DIE ZUVERLÄSSIGKEIT VON WELLENLOTLEGIERUNGEN

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1 DIE ZUVERLÄSSIGKEIT VON WELLENLOTLEGIERUNGEN von Dr. Frank-Peter Schiefelbein Siemens AG, Berlin, Deutschland Tel./Fax: / frank.schiefelbein@siemens.com Zusammenfassung Ein ausgewähltes Serienprodukt wurde unter Verwendung einer bleifreien Lotpaste sowie drei unterschiedlichen bleifreien Wellenlotlegierungen hergestellt und einer Zuverlässigkeitsanalyse unterzogen. Folgende Zielsetzungen hatte die Untersuchung: Evaluierung der Verarbeitungseigenschaften bleifreier Lotpasten Analyse des Reflow- und Benetzungsverhaltens bleifreier Lote Nachweis der Prozessfähigkeit bei gleichbleibenden Padgeometrien Bestimmung der Qualität und Zuverlässigkeit der Lötverbindungen bei vorhandenen bleifreien und bleihaltigen Oberflächen Ableitung neuer Prozessgrenzen Entscheidungsfindung für Wellenlotlegierung und Anlagentechnik Übertragbarkeit der Ergebnisse auf alle Produkte. Kurzbiografie Herr Dr. Frank-Peter Schiefelbein studierte an der TU Dresden und erlangte 1988 den Diplomabschluss in der Fachrichtung Gerätetechnik der Grundstudienrichtung Elektroingenieurwesen. Anschließend arbeitete er als Forschungsassistent in der Fachrichtung Lichtwellenleitertechnologie am Fachbereich Elektrotechnik der Humboldt-Universität zu Berlin und promovierte dort 1993 zum Dr.-Ing. auf dem Gebiet Verfahrenstechnik der Elektrotechnik. Seit 1992 ist er in verschiedenen Geschäftsbereichen der Siemens AG in Berlin tätig. So war er von 1992 bis 1999 als Entwicklungsingenieur auf dem Gebiet der AVT mit dem Schwerpunkt Elektro-Optische Module im Bereich Fiber Optics beschäftigt. Von 1999 bis 2005 gehörte zu seinen Aufgaben im Geschäftszweig Fixed Networks des Geschäftsbereiches Communications u.a. die technische Unterstützung der Produktentwicklung und Fertigung in Hinblick auf neue Komponenten, Technologien und Fertigungsprozesse sowie die Koordination und Durchführung von Forschungs- und Entwicklungsprojekten. Zur Bündelung, Nutzung und Förderung des Potentials an optischen Technologien im Berlin-Brandenburger Raum arbeitete Dr. Schiefelbein im Verein für Optische Technologien Berlin- Brandenburg (OpTecBB) e.v. als Industrievertreter. Seit 2005 leitet er im Technology Competence Center der Division Power Distribution die Abteilung Component Management and Supplier Relationship.

2 DIE ZUVERLÄSSIGKEIT VON WELLENLOTLEGIERUNGEN von Dr. Frank-Peter Schiefelbein Siemens AG, Berlin, Deutschland 1. Einleitung Ein ausgewähltes Serienprodukt wurde unter Verwendung einer bleifreien Lotpaste der Legierung SnAgCu sowie den drei unterschiedlichen bleifreien Wellenlotlegierungen SnAgCu, SnCu und SnCuNi hergestellt und einer Zuverlässigkeitsanalyse unterzogen. Die Untersuchung hatte folgende Zielsetzungen: Evaluierung der Verarbeitungseigenschaften bleifreier Lotpasten mit bestehenden Prozessen inkl. AXI und AOI Analyse des Reflow- und Benetzungsverhaltens der bleifreien Lotpaste im Zwangskonvektionslötverfahren sowie der drei Wellenlotlegierungen im Wellenlötverfahren (Vollwelle) Nachweis der Prozessfähigkeit bei gleichbleibenden Padgeometrien Bestimmung der Qualität und Zuverlässigkeit der Lötverbindungen in Kombination mit den verfügbaren bleifreien und bleihaltigen Oberflächen Ableitung neuer Prozessgrenzen durch unterschiedlichen Wärmeeintrag Entscheidungsfindung für Wellenlotlegierung und Anlagentechnik Übertragbarkeit der Ergebnisse auf alle Produkte. Die folgenden Randbedingungen galt es während der Untersuchungen zu berücksichtigen: eine maximal zulässige Lotbadtemperatur von 260 C keine Änderung der bestehenden Layoutgeometrien Lotdurchstieg in den Durchkontaktierungen minimal 75 % nach IPC thermische Durchkontaktierungen unmittelbar neben den BGA- Pads, die die Wärme direkt auf die Top-Seite transportieren Vermeidung des Wiederaufschmelzens von BGA-Balllötverbindungen auf der Top-Seite während des Wellenlötens. 2. Versuchsbeschreibung Bei der Testbaugruppe (Bild 1) handelt es sich um eine doppelseitig bestückte Leiterplatte. Sie wird auf der Top-Seite reflow- und auf der Bottom-Seite wellengelötet. Als Wellenlötverfahren kommt hierbei die Vollwelle ohne Lötmaske zum Einsatz. Seite Nr. 2 von 8

3 Die Testbaugruppe ist ein funktionsfähiges Serienprodukt und besitzt folgende Eigenschaften: LP-Format: 365 mm x 265 mm LP-Dicke: 1,6 mm Lagenanzahl: 10 Basismaterial: FR 4 LP-Finish: chem. Sn BE-Finishes: vorwiegend Pb-haltig SMD-BE auf der Top-Seite: 192 SMD-BE auf der Bottom-Seite: 842 THT-BE: 20 1 Einpress-STV Bild 1: Top- und Bottom-Seite der Versuchsbaugruppe Der Versuchsumfang umfasste 30 Baugruppen, wovon 27 Baugruppen mit bleifreien Loten und drei Baugruppen als Referenz mit bleihaltigen Loten aufgebaut wurden. Die Legierungszusammensetzung der bleifreien Lotpaste war SnAg3,8Cu0,7 und die der bleihaltigen Lotpaste Sn37Pb63. Die Profilierung für das bleifreie Reflowlöten orientierte sich am Standard IPC/JEDEC J-STD-020C, wobei zum einen ein relativ kurzes Profil mit einer Zeit oberhalb der Liquidustemperatur des Lotes von t >217 C = 52 s - 55 s und zum anderen ein längeres Profil mit einer Zeit oberhalb der Liquidustemperatur von t >217 C = 100 s s verwendet wurde. Ein Teil der Testbaugruppen wurde einer dreimaligen Lötbelastung mit dem längeren Lötprofil unterzogen. Für die bleihaltige Lotpaste wurde dagegen mit dem Standardprofil aus der Serienfertigung, in Anlehnung an IPC/JEDEC J-STD-020A, gearbeitet. Die entsprechende Profilierung ist Tabelle 1 zu entnehmen. Tabelle1: Reflowprofilvarianten Zwangskonvektionslötung Profil 1: untere Toleranz Profil 2: obere Toleranz Profil 3: JEDEC20A innerhalb Toleranz (Standardprofil bleihaltig) Kennzeichnung J1 Kennzeichnung J2 Kennzeichnung J3 Kennzeichnung J4 Anzahl der Lötungen: 1x 1x Profil 2: 3x 1x Seite Nr. 3 von 8

4 Als Wellenlote kamen die folgenden drei Lotlegierungen zum Einsatz: SnAg3,8Cu0,7 SnCu0,7 SnCu0,6(+/-0,1)Ni<0,1. Eine Analyse mittels Funkenspektrometer und ICP/OES (Optische Emissionsspektralanalyse mit Anregung durch induktiv gekoppeltes Plasma nach Säureaufschluss) bestätigte die Zusammensetzung im Rahmen der Toleranzen: SnAg3,65Cu0,72 (Bi < 0.1, Pb < 0.08) SnCu0,604 (Bi < 0.1, Pb < 0.06) SnCu0,602 Ni<0.01 (Bi < 0.1, Pb 0.022) Die Versuchsmatrix mit der Anzahl der Baugruppen je Wellenlotlegierung und Lötprofil sowie deren Alterungsbedingungen setzt sich wie folgt zusammen (Tabelle 2). Tabelle 2: Versuchsmatrix Wellenlot Alterung SnCu SnAgCu SnCuNi SnPb 2x_SnCu_J1 2x_SnAgCu_J1 2x_SnCuNi_J1 TCT-20/+100 2x_SnCu_J2 2x_SnAgCu_J2 2x_SnCuNi_J2 1x_PbSn_J4 bis 1000 Zykl. 2x_SnCu_J3 2x_SnAgCu_J3 2x_SnCuNi_J3 HHT 85/85 1x_SnCu_J1 1x_SnAgCu_J1 1x_SnCuNi_J1 1x_PbSn_J4 bis 1000 h 1x_SnCu_J3 1x_SnAgCu_J3 1x_SnCuNi_J3 ohne Alterung 1x_SnCu_J1 1x_SnAgCu_J1 1x_SnCuNi_J1 1x_PbSn_J4 Summen 9 BG 9 BG 9 BG 3 BG Nach eingehenden optischen Inspektionen sowie elektrischen Tests der Baugruppen im Ausgangszustand wurden diese den jeweiligen Alterungstests unterzogen, wobei alle 250 Zyklen bzw. 250 h eine optische und elektrische Überprüfung der Baugruppen erfolgte. 3. Versuchsergebnisse Als Ergebnis der visuellen Bewertung im Ausgangszustand zeigten sich die folgenden Lötfehler auf der Wellenlötseite: SnAgCu: 22 x nicht gelötet, 11 x Lötbrücke SnCu: 5 x nicht gelötet, 7 x Lötbrücke SnCuNi: 2 x nicht gelötet, 5 x Lötbrücke SnPb: keine Auffälligkeiten. Die Aufstellung zeigt einerseits, dass bei nicht optimierten Prozessen die Fehlerrate der bleifrei gelöteten Baugruppen höher liegt als bei dem durch die Serienfertigung bereits optimierten bleihaltigen Lötprozess. Eine weitere Prozessoptimierung des bleifreien Wellenlötprozesses ist unbedingt erforderlich. Diese war jedoch nicht Hauptgegenstand der Untersuchung. Anderseits ist zu erkennen, dass im Vergleich der bleifreien Lotlegierungen bei Verwendung von SnCuNi die geringsten Fehlerzahlen auftraten. Jedoch ist hierbei zu berücksichtigen, dass verschiedene Lötanlagen, Lötdüsen Seite Nr. 4 von 8

5 und Flussmittel während der Versuche verwendet wurden, die sich entscheidend auf das Lötergebnis auswirkten. Nach der Reparatur waren alle Baugruppen elektrisch funktionsfähig. Auch im Lotdurchstieg zeigten sich deutlich Unterschiede in Abhängigkeit von der verwendeten Wellenlotlegierung (Bild 2). Das beste Lötergebnis zeigte wiederum die Legierung SnCuNi. Jedoch muss bei der Bewertung auch hier wiederum die Verwendung verschiedener Lötanlagen, Lötdüsen und Flussmittel Berücksichtigung finden. Durch Prozessoptimierung können bessere Ergebnisse auch mit den anderen Lotlegierungen erreicht werden. SnCu SnCuNi SnAgCu SnCuNi Bild 2: Lotdurchstieg an Durchkontaktierungen mit und ohne Pin Im Allgemeinen weisen die SnAgCu-Lötverbindungen eine rauere Oberflächentopologie auf. Die Lötverbindungen erscheinen matter, nicht so glänzend wie bei SnPb (Bild 3 und 4). Die Benetzungshöhen sind teilweise geringfügig reduziert. Bei SnCuNi und SnCu sind die Oberflächen glatter und glänzender als bei SnAgCu (Bild 3 und 4). Die mit SnAgCu wellengelöteten Verbindungen zeigen teilweise an der Oberfläche Fehlstellen aufgrund der Erstarrungskontraktion des Lotes (Bild 5). Diese liegen jedoch innerhalb der Akzeptanzkriterien nach IPC-A- 610D. Bei SnCuNi und SnCu treten diese nicht auf. Seite Nr. 5 von 8

6 SnAgCu SnCuNi SnCu SnPb Bild 3: Visueller Vergleich von THT-Lötstellen verschiedener Legierungen SnAgCu SnCuNi SnCu SnPb Bild 4: Visueller Vergleich von SMT-Lötstellen verschiedener Legierungen Seite Nr. 6 von 8

7 Bild 5: Visuelle Darstellung von Beispielen für Fehlstellen durch Erstarrungskontraktion von SnAgCu-Loten nach dem Wellenlöten an SMTund THT-Lötverbindungen Wie wichtig die Abstimmung zwischen Lotlegierung, Flussmittel und Prozessparameter ist, zeigt das folgende Bild 6. Dargestellt ist darin ein benetztes Pad auf der Wellenlötseite ohne Bauelement. In Abhängigkeit vom Flussmittel beim Wellenlöten sind unterschiedliche Void-Dichten beobachtet worden. Verantwortlich für die Voidbildung ist jedoch nicht nur das Flussmittel. Auch verschiedene Bauteiloberflächen neigen zum Ausgasen. Ebenso wichtig ist außerdem die schon erwähnte Prozessoptimierung in Abhängigkeit von der Lotlegierung, vom Flussmittel, und dem Temperatur-Zeit-Profil. Wellenlot SnPb Wellenlot SnAgCu Wellenlot SnCu Wellenlot SnCuNi Bild 6: X-Ray Darstellung eines benetzten Pads, erzeugt unter Verwendung verschiedener Lötanlagen und Flussmittel Seite Nr. 7 von 8

8 4. Zusammenfassung und Schlussfolgerungen SnAgCu-Lötverbindungen zeigen generell eine rauere Oberflächentopologie. Die Lötverbindungen erscheinen matter, nicht so glänzend wie bei SnPb. Die Benetzungshöhen sind teilweise geringfügig reduziert. Das hat jedoch keinen Einfluss auf die Zuverlässigkeit der bleifreien Lötverbindungen. Bei SnCuNi und SnCu sind die Oberflächen glatter und glänzender als bei SnAgCu. In Konsequenz müssen jedoch die Kriterien für eine manuelle und automatische optische Inspektion angepasst werden, da sonst erhebliche Mengen an Pseudofehlern detektiert würden. Typischerweise sind bei mit SnAgCu wellengelöteten Verbindungen Oberflächenöffnungen (keine Risse) und auch Volumendefekte aufgrund der dendritischen Erstarrung des SnAgCu bei gegebener hoher Erstarrungskontraktion festzustellen Diese liegen jedoch innerhalb der Akzeptanzkriterien nach IPC-A-610D und wirken sich nicht auf die Zuverlässigkeit der Lötstelle aus. Bei SnCuNi und SnCu treten diese Fehlstellen nicht auf. In Abhängigkeit vom Flussmittel beim Wellenlöten sind unterschiedliche Void-Dichten festgestellt worden. Eine geringfügig höhere Dichte dreidimensionaler Fehlstellen verringert nicht die Zuverlässigkeit der bleifrei gelöteten Baugruppen. Auch konventionell gelötete Baugruppen weisen Voids auf. Der Voidgehalt (Größe / Anzahl) ist bauteil- und bauformspezifisch. Verantwortlich für die Voidbildung ist nicht nur das Flussmittel. Verschiedene Bauteiloberflächen neigen zum Ausgasen. Die beschleunigte Alterung der Baugruppen bei bis zu 1000 Zyklen im TCT - 20 C/+ 100 C) und bei einer Feuchte-Wärme-Lagerung diente der Identifikation von Schwachstellen auf der bleifrei gelöteten Baugruppe unter Berücksichtigung des konventionellen Bauteilspektrums (bleihaltige und diverse bleifreie Finishes). Die bleifreien Wellenlötverbindungen führen zu keinen signifikanten Zuverlässigkeitseinschränkungen im Vergleich zu bleihaltigen. Im Test Feuchte Wärme 85% r.h./85 C sind bei einer Auslagerung bis zu 1000 Stunden bei allen Baugruppen keine Fehler aufgetreten. Eine Umstellung auf bleifreies Wellenlöten ist möglich. Die bleifreien Verarbeitungsprozesse sind beherrschbar. Es traten keine Ausfälle der bleifreien Lötverbindungen bedingt durch den bleifreien Lotwerkstoff auf. Die Zuverlässigkeitsdaten sind vergleichbar mit bleihaltigen Baugruppen. Voraussetzung dafür sind jedoch optimierte Prozesse unter Berücksichtigung folgender Aspekte: stabile Anlieferqualität der bleifreien Lotpasten thermische Beständigkeit der Komponenten (muss gegeben sein) bleifreie Finishes der Bauteile und LP-Oberflächen bleifreie Reparaturprozesse Optimierung der Anlagentechnik Optimierung des Wellenlötprozesses (Flussmittelwahl, Vorheizung, Lotbadtemperatur, Transportgeschwindigkeit) entsprechend vorgegebener Randbedingungen bei Verwendung der Lotwerkstoffe SnCuNi/SnCu/SnAgCu. Seite Nr. 8 von 8