4. Elektronik-Technologie-Forum-Nord 30. / Hamburg Eröffnungsvortrag Poren in SMT - Lötstellen

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1 4. Elektronik-Technologie-Forum-Nord 30. / Hamburg Eröffnungsvortrag Poren in SMT - Lötstellen Dr. Sonja Wege Rolf L. Diehm 1

2 Daten und Fakten gegründet 1976 eigentümergeführt = Flexibilität und Kreativität für unsere Kunden Hauptsitz und Fertigung in Deutschland Tochtergesellschaften und Offices: - SEHO North America, Inc. - SEHO UK Ltd. - SEHO Office Mexico - SEHO Office China - SEHO Office India 180 Mitarbeiter weltweit 2

3 Inhalt des Vortrages Entstehung von Poren Porosität in Lötverbindungen Einflüsse auf die Porenbildung Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit Prozesstechnische Maßnahmen zur Porenreduzierung Löten unter Überdruck Versuche und Lötergebnisse Zusammenfassung 3

4 Entstehung von Poren Fehlstellen in Lötverbindungen Lunker Benetzungsfehler Poren Entstehung durch Volumenschwund bei der Erstarrung Entstehung durch Behinderung des Lotflusses Entstehung durch sprunghaft abnehmende Gaslöslichkeit bei der Erstarrung Quelle: Fraunhofer-IZM, OPH 4

5 Porosität in Lötstellen Abnahmekriterien der IPC A 610 (Revision E) BGA-Bauteile Zulässig Klasse 1, 2 und 3 Die Poren belegen 25 % oder weniger von der Fläche einer beliebigen Kugel im Röntgenbild Fehler Klasse 1, 2 und 3 Die Poren belegen mehr als 25 % der Fläche einer beliebigen Kugel im Röntgenbild Vom Design verursachte Poren, z.b. an Microvias in der Anschlussfläche, sind von diesem Anforderungskriterium ausgeschlossen. In solchen Fällen müssen die Abnahmekriterien zwischen Hersteller und Anwender vereinbart werden. Für Lötstellen von SMD-Standardbauteilen existieren noch keine Angaben zur zulässigen Porosität. Für Anwendungen in Klasse 3 wird teilweise von Firmen ebenfalls ein Porenanteil unter 25 % oder sogar von % gefordert (bezogen auf das Volumen der Lötstelle). 5

6 Porosität in Lötstellen Vorgaben der IPC 7095 Design and Assembly Process Implementation for BGA s Klassifizierung der Voids bezüglich ihres Auftretens in den Balls BGA-Bauteile im Ausgangszustand nach dem Lötprozess 6

7 Porosität in Lötstellen Vorgaben der IPC 7095 Definition unterschiedlicher Poren in einer BGA-Lötstelle 1: die größten vorkommenden Voids 2: kleine Voids in der Nähe der Verbindungsflächen 3: rissähnliche Voids vor allem in bleifreien Loten 4: verursacht durch Microvias in Pads 5: sehr kleine Voids in der intermetallischen Phase, (meist nach thermischer Alterung) 6: verursacht durch kleinste Löcher in der Kupferoberfläche der Leiterplatte 7

8 Porosität in Lötstellen IEC Evaluation criteria for voids in soldered Joints of BGA and LGA 8

9 Porosität in Lötstellen Einfluss - Leiterplattendesign Quelle: FhG-IZM, ZVE Maßnahme zur Porenvermeidung: gefüllte Microvias Quelle: IPC

10 Porosität in Lötstellen Abnahmekriterien der IPC A 610 (Revision E) BTC-Bauteile 10

11 Porosität in Lötstellen Abnahmekriterien der IPC A 610 (Revision E) BTC-Bauteile sichtbar gute Benetzung Für Bauteile die keine durchgehend lötbare Oberfläche besitzen, kann an der Spitze keine Lötstelle ausgebildet werden und somit ist dort auch keine Benetzung gefordert. Angaben zur Seitenlänge und Höhe der Lötstellen sind nicht festgelegt. Angaben zur Bedeckung der Lötfläche unterhalb des Bauteils liegen nicht vor. Die Lotbedeckung der thermal pads ist zwischen Hersteller und Anwender zu vereinbaren. Poren in der Kühlfläche sind üblich. Es existieren keine weiteren Vorgaben zur Porosität in den Lötstellen. 11

12 Porosität in Lötstellen Vorgaben der IPC 7093 Design and Assembly Process Implementation for Bottom Termination SMT Components Lotbedeckung der thermal pads Die Lotbedeckung muss so sein, dass die geforderte Wärmeableitung gewährleistet ist. Normalerweise wird eine Lotbedeckung von 50 % angestrebt. Erst bei einer Lotbedeckung unterhalb von 50 % ergeben sich größere Einflüsse auf die Wärmeableitung. Angaben zur maximal zulässigen Größe der Voids existieren nicht. 12

13 Porosität in Lötstellen Bottom Termination Components Vorgaben der IPC 7093 Die ermittelten Werte gelten beim Vorhandensein kleinerer Voids. Große Voids sind zu vermeiden. Vorhandene Vias sollten deshalb abgedeckt werden. 13

14 Porosität in Lötstellen Baugruppen für die Leistungselektronik Quelle: Heraeus Die Vorgaben der IPC-7093 für die Lotbedeckung gelten nicht für Baugruppen der Leistungselektronik. Die hohen Verlustleistungen erfordern andere Kriterien. Die Forderungen liegen hier im Bereich von ca. 3 %. 14

15 Porosität in Lötstellen Bottom Termination Components Vorgaben der IPC 7093 Lotbedeckung der thermal pads Die Lotbedeckung der Thermal pads kann durch die Schablonenvariante beeinflusst werden. Quelle: IPC

16 Porosität in Lötstellen 16

17 Porosität in Lötstellen Inspektion Zur Beurteilung der Porosität in Lötverbindungen und der Lotbedeckung von thernal pads ist eine Röntgeninspektion erforderlich Anwendung: für die Evaluierung eines Prozesses in der Start-up-Phase zur Stichprobenüberwachung bei stabilen Prozessen; 100 %-Prüfung bei sehr hohen Qualitätsanforderungen an das Produkt und den Prozess Quelle: Fraunhofer-IZM, OPH 17

18 Porosität in Lötstellen Röntgeninspektion Bestimmung Porenanteil Einflüsse auf das Ergebnis ergeben sich durch: die gewählte X-Ray-Spannung die Kalibrierung der Porengröße zu Beginn der Messung die Qualität der Software Quelle: Fraunhofer-IZM, OPH Einfluss der X-Ray-Spannung auf die Porengröße Quelle: IPC

19 Porosität in Lötstellen Einflussparameter beim Reflowprozess Metallgehalt Lotlegierung Lötatmosphäre Profil (Linear-, Sattelprofil) Leiterplattenoberfläche Lagertemperatur der Lotpaste Lagerzeit der Lotpaste Beispiel: Lötergebnisse gleiche Lotpaste, verschiedene Reflowprofile Quelle: FhG-IZM, OPH 19

20 Porosität in Lötstellen BTC-Bauteile Einflussparameter Lotpastenmenge Bei einer optimierten Lotpastenmenge sind alle Pads vollständig und gleichmäßig mit Lot bedeckt und die Lötfläche unterhalb des Bauteils weist nur einen geringen Porenanteil auf. Wird zu wenig Lotpaste verwendet sind die Lötstellen sehr unregelmäßig ausgebildet und die Lötfläche unterhalb des Bauteiles zeigt einen hohen Porenanteil. Quelle: Fraunhofer-IZM, OPH 20

21 Porosität Einfluss auf die Zuverlässigkeit thermomechanische Belastungen: Der tragfähige Querschnitt der Lötverbindung wird reduziert Es kommt zu einer Reduzierung der Zuverlässigkeit. elektrische Funktion: Einfluss auf die HF-Eigenschaften Erhöhung der lokalen Stromdichte Wärmeschäden, Elektromigration thermische Eigenschaften: Erhöhung des thermischen Widerstandes Reduzierung der lokalen Entwärmung, Hot Spots 21

22 Porosität Einfluss auf die Zuverlässigkeit Der Einfluss auf die thermomechanische Zuverlässigkeit ist abhängig von der Porenanzahl und von der Lage und Größe der Poren. Liegen die Poren an Stellen, an denen bei Belastung erhöhte Spannungen innerhalb der Lötverbindungen auftreten, kann die Zuverlässigkeit reduziert werden. BGA-Bauteile: an den Grenzflächen zur Leiterplatte bzw. zum Bauteil Chip-Bauteile: im Lotspalt zwischen Leiterplatte und Bauteil BTC-Bauteile: im Lotspalt zwischen Leiterplatte und Bauteil 22

23 Porosität Einfluss auf die Zuverlässigkeit Einfluss von Poren auf die Rissbildung in BGA- Lötverbindungen nach TW-Belastung Thermoschockbelastung 40 bis C, 500 Zyklen Einfluss von Poren auf die Schädigung der Lötstellen von Chipbauteilen Quelle: Fraunhofer-IZM, OPH 23

24 Maßnahmen zur Porenreduzierung Prozesseinflüsse beim Reflowlöten gute und schnelle Benetzung der Oberflächen Minimierung der Rückstände in der Leiterplatten- und Bauteilmetallisierung Lotpasten mit optimierten Eigenschaften (angepasste Lösemittel) Optimierung des Schablonen-Layouts (bei flächigen Verbindungen) Optimierung des Temperatur-Zeit-Profils Optimierung des Leiterplatten-Layouts Diese Maßnahmen können den Porenanteil verringern. Eine völlige Vermeidung der Poren ist nicht zu erreichen. 24

25 Maßnahmen zur Porenreduzierung Vakuumlöten Gas-und Flussmitteleinschlüsse werden aus der Verbindung herausgesaugt solange das Lot noch flüssig ist. Zum Heizen und Kühlen wird eine Infrarotstrahlung oder die Dampfphase genutzt Konvektion ist nicht möglich. Beispiel für einen Temperatur / Druck- / Zeit-Verlauf (schematisch) Quelle: 25

26 Maßnahmen zur Porenreduzierung Vakuumlöten Quelle: K. Wilke, Siemens AG 26

27 Löten unter Überdruck Verschiedene Betrachtungen zeigten, dass zum Entfernen der Poren auch die Druckdifferenz zwischen Pore und Umgebung entscheidend ist. Es sollte deshalb auch möglich sein eine Pore die bei Überdruck entstanden ist bei Normaldruck zu entfernen. Entwicklung einer Reflow-Lötanlage mit einer Konvektionsheizung im Vorheizbereich und einer Druckkammer im Peakbereich 27

28 Löten unter Überdruck erste Testversuche mit einer Laboranlage großflächige Lötverbindungen auf Basis FR4, chem. Sn ohne Überdruck 1 bar ab 180 C 1 bar ab 200 C 1 bar ab 220 C 28

29 Löten unter Überdruck Überdruck Reflow Lötanlage (MaxiReflow HP) Der Vorheizbereich entspricht einer herkömmlichen Konvektionsanlage und verfügt über sechs Zonen. Der modifizierte Lötbereich besteht aus einer speziell konstruierten Druckkammer, kombiniert mit einer Konvektions-Heizzone. 29

30 Löten mit Überdruck Die MaxiReflow HP verfügt in jeder Heizzone - auch in der Druckkammer - über Tangentiallüfter, die mit einem hohen Gasumwälzvolumen für eine absolut homogene Temperaturverteilung sorgen. Die Form der Austrittsdüsen und das optimierte Gasführungsprinzip FDS (Flow Dynamic System) ermöglichen eine hocheffiziente Wärmeübertragung auf die Flachbaugruppen, so dass mit niedrigen, bauteilschonenden Einstelltemperaturen gearbeitet werden kann. Mit insgesamt sechs oberen und unteren Heizzonen vor der Druckkammer und zwei oberen und unteren Heizzonen im Überdruck-Bereich kann vollkommen flexibel auf alle material- und prozessbedingten Gegebenheiten reagiert werden. Im temperaturgeregelten Kühlbereich, der aus zwei separat einstellbaren Zonen besteht, können Kühlgradienten gezielt beeinflusst und die Baugruppen somit stressfrei abgekühlt werden. Die Anlage verfügt über separat regelbare Transportsegmente für den Vorheizbereich, die Druckkammer und die Kühlzone. Damit können die Prozesse individuell optimiert und Durchsätze maximiert werden. 30

31 Löten mit Überdruck Druckkammer und Prozessablauf Die Druckkammer, ist so aufgebaut, dass die Gaskonvektion zur Baugruppenerwärmung genutzt werden kann. Dadurch können konventionelle Komponenten verwendet werden und die Gestaltung üblicher Temperaturprofile ist problemlos möglich. Die Kammer ist bei einem Gesamtvolumen von 240 Litern für einen Überdruck von max. 4,2 bar ausgelegt. Der Druckaufbau erfolgt mit Stickstoff und wird über ein Magnetventil gesteuert. Der Prozess kann so gestaltet werden, dass das Lot beim Einfahren in die erste Druckzone schon aufgeschmolzen ist oder erst in der Druckkammer die Liquidustemperatur überschritten wird. Vorteil der 2. Variante ist, dass keine Übergabe der Baugruppe mit aufgeschmolzenem Lot auf ein weiteres Transportsystem erfolgt. In der ersten Zone der Druckkammer wird das flüssige Lot mit einem Überdruck (max. 4 bar) beaufschlagt. Der Druck wird nach kurzer Zeit ruckartig wieder abgebaut, wodurch vorhandene Poren aus dem flüssigen Lot verdrängt werden. Mit dem getakteten Transport wird die Baugruppe anschließend in die zweite Konvektionszone der Druckkammer gefahren und erneut ein Überdruck aufgebaut. In dieser Zone liegt die eingestellte Temperatur bereits unter dem Solidus, so dass das Lot unter Druck erstarren kann. 31

32 Löten mit Überdruck Prozessablauf schematisch 32

33 Löten unter Überdruck gemessenes Temperaturprofil in einer Lötanlage mit Überdruck Druck: 2 bar Unterschreiten der Solidustemperatur geschieht unter Druck geschieht. 33

34 Löten unter Überdruck Merkmale des Verfahrens Die Wärmeübertragung erfolgt über Konvektion. Die Problematik der Strahlungssysteme ist nicht vorhanden. Die Anlage ist sowohl als Druckanlage, aber auch als normale Reflowanlage nutzbar, d.h. die Peakzone kann im Durchlauf auch als normale Reflowzone eingesetzt werden. Da keine Schleusen notwendig sind liegt keine Höhenbegrenzung für die Flachbaugruppen vor. Da der Dichtbedarf relativ gering ist ist eine einfache, wartungsarme Abdichtung ausreichend. Die Verunreinigung durch Materialabscheidungen ist gering, so dass auch der Reinigungsbedarf gering ist. 34

35 Löten unter Überdruck Merkmale des Verfahrens Der Arbeitsbereich liegt bei 1 10 bar. Es ist ein Stufendruck oder Mehrfachdruck möglich. Der Nutzung von Aktivgasen ist möglich. Der Lötprozess erfolgt nahezu Spritzer- und Lötperlenfrei Einschränkungen bei der Verarbeitung spezieller Bauteile (wie z.b. von Elektrolytkondensatoren) sind nicht vorhanden. Auch das Diffusionslöten, das sich als ein Verbindungsprozess für Baugruppen der Leistungselektronik etabliert, ist mit dem Überdruckverfahren realisierbar. 35

36 Versuche und Lötergebnisse Testboards Oberfläche: Cu Bauteil: Bare Die Bauteilmetallisierung. Ag Lotpaste: SnAgCu Oberflächen: NiP/Au chemisch Zinn Cu / OSP 36

37 Versuche und Löterergebnisse Versuchsmatrix Lotpasten: verschiedene Heraeus-Pasten SAC 305 F 640, F 680, F 610 Prozessparameter: ohne Überdruck mit Überdruck 1 bar, 3 bar und 5 bar verschiedene Druckprofile (ohne Entlüften, Druck ab Peak, Normaldruck ab Peak) 37

38 Versuche und Lötergebnisse Lötergebnis ohne Überdruck Lötergebnis mit Überdruck 38

39 Temperatur, C Kammerdruck, bar Versuche und Lötergebnisse 350 3,0 Heizplatte T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 T 8 Druck 300 2, , , , ,5 50 0, Versuchsdauer, s -0,5 Temperatur- und Druckprofil mit dazugehörigem Röntgenbild einer ausgewählten Lötstelle eines Versuches ohne Überdruck. Der Porenanteil liegt bei etwa 11%. 39

40 Temperatur, C Kammerdruck, bar Versuche und Lötergebnisse 350 3,0 Heizplatte T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 T 8 Druck 300 2, , , , ,5 50 0, Versuchsdauer, s -0,5 Temperatur- und Druckprofil mit dazugehörigem Röntgenbild einer ausgewählten Lötstelle bei dem der Druck von Beginn des Lötprozesses bis nach dem Erstarren über 1 bar betragen hat ( ohne Entlüften ). Der Porenanteil liegt bei etwa 12%. 40

41 Temperatur, C Kammerdruck, bar Versuche und Lötergebnisse 350 3,0 Heizplatte T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 T 8 Druck 300 2, , , , ,5 50 0, Versuchsdauer, s -0,5 Temperatur- und Druckprofil mit dazugehörigem Röntgenbild einer ausgewählten Lötstelle bei dem der Druck nach dem Erreichen der Peaktemperatur auf 1 bar erhöht wurde ( Druck ab Peak ). Nach der Erstarrung wurde der Druck wieder auf Normaldruck abgesenkt wurde. Der Porenanteil liegt bei unter 10% 41

42 Temperatur, C Kammerdruck, bar Versuche und Lötergebnisse 350 Heizplatte T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 T 8 Druck 5, , , , ,5 50 0, Versuchsdauer, s -0,5 Temperatur- und Druckprofil mit dazugehörigem Röntgenbild einer ausgewählten Lötstelle bei dem der Druck von Beginn des Lötprozesses an bis nach dem Erstarren 5 bar betragen hat, aber bei Erreichen der Peaktemperatur kurz auf Normaldruck abgesenkt wurde. Der Porenanteil liegt bei etwa 1%. 42

43 Löten unter Überdruck Porenreduzierung - Potential durch die Prozessführung VP ohne Druck Druckprofil 1 Druckprofil 2 Druckprofil 3 Druckprofil 4 Druckprofil 5 Druckprofil 6 43

44 Versuche und Lötergebnisse Zusammenfassende Darstellung der Ergebnisse zum Überdrucklöten mit verschiedenen Druckprofilen und unterschiedlichen Maximaldrücken. Alle Versuche wurden auf Cu- Oberflächen (Cu/OSP) durchgeführt. Jeder Balken gibt das Ergebnis eines einzelnen Versuchs wieder. 44

45 Versuche und Lötergebnisse Porenanteil von flächigen Lötverbindungen in Abhängigkeit des Druckverlaufes und der verwendeten Paste. Verwendet wurden drei Pasten von Heraeus, die sich im Flussmittelsystem unterscheiden. 45

46 Löten unter Überdruck Versuche zum Überdrucklöten am IAVT der TU Dresden Der Einfluss des Überdrucklötens auf den Voidgehalt konnte bestätigt werden. Normaldruck: 22,4 % Voids Bauelement: Fläche: Dicke: zus. Metallisierung: Substrat: Fläche: Dicke: zus. Metallisierung: Cu-Plättchen 10x10 mm² 1 mm keine Cu-Platte 20x20 mm² 1 mm keine Überdrucklöten: 3,8 % Voids Prozessgas: Stickstoff Lotpaste: SnCu0,7 Typ 3 Depotdicke: 150µm Druckverfahren: Handdruck T. Zerna, A.Klemm 46

47 Löten unter Überdruck Bei Osram wurden Chips auf Panels aufgelötet unter Verwendung des Überdrucklötens und des Vakuumlötens. Bezüglich der Porenbildung waren die besten Ergebnisse, die beim Überdrucklöten erreicht wurden mit den Ergebnissen des Vakuumlötens vergleichbar. Beim Überdrucklöten zeigten sich nur im Randbereich um die verlöteten Chips Spuren von Flussmittelrückständen, beim Vakuumlöten verteilen sich die Flussmittelrückstände auf der Paneloberfläche und auf den LED-Pads, was eine Reinigung vor einem anschließenden Bondprozess notwendig macht. Zum Nachweis der Serientauglichkeit sind noch weitere Versuche unter Variation der Druckparameter erforderlich. 47

48 Löten unter Überdruck Auswirkungen beim Diffusionslötprozess Beim Diffusionslöten (Solid-Liquid-Interdiffusion) wird die niedrig schmelzende Lotschicht, die zwischen zwei hochschmelzenden Metallschichten oder Substraten platziert ist, vollständig in intermetallische Phasen umgewandelt. Die Verbindung besteht dann ausschließlich aus intermetallischer Phase mit einem Schmelzpunkt 400 C. Haupteinflussfaktoren im Prozess sind Temperatur und Zeit. Erste Versuche mit zusätzlichem Überdruck weisen darauf hin, dass dadurch der Diffusionslötprozess positiv beeinflusst wird. Vorgänge beim Diffusionslöten schematisch 48

49 Löten unter Überdruck Bewertung der Ergebnisse Die Untersuchungen mit einer Anlage, in der sich ein Überdruck einstellen lässt, haben gezeigt, dass insbesondere bei großflächigen Lötstellen eine deutliche Porenreduzierung erzielt werden kann, wenn geeignete Druckvariationen, während das Lot im flüssigen Zustand ist, vorgenommen werden. Die Versuche zeigten, dass bereits ein Überdruck von 1 bar einen signifikanten Einfluss auf die Ausbildung der Poren in flächigen Lötstellen hat. Ein Überdruck von 5 bar kann bei geeigneter Prozessführung sogar zu einer Porenreduzierung derart führen, dass weniger als 1% der Fläche mit Poren bedeckt ist. 49

50 Zusammenfassung Poren in Lötverbindungen können zu einer Beeinträchtigung des mechanischen, elektrischen und thermischen Funktion führen. Bei Bauteilen mit Kühlfächen ist eine bestimmte Lotbedeckung notwendig, um die geforderte Wärmeableitung zu gewährleisten. Deshalb wird, abhängig vom Anwendungsbereich, häufig eine nahezu porenfreie Flächenlötung angestrebt. Im Reflowprozess kann durch prozesstechnische Maßnahmen eine Porenreduzierung erreicht werden. Eine vollständige Vermeidung von Poren ist nicht möglich. Eine Alternative bietet hier das Vakuumlöten. Eine weitere Alternative ist ein neu entwickeltes Verfahren, das mit Überdruck arbeitet. Hier haben die bisherigen Untersuchungen gezeigt, dass bei geeigneten Druckvariationen flächige Lötverbindungen mit weniger als 1 % Porenanteil zu erreichen sind. 50

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