierte Reworkprozesse. Impressionen von der begleitenden Ausstellung und vom Networking Mehr als Ergänzungen wurde am zweiten Tag geboten Helge Schimanski, Fraunhofer ISIT, Itzehoe, eröffnete den zweiten Tag mit einem Vortrag über Prozessfenster und Zuverlässigkeit von manuell reparierten Lötstellen bleifreier elektronischer Baugruppen. In diesem präsentierte er Ergebnisse des AiF-Projekts Lötwärmebeständigkeit und Zuverlässigkeit neuer Konstruktionen im manuellen Reparaturprozess bleifreier elektronischer Baugruppen, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert wurde. Dabei schilderte er die durchgeführten Handlötarbeiten und die dadurch verursachten Schädigungen der Leiterplatten und Bauteile. Beispielsweise kam es bei einer Leiterplattenvariante bereits beim einmaligen Chiplöten mit Lötspitzentemperaturen von 350 C innerhalb von 3 s zu leichten Abhebungen und Eindrücken der Pads. Bei höheren Belastungen steigt das Risiko für Schädigungen. Deshalb werden folgende Lötparameter für das manuelle Reparaturlöten empfohlen: maximale Lötspitzentemperatur: 350 C maximale Lötzeit je Lötprozess: 3 s maximale Lötprozessanzahl: 3 Falls diese unzureichend sind, ist ein Vorwärmen erforderlich. Wenn die obengenannten Parametervorgaben eingehalten werden, beeinflussen die manuellen Reparaturlötprozesse die Zuverlässigkeit der Baugruppen hinsichtlich ihrer Temperaturwechselbeständigkeit nicht. Über die Herausforderungen moderner Luftfahrtelektronik und die entsprechenden AVT-Konzepte zur Zuverlässigkeitssteigerung informierte Thomas Lauer, Cassidian Electronics, EADS Deutschland GmbH, Ulm. Designs und Technologien müssen auf lange Zeit (> 15 Jahre) verfügbar sein. Lieferketten- und Produktionsprozesse sowie Bauteile müssen offiziell freigegeben sein und letztere müssen zusätzliche Anforderungen wie etwa whiskermitigierte Oberflächen erfüllen. Die Produktspezifikationen beinhalten teilweise Erweiterungen der IPC- beziehungsweise IEC-Standards. Die Klassendefinition und die härte- 4 PLUS 8 / 2011

5 ren Umweltbedingungen definieren die erforderliche AVT. Generell werden möglichst störungsarme-/freie Lötverbindungen angestrebt. Die Baugruppen müssen unter anderem Temperaturzyklen von -50 C bis 150 C, einer Hochtemperaturlagerung bei 125 C für 1000 h und Beschleunigungen von 50 g in allen Richtungen standhalten. Mittels Designanpassung, Interposern, Unterfüllen, lokaler Fixierung, Maßnahmen zur Whiskermitigation, Sonderlötprozessen wie Vakuumlöten für porenarme Lötverbindungen und RHSD (Robotic Hot Solder Dip), reflowbasiertem Entgolden, Stand-off-Anpassung, Packagetransfer und/oder weiteren Maßnahmen können die Zuverlässigkeitsforderungen erfüllt werden. Thomas Lauer präsentierte Beispiele dieser Maßnahmen und erklärte dabei, wie diese wirken. Einen Erfahrungsbericht zu Produktdesigns mit thermischen Massen im SMT-Prozess gab Stefan Egerer, Conti Temic Microelectronic GmbH, Ingolstadt. Er beschrieb den Aufbau eines ESC-Steuergeräts. Bei diesem wird zur Wärmeableitung eine Al-Platte mittels Prepreg auf die Leiterplatte laminiert und in diese ein Kühlniet zur Kontaktierung eines QFP von unten eingesetzt. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten treten Verwölbungen auf. Was zu deren Minimierung getan wurde und Prozessierungsprobleme wurden geschildert. Unter anderem wurde dabei auf den Lotpastendruck auf unebene Leiterplatten und den Dochteffekt beim Löten der QFP-Anschlüsse eingegangen. Marc-Philipp Kehm, HarmanBecker Automotive Systems, Karlsbad, berichtete über die Schablonenevaluation im Automotive-Bereich unter Berücksichtigung der gegebenen Pasten. Für die Schablone wurde eine Anforderungsliste erstellt und anschließend Untersuchungen durchgeführt. Die Versuche mit unterschiedlichen Reinigungsmedien und -zyklen ergaben keine signifikanten Unterschiede. Die Versuche mit Beschichtungen ergaben, dass sowohl die Plasma- als auch die Nanobeschichtung langzeitstabil sind und ein besseres Lotpastenvolumen ergeben. Vorteil der Plasmabeschichtung ist, dass diese sichtbar ist, was bei der Nanobeschichtung nicht der Fall ist. Was heute zu den aktuellen EMS-Fertigungsprozessen gehört und welche aktuellen Probleme es im Bereich Komponenten gibt, zählte Roland Mair, Mair Elektronik GmbH, Schwaig, am Beispiel seines Unternehmens auf. So sind nicht alle feuchteempfindlichen Bauteile bei der Anlieferung als solche korrekt gekennzeichnet. Ferner werden auch gefälschte und fehlerhafte Bauelemente angeliefert, weshalb entsprechende Kontrollen unumgänglich sind. Um Umgebungseinflüsse auszuschließen, wurde bei der Mair Elektronik GmbH ein klimatisierter Reinraum eingerichtet, in dem die SMT erfolgt. Um Überbelastungen zu vermeiden, sind nicht nur die Impressionen von der begleitenden Ausstellung und vom Networking PLUS 8 /

6 Maschinen sondern auch die Handlötgeräte temperaturüberwacht. Mit einem AOI- und einem Röntgeninspektionssystem wird die Qualität geprüft. Dieser ist Aufwand wird aufgrund der immer feineren Strukturen und engen Prozessfenster erforderlich. Mit dem speziell für EMS-Dienstleister konzipierten PPS- und ein ERP-System CoX me erfolgt die Produktionsplanung und -steuerung sowie die Datenverwaltung. Roland Mair zeigte Beispiele der EDV-Masken und der damit erzeugten Etiketten zur Bauteil- und Baugruppenkennzeichnung und bemerkte hierzu, dass die EDV immer wichtiger wird. Andre Novikov, Universität Rostock, Rostock, informierte im letzten Fachvortrag darüber, wie eine Niedrigtemperaturmontage mittels neuartiger Materialien erfolgen kann. Dazu verglich er zuerst die herkömmlichen mit neuartigen AVT-Materialien. Letztere können Modifikation der herkömmlichen Materialien und Kontaktelemente bezüglich ihrer Struktur, Änderungen der geometrischen Abmessungen und dadurch der physikalischen Eigenschaften (Nano- materialien) oder der Einsatz von speziellen Materialien wie beispiesweise CNT (Carbon Nano Tubes) sein. Letztere können sowohl als eigenständige Kontaktelemente als auch in Kombination mit Kleb- und Lotwerkstoffen eingesetzt werden. Auch temporäre Verbindungen in Form eines Klettverschlusses sind möglich. Für das Wafer-Bumping können hochporöse Goldkontakte verwendet werden. Eine Alternative zum Löten ist das Sintern von Silbernanopartikeln. Die beiden letzteren Möglichkeiten erfordern allerdings eine Druckeinwirkung beim Niedertemperaturverbindungsprozess. Nanoskalierte Lotpulver mit organischer Beschichtung weisen Probleme beim Zusammenschmelzen auf. Deshalb werden nun nanoskalige Lot- beziehungsweise Zinnschichten untersucht. Beispielsweise schmelzen 20 nm dicke Zinnschichten bereits bei 216 C auf. Die Nanoschichten müssen mit einer Schutzschicht gegen Oxidation geschützt werden. Ein alternierender Aufbau aus Zinn- und Goldschichten ist vielversprechend und erste Tests bereits erfolgt. -gk- 6 PLUS 8 / 2011