Herstellung und Prüfung von Lötverbindungen für erhöhte Beanspruchung

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1 Herstellung und Prüfung von Lötverbindungen für erhöhte Beanspruchung Institut für Gerätesysteme und Schaltungstechnik Lehrstuhl Zuverlässigkeit und Sicherheit elektronischer Systeme

2 Motivation Neue Anwendungsgebiete für elektronische Baugruppen Leistungsfähigere Bauelemente (z.b. Leistungshalbleiter) Erhöhte Anforderungen an die Zuverlässigkeit Forderungen nach Umweltverträglichkeit und Energieeffizienz Neue Konzepte für die AVT erforderlich!

3 Beanspruchung: Automotive - Elektronik rh rh /T /T- - Sensor Sensor Dehnungs Dehnungs -- Sensoren Sensoren T -- Sensoren Sensoren B -- Sensoren Sensoren Kfz-Baugruppe mit Sensoren Quelle: U.Pape / Volkswagen - "Mission Profiles - Projekte ARTEMIS, ULTIMO, HOPE, INGA, LiVe"

4 Elektronik für extreme Drücke in der Tiefsee (bis 6000 m / 600 bar) Druckneutral vergossene Brennstoffzelle und komplette Brennstoffzellenanlage Quelle: AiF-Projekt "Unterwasser-Brennstoffzellen mit flüssigen Reaktanden"; Fa. ENITECH / Rostock

5 Raketentechnik: Hohe Beschleunigung, Vakuum, Strahlung... Studenten der Uni Rostock bereiten im Rahmen des schwedisch-deutschen Forschungsprogramms ein Stratosphären-Experiment in einer ballistische Rakete vor Quelle: DLR REXUS-Programm für Studenten

6 Zerstörende Prüfung nach IEC ,5 10 mm/min 20 C Ref.: International Standard IEC , Surface mounting technology Environmental and endurance test methods for surface mount solder joint Part 1-2: Shear strength test

7 Einfluss der Prüfgeschwindigkeit auf die Abscherkraft gelöteter CR1206 Bauelemente Ref.: M. Nowottnick: Final Project Report: Reliability of Electronic Assemblies in the Context of Project NanoPAL, Rostock 2010

8 Ergebnisse eines extrem langsamen (20 nm/s) Schertests eines CR1206 Ref.: K.-J. Wolter, T. Zerna, S. Wiese: Failure Mechanism and Test Methods for Miniaturized Solder Joints, Project Report. NanoPAL, 2009

9 Maximale Scherkräfte von CR1206-Lötverbindungen, Vergleich von Test und Simulation Ref.: K.-J. Wolter, T. Zerna, S. Wiese: Failure Mechanism and Test Methods for Miniaturized Solder Joints, Project Report. NanoPAL, 2009, creep law according to Schubert/Dudek; Wiese/Roellig and Pang

10 Zerstörende Prüfung mit hoher Geschwindigkeit - Impacttest Vergleich des (standardisierten) Schertest mit dem Hochgeschwindigkeits-Impacttest Schertest < 10 mm/min Impacttest: 4 m/s Schertester: Condor/XYZTEC Quelle: XYZTEC, Diplomarbeit J. Westphal Uni Rostock

11 Zerstörende Prüfung mit hoher Geschwindigkeit - Impacttest Vergleich des (standardisierten) Schertest mit dem Hochgeschwindigkeits-Impacttest 10 mm/min 4 m/s = 14,4 km/h Videos: E. Noak, J. Hammacher, Fraunhofer ENAS, Chemnitz

12 Bruchbilder von CR1206-Lötverbindungen, die mit verschiedenen Geschwindigkeiten geschert wurden 1 µm/s 200 µm/s Impact

13 Vergleich der Schertestergebnisse nach Scher- und Impact-Test an Lötverbindungen im Ausgangszustand

14 Vergleich der Schertestergebnisse nach Scherund Impact-Test und 1000 Temperaturzyklen

15 Relativer Abfall der Scherkräfte von Lötverbindungen nach 1000 Zyklen

16 Bruchbilder von CR1206-Lötverbindungen, die mit verschiedenen Geschwindigkeiten geschert wurden Shear Test Impact Test

17 Hochtemperatur-Weichlote im Vergleich Quelle: J. Trodler, SMTAI, Orlando 2012

18 Hochtemperatur-Weichlote im Vergleich Lötverbindungen nach 500 Temperaturwechseln -40 / +175 C SnAg3.5 HT1 Innolot Quelle: J. Trodler, SMTAI, Orlando 2012

19 Beanspruchung: Automotive - Elektronik Motorsteuergerät für 150 C Betriebstemperatur (Projekt HotEL) Schertest an CR 1206 nach TW 40/+165 C (Projekt HotEL) Quelle: W. Kempe, ZVEI-Arbeitskreis Hochtemperaturelektronik

20 Diffusionsbarriereschichten für Hochtemperatur-Lötverbindungen Standard-Beschichtung NiP Standard-Beschichtung NiP 500h / 150 C 500h / 200 C 500h / 200 C Alternativ-Beschichtung Fe

21 Vergleich von Sinter- und Lötverbindungen Quelle: J. Trodler, SMTAI, Orlando 2012

22 Eingebettete Chips in Leiterplatten (Lasercavity) Widerstandsfähigkeit der eigebetteten Verbindungen gegen Lötzyklen (30 x VP/230 C) Quelle: R. Schönholz, Würth / M. Nowottnick, IMAPS 2009

23 Projektidee und Lösungsansatz von "HotPowCon" Quelle: J. Trodler, SMTAI, Orlando 2012

24 Projektkonsortium und assoziierte Partner Quelle: J. Trodler, SMTAI, Orlando 2012

25 Hochtemperaturstabilität von Lötverbindungen Prüfung der Auslöttemperatur von Modellötverbindungen bis 300 C (Projekt HotPowCon)

26 Hochtemperaturstabilität von Lötverbindungen Prüfung der Auslöttemperatur von Modellötverbindungen bis 300 C (Projekt HotPowCon)

27 Spannungs-Dehnungs-Diagramm von BiSnAg2-Lot in Abhängigkeit von der Temperatur

28 Absolute Scherkräfte in Abhängigkeit von der Temperatur

29 Relative Scherkräfte in Abhängigkeit von der Temperatur

30 Aufbau eines leistungselektrischen Moduls Anforderungen: Hohe Leistungsdichte Hohe Zuverlässigkeit Hohe Wärmeleitfähigkeit Feldtemperatur 150 C Bleifreie AVT Produktlebenszeit > 15 Jahre Kosten Kombination Leistung / Logik Quelle: J. Trodler, SMTAI, Orlando 2012

31 Hohe Stromdichten & Temperaturen Beispiel: Flip-Chip-Lötverbindungen 2.5 A / Raumtemperatur (Ausfall nach 585 h) 2.5 A / 125 C. (Ausfall nach 105 h)

32 Zusammenfassung Beanspruchungen von Lötverbindungen durch: Druck, Beschleunigung, Temperatur, Strom, Klima Entwicklung neuer (Lot-)Materialien Entwicklung neuer (Löt-)Verfahren Anpassung und Weiterentwicklung der Prüfmethoden erforderlich!