Bleifreie Leiterplattenoberflächen- Ein Blick unter die Oberfläche

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1 THEMEN

2 Bleifreie Leiterplattenoberflächen- Ein Blick unter die Oberfläche 9. Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg 23. März 2006 Colonia de Sant Jordi Ing. Matthias Bauer

3 THEMEN Alternative Oberflächen Eigenschaften und Besonderheiten Erfahrungen Ausblick

4 OBERFLÄCHEN Chemisch Zinn Austauschreaktion Cu - Sn, 0,8 1,2 µm Sn Chemisch Nickel/Gold Austauschreaktion mittels Katalysator, ca. 5µm Ni, 0,05-0,1µm Au Heissluftverzinnung Bleifrei Vertikaler Prozess; hohe Temperatur Organischer Oberflächenschutz Organische Verbindung auf Imidazolbasis 0,1 0,4 µm Chemisch Silber Austauschreaktion Cu - Ag, 0,1 0,25 µm

5 OBERFLÄCHEN VERTEILUNG Flächenverteilung Häusermann 2005 Alternative Oberfläche Häusermann 2005 HASL Bleihaltig 28% 72% Alternative Oberfläche 0% 12% Chemisch Zinn Chemisch Ni/Au Chemisch Silber 30% 58% HASL Bleifrei

6 OBERFLÄCHEN ENTWICKLUNG 50 Alternative Oberfläche Häusermann 2005 % Anteil Fläche Q05 2Q05 3Q05 4Q05 1Q06 Pb frei HASL ENIG chem. Sn

7 OSP (Organischer Oberflächenschutz) Oberflächenpassivierung auf Imidazolbasis Monomolekulare, Organometallische Schicht Geringe Schichtdicke 0,2 0,4 µm Gute Lötbarkeit, Mehrfachlötungen bedingt möglich Kombination mit chemisch Nickel Gold möglich Low Cost High Volume Anwendung

8 CHEMISCH SILBER Austauschreaktion Cu(s) + 2 Ag(aq) Cu² Ag(s) Planare Oberfläche 0,1 0,4µm Ag Schicht 12 Monate Luftdicht Verpackt Lagerfähig Lötstoplack Unterwanderungen Mehrfachlötungen bedingt möglich Wenig Anwendung in Europa

9 BLEIFREI HASL SnCu06Ni01 Legierung SN 100C Balver Zinn Hohe Prozesstemperatur C Wellen-, Tauch- und Selektivlöten möglich Vertikalverfahren Hoher Stress für die Leiterplatte

10 BLEIFREI HASL Lotdepot vergleichbar mit Pb HASL Cu Ablegierung 6-8 µm

11 BLEIFREI HASL Separationen an der Bohrwand

12 CHEMISCH NICKEL GOLD Vertikalverfahren High Tech und Telekom Bereich Gute Lagereigenschaften (12 Monate) Teure Rohstoffe (Au, Pd, Ni) Automatisierte Prozessführung mittels Ni-Controller möglich

13 CHEMISCH NICKEL GOLD Abscheidemechanismus Aktivator Schwefelsäure basierender Palladium Aktivator Generiert ein Palladium-monolayer auf der Cu Oberfläche Garantiert eine gleichmäßige Nickel Abscheidung

14 CHEMISCH NICKEL GOLD Abscheidemechanismus Stromlose Nickel Abscheidung NiP Legierung mit 7 10 % P Konstante Abscheidegeschwindigkeit Löt- und Bondbare (Al Draht) NiP Schicht

15 CHEMISCH NICKEL GOLD Abscheidemechanismus Immersion Gold Dichte, Reine Goldschicht über Nickel Schützt Nickel vor Oxidation Garantiert schnelle Benetzung beim Löten Garantiert eine Lagerzeit von 12 Monaten

16 CHEMISCH NICKEL GOLD Einfluss der Goldschichtstärke Mehrfachlötung: 1 x Reflow, 1 x Welle (ohne Bauteile) Fluxer: Ultraschallfluxer Alpha Grillo NR 100 (1,8 %) Beurteilung: Durchstieg über 75 % (2,4 mm / 1,2 mm Bohrung)

17 CHEMISCH NICKEL GOLD Black Pad Starke Nickel Korrosion, Schwarze Oberfläche Schlechte Haftung Gold zu Nickel Hohe Goldschichtstärke (> 0,12 µm) Mud Cracks in der Nickelschicht Entnetzung auf der Nickeloberfläche Tritt auf der ganzen Platine auf

18 CHEMISCH NICKEL GOLD Black Pad Mud Cracks in der Ni Schicht

19 CHEMISCH NICKEL GOLD Faktoren der Nickelabscheidung 7-10 % P Gehalt in der Nickelschicht durch automatisierte Prozessführung (Ni Controller, Auto Dosing, Protektostat) Konstante Nickelschichtstärken Geringere Goldschicht - Je höher die Goldschicht desto mehr Nickelangriff

20 CHEMISCH NICKEL GOLD Faktoren der Leiterplatte

21 CHEMISCH NICKEL GOLD Brittle Fracture Ursachen Thermische Ausdehnungskoeffizienten zwischen BGA Bauteil und Leiterplatte unterschiedlich Mechanischer Stress verursacht durch Bauteilgröße und Verwölbung Verwindung Fehlpositionierung der Lötstopmaske Lötstop Definierte Pads (SMD)

22 CHEMISCH NICKEL GOLD Brittle Fracture Einflussgrößen ENIG: Ni Schichtdicke (5 6 µm) Au Schichtdicke (0,05 0,1 µm) Einflussgrößen Leiterplatten: Paddesign und Padgröße Wölbung Verwindung Basismaterial Platinenlayout Platinengröße Einflussgrößen Bestücken: Art der Komponenten (BGA, µbga) Aufbau der Komponenten (Ballgröße, Material)

23 CHEMISCH NICKEL GOLD Brittle Fracture Gute und Schlechte Lötverbindung Großer Mechanischer Stress Schematischer BGA Aufbau

24 CHEMISCH NICKEL GOLD Brittle Fracture

25 CHEMISCH ZINN Als Vertikal und Horizontal Verfahren möglich Schichtstärken für Pb-freie Fertigung 1,0 bis 1,2 µm Planare Oberfläche für kleinste Strukturen Gute Benetzungs- und Löteigenschaften

26 CHEMISCH ZINN Austauschmetallisierung: 2 Cu + Sn 2+ 2 Cu + + Sn

27 CHEMISCH ZINN Abscheide Charakteristik

28 CHEMISCH ZINN Benetzungskraft

29 CHEMISCH ZINN Zinnschichtabbau nach 1 Jahr Lagerung und 3 x Reflow [Peak 265 C] 1,4 1,2 Zinnschicht 1 Jahr gelagert 3 x RF (265 C) Dewetting Zinnschicht [µm] 1 0,8 0,6 0,4 0, Messungen 1 Jahr Lagerung: 0,22 µm 3 x Reflow (Peak 265 C) 0,48 µm Verbleibende Zinn Schicht 0,30 µm Applizierte Zinnschicht 1,00 µm

30 CHEMISCH ZINN Whisker Whiskerwachstum wird durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst. Whisker = ƒ ( A, B, C, D, E, F, G,... ) A = Temperatur und Feuchtigkeit B = Wasserstoff Einlagerungen C = Organische Einlagerungen D = Externer Stress E = Interner Stress F = Korngrößen G = Basismaterial

31 CHEMISCH ZINN Wasserstoff und Organische Einlagerungen, Korngrößen Große, flache Zinnkristalle bieten signifikant weiniger Platz für Einlagerungen. Große Korngrößen sind thermodynamisch stabiler und neigen weniger zur Rekristallisation d.h. es ist schwieriger einen Whisker auszupressen

32 CHEMISCH ZINN Whisker

33 CHEMISCH ZINN ORMECON CSN FF W scheidet eine metallische Nanoschicht auf Kupfer ab. Sn Metallic intermediate layer [10-20 nm] Cu Reduziertes Whisker Wachstum Langsameres Wachstum der IMZ Whiskerwachstum < 20µm / 6 Monate

34 ERFAHRUNGEN Es gibt neben Technologischen vor allem auch optische unterschiede zwischen den chemisch Zinn Schichten verschiedener Anbieter Die ENIG Oberfläche wird vor allem bei komplexen, hochwertigen Schaltungen aufgrund der vorhandenen Langzeiterfahrungen und der guten Lagerfähigkeit angewendet. Für einfache Doppelseitige und 4 lagen Multilayerschaltungen findet die Bleifreie Heißverzinnung Anwendung. Der Umstieg auf bleifreies Löten erfordert sehr viel Zeit und Know How, eine Drop In Lösung gibt es nicht. Es kann zu Baugruppenspezifischen Problemen kommen welche im Pb Zeitalter nicht erkannt wurden.

35 AUSBLICK Es ist ein klarer Trend in Richtung chemisch Zinn erkennbar, aber auch die ENIG und Bleifrei HASL Oberfläche finden verstärkt Anwendung. Der Einfluss des Leiterplattendesigns bei der Produktion von komplett Bleifreien Schaltungen wird stärker. Die Prozessfenster in allen Produktionsbereichen werden kleiner, die Prozesskontrolle wird immer wichtiger Bei auftretenden Fehlern muss eine genaue Analyse durchgeführt werden. Alternative Bleifreie Leiterplattenoberflächen sind entwickelt und stehen zur Verfügung.

36 PROJEKTTEAM BLEIFREI 2006 Verfahrenstechnik: Technischer Support: Qualitätssicherung: Marktentwicklungen: Bauer Matthias Ing. Führer Josef Öhlzelt Markus Steininger Harald Ing. Häusermann GmbH Zitternberg 100 A-3571 Gars/Kamp ++43/(0)2985/

37 DANK Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Für Fragen stehe ich gerne zur Verfügung Informationen wurden freundlicherweise von und zur Verfügung gestellt

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