Löten in Stickstoffatmosphäre Rechtfertigen Qualitätsaspekte die Kosten?

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1 Löten in Stickstoffatmosphäre Rechtfertigen Qualitätsaspekte die Kosten? Heike Schlessmann, SEHO Systems GmbH Löten in einer Schutzgasatmosphäre hat in den letzten Jahren wieder deutlich an Aktualität gewonnen. Ein wesentlicher Grund ist der ungebrochene Trend zur Miniaturisierung von Baugruppen, der immer geringere Kontakt- und Leiterbahnabstände mit sich bringt. Entsprechend hoch sind die Ansprüche an die Qualität der Lötverbindungen. Weitere Faktoren sind die hohen Prozesstemperaturen mit erhöhtem Oxidationsrisiko beim bleifreien Löten sowie Umweltschutzaspekte, da das Reinigen der Leiterplatten von Lot- und Flussmittelresten mit aggressiven Flüssigkeiten vermieden werden kann, weil wegen des Stickstoffs den Flussmitteln weniger scharfe Aktivatoren zugesetzt sein müssen. Bei der Entscheidung über den Einsatz von Schutzgas sollten mehrere Aspekte Beachtung finden. Während vordergründig die Kosten für das Schutzgas die Gesamtproduktionskosten in die Höhe zu treiben scheinen, muss auch berücksichtigt werden, dass die Qualität der Lötverbindungen deutlich verbessert werden kann, wenn der Lötprozess in einer sauerstoffarmen Umgebung stattfindet. Damit können die Kosten für erforderliche Reparaturprozesse verringert und die Rentabilität in der Elektronikfertigung insgesamt erhöht werden. SCHUTZGASTECHNIK Schutzgase sollen unerwünschte Reaktionen mit dem Luftsauerstoff, in erster Linie die Oxidation der metallischen Oberflächen, verhindern. Beim Schweißen werden dazu häufig Edelgase, wie z.b. Argon verwendet. In vielen anderen industriellen Prozessen, und hierzu zählt auch das Löten, kommt Komponente Volumenanteil Siedetemp. Stickstoff 78,08 % C Sauerstoff 20,95 % C Argon 0,93 % C Neon 18,2 ppm C Helium 5,2 ppm C Krypton 1,1 ppm C Wasserstoff 0,5 ppm C Xenon 0,1 ppm C Tabelle 1: Luftzusammensetzung SEHO MWS 2300: Wellenlötanlage mit Stickstofftunnel I 18

2 Klasse Reinheit Stickstoff ,999 Vol% typische Verunreinigungen 10 ppm O2 2ppm, H2O 3ppm, Ar 5ppm Stickstoff ,998 Vol% 20 ppm Stickstoff ,99 Vol% Stickstoff ,9 Vol% Tabelle 2: Stickstoffreinheit 100 ppm 1000 ppm vor allem Stickstoff als preisgünstigeres Inertgas zum Einsatz. Mit 78,08 vol% ist Stickstoff der Hauptbestandteil von Luft. Für seine Gewinnung durch Luftzerlegung macht man sich die unterschiedlichen Siedetemperaturen der Luftbestandteile zunutze. Die Luft wird durch Abkühlen verflüssigt und dann fraktioniert destilliert, so dass man die einzelnen Bestandteile erhält. Eine große Bedeutung für die Lötqualität hat die Gasreinheit, die üblicherweise in Volumenprozent angegeben wird. Bei hohen Reinheitsansprüchen wie z.b. Stickstoff 5.0 wird der Gehalt an Verunreinigungen analysiert und ebenfalls angegeben Alternativ zur herkömmlichen Flüssiggasversorgung gewinnt die Stickstoff-Eigenerzeugung, mit der sich Reinheiten von 2.5 bis 5.0 erzielen lassen, an Bedeutung. Im Wesentlichen wird hierbei Druckluft durch ein Kohlenstoff-Molekularsieb geleitet, das die Sauerstoffmoleküle und weiteren Bestandteile der Luft absorbiert, während die Stickstoffmoleküle ungesiebt als gewünschtes Produkt ausströmen. Der Vorteil ist die Unabhängigkeit von Stickstofflieferanten und in gewissem Maße durchaus auch ein Kostenvorteil, der jedoch sehr stark von der erzeugten Stickstoffqualität und der erforderlichen Stickstoffmenge abhängt. Als Faustregel wird angenommen, dass bei einer erforderlichen Stickstoffreinheit von > 4.5 und einem Bedarf von mehr als 10 m³/h eine Eigenerzeugung in aller Regel nicht mehr kosteneffektiv ist. Bei einem Elektronikhersteller, der bereits mit Flüssigstickstoff 5.0 in der Fertigung arbeitet, wurde ein Kostenvergleich zur Eigenerzeugung mit einer Qualität von 100 ppm (Klasse 4.0) durchgeführt. Als Grundlage zur Verbrauchsberechnung diente die Produktion mit einer Tunnel- Wellenlötanlage und einem Reflowsystem bei einem Gesamtverbrauch von 46 m³/h. In der Kostenkalkulation wurden neben der Abschreibung auch Raumkosten, Wartung, Energieverbrauch und kalkulatorische Zinsen berücksichtigt. ELEKTROCHEMISCHE RESTSAUERSTOFF- MESSUNG Sauerstoff ist lebenswichtig für atmende Lebewesen, in gleichem Maße aber nachteilig für thermische Prozesse. Er brennt zwar selbst nicht, reagiert aber bei Verbrennung. Es lassen sich Messmethoden für Sauerstoffkonzentrationen finden, die auf dieser Eigenschaft beruhen. Eine gängige Methode für eine kontinuierliche Messung ist die Verwendung eines elektrochemischen Restsauerstoffmessgerätes. Der Sensor des Messgeräts enthält eine Anode, einen Elektrolyten und eine Luftkathode, zu der begrenzt Sauerstoff durch eine Diffusionsbarriere diffundieren kann. An der Luftkathode wird der Sauerstoff zu Hydroxyl-Ionen reduziert, die die Metallanode oxidieren. An der Kathode tritt folgende Reaktion auf: Grafik 1: Kosten der N 2 Eigenerzeugung in % vs. Flüssigstickstoff 5.0 aus dem Tank. Selbst im 3-Schicht-Betrieb über 10 Jahre Nutzungsdauer ist der Tank knapp günstiger. O 2 + 2H 2 O + 4e => 4OH- An der Anode läuft die folgende Reaktion ab: 2Pb + 4OH => 2PB(OH) 2 + 4e- Die vollständige chemische Reaktion lautet somit wie folgt: 2Pb + O 2 + 2H 2 O => 2PB(OH) 2 Die Anzahl der in der Reaktion beteiligten Elektronen (= elektrischer Stromfluss) ist direkt proportional zur Anzahl der Sauerstoffmoleküle. Mit einem Restsauerstoffmessgerät kann die ständige Überwachung der Atmosphäre an mehreren Messpunkten sichergestellt werden. SCHUTZGAS IN DER LÖTTECHNOLOGIE WAS BEWIRKT N 2? Stickstoff als inertes Gas ist wegen der Dreifach-Elektronenpaarbindung zwischen den beiden Stickstoffatomen sehr reaktionsträge und dient dazu, den Sauerstoff aus dem Lötprozess zu verdrängen. Durch den Wegfall des Sauerstoffs werden Oxidationen an den zu lötenden Komponenten unterbunden. Dies wiederum hat einen direkten Einfluss auf Lotausbreitung, Benetzungskraft und winkel sowie auf die Oberflächenspannung. In einer Studie wurde die Lotausbreitung unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen untersucht. Hierbei wurde festgestellt, dass sich bei einer Reduzierung des Restsauerstoffwertes das Lot bereits bei wesentlich niedrigeren Temperaturen ausbreitet. Besonders offensichtlich ist dies im Falle von Sn63/Pb37 mit einer Schmelztemperatur von 183 C. Bei einem Restsauerstoffgehalt von 10 ppm beginnt die Lotausbreitung bereits bei 205 C (401 F), jedoch erst bei 270 C (518 F) in einer Restsauerstoffatmosphäre von 1000 ppm [1]. Zwar ist im Falle von bleifreien Lotlegierungen dieser Effekt nicht ganz so offensichtlich, jedoch sind ähnliche Tendenzen erkennbar. Der Schluss, dass eine sauerstoffarme Atmosphäre sich positiv auf die Lotausbreitung auswirkt, liegt damit nahe. Die Benetzungscharakteristik des geschmolzenen Lotes ist entscheidend dafür, wie gut sich das Lot auf den Oberflächen verteilt und sich mit ihnen verbindet. Sie ist damit ausschlaggebend für die Qualität und Form einer Lötstelle. Speziell bei bleifreien Applikationen kann die Verwendung von Stickstoff empfehlenswert sein, da die Benetzungskraft von Sn/Ag/Cu-Legierungen deutlich schwächer ist als die von Sn/Pb Lot. Eine inerte Atmosphäre wirkt dem entgegen. Als weiterer positiver Effekt ergibt sich I 19

3 Lotlegierung Schmelzpunkt ( C) durch die inerte Atmosphäre eine bessere Fließeigenschaft des Lotes, bedingt durch die geringere Oberflächenspannung. Im Falle von Wellenlötsystemen ist dies ohne weitere Hilfsmittel direkt mit den Augen erkennbar. Die beschriebenen Auswirkungen einer Stickstoffatmosphäre gelten gleichermaßen für alle Wellenlötprozesse und Reflowapplikationen und bilden die Grundlage für das oft zitierte größere Prozessfenster. Im Grunde genommen bedeutet dies, dass der Prozess mehr Raum für Fehler lässt und sich schwankende Qualitäten bei den eingesetzten Materialien in einer Stickstoffatmosphäre weniger stark auf das Lötergebnis auswirken. STICKSTOFF IM REFLOWPROZESS Temperatur / Lotausbreitung ( C) 10 ppm 100 ppm 1000 ppm Sn63/Pb Sn96.5/Ag Sn99.3/Cu Sn95/Sb Tabelle 3: Temperatur, bei der die Lotausbreitung beginnt, in Abhängigkeit des Restsauerstoffgehalts Baugruppen, die in einer inerten Atmosphäre gelötet wurden, sehen insgesamt sauberer aus, da schwach aktivierte, feststoffarme Lotpasten verwendet werden können. Damit können Reinigungsprozesse in aller Regel entfallen. Der offensichtlichste Vorteil, der sich im Reflowprozess durch die Verwendung von Stickstoff ergibt, liegt aber in der Reduzierung der Lötfehlerraten, speziell bei der Verarbeitung von Fine Pitch Komponenten oder BGAs. Bedingt durch die Verbesserung der Benetzungsaktivität und die niedrigere Oberflächenspannung können Lötfehler, wie beispielsweise kalte Lötstellen oder Nichtbenetzung in einer inerten Atmosphäre deutlich reduziert werden. Ein typisches Beispiel für einen solchen Lötfehler ist der Head-In-Pillow Effekt, bei dem zwar sowohl das Lotpastendepot als auch der Ball eines BGA vollständig umschmelzen, jedoch keine metallurgische Verbindung zustande kommt. Problematisch ist hierbei, dass der Defekt nur schwer feststellbar ist und häufig erst im Feld auftritt. Ursache ist oftmals eine übermäßige Oxidation, entweder am BGA Ball oder aber an der Oberfläche des Lotpastendepots durch Ausbluten des Flussmittels. In einer Studie der Universität Massachusetts in Kooperation mit mehreren Industriepartnern wurde der Einfluss einer Stickstoffatmosphäre im Hinblick auf die Lötfehlerraten eingehend untersucht, mit dem Ergebnis, dass die Gesamtfehlerrate in einer Stickstoffatmosphäre um 95 % gesenkt werden konnte [2]. Umgekehrt kann es in einer Stickstoffatmosphäre schneller als in Luft zum sog. Grabsteineffekt kommen, bei dem die Lotpastendepots zweipoliger Bauelemente unterschiedlich schnell aufschmelzen, oftmals begründet in Unsymmetrien bei Druck und Bestückung. Die Benetzungskraft des zuerst aufgeschmolzenen Depots, die unter dem Einfluss von Stickstoff noch höher ist, reicht dabei aus, das Bauteil aufzustellen. Durch eine Reduzierung des Temperaturgradienten beim Übergang von der festen in die flüssige Phase des Lotes, oder durch Anpassung des Lotpastendrucks wie beispielsweise die Verwendung von Home Plates, lässt sich diesem Phänomen effektiv entgegen wirken. Auch im Hinblick auf die Lötstellenqualität wurde in verschiedenen Zuverlässigkeitsstudien und Scherkraftuntersuchungen der positive Einfluss einer Stickstoffatmosphäre nachgewiesen. WELLENLÖTEN IN EINER STICKSTOFFATMOSPHÄRE Es gibt verschiedene Möglichkeiten, beim Wellenlöten in einer inerten Atmosphäre zu arbeiten. Die zunächst etwas kostengünstigere Variante ist eine Teilbegasung ausschließlich im Lötwellenbereich. Effektiver, in der Anschaffung zunächst jedoch teurer, sind Tunnelanlagen, die im Lötwellenbereich mit einer einstellbaren Atmosphäre von ppm Restsauerstoff arbeiten und auch im Vorheizund Kühlbereich eine inerte Atmosphäre schaffen. Ein prinzipieller Unterschied zum Reflowlötprozess ist die sehr offensichtliche Entstehung von Oxiden beim Wellenlöten, auf einer großen heißen Lotoberfläche im Tiegel. Die sog. Krätze muss regelmäßig entfernt und durch frisches Lot wieder ersetzt werden. Hierbei gilt die Faustregel, dass sich die Oxidationsgeschwindigkeit mit jeder Erhöhung um 10 K verdoppelt. Diese Oxide, als Reaktion des geschmolzenen Metalls mit dem Luftsauerstoff, entstehen hauptsächlich in turbulenten Bereichen, vor allem an den Lötdüsen. Durch den kontinuierlichen Lottransport über die Pumpen können Oxidpartikel angesaugt, zu Ablagerungen in den Lötdüsen führen und die Austrittsöffnungen an der Düsenplatte verkleinern. Bei gleichbleibendem Pumpendruck kann dies zu Baugruppen-Überschwemmungen führen. Sowohl in Tunnel- als auch in teilbegasten Wellenlötanlagen wird die Entstehung dieser Oxide drastisch reduziert. Die sauerstoffarme Umgebung ermöglicht damit deutliche Kosteneinsparungen, zum einen durch kürzere Wartungszeiten und damit eine höhere Anlagenverfügbarkeit. Zum anderen wird aufgrund der geringeren Oxidentstehung auch der Lotverbrauch eindrucksvoll verringert. Im Hinblick auf die Oxidmenge gibt es jedoch deutliche Unterschiede zwischen teilbegasten Systemen und Wellenlötanlagen mit Stickstofftunnel. Bei einem Elektronikhersteller, der im 3-Schicht-Betrieb arbeitet, wurde über einen Zeitraum von einem Jahr parallel mit einer teilbegasten und einer Tunnelanlage produziert und die Ergebnisse dokumentiert. In die Berechnung flossen sowohl der Preis für die Lotlegierung, als auch der Preis der Rückerstattung für die Oxidrückgabe mit ein. Während bei der teilbegasten Anlage wöchentlich rund 30 kg Oxide ent- Lötwelle in guter Stickstoffatmosphäre (ca. 13 ppm). Das gewünschte Fließmuster ist gut erkennbar. Nach Abschalten der Lötwelle verbleibt die Düsenplatte ohne Lotanhaftungen. Lötwelle in schlechter Stickstoffatmosphäre (ca ppm). Das Fließmuster ist nur schwer erkennbar. Nach Abschalten der Lötwelle verbleiben Lotanhaftungen an der Düsenplatte. I 20

4 Grafik 2: Vergleich Lötfehler (ppm) im Reflowprozess Luft vs. Sticksoff fernt wurden, fielen im gleichen Zeitraum bei der Tunnelanlage nur 5 kg Oxid an. Die Kosten für den Lotverbrauch je Woche beliefen sich auf 275 für das teilinertisierte System gegenüber 48 für die Tunnelanlage. Grafik 4: Wartung je Woche in Stunden und Euro für eine teilinertisierte Anlage und eine Tunnelanlage Bedingt durch die Reduzierung der Oxidbildung in einer sauerstoffarmen Umgebung wird der Aufwand für Wartungsarbeiten ebenfalls deutlich verringert und damit die Anlagenverfügbarkeit erhöht. Im vorgenannten Beispiel wurde die wöchentliche Wartung von 7,5 Stunden im Falle der teilbegasten Anlage auf nur noch 1,1 Stunden für die Tunnelanlage gesenkt. Steht lediglich die Reduktion der Oxidbildung im Vordergrund, reichen Restsauerstoffwerte um 1000 ppm und eine lokale Inertisierung aus. Sollen jedoch alle Vorteile eines Stickstoff-Wellenlötprozesses zum Tragen kommen, sind Restsauerstoffwerte < 500 ppm erforderlich, die effektiv nur mit einer Tunnelanlage erreichbar sind. Das Flussmittel, das im Prozess nach der Beseitigung von Oxid- und Polymerschichten die metallisch reinen Oberflächen vor Reoxidation schützen soll, ist nach dem Passieren der ersten Lötwelle meist schon entfernt und nicht mehr aktiv für die zweite Lötwelle. Da die Lötstelle erst unmittelbar nach der zweiten Lötwelle gebildet wird und das Abrissverhalten die Ausprägung vornimmt, ist es wichtig, in diesem Bereich oxidfrei zu arbeiten. Als Folge der Inertisierung kann man auf aggressive Flussmittel und Reinigungsschritte verzichten. Zudem wird die Benetzungsaktivität durch den Stickstoff deutlich verbessert und Reoxidation wirksam verhindert, so dass der Teil des Flussmittels, der für die Reduktion dieser Metalloxide vorgesehen ist, eingespart werden kann. Berücksichtigt man alle relevanten Parameter wie Layout, Temperaturprofil oder Lötbarkeit der verwendeten Materialien, kann die Lötfehlerrate in einer Stickstoffatmosphäre ebenfalls erheblich reduziert werden. Dies ist vor allem auf das bessere Benetzungsverhalten und die veränderte Oberflächenspannung der flüssigen Legierung unter Stickstoff zurückzuführen. Ein positiver Effekt ist vor allem bei typischen Lötfehlern wie mangelnde Durchstiege oder unzureichende Benetzung, bei Lötbrücken und Lotperlen festzustellen. Durch geringere Lötfehlerraten wird zum einen natürlich die Produktqualität insgesamt verbessert, zum anderen werden aber auch erforderliche Nacharbeitskosten erheblich verringert. Mit reellen Zahlen aus der Elektronikfertigung stellt sich in einem konkreten Beispiel die Situation wie folgt dar: Bei den in der teilinertisierten Anlage gelöteten Baugruppen war eine wöchentliche Nacharbeitszeit von 58,5 h erforderlich. Pic. 4: Miniwelle mit und ohne Stickstoff Mit der Tunnelanlage wurde bei einem Restsauerstoffwert < 500 ppm die Nacharbeitszeit auf 34,5 h verringert. Grafik 5 zeigt die Gesamtkosten beim Einsatz von Stickstoff und berücksichtigt dabei sowohl die Stickstoffkosten als auch die Kostenvorteile. Bezogen auf ein Jahr ergibt sich dabei für Tunnelanlagen ein Kostenvorteil von über Euro gegenüber teilinertisierten Systemen. Im Vergleich zu Systemen, die in Normalatmosphäre arbeiten ist der Kostenvorteil von Tunnelanlagen noch ausgeprägter. STICKSTOFF IM SELEKTIVLÖTPROZESS Prinzipiell gelten für den Selektivlötprozess die gleichen Bedingungen wie für den konventionellen Wellenlötprozess. Bei selektiven Lötverfahren mit flüssigem Lot wird durch den Einsatz von Stickstoff das Fließverhalten des Lotes positiv beeinflusst (Pic.4). Während Miniwellen in Stickstoffatmosphäre einen kontrollierten Lotfluss aufweisen, oxidiert das flüssige Lot sehr schnell wenn keine inerte Atmosphäre vorhanden ist. Der Lotfluss lässt sich leicht abgelenken und ist kaum mehr kontrollierbar, wodurch sich die Produktion zuverlässiger Lötverbindungen nur schwer realisieren lässt. Die Bildung von Oxiden bzw. die erforderliche Flussmittelmenge reduziert sich im Selektivprozess ebenfalls. Aufgrund der nicht auftretenden Oxidation werden die Standzeiten der Düsen erheblich verlängert, was zum einen den Wartungsaufwand reduziert und zum anderen eine Serienfertigung überhaupt erst möglich macht. Bedingt durch das geringere Lotvolumen, das zur Wärmeübertragung zur Verfügung steht, wird in Selektivprozessen mit deutlich höheren Temperaturen bis zu 320 C im Tiegel gearbeitet. Damit ist unweigerlich ein größeres Oxidationsrisiko verbunden. Aus den genannten Gründen werden Selektivlötanlagen ausschließlich unter Stickstoff betrieben, wobei der Verbauch und die damit verbundenen Kosten minimal sind. I 21

5 FAZIT Ob man nun Stickstoff einsetzt oder nicht, ist letztlich von der Applikation, den eingesetzten Materialien und von den hergestellten Produkten abhängig. Ein unzureichend geführter Prozess wird durch eine inerte Atmosphäre nicht perfekt werden, aber eine inerte Atmosphäre kann durchaus dazu beitragen, das Prozessfenster zu erweitern. Während durch Stickstoff einerseits Kosten entstehen, sind andererseits auch deutliche Kosteneinsparungen möglich. Zusätzlich wird die Qualität und Zuverlässigkeit der Lötstellen erhöht. Referenzen: [1]C. C. Dong, A. Schwartz, D. Roth, Effects of Atmosphere Composition on Soldering Performance of Lead-Free Alternatives, Air Products and Chemicals, Inc., 2010 [2]S. Moravec, M. Valenta, G.K. Arslanian, Lead-Free Soldering at Inert Atmosphere, European Microelectronics and Packaging Symposium, Prague, CZ, 2004 Grafik 5: Wöchentliche Gesamtkosten beim Einsatz von Stickstoff SEHO Systems GmbH Frankenstr Kreuzwertheim +49 (0) / info@seho.de I 22