LEITERPLATTENTECHNIK

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1 Verbesserung der Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Kostensenkung in der Automotive-Elektronik durch innovative Leiterplattentechnologie Michael Weinhold, European Institut of Printed Circuits (EIPC) In der modernen Automobiltechnologie ist die Elektronik ein wesentlicher Kostenfaktor. Nach den Aussagen von Bosch in Deutschland betragen die Kosten für Elektronik im Automobil bereits über 40 % der Gesamtkosten. Die Leiterplatte hat hierbei einen Anteil von etwa 4 % bis 8 % je nach Komplexität der elektronischen Baugruppe. Für die Funktionalität des Automobils ist die Elektronik mittlerweile der Faktor mit dem höchsten Risiko. Eine Funktionalität von 15 Jahren beziehungsweise von 150 tausend Meilen sind Kriterien die vom Hersteller der elektronischen Baugruppen gefordert werden. Der Vortag soll aufzeigen, was die Voraussetzungen sind damit diese hohen Anforderungen erfüllt werden. In modern automotive technology, the costs of electronics have a major impact on the total cost of a car. According to Bosch in Germany, 40 % of a modern car cost is related to electronics. The Printed Circuit Boards represent about 4 % to 8 % of the cost for electronic devices used in advanced Automobiles. For the functionality of the cars, the electronics represent the highest risk factor for mobility today. The vendors of the electronic devices must guarantee a service life of 15 years or 150 thousand miles today. However, many of the electronic components and/or the manufacturing technology do not have a history over such a long period. The paper will outline ways how these height demands in Automotive may be fulfilled. 1 Die Leiterplatte als elektromechanisches Verbindungselement der Baugruppen Leiterplatten basierend meist auf glasgewebeverstärktem Basismaterial sowie organischen Harzsystemen und werden überwiegend als elektromechanische Verbindungselemente genutzt. Die Designer von Baugruppen konnten damit das traditionelle Chassy einsparen und somit die Fertigungskosten senken. Das so entstandene Leiterplatten-Chassy erfüllt nun die Anforderungen für die elektrischen Verbindungen und bietet gleichzeitig den Bauteilen eine zuverlässige mechanische Fixierung nach den entsprechenden Löt- beziehungsweise Montageprozessen. Weiterhin wird gefordert, dass alle Prozesse zur Herstellung der Leiterplatte und zur Weiterverarbeitung zu einer Baugruppe so ausgelegt sind, dass keine Schäden am Isolierstoff beziehungsweise an den leitenden Verbindungen (den elektrischen Leiterbahnen) der Baugruppe entstehen. Diese Funktionen haben sich über mehrere Jahrzehnte mit den herkömmlichen elektronischen Bauteilen, dem FR4 Basismaterial, den Fertigungsverfahren und Bedingungen mit bleihaltigen Loten SnPb gut bewährt. Die Zunahme von Funktionen der Elektronik in Automobile hat auch die Packungsdichte und die verwendeten Bauteile verändert. Doppelseitige Bestückung und Mehrfachlötungen sind Standard geworden. Hinzu kommt, dass sich das verfügbare Platzangebot für die Elektronik im Auto nicht wesentlich verändert hat. Für die Elektronik und Systemdesigner bedeutet das die Miniaturisierung der Baugruppen. In vielen Fällen wollte man aber nicht auf bewährte Gehäuseformen und Steckverbinder verzichten, da hier entsprechende Zuverlässigkeitsdaten vorhanden sind. Hierdurch wurden Änderungen im Design weiter eingeschränkt. 1.1 Keramische Hybridschaltung für eine erhöhte Zuverlässigkeit Keramische Hybridschaltungen mit eingebetteten passiven Bauteilen war für viele Jahre die bevorzugte Problemlösung, wenn hohe Anforderungen an thermische Wechselbelastung gestellt wurden. Mit thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 7 ppm/k erreichen diese keramischen Leiterplatten einen vergleichbaren Ausdehnungsfaktor wie die verwendeten passiven Bauteile und zeigen nur geringfügige Unterschiede zu den für aktive Bauteile genutzten Siliziumverbindungen (3 ppm/k). Diese technologischen Problemlösungen haben gezeigt, wie Qualität und Lebensdauer einer Baugruppe PLUS 6 /

2 schon beim Design konstruktive geplant und ausgeführt wird. 1.2 Entscheidungsträgen und Preis-Leistungsverhältnisse Spätestens mit José Ignacio López und der damit einhergehenden Produktionsoptimierung und Beschaffung wurde bei VW 1992 eine neue Ära eingeleitet, die sehr stark von der Beschaffung (dem Einkauf) getrieben wurde. Solange noch Technologen auf diesen Positionen ein starkes Mitbestimmungsrecht hatten, war das eine weise Entscheidung. In vielen Bereichen ist heute die Kosten/Nutzen-Rechnung im Wesentlichen darauf aus, Kosten zu senken. Begriffe wie Mean time between failures (MTBF) sind heute nicht mehr aktuell. Der Grund hierfür ist, dass die Reparaturkosten höher sind als der Ersatz des Produktes. Defekte Baugruppen werden in der Regel nicht mehr repariert. 1.3 Lösung alter Probleme mit neuen Methoden Nach dem früheren MTBF sind heute neue Begriffe wie Mean time to failures (MTTF) sehr aktuell und werden von den Konstrukteuren verstärkt genutzt. Dadurch werden neue Wege beim Design der zukünftigen Elektronik möglich. Wenn der Faktor Reparieren nicht zu berücksichtigen ist, können bei herkömmlichen Leiterplatten mit FR4 verstärkt neue Fertigungsverfahren eingesetzt werden. Zur Zeit resultiert das noch in einer Wegwerf-Lösung. In den nächsten Jahren wird jedoch ein Wandel zur Recycle-Lösung stattfinden müssen. Bei Kunststoffen und Metallen in der Automobilindustrie haben diese Lösungen in den letzten Jahren gute Fortschritte erzielt. Bei der Elektronik ist hier noch ein hohes Potential für Innovation vorhanden. Es muss für die Elektronikindustrie einfacher werden, neue Materialien, Oberflächen und Prozesse zu qualifizieren welche die technischen und Lebenserwartungen der Baugruppe voll erfüllen. Neue Testmethoden zur Bestimmung der Lebenserwartung von Baugruppen sind für diese Qualifizierungen ebenfalls erforderlich. Diese existieren für Bereiche wie Satellitenelektronik, Flugzeugindustrie, Militäranwendungen und für Netzwerkelektronik. Für die Automobilindustrie müssen diese Testmethoden noch zugelassen werden. 1.4 Änderungen bei Materialien Die EU Direktive Restriction of Hazardous Substances Directive (RoHS) hat den Einsatz von bestimmten Materialien reglementiert. Für die Elektronikindustrie haben der Bann von Blei und besonders das Verbot von Blei-Zinn als Lot einen hohen Einfluss auf die Materialauswahl und die Fertigung der Baugruppen. Der Einsatz höherer Löttemperaturen bei der Baugruppenfertigung beeinflusst die Fertigungsausbeuten und die Lebensdauer von Baugruppen, die im Automobil verwendet werden, erheblich. Die für bleifreie Lote erforderlichen höheren Löttemperaturen haben die Anforderungen an das Basismaterial für die Leiterplatten und die Bauteile stark nach oben zu höherer Temperaturbeständigkeit verschoben. Mit der gestiegenen Temperaturbelastung ist die Zuverlässigkeit der Baugruppen negative beeinflusst worden. Durch die Directive 2002/95/EC (Directive on the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment) war eine Anpassung der Materialien und Verarbeitungsprozesse erforderlich. Zudem mussten neue Testmethoden für die geänderten Bedingungen entwickelt werden. 1.5 Fehlerquellen durch höhere Löttemperaturen und neue Materialien Die Verwendung von bleifreien Loten hat die typische Löttemperatur um etwa 20 C bis 30 C erhöht. Dadurch kommt es zu einer größeren Ausdehnung des Basismaterials. Das wiederum führt zu einer höheren Stressbelastung der Lötstellen und der Bauteile. Hinzu kommt, dass die SAC-Lote (Zinn-Silber-Kupfer / SnAgCu) eine höhere Festigkeit haben im Vergleich zu herkömmlichen Bleizinnloten (SnPb). Die nach RoHS nicht mehr zugelassenen bleihaltigen Lote hatten ausgezeichnete Kaltflusseigenschaften. Bei elektronischen Baugruppen bedeutete das einen Abbau der beim Lötprozess aufgebauten Stressbelastung an den Lotverbindungen über einen längeren Zeitraum. Im Gegensatz dazu weisen die typischen bleifreien Lote diese Eigenschaft nicht auf. Diese veränderten Bedingungen führen zu mechanischem Stress an den Lötstellen, die eine permanente Belastung für die Bauteile darstellen und sich auch häufig durch Cratering in Rissen unter den SMD- Landeflächen (Pads) am Basismaterial zeigen. Das kann zu Metallmigration und zu einer Verringerung der Isolations- / Kriechstrecken führen. 2 PLUS 6 / 2012

3 Die Leistungselektronik im Automobilbereich führt ebenfalls zu einer erhöhten Erwärmung der Bauteile. Das erzeugt dann an den schon vorbelasteten Verbindungen der Bauteile weiteren Stress, der sich über die Lötstellen bis hin zur Leiterplatte ausdehnt. Des Weiteren müssen auch die Mehrfachlötungen berücksichtigt werden. Moderne Baugruppen unterliegen gegenüber den Standardverfahren zwei und mehreren Lötprozessen. Das bedeutet mehrfache Temperaturbelastung bei bis zu 260 C. Bei Reparaturlötungen kann diese Temperatur partiell auch noch höher sein. Die Auswahl der Bauteile, der Basismaterialien und der Fertigungsverfahren müssen diese Belastungen voll berücksichtigen. 2 Leiterplattentechnologie als Problemlösung Seit vielen Jahren werden erfolgreich Hybridschaltungen aus anorganischen, keramischen Substraten im Automobilbereich eingesetzt. Das Einbetten von passiven Bauteilen in der Keramik, das Drahtbonden der Leistungselektronikbauteile und das Kleben von passiven Bauteilen auf den Außenlagen war eine bevorzugte Technik. Ein hoher Automatisierungsgrad in Verbindung mit einer sehr hohen Packungsdichte ermöglichte es, relativ kostengünstige Komponenten (Mini-Baugruppen) herzustellen. Mittlerweile ist die Entwicklung auf dem Bauteilemarkt soweit fortgeschritten, dass organische Substrate auf Leiterplattentechnik viele dieser für Hybridtechnologien typischen Funktionen erfüllen können. Hinzu kommt, dass die Materialkosten der Leiterplattentechnik geringer sind, die Prozesse etabliert und Standartbauteile zur Verfügung stehen, die ebenfalls kostengünstiger sind. Aufgrund diese Fakten gewinne die Worte von William of Occam ( ) wieder Gewicht: It is vanity to do with more that which can be done with less (Es ist die Eitelkeit, mit mehr das zu tun, was mit weniger getan werden kann). 2.1 Herstellung von Automobilelektronik Revolution oder Evolution? Unter den genannten Gesichtspunkten sollte die Elektronik im Allgemeinen und besonders in Bereich der Automobiltechnik neu überdacht werden [1]. Möglicherweise kann bei bestimmten Prozessen komplett auf das Löten der Bauteile und auf die Verwendung von herkömmlichem Basismaterial verzichtet werden. Obwohl diese Ideen bereits seit über 30 Jahren existieren, konnten bisher keine, für eine Massenproduktion geeigneten Lösungen in der Elektronikindustrie eingeführt werden. Anhand des OCCAM-Prozesses der Verdant Electronics, Inc. Sunnyvale, Kalifornien, wird aufgezeigt, wie eine Baugruppe ohne Lotverbindungen und ohne herkömmliches Basismaterial aussehen könnte. Bis zur Produktionsreife ist für die Einführung dieser Technologie noch viel Überzeugungsarbeit zu leisten. Trotzdem sind gute Voraussetzungen vorhanden. Bis diese revolutionierende neue Technik die erforderliche Fertigungsreife erreicht, wird sich die Elektronikund Automobilindustrie mit der Evolution von bestehenden Verfahren begnügen müssen (Abb. 1). Abb. 1: Beispiel einer OCCAM-Baugruppe, die ohne Lotverbindung und ohne Basislaminat hergestellt wurde 2.2 Smartphone-Technik zur Herstellung von Automobilelektronik Beispiele aus Asien zeigen, dass Technologien der für Smartphones verwendeten Bauteile und Prozesse bereits in der Automobilelektronik Einzug gehalten haben. Innovative Smartphone-Anbieter konzentrieren sich verstärkt auf Produktentwicklungen von Automobileelektronik. Hierbei geht die Entwicklung PLUS 6 /

4 deutlich über die Carentertainment-Systeme hinaus. Steuerungstechnik sowie Sicherheits- und Komfortelektronik sind hierbei deutliche Schwerpunkte. 2.3 Kritische Fakten der Produktion In der modernen Automobilelektronik werden heute Mehrlagenschaltungen (Multilayer) bis zu 12 Lagen verwendet. Der Trend geht weiter zu High Density Interconnect (HDI) Leiterplatten. Hier sind Konstruktionen wie mit einen ML-Presszyklus oder mit drei ML-Presszyklen gefragt. Das stellt eine hohe thermische Belastung der verwendeten Schichtpressstoffe dar. Die bei der Bestückung von Bauteilen auf die Leiterplatte zum Einsatz kommenden Lötprozesse arbeiten je nach Bestückungstechnik im Wellenlöt-, Reflowlöt- oder Handlötverfahren. Zudem finden teilweise Nachlötverfahren mit zwei- bis fünfmaliger thermischer Belastungen von in der Regel über 240 C statt. Diese hohe thermische Belastung der Baugruppe während der Fertigung kann als Vorschädigung angesehen werden und verkürzt somit die zu erwartende Funktionsfähigkeitszeit (MTTF) der Baugruppe. 2.4 Vermeidung kritischer Prozesse Die Forderung nach Verbindungstechniken in der Elektronikfertigung, die keine oder nur eine geringe Temperaturbelastung der Materialen und elektronischen Komponenten hat, ist heute durchaus möglich. Das wird an den Beispielen der Fertigungstechnik von keramischen Hybridschaltungen deutlich aufgezeigt. Die Umsetzung bei Leiterplattenbestückungsprozessen ist jedoch schwieriger und für den Baugruppenbestücker aus heutiger Sicht gewöhnungsbedürftig. Hersteller von Hybridschaltungen sind gleichzeitig auch Baugruppenfertiger. Somit sind die Hersteller von Hybridschaltungen für einen deutlich größeren Anteil an der Wertschöpfungskette verantwortlich. Die Hersteller von organischen Leiterplatten (den PCBs) stellen die Verbindungselemente von den aktiven und passiven Bauteilen her. Eine direkte Integration in die Lieferkette als Baugruppenbestücker ist bisher nur wenigen Leiterplattenherstellern gelungen. Die Gründe hierfür sind sicher in der unterschiedlichen Wertschöpfung bei der Leiterplattenherstellung und der Bestückung zu finden. Leiterplattenhersteller und Baugruppenbestücker haben in den letzten 30 Jahren häufiger versucht, hohe Temperaturbelastungen in der Baugruppenfertigung zu vermeiden. Es scheiterte oftmals an folgenden Schwierigkeiten: Die zur Verfügung stehenden leitenden Klebern für Leiterplatten waren nicht geeignet Die Kleberkosten waren zu hoch Applikationsmethoden der Kleber waren ungeeignet für große Produktionen Das Einbetten von aktiven und/oder passiven Bauteilen in organische Harzsysteme war nicht ausgereift und die Bauteile waren ungeeignet Fließ- und Aushärteeigenschaften der Harzsystemen waren ungeeignet Das Drahtbonden auf herkömmlichen Leiterplattenoberflächen war nicht zuverlässig Es existierten keine relevanten Fertigungsstandards für die Einbetttechnik von Bauteilen in Leiterplattentechnik Diese Schwierigkeiten sind mit neuen Entwicklungen bei den Bauteilen, den Harzsystemen und den Standards weitestgehend gelöst beziehungsweise es wird zur Zeit an Lösungen aktive gearbeitet. Die Bauteileindustrie liefert bereits aktive und passive Bauteile zum Einbetten in Leiterplatten. Das Internationale Electrotechnical Committee (IEC) und das IPC arbeiten an Standards für die Einbetttechnik von Bauteilen in Leiterplatten. Die Japan Printed Circuit Association (JPCA) haben gemeinsam mit der Korea Printed Circuit Association bereits Fertigungsstandards und Testmethoden für die Einbetttechnik entwickelt. Führende Leiterplattenhersteller in Europa arbeiten aktive an Lösungen zum Einbetten von Bauteilen in Leiterplatten. Besonders im Bereich der Automobilindustrie werden hierdurch deutliche Qualitätsverbesserungen, Kostensenkungen und eine höhere Zuverlässigkeit der Elektronik über die gesamte Lebensdauer des Automobils möglich. 3 Integration von Elektronik, Software und Mechanik Das Einbetten von Bauteilen in Leiterplatten kann in Deutschland auf eine über 15jährige Erfahrung zurückblicken. Nach einigen Jahren der Vorentwicklung hat im Jahre 1996 die Hofmann Leiterplatten die Einbetttechnik von aktiven und passiven Bauteilen in Leiterplatten zum Patent angemeldet. Das Patent [2] wurde 2004 erteilt und im Dezember 2011 von der AT&S Austria Technologie & Systemtechnik AG in Österreich übernommen. Hofmann Leiterplatten hat 4 PLUS 6 / 2012

5 Tab. 1: Thermische Leitfähigkeit von Materialien und Referenzen zu bekannten Stoffen [5] Material Acryl Luft Aluminium Kupfer Epoxidharz Glas PTFE Silizium Wasser thermische Leitfähigkeit 0,2 W/(mK) 0,024 W/(mK) 250 W/(mK) 400 W/(mK) 0,35 W/(mK) 1,05 W/(mK) 0,25 W/(mK) 149 W/(mK) 0,58 W/(mK) Abb.2: Bestandteile der Mechatronik [3] weiterhin die vollen Nutzungsrechte und ist als mittelständiges Unternehmen auf die Entwicklung von Mechatroniklösungen mit eingebetteten Bauteilen spezialisiert. AT&S Austria Technologie & Systemtechnik AG ist mit den Fertigungsstätten in Europa, China, Indien und Korea sehr gut positioniert um die global operierende Automobilindustrie mit innovativen Lösungen zur Verbesserung der Qualität und Lebensdauer von Automobilelektronik zu unterstützen. Die Einbetttechnik von elektronischen Bauteilen in keramische Hybridleiterplatten hat die hohe Zuverlässigkeit der Technologie gezeigt. Bei der Einbetttechnik in organisches Trägermaterial (Leiterplatte) werden Testverfahren notwendig, die sowohl die Zuverlässigkeit der Prozesse wie auch die zu erwartende Lebensdauer der Baugruppe nach den einzelnen Verarbeitungsschritten simulieren kann. 3.1 Temperaturmanagement bei elektronischen Baugruppen Auf der 6. DVS/GMM-Tagung Elektronische Baugruppen und Leiterplatten, EBL 2012 am 14. bis 15. Februar 2012 in Fellbach [4] berichtete der Eigentümer der Hofmann Leiterplatten über die Entwicklung und die Erfahrung beim Einbetten von aktiven-, passiven- und LED-Bauteilen. In diesem Vortrag wurde besonders auf das ausgezeichnete Temperaturmanagement bei der Einbetttechnik eingegangen. Basierend auf Erfahrungsberichten bei Eigenentwicklungen und bei Daten die von der Zulieferindustrie bereitgestellt wurden, konnte gezeigt werden, wie weit sich die Einbetttechnik schon heute für die Verbesserung des Thermalmanagements bei Leiterplatten eignet. Wie aus der Tabelle 1 ersichtlich ist, hat Epoxidharz eine mehr als 10 mal bessere Wärmedurchgangszahl als Luft und einen geringfügig niedrigere Zahl als Glas. Da Basismaterial aus etwa 60 Gewichtsprozenten Harz und etwa 40 % Glasgewebe besteht, kann von einer Wärmedurchgangszahl deutlich über 0,6 W/(mK) für glasfaserverstärktes Basismaterial ausgegangen werden. Mit den Basiswerten für einzelne Materialien wurden bei Hofmann Leiterplatten Untersuchungen über die Abb. 3: Die Bauteile sind bei herkömmlichem Aufbau der Baugruppe auf der Oberfläche bestückt. An den Hotspots auf der Oberfläche werden Temperaturen von 188,5 C gemessen PLUS 6 /

6 Abb. 4: Bei Leiterplatten mit eingebetteten Bauteilen ist die Erwärmung der Bauteile deutlich geringer; zudem sind keine Hotspots zu erkennen, da die Wärme über eine größere Fläche abgeführt wird Abb. 5: Kein wesentlichen Unterschiede in der Wärmeableitung zwischen thermisch optimiertem Basismaterial und Standard FR4 Wärmeableitung (Entwärmung) von eingebetteten Bauteilen durchgeführt. Bei Verwendung von herkömmlichem, für das Einbetten von Bauteilen geeignetem FR4-Basismaterial konnte eine deutliche Temperaturreduzierung an den Bauteilen und der Baugruppe festgestellt werden. Dieser positive Befund beschränkte die weitere Aufgabenstellung auf die Suche nach speziellen Basismaterialien für die bestmögliche Entwärmung der Bauteile. Die Untersuchungen zeigten, dass keine wesentlichen Unterschiede in der Wärmeableitung zwischen thermisch optimiertem Basismaterial und Standard FR4 messbar sind (Abb. 5). Es entstand sogar der Eindruck, dass das herkömmliche Material bessere Wärmeableiteigenschaften aufweist. Bei einer weitere Untersuchungsreihe wurde Basismaterial mit einer 2 mm Aluminiumverstärkung auf der Rückseite jedoch ohne Thermal-Vias verwendet. Auch bei diesen Tests wurden keine Verbesserungen der Entwärmung, gegenüber herkömmlichem Basismaterial, mit dem bei Hofmann Leiterplatten üblichen Aufbau, gemessen (Abb. 6). Insgesamt haben die Untersuchungen gezeigt, dass ohne ausreichende Zwangskühlung keine höhere Entwärmung bei der Verwendung von thermisch optimiertem Basismaterial erfolgt (Abb. 7). Die Temperaturverteilung im Inneren der Leiterplatte war jedoch gleichmäßiger. Mehr Details zu diesen Untersuchungen sind bei der Hofmann Leiterplatten erhältlich beziehungsweise aus [4] ersichtlich. Abb. 6: Untersuchungsreihe mit Basismaterial mit einer 2 mm Al-Verstärkung auf der Rückseite jedoch ohne Thermal-Vias Abb. 7: Verstärkte Entwärmung bei der Verwendung von thermisch optimiertem Basismaterial erfordert Zwangskühlung 6 PLUS 6 / 2012

7 3.2 Zuverlässigkeit bei leitenden Verbindungen Die Stressbelastung bei der Fertigung der Baugruppe muss bei der Zuverlässigkeitsanalyse berücksichtigt werden. Das Basismaterials, die Lötstellen und die Lochmetallisierungen werden durch Wärmebehandlungen bei der Leiterplattenherstellung, den Lötprozessen bei der Bestückung beziehungsweise bei der Reparatur von Baugruppen stark belastet. Hier wird häufig von einer Vorschädigung der Baugruppe gesprochen. Diese kann einen hohen Einfluss auf die zu erwartende Lebensdauer (MTTF) einer Baugruppe haben. Unterschiedliche Testmethoden für die Simulation von Baugruppenzuverlässigkeit sind im Einsatz. Die Flugzeugelektronik die Satellitentechnik und viele Militärbereiche habe Testmethoden in ihren Qualitätssicherungssystemen festgeschrieben. Eine neue Testmethode wurde zudem von der International Electrotechnical Commission (IEC) vorgestellte: Test Methods for Electrical Materials, Printed Boards and Other Interconnection Structures And Assemblies. Part 3-719: Test methods for interconnection structures (printed boards) Test 3E19: Monitoring of single plated-through hole (pth) resistance change, thermal cycling. Bei dieser Methode werden mindestens 25 einzelne Löcher mit einem definierten Durchmesser und einer definierten Kupferhülse unter Spannung einem Temperaturschocktest nach IEC Na Temperaturzyklen ausgesetzt, wobei folgende Untersuchungsbedingungen festgeschrieben sind: Spannung (Volt), die mit konstantem Strom während der oberen Kammertemperatur mittels Vierdrahtmessung ermittelt wird (Abb. 8) Teststrom: 1,1 A Gleichstrom PTH Lochdurchmesser: 0,25 mm PTH Kupferdicke (Hülse): 25 to 35 μm Testdauer: 1 sec. +/ 0,05 sec Eine Leiterplatte (6 Lagen ML LIN3101A-C) mit vergleichbaren Kupferstrukturen wie die aktuelle Leiterplatte (Leiterbahnen Leiterabstände und Lochdurchmesser / Lochmetallisierung) wird als Referenzstruktur für den Ausgleich der Temperaturvariante der Kammer verwendet. Diese Test-Referenzleiterplatte wird ebenfalls mit einem Strom von 1,1 A gespeist Abb. 8: Prinzip des Testgerätes zur Widerstandsmessung mit hohem Strom Typische Temperaturwechsel nach IEC werden unter folgenden Bedingungen durchgeführt: Temperatur 0 C bis 50 C Verweildauer 3 h Temperaturänderungsgeschwindigkeit 3 K/Min Anzahl der Zyklen 5 In vielen Anwendungsbereichen muss die Anzahl der Thermozyklen entsprechend des Einsatzgebietes der Baugruppe neu definiert werden. 3.3 Lebensdauer von Leiterplatte und Baugruppen Unterschiedliche Testmethoden haben sich als Alternative zum IEC-Testvorschlag seit einigen Jahren bereits in der Industrie etabliert. Hierzu zählt auch der IST-Prozess [6]. Diese Testmethoden werden von der Flugzeugindustrie sowie den Herstellern für Militärelektronik und den unterschiedlichen Bereichen der Satellitenfertigung verwendet. Damit liegen über 20 Jahre Erfahrung in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen vor. Mehr als 2000 spezifische Testkupons die auf die typischen Eigenschaften der zu testenden Leiterplatte oder des Mulitlayer abgestimmt sind, stehen dem Nutzer kostenlos zur Verfügung. Mittlerweile sind über 130 IST-Prüfanlagen weltweit erfolgreich im Einsatz. Der am 29. Februar 2012 publizierte Bericht [7] beschreibt den Testaufbau der Leiterplatte für den Testkupon und zeigt, unter welchen Bedingungen der Zuverlässigkeitstest durchgeführt wird, welche Defekte auftreten können und welchen Einfluss diese auf die Qualität und Lebenserwartung (MTTF) der Leiterplatte sowie der Baugruppe haben. Das Anlegen der Messspannung beim IST-Testaufbau führt zu einer Erwärmung innerhalb der Leiterplatte (Abb. 9). Diese Erwärmung tritt verstärkt an der Stelle auf an der ein verstärkter Widerstandsanstieg gemes- PLUS 6 /

8 L EITERPLATTENTECHNIK Abb. 9: Fehlstelle, die mittel IST Technik und zugehöriger Wärmebildkamera gemessen wurde sen wird. Die so identifizierte Fehlstelle auf der Leiterplatte wird dann entsprechend mittels Schliffbildtechnik untersucht. Die IST-Messtechnik nutzt ein Testkuponnetz mit einer Verkettung (Daisy Chain) von etwa 450 bis 900 Löcher. Das Layout ist so konstruiert, dass ein oder mehrere Testkupons auf einem Leiterplattennutzen beziehungsweise auf einem Bestückungsnutzen ohne zusätzlichen Materialverbrauch angebracht werden können. Durch diese Maßnahme kann das Testmuster im normalen Produktionsablauf mit gefertigt werden. Nach dem der Testkupon (Abb. 10 und 11) mit den entsprechenden Werten des Lötprozesses konditioniert wurde, wird der Test in einer spezifisch ausgelegten Testeinheit durchgeführt. Die für die Messung notwendige Spannung wird angelegt und mit Sensorleiterbahnen im Testkupon vermessen. Je nach Anwendungsgebiet ist die Aufheiztemperatur und die Anzahl der Temperaturzyklen unterschiedlich [7]. Dadurch werden die verschiedenen Arten von Defekten, die einen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit der Leiterplatte haben, sichtbar. Hierbei spiel Art und Anzahl der Lagen, Lochdurchmesser, Kupferschichtdicke, Füllstoffe im Epoxidharz und Armierung mit Glasgewebe eine wichtige Rolle. Die IST-Prüftechnik berücksichtigt die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten in X-, Y- und Z-Richtung bei der Verarbeitung und stellte fest, wie hoch eine mögliche Schädigung die Lebensdauer (MTTF) der Baugruppe beeinflusst hat. Abbildung 12 bis 19 zeigen einige Beispiele für Schädigungen durch Risse in Hülsen und Laminat. Abb. 12: Hülsenrisse in Leiterplatten bei hoher Z-Achsenausdehnung Abb. 10: Schematischer Aufbau des Testkupons mit farblich gekennzeichneten Stromleitern und Sensorleitern Abb. 11: Typischer Testkupon 8 Abb. 13: Schliffbild des Hülsenrisses (Barrel Crack) PLUS 6 / 2012

9 L EITERPLATTENTECHNIK Abb. 14: IST-Simulation eines Abrisses der Innenlage von der durchmetallisierten Kupferhülse durch starke Z-Achsenausdehnung bei Leistungselektronik Abb. 15: Schliffbild des Innenlagenabrisses an der metallisierten Hülse der Bohrung Abb. 16: Haftungsbruchs im Laminate (Basismaterial) (Kohäsionsfehler) PLUS 6 / 2012 Abb. 17: Schliffbild eines Adhäsionsfehlers (Haftungsverlust an den Kupferleiterbahnen) in einer Leiterplatte, festgestellt bei der IST-Simulation festgestellt Abb. 18: Kohäsionsfehler im Harzsystem einer ML-Leiterplatte; elektrisch ist die Leiterplatte zunächst noch brauchbar, allerdings mit verringerter Lebenserwartung Abb. 19: Conductive Anodic Filaments im Basismaterial, die häufig bei Haftungsschwächen in der Harzmatrix auftreten 9

10 Abb. 20: Rücklicht eines Sportwagens, bei dem die LEDs in eine Leiterplatte integriert sind Mit dem IST-Testverfahren lassen sich viele Fehler, die einen Einfluss auf die Lebenserwartung (MTTF) einer Baugruppe haben, vor einer Schädigung des elektronischen Geräts im Feldeinsatz ermitteln. Die Prozessfähigkeit von Fertigungseinrichtungen können hiermit ermittelt werden. 4 Innovation als Basis für Erfolg Der Erfolg der europäischen Industrie basiert auf Qualität und Innovation. Besonders die Automobilindustrie ist gefordert ihren Standard im Bereich der Zuverlässigkeit weiter auszubauen. Wie eingangs beschrieben, wird die Betriebstemperatur von Bauteilen und besonders von LEDs, die in die Leiterplatten- Harzmatrix eingebettet sind (Abb. 20), deutlich gesenkt. Eine starke Temperatursenkung verlängert die zu erwartende Lebensdauer der elektronischen Baugruppe. Das Einbettung von Bauteilen in Epoxidharz ermöglicht einen guten Schutz gegen Feuchtigkeit, Öle oder sonstige Verunreinigungen. Gemeinsam mit der Reduzierung der Betriebstemperatur der Bauteile ist mit einer deutlichen Verbesserung des MTTF zu rechnen. 5 Zusammenfassung und Ausblick Innovative Technologien sind in umfangreichem Maße in Europa entwickelt worden, und auch weiterhin ist die Kreativität der Ingenieure notwendig. Die Nutzung neuer Techniken fordert jedoch tiefgehendes Know-how und setzt die Bereitschaft voraus, gelegentlich Fehler einzugestehen und diese dann schnell zu korrigieren. Die Automobilindustrie in Deutschland hat als eine der treibenden Branchen ein riesiges Innovationspotential. Trotzdem müssen die verantwortlichen Manager und Experten bereit sein, neue Wege zu beschreiten, damit die Elektronik kleiner, leichter, zuverlässiger und kostengünstiger wird. Hinweis Weitere Ausführungen zur Leiterplattentechnik der Zukunft sind in der IPC International Technology Roadmap for Electronic Interconnections 2011 zusammengefasst. Diese kann beim EIPC Büro in Maastricht www. eipc.org Oder kwstenberg@eipc.org bezogen werden. Literatur [1] Robust, Simplified and Solder-Free Assembly Processing of Eletronics Products Verdant Electronics, Inc. Sunnyvale, Calif. [2] AML Patent der Firma Hofmann DE B [3] Aerial Venn diagram from RPI s website describes the various fields that make up Mechatronics [4] Elektronische Baugruppen und Leiterplatten 2012, in Fellbach, Vortrag 32 auf den Seiten 165 bis 170. ISBN VDE VERLAG GMBH, Berlin, Offenbach [5] Source: Alun Morgan, ISOLA. Presented at the EIPC Conference in Nuremberg on May 3-4, 2011 [6] EIPC Winter Conference in Prague. Feb 2 & 3, 2012 Session 1 paper # 2. PCB reliability made measurable Presenter: Hermann Reischer, Polar Instruments GmbH, AT Job title: Technical Sales and Support Director. Presentation content: Predicted life expectancy as an important factor for fabricators of electronic equipment in all industry segments. This paper explains how to measure reliability and how to predict life expectancy of electronic devices. These are important predictions for companies that are responsible for he quality of semi-finished and are responsible for the end products. [7] Report February 29, 2012 pwb@pwbcorp.com, com, Review of IST Methodology, Coupon Design, Failure Modes and Material Defects 10 PLUS 6 / 2012