Selective I Reflow I Wave I AOI I Know-How. Lösungsmittelfreier Flussmittelauftrag durch den Einsatz von Plasma

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1 Lösungsmittelfreier Flussmittelauftrag durch den Einsatz von Plasma

2 Inhalt des Vortrags Rückstände auf Baugruppen Flussmittelauftrag beim Wellen-/Selektivlöten Zielsetzung des Projektes Entwicklung und Aufbau des Verfahrens Plasmafluxen Erprobung und Ergebnisse Aufbau und Erprobung einer Prozessanlage Potential des Verfahrens Fazit und Ausblick SEHO Systems GmbH 2

3 Rückstände auf Baugruppen Quellen Rückstände aus den Galvanikprozessen bei der Leiterplattenherstellung oder der Beschichtung von Bauteilanschlüssen Verunreinigungen aus der Umgebung (Industrieluft, salzhaltige Medien, Staub) Verunreinigungen beim Handling (Fett, Schweiß) Rückstände aus dem Lötprozess (Flussmittel!) SEHO Systems GmbH 3

4 Rückstände auf Baugruppen Ionische Rückstände - Qualifizierung nach J-STD-001 F Messmethode: Prüfgerät - Kontaminometer Prüflösung - Isopropanol-Wassergemisch Beurteilungskriterium - Natriumchloridäquivalent V NaCl Grenzwert: 1,56 µg / cm 2 Der Grenzwert gilt für Baugruppen, die mit Flussmitteln der Klasse L 0 oder L 1 gelötet wurden. Bei höheren Anforderungen werden auch niedrigere Grenzwerte zwischen Hersteller und Anwender festgelegt (z.b. 0,6 µg/cm 2 ). SEHO Systems GmbH 4

5 Rückstände auf Baugruppen Flussmittelrückstände - Qualifizierung nach J-Std 004: nach DIN EN : Requirements for Soldering Fluxes Anforderungen an Flussmittel SIR-Test IPC-B-24-Kammstrukturen als Testproben Klimalagerung bei 85 C / 85 % rel. Feuchte (oder bei 40 C, 93 % rel. Feuchte) ( Spannung von 5 V, Lagerdauer 168 Stunden) Beurteilungskriterium - Oberflächenwiderstand (gemessen nach 24, 96 und 168 Stunden) Grenzwert: 100 M SEHO Systems GmbH 5

6 Rückstände auf Baugruppen Ausfälle durch Rückstände Voraussetzungen ionische Verunreinigungen Feuchte Potentialdifferenz Bildung eines geschlossenen, leitfähigen Feuchtigkeitsfilmes Ausfallmechanismen Kriechströme durch lokale Absenkung des Oberflächenwiderstandes Bildung von Kurzschlussbrücken durch Migrationsvorgänge Korrosion der Oberflächen SEHO Systems GmbH 6

7 Rückstände auf Baugruppen Vorgänge bei der elektrochemischen Migration Lösen von Metallionen an der Anode Wanderung der Ionen im Elektrolyten Abscheidung der Metallionen an der Kathode Bei hohen Spannungen können die Migrationsbrücken auch durchbrennen und hinterlassen kaum sichtbare Spuren. Migrationsbrücken zwischen zwei Leiterbahnen SEHO Systems GmbH 7

8 Rückstände auf Baugruppen Schadensbeispiele Anschlusspins mit Korrosionsprodukten Bildquelle: Fraunhofer IZM-OPH Migration unter einem Chip-Bauteil Bildquelle: Fraunhofer IZM-OPH Migration unter einem Schutzlack SEHO Systems GmbH 8

9 Wellen-/Selektivlöten Flussmittelauftrag Beim Selektivlötprozess können in benachbarten Bereichen der verlöteten THT-Bauteile Flussmittelrückstände verbleiben, die keiner Lötwärme ausgesetzt wurden. Diese können unter Feuchtebedingungen zu Problemen führen. Beim Wellenlöten mit Maske kann das Flussmittel in die Kapillarspalte zwischen Leiterplatte und Lötmaske kriechen. Das Flussmittel in diesen Bereichen kommt nicht mit der Lötwelle in Kontakt, so dass aktive Flussmittelreste verbleiben können Korrosionserscheinungen neben einer Selektivlötstelle nach Einwirkung von Feuchte Bildquelle: Fraunhofer IZM-OPH SEHO Systems GmbH 9

10 Wellen-/Selektivlöten Flussmittelauftrag Entwicklung eines Koordinatenfluxers für den selektiven Flussmittelauftrag beim Wellenlöten mit Maske Das Flussmittel kann an den zuvor programmierten Lötstellen präzise aufgebracht werden. Das Flussmittel wird nicht auf die komplette Maske, sondern nur an den zu lötenden Stellen aufgetragen. Das System arbeitet mit einer Fluxgeschwindigkeit von bis zu 500 mm/s. Die Selektivlötanlagen (z.b. die Selective Line) sind mit einer Flussmittelmengenüberwachung ausgestattet. Bei diesem Feature wird nicht nur die Funktion der Fluxerdüse, sondern die tatsächlich je Lötstelle aufgebrachte Flussmittelmenge gemessen und überwacht. SEHO Systems GmbH 10

11 Wellen-/Selektivlöten Flussmittel Handling, Umwelt, Gesundheit Flussmittel werden derzeit als Gefahrgut (Klasse 3) deklariert und es müssen besondere Vorkehrungen bei der Lagerung, beim Handling und bei der Entsorgung getroffen werden. Eine Lagerung in zertifizierten Sicherheitsschränken ist notwendig. umwelttechnische Aspekte: Reduktion umweltschädlicher Emissionen zur Eindämmung der Klimaerwärmung in Deutschland soll bis zum Jahr 2020 der VOC-Ausstoß von aktuell rund 1 Mio. t auf t verringert werden. SEHO Systems GmbH 11

12 Zielsetzung Reduzierung des Flussmittelverbrauches und Vermeidung von Flussmittelrückständen Entwicklung eines Lötverfahrens, das es ermöglicht den Einsatz von Flussmitteln in flüssiger Form zu vermeiden oder erheblich zu reduzieren. lösemittelfreies Lötverfahren durch Integration einer neuen Plasmatechnologie in den Wellenlötprozess SEHO Systems GmbH 12

13 Zusammenstellung des Projektkonsortiums Gefördert von: SEHO Systems GmbH 13

14 Ausgangsbasis Plasmalöttechnologie, die in den 90-iger Jahren entwickelt wurde Verwendung eines Niederdruckplasmaverfahrens zur Behandlung der zu lötenden Oberfläche direkt vor dem Eintritt in die Lötwelle Probleme: Vakuumtechnik zu teuer, Zusatz von Ameisensäure für gute Lötergebnisse erforderlich, Lötprobleme bei Oberflächen mit organischer Passivierung Atmosphärendruck-Plasma mit Zusatz von Pulver SEHO Systems GmbH 14

15 Aufbau der Beschichtungszelle für grundlegende Tests Positionierung des Plasmajets in x-, y- und z-richtung Maximalgeschwindigkeit des Prozesskopfes 250 mm / s Vermeidung von Ozon- und Pulverkontamination durch Absaugung SEHO Systems GmbH 15

16 Evaluierung von unterschiedlichen Plasmadüsen interne Einspeisung des Flussmittelpulvers externe Einspeisung des Flussmittelpulvers SEHO Systems GmbH 16

17 Pulvervorbereitung Vermahlen des Pulvers auf eine Größe, die zum Fördern mit dem Dispergierer geeignet ist. Adipinsäure im Ausgangszustand Gemahlen Analysemühle SEHO Systems GmbH 17

18 Erster Ansatz zur Pulverförderung Förderung des Pulvers durch Stickstoff Zerstäubung des Pulvers in einem Druckgefäß durch Druckstöße Erzeugung der Druckwellen durch zyklisches Schalten von Ventilen, die die Gasströmung öffnen und schließen Dispergierkammer mit Gasinjektoren SEHO Systems GmbH 18

19 Alternative Pulverförderung Pulver verklumpt leicht bei erstem Ansatz Aerosol N 2 Abhängigkeit von Füllstand Konstante Materialförderung mit Druckstößen nicht möglich Nutzung eines Bürstendispergierers für stabile Förderraten Bürste Flussmittel Zuführung SEHO Systems GmbH 19

20 Gewicht Selective I Reflow I Wave I AOI I Know-How Pulverförderung 10 g Pulverförderkennlinie Adipinsäure Vorschubgeschwindigkeit 325 mm/h ~ 0,73 g/min Linearer Zusammenhang zwischen Förderrate und Vorschubgeschwindigkeit Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit (100 mm/h) Erhöhung der Förderrate (0,1 g/min) min 16 Zeit SEHO Systems GmbH 20

21 Flussmittelvarianten Schwerpunktmäßig Adipinsäure Vergleich mit Flussmittel von Emil Otto Organische Carbon- und Dicarbonsäuren Mit und ohne Harzadditiv Unterschiedliche Schmelzbereiche und Aktivität Halogen- und halogenidfrei WEEE- und RoHS-konform Keine Stoffe nach REACH/SVHC SEHO Systems GmbH 21

22 Beschichtungsparameter Dispergierdruck Düsenabstand Verfahrgeschwindigkeit Pulverbeschaffenheit Pulverzusammensetzung SEHO Systems GmbH 22

23 Einfluss der Beschichtungsparameter auf die Partikelverteilung Selective I Reflow I Wave I AOI I Know-How Quelle: Fraunhofer-IZM Grundeinstellung reduziertes Dispergiervolumen reduziertes Dispergiervolumen reduzierter Abstand SEHO Systems GmbH 23

24 Ergebnisse der Partikelverteilung Adipinsäure Flussmittel homogenere Partikelverteilung Adipinsäure bei gleichen Beschichtungsparametern Quelle: Fraunhofer-IZM SEHO Systems GmbH 24

25 Ergebnisse der Partikelverteilung SEHO Systems GmbH 25

26 Benetzungsverhalten bei unterschiedlichen Parametern Dispergiervolumen 6 NLM Vollständige Benetzung Dispergiervolumen 4 NLM Nicht benetzte Bereiche und Entnetzung SEHO Systems GmbH 26

27 Bewertung des Lotdurchstiegs Anteil der Durchkontaktierungen mit 100 %, 75 % und < 50 % Lotdurchstieg 80% 85% 90% 95% 100% FM01 FM02 FM03 FM04 FM05 FM06 FM07 FM08 Standard 100% 75% unter 50 % 100% 75% 50% SEHO Systems GmbH 27

28 SIR Wert Selective I Reflow I Wave I AOI I Know-How Korrosivität der Rückstände SIR-Test 40 C / 93% rel. F., 168h 5V Bias, -5V Messung Oberflächenisolationswiderstand > 10 8 Ω, beginnend 24 h nach stabilem Testklima 1E+14 1E+10 1E+08 1E+06 1E+04 1E+02 1E+00 Adipinsäure max. Menge ohne Temperatur-Belastung Ω h 192 Zeit SEHO Systems GmbH 28

29 SIR Wert Selective I Reflow I Wave I AOI I Know-How Korrosivität der Rückstände SIR-Test Flussmittel max. Menge 150 C Temperatur-Belastung 1E+14 Ω 1E+10 1E+08 1E+06 1E+04 1E+02 1E h 192 Zeit Ohne thermische Vorbehandlung: Forderung bei allen untersuchten Flussmitteln eingehalten Steigende Menge reduziert Oberflächenwiderstand. Mit thermischer Vorbehandlung: Teilweise Dendriten-Bildung und Ausfälle Einhaltung der Anforderung mit bestem Ergebnis bei Flussmittel und Adipinsäure SEHO Systems GmbH 29

30 Aufbau der Prozesszelle Integration der Plasmadüse und des Dispergierers in ein SelectFlux-Modul SEHO Systems GmbH 30

31 Aufbau der Prozesszelle Auftragsmenge steuerbar durch Dispergiererdruck und Verfahrgeschwindigkeit des Kopfes Maximale Verfahrgeschwindigkeit 1200 mm/s. Bearbeitung bei feststehender Baugruppe, gezieltes Abfahren der zu fluxenden Bereiche Absaugung von Pulverrückständen direkt im Bearbeitungsbereich keine unnötige Verunreinigung der Anlage und geringer Wartungsaufwand Steuerung des Moduls über SPS mit Touch-Display. Programmierung grafisch über Standard-Softwarepaket für selektives Löten SEHO Systems GmbH 31

32 Versuche an Test- und Serienboards Lötversuche bei der Fa. Zollner an Volltunnel-Wellenlötanlagen mit Standardprofil Plasma-Flussmittelauftrag als Vorprozess, Standard-Fluxer deaktiviert Lötparameter: Leiterplattentemperatur vor Eintritt in Welle: 130 C 150 C verwendete Wellenformer: Wörthmann Lochwelle Kontaktzeit: ca. 5 Sekunden verwendete Lotlegierung: SnAg3,5Cu0,7 Lottemperatur: 260 C Restsauerstoffwert: < 300 ppm. SEHO Systems GmbH 32

33 Lötergebnisse der Test- und Serienboards Optimale Ergebnisse bei Benetzung und Lotdurchstieg Keine Unterschiede im Vergleich zum Standardprozess Plasmabehandlung führte zu keinen Bauelementausfällen SEHO Systems GmbH 33

34 Potential des Verfahrens für Umwelt und Baugruppe Ersatz der nasschemischen Flussmittelaktivierung durch einen trockenen Prozess echter VOC-free Prozess, d.h. es entweichen keine Lösemittel in die Atmosphäre zielgerichteter, partieller Flussmittelauftrag führt zu einer Reduzierung der Flussmittelmenge Unterwanderung von Flussmitteln zwischen Baugruppe und Lötrahmen sehr eingeschränkt sehr saubere Leiterplattenoberfläche nach dem Lötprozess SEHO Systems GmbH 34

35 Potential des Verfahrens bei der Anlagentechnik und Logistik Selective I Reflow I Wave I AOI I Know-How Geringerer Verschmutzungsgrad der Anlagen Reduzierung des Wartungsaufwandes höhere Verfügbarkeit der Prozessanlagen Vereinfachung beim Handling und Bevorraten Lagerung des Pulvers im Gefahrgutschrank entfällt Reduzierung der Kosten für die Entsorgung von Lösemitteln Kostenvorteile (geringere Mengen, kein Alkohol) SEHO Systems GmbH 35

36 Potential des Verfahrens im Materialfluss Abkopplung des Fluxprozesses vom Lötprozess Aktivität des Flussmittelpulvers bleibt über einen längeren Zeitraum erhalten Fluxprozess direkt nach dem Reflowlöten, vor der Bestückung der THT- Bauteile Verlängerung der Verweilzeiten zwischen dem Reflow- und Wellenlötprozess SEHO Systems GmbH 36

37 Potential des Verfahrens für modulare Anlagentechnik Stand-Alone-Lösung im Batchbetrieb möglich Verwendung einer Fluxereinheit für mehrere Lötanlagen Verwendung als Prozesszelle und Integration in eine Linienfertigung Drop-in Prozess für bestehende Fertigungslinien SEHO Systems GmbH 37

38 Potential des Verfahrens zur Reaktivierung Entfernung der Oxidschicht auf der Oberfläche und gleichzeitig Schutz vor Reoxidation durch Flussmittelpulver Verbesserung der Lötbarkeit überalterter Oberflächen Reaktivierung einer oxidierten OSP-Oberfläche Verbesserung der Lötbarkeit von Zinnoberflächen SEHO Systems GmbH 38

39 Grenzen des Verfahrens Versuche an Spulen mit schlecht lötbaren, verzinnten Anschlüssen Plasmabehandlung ohne Flussmittelpulver, Standard-Lötprozess Mangelhafte Anschlussmetallisierungen können durch eine Plasmabehandlung nicht lötbar gemacht werden. SEHO Systems GmbH 39

40 Grenzen des Verfahrens Baugruppen der Leistungselektronik große Kupferflächen Bauteile mit großem Wärmebedarf Kupferinnenlagen bis 200 µm vollflächige Anbindung Probleme beim Lotdurchstieg im Standard-Selektivlötprozess Durch das Plasma-Fluxen kann auch hier kein vollständiger Lotdurchstieg erreicht werden. Layoutoptimierung zur Verbesserung des Wärmeflusses (Wärmefallen, thermal vias, etc.) Bildquelle: Fraunhofer IZM-OPH SEHO Systems GmbH 40

41 Fazit Erfolgreicher Test in Serienfertigung Gleichwertiger Ersatz für flüssigkeitsbasierte Flussmittel Eignung des Verfahrens für die Anwendungen: Lösemittelfreie Beschichtung von Selektivbaugruppen Lösemittelfreie Beschichtung von Wellenlötbaugruppen SEHO Systems GmbH 41

42 Ausblick weitere Erprobungen mit Kundenbaugruppen Konstruktion einer Vorrichtung zur unterbrechungsfreien Pulverförderung Evaluierung von Methoden zur Prozessüberwachung (konstante Pulverförderung, homogene Pulververteilung) Auswirkung auf Bauteile und Baugruppen bzgl. ESD Productronica 2015 Wellenlötanlage mit integriertem Plasmamodul SEHO Systems GmbH 42

43 Aktuelle Versuchsanlage SEHO Systems GmbH 43

44 Ansprechpartner: Andreas Reinhardt SEHO Systems GmbH Frankenstrasse Kreuzwertheim, Germany