Bleifreie Leiterplatten Endoberfläche. Referent Dipl.-Ing. Uwe Filor MBM

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1 Bleifreie Leiterplatten Endoberfläche Referent Dipl.-Ing. Uwe Filor MBM 1

2 2 Evolution in der Elektronik

3 Produktionsstätten Engelsbrand // Langenbrand Langenbrand Engelsbrand 3

4 1 2 3 Vertrieb Arbeitsvorbereitung CAM Die virtuelle Firma -Der Herstellungsweg Ihrer Leiterplatte Innenlagen Pressen Bohren Leiterbild Galvanik Werk Langenbrand 4 9 Lötstop Oberflächenbeschichtung, HAL Siebdruck (Positionsdruck, Lötabziehhaut, Karbon,...) Endbearbeitung (Ritzen, Fräsen, Stanzen) Elektrische Prüfung Endkontrolle Werk Engelsbrand

5 Manpower von Greule Jahr 1998 Jahr 1999 Jahr 2000 Jahr 2001 Jahr 2002 Entwicklung Mitarbeiteranzahl 5

6 Produktgruppenverteilung DS 35% ML 51% ES 14% 6

7 Oberflächenverteilung bei Greule Org. 2% Ni Au 3% Ch. Sn 10% HAL 85% 7

8 Leistungsspektrum Greule in allen Materialien (auch Teflon!) in allen Oberflächen wie z.b.: - Heißluftverzinnung (plane Oberfläche durch horizontale 45 o -Anlage) - chemisch Zinn - chemisch Nickel/Gold - Steckergold, Karbon, galv. Au, Silber usw. in modernsten Technologien wie z.b.: - Micro-Vias-Technologie - Blind Vias, Buried Vias - Fein- und Feinstleitertechnik - Hybrid-Technologie - Einpreßtechnik usw... 8

9 Neue Herausforderungen Array Packaging Microvia Drahtbonden Laminat Chip Carriers Flip Chip Kontaktfunktionalität 9

10 Wichtige Eigenschaften für den Bestücker Planarität Mehrfachlötbarkeit und Alterungsbeständigkeit Keine Änderungen der Bestückungsparameter no-clean Flußmittel, Kleber, Reflowlöten Kontaktanwendungen, Drahtbonden Bekannte Lötverbindung Weltweit verfügbar Stückkosten Bleifrei 10

11 Wichtige Eigenschaften für den Leiterplattenhersteller Kosten pro m² Einfache Prozeßführung und Automatisierbarkeit Produktivität Amortisation der Anlage Endkunden Freigaben Umweltbelastung, Wasserverbrauch, Abwassermenge 11

12 Die Problemstellung als Beispiel Chemisch Nickel / Gold Organischer Lötschutz (OSP) Bestückungsvorteile Schwierig bei der Leiterplattenherstellung Vorteile bei der Herstellung Schwierig beim Bestücken 12

13 Gesetzliche Grundlagen EU Richtlinie WEEE und ROHS treten am 1 Juli 2006 in Kraft WEEE = directive of the european parliament and of the council on waste electrical and electronic equipment ROHS = directive of the european parliament and of the council on the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment 13

14 Road Map D.h. ab 2006 muss Blei substituiert werden Nachfristen? 2007, 2008 wird gehandelt Japan relativ weit. ( Schrott und Recyclingverordnung werden für europäische Produkte ein Problem, Hersteller wird verantwortlich gemacht.) Anlagentechnik, Technologie, Bauteile, Stoffverträglichkeit, Trägermaterialien (z.b.fr4) sind intern zu prüfen. 14

15 Alternative Oberflächen OSP Organische Beschichtung chem. Zinn chem. Silber chem. Nickel / Gold Sn-Legierungen mit Ag,Bi,Cu,In,Zn,Au (Antimon, Cadmium entfallen.) HAL mit bleifreiem Lot 15

16 Chemisch Zinn Verfahren MacStan HSR chemisch Zinn Einfacher wartungsarmer Prozeß Bleifreie Reinzinnoberfläche, bleifrei lötbar Hochfeste Lötverbindung (Cu-Sn Diffusionsschicht) Ausgezeichnete Lötbarkeit für alle Bauelemente Hochplanare Oberfläche ideal z.b. für SMD und BGA Mehrfachlötprozesse unproblematisch, ideal für Einpreßtechnik Lagerfähigkeit <= 6 Monate Mechanisch weniger empfindlich als Edelmetallbeschichtungen Gute Korrosionsbeständigkeit, auch in Wasserdampf Keine toxischen oder ökotoxischen Bestandteile in der Beschichtung 16

17 Arbeitsablauf Chemisch Zinn Arbeitsschritt Funktion Bemerkungen Saurer Reiniger 45 C Fingerabdrücke, Reste Sprühreinigung (MacDermid L15ON) 30 s von Lötstopplackentwickler 3-fach Kaskadenspüle Leitungswasser RT Sprühspüle, 2. Kaskade mit Zwangsdurchflutung Mikroätze(MacDermid MaCuPrep Etch G5) 35 C 45 s Gleichmäßige Aktivierung der Cu-Oberfläche Auch gute Vorbereitung für optimale Lot-Kupferverbindung 3-fach Kaskadenspüle Leitungswasser RT Sprühspüle, 2. Kaskade mit Zwangsdurchflutung Vortauchlösung 30 C Schutz der Verzinnung vor Flutmodul MacStan HSR Predip 45 s Kontamination Zinnbad MacStan HSR Aktivlösung 70 C 240 s Verzinnung Flutmodul mit Zwangsdurchflutungen 3-fach Kaskadenspüle Leitungswasser RT Sprühspüle, 2. Kaskade mit Zwangsdurchflutung Spüle demin. Wasser RT Spüle demin. Wasser heiß 50 C Restlose Entfernung der Prozesschemikalien Kein Einfluss auf die Oberflächenleitfähikeit feststellbar. 2 Paar Fluid-Head Trockner < 80 C Perfekte Trocknung Minimale thermische Belastung 17

18 Anlagentechnik Chemisch Zinn Vorzugsweise horizontale, kontinuierliche Anlage Spezielles Design von MacDermid Equipment Sehr kleines Sumpfvolumen => minimaler Lufteintrag*, starke Lösungsbewegung mit Eduktoren, Zwangsdurchflutungen *Das MacStanHSR Zinnbad ist sauerstoffempfindlich. Mit dem speziellen Anlagendesign ist eine Schutzgasatmosphäre jedoch nicht notwendig. Einfache Vertikalanlage ist möglich 18

19 Horizontale Chemisch Zinn Anlage 19

20 Abscheidemechanismus Chemisch Zinn Die Zinnabscheidung in MacStan HSR erfolgt durch eine Austauschmetallisierung. Der Prozeß ist nicht autokatalytisch, d.h. in der Lösung vorhandenes Zinn führt nicht zum Ausplattieren des Zinns. Die Badlösung ist stabil. Cu + Sn > 2 Cu + + Sn Das elektrochemische Potential von Cu wird durch spezifische Komplexbilder so verschoben, daß es unedler als Sn reagiert 20

21 Schlüsseleigenschaften Lötbarkeit MacStan HSR Oberflächen sind sehr gut lötbar, solange auch nur eine dünne Schicht aus reinem Zinn auf der Oberfläche vorhanden ist. MacStan HSR diffundiert langsam in die Kupferoberfläche der Leiterplatte. Der Grad der Diffusion hängt von der Dauer und der Temperatur ab. 21

22 Schlüsseleigenschaften Lötbarkeit Aufbau einer MacStan HSR Schicht Zinnoxid (SnO) einige nm Cu-Leiterbahn reines Zinn 0,1-0,5 µm Cu Sn 5 6 0,1-0,5 µm Cu Sn 3 0,1-0,5 µm 22

23 Schlüsseleigenschaften Lötbarkeit Die sehr dünne SnO-Schicht schützt vor weiterer Oxidation und ist gut lötbar. Sn und Cu 5 Sn 6 lassen sich gut löten. Wenn die Cu 5 Sn 6 Schicht jedoch nicht mehr von reinem Zinn geschützt wird bilden sich schnell nicht lötbare Kupferoxide auf der Oberfläche. 23

24 Lötbarkeit Neue Probe gute Lötbarkeit Warmlagerung, 4 h, 155 C gute Lötbarkeit Warmlagerung 8 h, 155 C schlechte Lötbarkeit 24

25 Lötbarkeit nach Alterung Eine maximale Lagerzeit von 6 Monaten wird von großen Kunden akzeptiert. Beschleunigte Alterung: Warmlagerung für 4 h bei 155 C simuliert eine Lagerzeit von 6 Monaten ob diese beschleunigte Alterung realistisch ist, wird diskutiert. Ein internationale Norm für die beschleunigte Alterung von dünnen Zinnschichten existiert nicht. 25

26 Schichtdicke bestimmt Lötbarkeit Zinn diffundiert auch bei RT ins Kupfer (ca. 0,3mm / Jahr) Die Lötbarkeit über die Lagerzeit wird hauptsächlich durch die anfängliche Schichtdicke bestimmt. Es bilden sich intermetallische Zinn/Kupfer-Phasen. Wenn sie an der Oberfläche erscheinen bilden sich schlecht lötbare intermetallische Oxide. Die reine Zinnoberfläche ist sehr stabil gegen Oxidation Die Bildung von Zinn-IV-Oxid wird bei normalen Lagerbedingungen nicht beobachtet (RH 40 % - 90 %, 10 C - 30 C) 26

27 Messung der Schichtdicke Eine MacStan HSR Zinnschicht ist < 1mm dick ==> Messung ist schwierig. Das Ergebnis hängt stark von der Meßmethode ab. Die Methode muß vereinbart werden Beispiel einer Messung an der gleichen Probe Röntgenfluoreszenz: 1,2 mm (gemischtes Signal von allen Sn/Cu-Phasen) SERA: 0,40 mm (reines Zinn) Eigene Methode: 0,50 mm (reines Zinn) 27

28 Eigenschaften des chem.zinn Sehr gute Lötbarkeit Dünne SnO-Schicht auf der Oberfläche, kein SnO 2 kein negativer Einfluß auf die Lötbarkeit Zinn ist Bestandteil des Lotes (auch bei bleifreien) Hohe Festigkeit des Lot-Zinn-Kupfer-Verbundes Weniger edel als z.b. Gold, Palladium, Silber aktiver galvanischer Korrosionsschutz des Kupfers 28

29 Eigenschaften chem. Zinn keine Elektromigration, keine Dentriten, Whisker werden durch spezielle Additive unterdrückt Absolut planare Oberfläche Laserstrukturierbar Sehr dichte Zinnschicht übersteht sogar alkalisches Ätzen 29

30 Verarbeitung von chem.zinn Gut verträglich mit Lötstoppmasken Ciba Probimer 65, Probimer 52, Peters Elpemer SD 2469, Peters Elpemer GL 2469, Coates XV 501T4 Lötverfahren unverändert einsetzbar Lötpaste, No-Clean Flußmittel, Sn37Pb Lot. Standard Lötparameter Gut verträglich mit abziehbaren Masken Peters SD2962P (thermisch härtend nur vor MacStan), Peters 2954 (UV härtend) 30

31 Verarbeitung von chem.zinn Auch Karbonlacke sind verarbeitbar (vor MACStan HSR) Peters SD 2841 HAL IR (neueste Version), Coates XZ 302, Elbas Carbolloid MRX 713 J Verträglich mit Sonderdrucken z.b. Siebdrucklack Peters SD 2462 NB-M 31

32 Organische Kupfer Passivierung OSP (MacDermid M-CoatPlus) organische Schutzbeschichtung Einfacher wartungsarmer Prozeß Gute Lagerfähigkeit <= 6 Monate Gute Lötbarkeit für alle Bauelemente Planare Oberfläche für SMD und BGA gut geeignet Eingeschränkte Korrosionsbeständigkeit Geringe Leitfähigkeit der Oberfläche, Kontamination von Prüfspitzen Bleifreie lötbar 32

33 Organische Beschichtung Eigenschaften Sehr dünne Beschichtung (0,1 µm bis 0,15 µm bei 400 ppm bis 800 ppm Cu). Selektive Abscheidung nur auf Kupfer. Korrosionsschutz für Kupfer. Beständig gegen thermische Zersetzung. Wird von organischen Flußmittellösungen entfernt. 33

34 Org. Beschichtung Schichtdicke nur Monolagen Mehrfachlötbarkeit 1 oder 2 Lötprozesse Imidazole N Benzotriazole Hoch aktivierte Flußmittel N H N N N H Copper Pad 34

35 35 Org. Beschichtung Anlage

36 Organische Beschichtung Anlage Rinse Blackhole Blackhole Heated Dryer Rinse Rinse Verfahrensschritt Funktion Blackhole Bemerkungen Dry Blackhole Hochdruckspüle Conditioner 115 C Bath RT Entfernt groben Schmutz Microclean Speziell Anti-Tarnish bei gestanztem FR2 Mikroätze (MacDermid MaCuPrep Etch G5) 35 C 30 s Gleichmäßige Aktivierung der Oberfläche Auch gute Vorbereitung für guten Lotverbund 2-fach Kaskadenspüle RT Entfernen der Ätzlösung Leitungswasser Dekapierung 5 % Schwefelsäure RT Restlose Entfernung der Ätzlösung 2-fach Kaskadenspüle RT Schützt vor Kontamination Leitungswasser Gebläsetrockner RT Reduziert Wassereintrag M-Coat Plus 50 C 60 s Beschichtung M-Coat Plus darf vor der Spüle nicht antrocknen. 2-fach Kaskadenspüle RT Leitungswasser Spüle RT Vollständige Entfernung der Entmineralisiertes Wasser Prozeßchemikalien Trockner 65 C Trocknen und Aushärten von M-Coat Plus Platten sind nicht klebrig und können gestapelt werden. 36

37 Org.Beschichtung Essigsäurebasis: absolut gleichmäßig dicke Schichten Vorteil für den Leiterplattenhersteller: Einfache Prozeßkontrolle Analysen im M-Coat Plus Bad: Bestimmung der Konzentration von M-Coat Plus Part A (Kupfer) Bestimmung der Konzentration von M-Coat Plus Part B Bestimmung der M-Coat Plus Schichtdicke Gleichmäßige Qualität über lange Produktionszeiträume Vorteile für den Bestücker/Endanwender: Gleichmäßige Lötergebnisse durch gleichmäßige Schichtstärken 37

38 Chemisch Silber Verfahren Chemisch Silber (MacDermid Sterling) Einfacher wartungsarmer Prozeß Gute Lagerfähigkeit bei Ausschluß von schwefelhaltigen Verbindungen in der Luft Empfindliche Oberfläche, korrosionsanfällig bei Kratzern (Edelmetall) Sehr gute Lötbarkeit für alle Bauelemente Hochplanare Oberfläche für SMD und BGA gut geeignet Hochleitfähige Oberfläche, geeignet für Kontaktanwendungen Bleifreie lötbar (bleifreie Lote sind silberhaltig) Spezielle Rezepturen (MacDermid Sterling) minimieren das Risiko der Elektromigration 38

39 39 Chemisch Silber Topologie

40 40 Anlagen für Silber

41 Silber Prozess Rinse Blackhole Conditioner 115 C Blackhole Bath Heated Dryer Rinse Rinse Blackhole Blackhole Microclean Anti-Tarnish Dry horizontal Durchlauf vertikal Tauchen Sterling saurer Reiniger 50 C 30 sec. 5 min. Sterling Surface Prep 40 C 60 sec. 60 sec. Sterling Pre-Dip 30 C 30 sec. 30 sec. Sterling Silver 50 C 60 sec. 60 sec. 41

42 Chemisch Nickel / Gold Absolut ebene Oberfläche Schichtdicke auf der Oberfläche und in den Bohrungen nahezu gleich Einsatz von No Clean Fluxer möglich Lagerfähig 12 Monate Bondfähige Oberfläche 42

43 43 Chemisch Nickel Gold

44 44 Vergleich der Verfahren 1

45 45 Vergleich der Verfahren 2

46 Lieferbare Oberflächen HAL konventionell Bleifrei Versuch geplant mit Nihon Superior Legierung: Sn/0,7 Cu/0,05 Ni keine Brückenbildung, glatte Fläche ca. 10 höhere Temperatur, preisgünstig Chemisch Zinn Chemisch Ni / Au Organische Pasivierung 46

47 47 HAL mit bleifreiem Lot

48 Fazit Alle edelmetalhaltigen Prozesse verursachen höhere Kosten, die Verfügbarkeit ist zu beachten Mit einer Kostenzunahme ist auf jeden Fall zu rechnen, da Blei wesentlich günstiger ist als alle Ersatzmaterialien alle Zinn Legierungen ergeben höhere Temperaturen mit Auswirkung auf Materialien, Bauteile und Anlagen Chemisch -Zinn, - Silber, erfordern angepasste Pad Oberflächen OSP wäre günstiger aber die höheren Temperaturen bei der Endfertigung verursachen hier Probleme 48

49 Bleifrei Lötprofile Dampfphase/ Konvektion Temperatur t=1 C Dampfphase t=36 C Konvektion max 263 C Konvektion 250 leichte Baugruppen Dampfphase max. 230 C Dampfphase 221 C Liquidus 200 Maschinenprofil Dampfphase 150 Maschinenprofil Konvektion schwere Baugruppen Konvektion 100 leichte Baugruppen Konvektion 50 schwere Baugruppen Dampfphase 0 Zeit (min)

50 Fazit Sind alle Bauteile ebenfalls mit bleifrei Oberflächen erhältlich? Wie sieht es mit bleifrei Lotpasten aus? Wie gut können die Bauteile verlötet werden? Welches Lötverfahren muss eingesetzt werden? 50

51 Fazit Es gibt zur Zeit keine allround Lösung wie zur Zeit der Heißverzinnung mit Pb/Sn Oberfläche 51