Einflussfaktoren auf die Porenbildung

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Catrin Mann
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Juli 2017 Paul Wild VisionX Konvektionslöten CondensoX Kondensationslöten Nexus

1 Einflussfaktoren auf die Porenbildung VIERLING Electronic Engineering and Manufacturing Day (EED) VIERLING Production GmbH, Ebermannstadt 25. Juli 2017 Paul Wild VisionX Konvektionslöten CondensoX Kondensationslöten Nexus Kontaktlöten Securo Prüfen Testen RDS Trocknen Aushärten Protecto Coating RSS Sonderanlagen Solar Solar Equipment

2 Einflussfaktoren auf die Porenbildung Inhalt Normen und Richtlinien Ursachen und Einflussfaktoren Möglichkeiten und Grenzen des Lötens mit Vakuum P. Wild 25. Juli 2017 Seite 2

SO-Lead BGA Power MOSFET LEDs Normen und

Wohlrabe, Reflow Technology 3,2012 Quelle:

3 SO-Lead BGA Power MOSFET LEDs Normen und Richtlinien Einfluss der Poren auf Mechanische und elektrische Integrität Thermische Performance Quelle: H. Wohlrabe, Reflow Technology 3,2012 Quelle: Hahn Schickard, iledmid, BMBF 16ES0201 P. Wild 25. Juli 2017 Seite 3 Quelle: U. Frank, Hydrometer Quelle: Study of Voiding of Power MOSFETs, D.C. Katsis, J.D. van Wyk, 2006

Normen und Richtlinien Mechanische Integrität IPC-A-610 F: Ball Grid Array > Akzeptanzkriterium 30% der Anschlussfläche für Klasse 1-3 (Unter 8.3.12.

4 Normen und Richtlinien Mechanische Integrität IPC-A-610 F: Ball Grid Array > Akzeptanzkriterium 30% der Anschlussfläche für Klasse 1-3 (Unter ) IPC-7093: Bottom Termination Components > Anschlussflächen: Akzeptanzkriterium < 30 % (vgl. Abschnitt 3.5) Quelle: IPC-7093 P. Wild 25. Juli 2017 Seite 4

5 Normen und Richtlinien Thermische Performance IPC-A-610 F BTC > Thermal plane void criteria shall be established between the Manufacturer and User IPC-7093 BTC > Entwärmungsfläche: Gesamtflächenanteil < 50 % als Empfehlung/VHB (vgl. Abschnitt 7.6.1, 8.4) Ziel > Festlegung des zulässigen Voidanteils in der Entwärmungsfläche durch die Produktentwickler! P. Wild 25. Juli 2017 Seite 5

6 Ursachen der Porenbildung Quellen für flüchtige Bestandteile Produkte der thermischen Zersetzung und chemischer Reaktionen > Lotpaste: Legierung und Flussmittel > Leiterplatte: Typ der Oberflächenendschicht > Kontaminationen: Organische Stoffe auf der Oberflächen oder auch im Bauteilinneren Reaktionsart Säure + Metalloxid 2 HCl + SnO Zinnadipat + Wasser SnCl 2 + H 2 O (Gas) Säure-Base-Reaktion Harzsäure + Kupferoxid Kupferresinat + Wasser Säure-Base-Reaktion Säure + Metall 2HCl + Sn Metallsalz + Wasserstoff SnCl 2 + H 2 (Gas) Redox-Reaktion P. Wild 25. Juli 2017 Seite 6

Wolter, Porenbildung auf der Endoberfläche:

7 Ursachen der Porenbildung Nachweis der Flussmittelreste Am Ort der Entstehung Quelle: T.D. Ewald, N. Holle, K.J. Wolter, Porenbildung auf der Endoberfläche: Einflussfaktoren und Modell, EBL 2012 P. Wild 25. Juli 2017 Seite 7

8 Ursachen der Porenbildung Mechanismen Freie Oberfläche, Flächen- und Balllötung Ausgasen flüchtiger Bestandteile Quelle: AiF 17044N, POLMID Querschliff eines Lotdeposits QFN88 BGA256 P. Wild 25. Juli 2017 Seite 8

9 Einflussfaktoren Material und prozessspezifische Faktoren Quelle: H. Wohlrabe, Void-Expert Datenbank, 2011 P. Wild 25. Juli 2017 Seite 9

10 Einflussfaktoren Einfluss der Lotpaste Variation der Flussmitteln Konträre Effekte Lotspreitung BGA 176 Si-Chip Quelle: H. Wohlrabe, TU Dresden, 2010 P. Wild 25. Juli 2017 Seite 10

11 mittlerer Average Voidgehalt void content [%] mittlerer Voidgehalt [%] Einflussfaktoren Einfluss der Peaktemperatur Konträre Effekte 4 4 3,8 3,8 3,6 3,6 3,4 3,4 3,2 3,2 3 3 BGA Si-Chip 2,8 2,8 2,6 2,6 2,4 2,4 2,2 2, C 230 C 250 C 250 C Peak temperature Peaktemperatur C 250 C Peaktemperatur Quelle: H. Wohlrabe, TU Dresden, 2010 P. Wild 25. Juli 2017 Seite 11

12 Lötparameter Einfluss des Aufheizgradienten Nicht signifikant BGA Quelle: H. Wohlrabe, TU Dresden, 2010 P. Wild 25. Juli 2017 Seite 12

13 Einflussfaktoren Einfluss der Atmosphäre Änderung des Umgebungsdrucks p1 p 2 V 2 V 1 Gasblase expandiert Innendruck nimmt ab Gas entweicht P. Wild 25. Juli 2017 Seite 13

14 C] Löten mit Vakuum Möglichkeiten und Grenzen Einfluss auf die Taktzeit ƒtemperatur ( C) Ohne Vakuum Mit Vakuum Liquidus Zeit (s) P. Wild 25. Juli 2017 Seite 14

15 Löten mit Vakuum Möglichkeiten und Grenzen Einfluss des Paddesigns Sonderfall Micro-Via Voids Quelle: Nach IPC-7095c-7-43 Quelle: Dr. Poech, AiF Projekt Volumeneffekte 132ZN / DVS 7.02 IP, Aug P. Wild 25. Juli 2017 Seite 15

16 mittlerer Voidgehalt [%] mittlerer Voidgehalt [%] Lötparameter Einfluss der Atmosphäre Konvektion und Dampfphase BGA 225 Si-Chip Konvektion Stickstoff Konvektion Luft Dampfphase Luft Dampfphase Vakuum Konvektion Stickstoff Konvektion Luft Dampfphase Luft Dampfphase Vakuum Lötverfahren Lötverfahren Quelle: H. Wohlrabe, VoidExpert Data Base, TU Dresden, 2014 P. Wild 25. Juli 2017 Seite 16

17 Löten mit Vakuum Möglichkeiten und Grenzen Signifikante Reduktion der Porenanteile für verschiedene Lötstellengeometrien Beispiel LEDs Ohne Vakuum Mit Vakuum P. Wild 25. Juli 2017 Seite 17

18 Mittlerer Voidgehalt [%] Löten mit Vakuum Möglichkeiten und Grenzen Signifikante Reduktion der Porenanteile für verschiedene Lotpasten Beispiel QFN Konvektion Luft Dampfphase Luft Dampfphase Vakuum Lötverfahren Lotpaste Typ A (SAC) Lotpaste Typ C (SAC) Quelle: Heinz Wohlrabe, REHM Technologie-Seminar Voidfreies Löten, Blaubeuren P. Wild 25. Juli 2017 Seite 18

19 Vielen Dank! P. Wild 25. Juli 2017 Seite 19

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