Bericht des Regionalgruppentreffens in Berlin am

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1 Bericht des Regionalgruppentreffens in Berlin am Gastgeber der ersten Regionalgruppenveranstaltung im Jahr 2016 war die Beuth Hochschule für Technik in Berlin (University of Applied Sciences). 43 Teilnehmer, darunter auch erfreulicherweise einige Studenten der Hochschule, waren der Einladung des FED gefolgt und konnten von Regionalgruppenleiter Marco Schiller begrüßt werden. Dieser bedankte sich mit einem Gastgeschenk bei Herrn Prof.Lewkowicz, Prodekan für den Bereich Elektrotechnik, Mechatronik und Optik, für die in seinem Hause gewährte Gastfreundschaft. Er hieß seinerseits die Anwesenden willkommen und hob in seinen Begrüßungsworten die Wichtigkeit der Zusammenarbeit zwischen Industrie und Technischer Ausbildung hervor. Mit ihren vielfältigen ingenieurswissenschaftlichen Studienangeboten und der hohen Anzahl an Studierenden ist die Beuth Hochschule eine der bedeuteten Hochschulen in Deutschland. Sie entstand 1971 durch den Zusammenschluss vieler über das Stadtgebiet Berlin verteilten Ingenieurschulen auf einem verkehrsmäßig sehr günstig gelegenen Standort im Stadtteil Wedding. Mit einer Powerpoint-Präsentation stellt Marco Schiller im Anschluss an die Begrüßung den FED mit seinen Aufgaben und Leistungen vor. Intensiv wird das Forum angesprochen, das in seiner neuen Form viele Vorteile bietet und ein ideales Networking gewährleistet. Michael Ihnenfeld aus der Geschäftsstelle berichtete dann über die Neuigkeiten aus dem Verband. Die neuen und geplanten Übersetzungen der IPC-Richtlinien werden vorgestellt und der Inhalt kurz angesprochen mit dem Verweis auf die vorhandene Auslage der Dokumente. Die nächste FED- Konferenz in Bonn vom 15. bis 16. September 2016 wurde angesprochen und auf den Call für Paper hingewiesen. Auf dieser Konferenz wird zum 3.Male der PCB-Design-Award vergeben, für den bis zum Ende Mai die Bewerbungen eingereicht werden können. Ausführliche Informationen auf unserer Website Ferner wurde auf den bereits 7. PCB-Designertag am 10.Mai 2016 in Nürnberg im Vogel-Convention Center hingewiesen. Im Anschluss wurde die turnusmäßige Wahl des stellvertretenden Regionalgruppenleiters für die nächste Amtsperiode durchgeführt. Der einzige Kandidat Klaus Dingler wurde einstimmig wiedergewählt. Prodekan FH-Beuth Referent Dr. Nils Kopp Referent Stefan Keller Regionalgruppenleiter Marco Schiller Elektrotechnik / Optik / Firma ELSOLD Firma WÜRTH ELEKTRONIK Firma TAUBE ELECTRONIK Mechatronik Im ersten Fachvortrag stellt Dr. Nils Kopp, Firma ELSOLD GmbH, in seinem Vortrag Lötmittel für Elektronikbaugruppen vor.1954 gegründet wird die Firma 2011 ein Tochterunternehmen der JL-Goslar und eröffnet 2013 die neuen Produktionsanlagen in Ilsenburg. Das Produktportfolio umfasst die gesamte Breite der Lötmittel, Weichlote, Lotpasten und Flussmittel. Seit dem Inkrafttreten der RoHS-Richtlinie stellten sich an die Substitutionslote hohe Erwartungen. Mit der SnCU- und der SnAgCu- Gruppe werden die meisten bleifreien Anforderungen erfüllt, allerdings ist eine höhere Prozesstemperatur beim Lötvorgang durch die veränderte Metallurgie notwendig. Weitere Nachteile sind die Kupferablegierung und dadurch Schädigung feiner Strukturen und die Anreicherung von Kupfer im Lotbad, und die Beschädigung der Lötwerkzeuge. Es entsteht eine erhöhte Krätzebildung während des Lötprozesses und die die Lötstelle verliert ihren in der bleihaltigen Technologie gewohnten Glanz. Die Größe der Cu 6 Sn 5 - und der Cu 3 Sn-Phasen führt zur Erhöhung der Liquidustemperatur. Zur Verhinderung dieser Vorgänge sind Mikrolegierungen <0,1% mit anderen Metallen (Nickel, Cobalt, Cerium, Eisen) entwickelt worden. Der positive Einfluss ist mit der Auflösung eines Kupferdrahtes in einem Lötbad nachzuweisen. Ein gezeigtes Diagramm über die Kupferauflösung an der Grenzfläche Lot- Bauteil verdeutlichte zudem diese Aussage. In Schliffbildern wird weiterhin die Reduzierung der Cu 6 Sn 5 - und der Cu 3 Sn-Phasen durch die Zugabe von Ni dargestellt. Andere Zusätze (z.b. Nickel und Cobalt) verringern den Angriff von Eisen. Eine Verringerung der Oxydationsneigung (Krätzebildung) kann durch Zugabe von Phosphor oder auch Germanium erreicht werden, jedoch sollte die Menge der Zusätze nicht zu groß werden, da dann die Krätzebildung wieder ansteigt. 1

2 Um den vorgenannten Beeinträchtigungen entgegenzuwirken muss das Lotbad in regelmäßigen Abständen überprüft und im Bedarfsfall die Legierung gereinigt werden, um qualitativ gute Fügestellen zu erhalten und Lötfehler zu vermeiden. Auch in der Produktionsphase kann der Austausch der Metalle vorgenommen werden. Eine Verbesserung der Fließeigenschaften und des Abreißverhaltens des Lotes kann durch Kombinationen der Zusätze, Ni und Phosphor, ebenfalls erreicht werden, wobei jedoch kleine Unterschiede zum Einfluss bei Verwendung nur der Ni zu verzeichnen sind. In der Praxis werden Mikrolegierungen mit nachfolgenden prozentualen Anteilen beigemischt: Ni = 0,03 bis 0,04%, Ge =0,003 bis 0,007% und P = 0,001 bis 0,005%. Damit werden eine hohe Reinheit, geringe Krätzebildung, ein dünnflüssiges Lot und eine gute Benetzung erreicht. Weitere Vorteile sind glänzende Oberflächen und ein geringer Angriff der Oberfläche der Lötwerkzeuge sowie geringe Ablegierungsraten. Eine Zusammenfassung demonstriert die nachfolgende Vortragsfolie Quelle Vortragsfolien Dr. Nils Kopp, Firma Elsold Zur Ausbildung und Gewährleistung guter Lötstellen sind Flussmittel unersetzlich. Mit ihnen werden Oxydschichten auf der Oberfläche entfernt und damit auch die Oberflächenspannung des Lotes vermindert und während des Lötvorganges eine erneute Bildung von Oxydschichten verhindert. Die Flussmittel sind jedoch nicht zur Reinigung von Leiterplatten geeignet. Die Bestandteile in unterschiedlichen Prozentsätzen für flüssige, pastöse und feste Flussmittel sind Lösemittel, Zusätze, Aktivatoren und Harze, wobei im Lötvorgang die Aktivatoren den wichtigsten Bestandteil bilden. Je nach Zusammensetzung sind 4 Arten von Flussmittel zu unterscheiden: ROSIN mit dem Hauptbestandteil Kolophonium (Baum- und Wurzelharz und andere natürliche Harze) RESIN mit den Hauptbestandteilen anderer natürlicher Harze und synthetischen Harzen Organische Flussmittel zusammengesetzt aus organischen Stoffen (keine Harze) Anorganische Flussmittel als Lösung aus anorganischen Säuren oder Salzen. Die Klassifizierung erfolgt nach der Einteilung der Hauptbestandteile und der Wirksamkeit der Aktivatoren und ist in den Normen ISO 9454 der J-STD-004 und der DIN EN geregelt. Für die Prüfungen gilt das Dokument IPC-TM-650 und Teile der DIN EN ISO Eine Übersicht über die Klassifizierung zeigt die nachfolgende Vortragsfolie: 2

3 Quelle Vortragsfolien Dr. Nils Kopp, Firma Elsold Zum Einsatz der Flussmittel und den geforderten Anforderungen sind die Produktklassen 1 bis 3 in der J-STD-001 heranzuziehen. Dabei ist auf die Normerfüllung und die Korrosionssicherheit besonders in der Klasse 3 (Luft- und Raumfahrt, medizinische und militärische Geräte) bezüglich der Sauberkeit und der Zuverlässigkeit zu beachten. Die Anforderungen in der Praxis sind vielfaltig und reichen von der Sicherheit bezüglich der Korrosionsbildung über ein schnelles Benetzen, geringe Klebrigkeit, wenig Spritzverhalten und ein geringes Gefahrenpotential in der täglichen Anwendung. Beim Vergleich natürlicher (Kolophonium ROSIN) und künstlicher Harze (RESIN) sind die unterschiedlichen Eigenschaften zu beachten. RO ist ein natürlicher Aktivator, wasserunlöslich (nur mit organischen Lösemitteln) und bildet nach dem Festwerden einen bernsteinfarbigen Rückstand, ist jedoch sehr preiswert. Bei RE dagegen muss ein Aktivator hinzugefügt werden. RE ist wasserlöslich und hat zum großen Teil die gleichen Eigenschaften wir RO, es wird komplett synthetisch hergestellt oder aber Harze werden chemisch modifiziert. Durch den geringen Unterschied der beiden Gruppen ist die Einteilung in der Normung nicht ganz eindeutig. Organische Flussmittel OR haben einen höheren Säureanteil (gegebenenfalls Halogenide oder andere Trägerstoffe) und erhöhen damit die Prozessgeschwindigkeit. Ein Schutzfilm, wie bei den Harzen, wird nicht immer gebildet und es erhöht sich dadurch die Gefahr der Elektromigration. Auf den Leiterplatten können sich weiße Rückstände bilden. Der Einsatz bei höheren Prozesstemperaturen ist gegeben. Weitere Unterschiede sind in der Klebrigkeit und der Sprödigkeit zu finden und den damit verbundenen Risiken bezüglich losen Restteilen des Flussmittels und Schmutzanhaftungen auf den Oberflächen. Beide Eigenschaften sind in RO und RE in unterschiedlicher Ausprägung zu finden, bei OR steigt die Sprödigkeit, dagegen ist die Klebrigkeit weitaus geringer. Die Geruchswahrnehmung ist rein subjektiv zu beurteilen, kann aber durch Duftzusätze beeinflusst werden. Gefahrstoffgehalte sind in allen Flussmittelverbindungen zu finden und eine Absaugung der Dämpfe ist unbedingt zu empfehlen. Die unterschiedlichen Kosten für die Flussmittel sind gegenüber den Kosten für die Lotlegierungen zu vernachlässigen. Die Vermeidung von Rückständen kann durch Einsatz der Flussmittelart (RO, RE und OR) und durch Einsatz anderer chemischen Hilfsmittel verringert werden. die Benutzung geringer Mengen oder rückstandsarmer Flussmittel ist ebenfalls ein probates Mittel. Die Verhinderung von Lotmittelspritzern, zu schnelles Verdampfen und Ausdehnen des Harzes und des Aktivators, ist bei RO nicht zu vermeiden bei RE oder OR jedoch von der Zusammensetzung des Flussmittels abhängig. Auch hier ist die Zusammenfassung in den Vortragsfolien sehr aussagekräftig. Kaffeepause, Zeit für Gespräche 3

4 Der zweite Fachvortrag nach der Kaffeepause wurde von Stefan Keller, Produktmanager in der Firma Würth-Elektronik, mit dem Titel HDI Signalintegriät gehalten. Zum Thema HDI werden die Zuverlässigkeit, die Design Rules für Fine Pitch BGA s, die Kosten und die Miniaturisierung betrachtet. Für die Zuverlässigkeit spielen die Herstellungsprozesse bei immer kleiner werdenden Paddurchmesser und damit auch Bohrdurchmesser und die Beachtung der verwendeten IPC-Klassifikation eine wesentliche Rolle. Dazu kommen die Leiterplattendicke und die benötigte Lagenzahl. Bei immer kleineren Strukturen sind Microvias, buried Vias und stacked Vias die notwendige Lösung. Im Herstellprozess sind die Fertigungstoleranzen nach den Design-Empfehlungen in der IPC-2221 zu beachten. Weitere wesentliche Faktoren zur Erzielung einer hohen Zuverlässigkeit, speziell in den Bohrungen, sind das Aspekt Ratio (Leiterplattendicke zu Bohrdurchmesser), die Kupferschichtdicke und die Bohrqualität sowie der Ausdehnungsquotient CTE des Basismateriales. Zum Nachweis der Zuverlässigkeit wird der Temperaturwechseltest (TWT) zwischen -45 C und +125 C angewandt. Neu ist ein IST-Test (Interconnect Stress Test), eine schnell zuverlässige Methode, der entscheidende Vorteile gegenüber dem TWT bietet. Mit einem Testcoupon, der mit der Leiterplatte abgestimmt sein muss, werden 1000 Zyklen in 4 Tagen durchgeführt verbunden mit einer Onlinemessung der Messkreise. Nach einer bestimmten spezifizierten Vorbehandlung wird nach einer Aufheizung auf 150 C in 3 Minuten und der Abkühlung auf Raumtemperatur in 2 Minuten in der Onlinemessung der Widerstand einer Verbindung auf der Leiterplatte gemessen und nach einer Überschreitung von 10% ein Abbruch vorgenommen. Die Firma Würth empfiehlt zur Verwendung der Basismaterialien gefüllte und halogenfreie DICY Materialien bei der Anwendung höherer Lagenzahl und damit verbunden auch die Erhöhung der Leiterplattendicke gegenüber FR4 Materialien. Die Entstehung von Voids an gefüllten Microvias ist abhängig vom Flussmittel im Lötprozess in Verbindung mit dem verwendeten Lötprofil und durch ungleichmäßige Erwärmung, die durch ein nicht optimales Layout hervorgerufen werden kann. Beim Microvia-Filling werden zwei Varianten unterschieden, komplett mit Kupfer gefüllt, oder gefüllt und mit einer Kupferschicht gekapselt. Beide Varianten haben Vor- und Nachteile und müssen gegeneinander abgewogen werden. Bei einer durchgehenden Bohrung wird durch die Deckelung mit der Kupferschicht der Lotabfluss vom Lötpad verhindert. Diese ist Methode zur Erzeugung von Thermovias zu empfehlen. Vergrabene Vias ohne Kupferdeckelung verhindern eine Blasenbildung und Vermeiden Einsenkungen, mit einer Kupferabdeckung ist die Erstellung von Stacked Vias möglich, welches aber einen erhöhten Fertigungsaufwand notwendig macht. Ein dritter Typ der Deckelung ist das Plugging von Vias bei der das Via luftdicht und einseitig verschlossen wird. Der Ablauf eines Filling-Prozesses ist in den Vortragsfolien aufgeführt. Die Design-Rules können von der Website der Firma Würth Elektronik heruntergeladen werden und sind zum Teil aus der nachfolgenden Folie ersichtlich. Quelle Vortragsfolien Stefan Keller, Firma Würth-Elektronik Design-Rules für BGA-Pitch-Abstände von 0,65mm bis 0,4mm sind in dem Folienvortrag aufgeführt. Für die entstehenden Fertigungskosten sind die Größe der Leiterplatte, die Lagenanzahl und der Lagenaufbau die wesentlichen Faktoren. Die Größe der Leiterplatte kann durch Vermeidung von 4

5 durchgehenden Bohrungen (PTH) und Anwendung von Microvias und Burried Vias verringert werden, wie aus einer gezeigten Studie hervorgeht. Je nach innerem Aufbau der Lagen und damit nach der Anzahl der Verpressvorgänge erhöhen sich die Fertigungskosten. Als Beispiel können sich die Kosten für einen 8-Lagen-Multilayer-Aufbau durch Anwendung von Microvias mit unterschiedlicher Komplexität dieser und durch die Notwendigkeit von 2 Pressvorgängen bis auf 150% erhöhen. Die Wirtschaftlichkeit der Kosten muss mit der Miniaturisierung und dem Aufbau des Gesamtsystems, Anwendung von gedruckten Widerständen oder Einbau in Gehäusen zur besseren Wärmeabführung, gesehen werden und abgestimmt sein. Der Trend geht zu immer kleineren und komplexeren Strukturen und damit auch zum Aufbau von Microvias-Systemen. Die Einflussgrößen für die Signalintegrität können zum einen durch den Entwickler durch die Wahl der Leiterbahnbreite und der Dicke des Materiales und damit Wahl des Abstandes zum Bezugsleiter beeinflusst werden und zum anderen durch den Leiterplattenhersteller durch die Wahl des Basismaterialies und den Fertigungsprozess der Leiterplatte (Kupferdichte und gleichmäßiger Auftrag im Galvanikprozess). Aus diesen beiden Gründen ist eine Abstimmung der beiden Parteien eine Voraussetzung zur Gewährleistung einer guten Qualität. Die Designparameter zur Signalintegrität werden bestimmt durch die Struktur der Leiterbahn (Fuß, Kopf, Höhe und Breite), den Lagenabstand und der Lötstopplackdicke. Ein weiterer wichtiger Einflussfaktor auf die Signalintegrität ist das Epsilon R (Ɛ r ), das durch den Anteil des Harzes im Aufbau des Basismateriales bestimmt wird. Durch die Unterschiedlichen Angaben in Datenblättern hat die Firma Würth Elektronik eigene Messungen des Ɛ r durchgeführt zur Gewährleistung der gefertigten Qualität. Unterschiedliche Impedanzmodelle durch Kombination der Lagen sind möglich, Surface Microstrip Embedded Microstrip Stripline. Bei der Leiterbahnkonfiguration wird zwischen Single-, Differentielle- und Coplanare-Ausführung unterschieden. Zur Impedanzberechnung werden Modelberechnungen herangezogen in den die benötigten Parameter einbezogen werden. Finetuning kann mit der Wahl von Prepregs, also Abständen zwischen den Leitungen und der Masselage, der Leiterbahnbreite und der Leiterbahnbreite und Abstand untereinander durchgeführt werden. Die Überprüfung der Impedanz geschieht mit einem Prüfstift auf einem Leiterplatten-Coupon mit der TDR-Technologie (Zeitbereichsreflektometrie). Der Kurvenverlauf wird auf einem Bildschirm dargestellt und muss sich innerhalb bestimmter Grenzen bewegen. Ein Report kann ausgeschrieben werden. Störstellen können an verschiedenen Stellen des Verbindungssystems auftreten und können durch kurze Verbindungen über innenliegende Durchkontaktierungen verringert werden. Hochfrequenzanwendungen und High-Speed-Leiterplatten stellen die nächsten Herausforderungen dar. Besondere Basismaterialien müssen verwendet werden deren Kupferfolien mit besonders gutem Treatment (glatte Oberfläche) wegen des Skineffektes ausgestattet sind. Bei den Verbindungen von BGA s mit sehr kleinen Pitch-Abständen sind Stacked Buried Microvias als Alternative für kurze Leitungen anzuwenden. Die Materialkosten erhöhen sich für die Basismaterialien wesentlich. Eine mögliche Lösung zur Gestaltung von HF-oder High-Speed Baugruppen ist der Einsatz der Lasercavity mit ihren kurzen Verbindungen untereinander und einer gleichzeitig optimalen Entwärmung des Systems. Blick in die Teilnehmerrunde Bei der Anmeldung Zum Abschluss der Veranstaltung bedankte sich der Regionalgruppenleiter Marco Schiller bei den Referenten für die sehr informativen und interessanten Vorträge. Eine Führung durch das Labor der TH BEUTH für den Bereich Elektronik, Mechatronik und Optik rundete den Nachmittag ab. Quellen: Vortragsfolien Lötmittel für Elektronik-Baugruppen, Dr.Nils Kopp Firma ELSOLD Vortragsfolien HDI Signalintegrität, Stefan Keller Firma WÜRTH ELEKTRONIK Die Vortragsfolien können mit Genehmigung der Firmen auf der FED-Homepage eingesehen und heruntergeladen werden. 5