15. FED- Konferenz MSL KLASSIFIZIERUNG FÜR ROHS-KONFORME BAUTEILE GEGEN POPCORNEFFEKT. von. Eckard Schöller

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1 microtec GmbH 15. FED- Konferenz testlab for opto + microelectronics MSL KLASSIFIZIERUNG FÜR ROHS-KONFORME BAUTEILE GEGEN POPCORNEFFEKT von microtec GmbH testlab for opto + microelectronics, Stuttgart Bremen

2 MSL Klassifizierung Popcorneffekt und weitere Moisture Sensitivity Test nach J-STD-020C Automotive- Qualifikationsprofil als Verschärfung der Anforderungen Gegenüberstellung und Vergleich Qualifikation von aktiven und passiven Bauelementen der Tests 2

3 MSL Klassifizierung Warum? Vermeidung von Fertigungsproblemen Handling der Bauelemente Zwischenlagerung Sicherung der Produkt- Lebensdauer BE Baugruppe System 3

4 MSL- Klassen nach J-STD-020C Mit dem Moisture Sensitivity Test werden die Einzelkomponenten den verschiedenen Feuchteklassen zugewiesen. Verarbeitungszeitraum Feuchte- Klasse maximaler Zeitraum bis zur Verarbeitung (Lötprozess) Feuchtelagerung ( C/%RH) 1 unbegrenzt bei 85%RH (85/85) 168h 2 1 Jahr bei 30 C/60%RH (85/60) 168h 2a 4 Wochen bei 30 C/60%RH (30/60) 696h 3 1 Woche bei 30 C/60%RH (30/60) 192h 4 3 Tage bei 30 C/60%RH (30/60) 96h 5 2 Tage bei 30 C/60%RH (30/60) 72h 5a 1 bzw. 2 Tage bei 30 C/60%RH (30/60) 48h 6 Time on Label bei 30 C/60%RH (30/60) 6h 4

5 Definierter Prozessablauf (MSL- Klassifizierung) Anlieferung der Bauteile SAM (Ultraschall) / Messung / Schliff Bake bei 125 C / 24h Lagerung in Temperatur/ Feuchtekammer 168h bei 85 C / 85% rel. Feuchte MSL 1 oder 192h bei 30 C / 60% rel. Feuchte MSL 3 Entnahme aus der Feuchtekammer Spätestens nach 4h Belastung mit. Dreimaliger Durchlauf innerhalb einer Stunde SAM ( Ultraschall) / Messung / Schliff Auswertung 5

6 Fehlerbild 1 Popcorneffekt Vornehmlich an den Grenzflächen zwischen Umhüllmasse und den internen Strukturen (IC bzw. Anschlüsse) lagert sich Feuchte an. Beim Lötprozess verdampft diese Feuchte schlagartig und kann Delaminationen und Risse verursachen. Delamination an PQFP 6

7 Fehlerbild 2 Delaminationen bei Bauteilen und Leiterplatten bei Verarbeitung RoHS konformer Bauelemente bleifreies Löten ca 25K erhöhte Temperaturanforderung (auch für die Leiterplatte/ integrierte LP) Verwendung von Basismaterial mit erhöhtem Tg dadurch erhöhte Feuchteempfindlichkeit erhöhte Gefahr von Delamination beim Reflowlöten 7

8 Fehlerbild 3 Bondabheber am Ball Bond einer LED 8

9 Fehlerbild 3 Delamination in Leiterplatte 9

10 Fehlerbild 4 Delamination in Leiterplatte mit Abriss der elektrischen Innenlagen 10

11 Vermeidung des Popcorn-Effekts Zur Vermeidung des Popcorn-Effekts / Delamination helfen generell folgende Maßnahmen: Trocknen der empfindlichen Bauelemente im speziellen Ofen bei 125 C/24 h oder 40 C/192 h Lagerung bei relativer Feuchte von < 5 % rel. Feuchte Anlieferung im Moisture Barrier Bag bzw. Dry-Pack Verarbeitung innerhalb des Zeitraums, der auf dem Dry-Pack angegeben ist 11

12 e Ist Status: nach IPC/JEDEC J-STD-020C; Juli 04 Bleifrei: 9 e ( 3 BE-dicken und 3 BE-volumen) Erhöhte Anforderungen an das Qualfikationslötprofil (Kundenforderung seit Mitte 2006) Automotive Qualifikationsprofil 9 e ( s.o. 3BE-dicken und 3 BE-volumen) Publikation IEC/TR : Environmental testing Part 3-12: Supporting documentation and guidance Method to evaluate a possible lead-free solder reflow temperature profile 12

13 Neue Anforderungen an Qualifikationslötprofile In 2006 Nachfrage nach einem modifizierten Qualifikationslötprofil speziell für den Bereich Automotive. Dieses so genannte Automotive - Qualifizierungslötprofil, stellt eine Verschärfung zum J-STD-020C Qualifizierungslötprofil dar. Gilt für aktive und auch für passive Bauelemente. Widerstände, Kondensatoren Stecker Leiterplatte 13

14 Qualifikationslötprofil nach J-STD-020C 14

15 Automotive- Qualifikationslötprofil Volumen / Dicke des Bauelements Klein < 350 mm³ Mittel mm³ Groß > 2000 mm³ < 1,6mm 260 ( ) C 260 ( ) C 260 ( ) C 1,6-2,5 mm 260 ( ) C 250 ( ) C 250 ( ) C > 2,5 mm 250 ( ) C 250 ( ) C 245 ( ) C 15

16 Vergleich der Qualifikationslötprofile Vergleich kritischer Parameter der verschiedenen Qualifizierungslötprofile am Beispiel eines Bauelements < 1,6 mm Beispiel Bauelement-Dicke < 1,6 mm (kleines Bauelement) IPC/JEDEC J-STD-020C IPC/JEDEC J-STD-020C Automotive Profil Kriterien Verbleit Bleifrei Bleifrei Anstiegsgradient in der Aufheizzone < 3K/s < 3K/s? 3K/s, mind. 10 s Temperatur in Vorheizzone und Haltezeit Haltebereich oberhalb Schmelztemperatur Lot max. Spitzentemperatur Toleranz Haltezeit C s s > 183 C 240 C 0-5 C s 150 C C s s > 217 C 260 C 0-5 C s 190 C C > 115 s > 90 s > 217 C 260 C 0 +5 C? 40 s Zeit bis zur Spitzentemperatur < 6 min < 8 min > 5 min Abfallgradient in der Kühlzone < 6K/s < 6K/s? 6K/s, mind. 10 s 16

17 Thermoelement Bezeichnung Ofenrichtung

18 Temperaturmessung 18

19 Seho MaxiReflow3.0 19

20 Qualifikationslötprofil 20

21 Qualfikationslötprofil / Detail 21

22 Produktions- e Produktionslötprofile: z.b nach IEC Ed. 2.0 ( ) Achtung! Deutlich sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorgestellten en um bzw. Testlötprofile handelt Diese Profile sind also keinesfalls als Richtlinie für ein Fertigungslötprofil zu verstehen! Die im Vortrag gezeigten Qualifikationslötkurven sollten die absolute Temperaturobergrenze sein und an keiner Stelle durch ein Fertigungslötprofil übertroffen werden. 22

23 MSL Klassifizierung an aktiven und passiven Bauteilen, Leiterplatten und Baugruppen sind dringend zu empfehlen: Vorbeugen von Ausfällen und Fertigungsproblemen während der Baugruppenherstellung Werden Bauelement- Änderungen wie Neudesign oder Redesign z.b. für andere Märkte durchgeführt oder sind Qualifikationsuntersuchungen geplant, sind die erhöhten Anforderungen des Automotive Qualifikationslötprofils zu beachten. 23

24 Danke für Ihre Aufmerksamkeit microtec GmbH testlab for opto + microelectronics, Stuttgart Kontakt: eckard.schoeller@microtec.de 24