Aktueller Status und Problemstellung der Bleifreieinführung im KFZ Andreas Herenz, Torsten Schmidt, Petrik Lange, Hella KGaA / D-Lippstadt Pb? 54. Treffen Sächsischer AK ET am 30.06.2010 in Dresden Dr.Herenz / Hella, GE-OP1 / 3.2010
Innovation. Meilensteine der Beleuchtung Licht-Entwicklungen von Hella haben immer wieder entscheidend zum automobilen Fortschritt beigetragen. Erster elektrischer Scheinwerfer Erstes Abblendlicht Asymmetrische Lichtvertei- lung H4- Halogenlicht Erster DE- Projektionsscheinwerfer Frei- Formreflektor Xenon- Scheinwerfer der ersten geht in Serie Generation Zulassung des ersten europäischen Hauptscheinwerfers mit Kunststoffstreuscheibe Erster Bi- Xenon- Scheinwerfer geht in Serie VARILIS Um 1908 1915 1957 1971 1983 1988 1992 1993 1999 2000 2000 2003/04 LED als Lichtleit- Technologie als Stylingelement Abbiegelicht und dynamisches Kurvenlicht Signalfunktion im Hauptscheinwerfer 2005/06
Innovation. Meilensteine der Elektronik und Elektromechanik. Elektronik-Entwicklungen von Hella tragen entscheidend zum automobilen Fortschritt bei. Erste elektronische Klimaregelung (Porsche) Erstes ASR- System für frontgetriebene Fahrzeuge Dynamische Leuchtweiteregelung für Xenon- Scheinwerfer Integrierter Fahrpedalsensor (Rückmeldung, Krafthysterese, Kick-down) Erster intelligenter Steller für Turbolader Erster Batteriesensor, eingebaut in den Bauraum der Polklemme Erster Spurwechsel- Assistent auf Basis 24 GHz Radar Sensorik (Audi) 1984 1989 1995 1997 1999 2003 2005
Agenda Situation der Bleifreiumstellung in Automotiv-Elektroniken Allgemeine Situation der Bleifreiumstellung Bleifrei-Situation bei der Fa. Hella KGaA Anmerkungen zu kritischen Zuständen und Risiken Voraussetzungen für einen erfolgreichen Bleifreiprozess Zutaten (Bauteile, Leiterplatten) Anlagentechnik Werkstoffverhalten bleifreier Lotwerkstoffe und deren Berücksichtigung Aufzeigen von Beispielen und Empfehlungen Mischlötungen Lotlegierungen
Gesetzliche Situation RoHS EU Restriction of hazardous Substances No Pb,Cd,Cr, PBBE etc. since 1.7.2006 Medical equipment Lead forbidden today: insulations, cable harness coatings connector platings Exceptions Military / Aerospace Automotive Industrial equipment ELV EU End of life vehicle, Altautoverordnung No Pb,Cd,Cr6, Mercury ab 1.5.2003 Annex II Pb in solder and electrical/ electronic parts or systems on PCB in vehicles are possible until 2016 RoHS China Restriction of hazardous Substances No Pb,Cd,Cr, PBEE etc. implementation: 1.3.2007 Topical protest
Overview of changed legal status 1994 2006 2007 2008 2009 2010 2011... 2015 2016 2017... 2035 Components passive Compoents Connectors / other Components active PCB s Type approved cars from 2016 must be leadfree soldered (min. ELV 2) Electronics ELV2003 Annex II Pb RoHS Current PCB electronics ELV2008 Annex II 23.8.08 Pb Non PCB electronics / Electrics ELV2009 Annex II Pb PCB electronics old Pb Leadfree Changeover COP Parts at Hella New! Leadframes Soldering of wire or cable ends Internal connections / Solder for attachment Motors or Generators Lighting appliances Switches, relays Leaded Long-term Supply until 2035 about 10% Pushbuttons, contacts For PCB including flexible printed Circuits Ceramics (DCB, LTCC, Thick and thin film)
New Annex II of ELV No. 8(a) 8(b) Materials and components Lead in solders to attach electrical and electronic components to electronic circuit boards and lead in finishes on terminations of components other than electrolyte aluminium capacitors, on component pins and on electronic circuit boards Lead in solders in electrical applications other than soldering on printed wiring boards or on glass Scope and expiry date of the exemption Vehicles type approved before January 2016 and spare parts for these vehicles Vehicles type approved before January 2011 and spare parts for these vehicles Component finishes PCB finishes Solder alloy For PCB including flexible printed Circuits Ceramics (DCB, LTCC, Thick and thin film) Leadframe Examples/Comments Soldering of wire or cable ends Internal connections Solder for attachment Motors or Generators Lighting appliances Lamp support brackets Actuators, Sensors, Speakers Switches, relays Pushbuttons, contacts 8b 8a
OEM implementation of ELV Annex II (leadfree) Kundenforderungen: Leitsatz: Konsequente Umsetzung auf bleifrei (soweit möglich) Neuentwicklungen bleifrei ausführen Begonnene Umstellungen werden durchgezogen Übernahmeteile werden nur umgestellt, wenn typprüfrelevant Sonderregelungen für Einzelfälle und Baukästen VW 99000: Anforderungen zur Leistungserbringung im Rahmen der Bauteil- Entwicklung 9.1 Werkstoffgebote und -verbote Bezüglich Blei in Steuergeräten oder anderen elektrischen/elektronischen Anwendungen gilt (bei Hella): Für alle Neuentwicklungen und Modulvariantenentwicklungen wird bleifreies Löten gefordert. Das gilt auch für die kompletten Musterumfänge für die Erprobung. Wenn dabei während der Entwicklung technische Risiken erkannt werden, sind diese unverzüglich der Fachabteilung vorzustellen.
New Annex II of ELV No. Materials and components Scope and expiry date of the exemption Examples/Comment Lead in finishes on terminals of electrolyte aluminium capacitors Vehicles type approved before 1 January 2013 and spare parts 8(c) 8(d) Lead used in soldering on glass in mass airflow sensors Vehicles type approved before 1 January 2015 and spare parts 8(e) Lead in high melting temperature type solders (i.e. leadbased alloys containing 85 % by weight or more lead) Review in 2014
New Annex II of ELV No. Materials and components Scope and expiry date of the exemption Examples/Comment Lead in compliant pin connector systems Review in 2014 8(f) Whisker grow out of one via to the next neighbour via, pitch 2,54 mm 8(g) 8(h) 8(I) 8(j) Lead in solders to complete a viable electrical connection between semiconductor die and carrier within integrated circuit flip chip packages Lead in solder to attach heat spreaders to the heat sink in power semiconductor assemblies with a chip size of at least 1 cm² of projection area and a nominal current density of at least 1 A/mm2 of silicon chip area Lead in solders in electrical glazing applications on glass except for soldering in laminated glazing Lead in solders for soldering in laminated glazing Review in 2014 Review in 2014 Vehicles type approved before 1 January 2013 and spare parts Review in 2014
Typische Anforderungen **-40 to 85/105/125/150/165 C (cycle / shock / ageing) Operating Time: 3000-8000hrs **8-50h / xyz / 2Hz 3KHz Sinus / 1G 40G + Temp. **PCT: power cycle testing ** Leadfree validation issues Long time humidity & condensation tests Life Time: 17 Years / 300.000km Quality: zero defect..cpk < 1.67...
Erfahrungen Hella Leadfree Experiences First leadfree soldered electronics in 1994 Equipment leadfree: 5 x SMT, 8 x Wave, 14 x selective -> about 20-30% of current Hella production Reasons: high temperature applications / high strength / OEM request Experience summary: more costs + problems + news
Hella Elektronikprodukte mit bleifreiem Lötprozess (Auswahl) Throttle body assemblies Light Control Modules Inductive Sensors Chassis Electronics Central Modules EM Sensor Rotary Electronic Actuator Level Sensors Solid State Relays Headlamp ECU 12 years experience, more than 20 Mio Parts
Kritische Zustände gilt es zu verhindern Forced wetting balance mismatch Whiskers PCB outgassing Pad & fillet lifting Component predamage PCB deformation Tin-melting on contacts (leadfree pin in paste) Crack sensitive & specific Shrinkage cracks
Voraussetzungen für den Bleifrei Erfolg (Chancen!) Geeignete Zutaten mit passenden werkstofftechnischen Voraussetzungen sowie mit der entsprechenden Wärmebeständigkeit und Zuverlässigkeit sowie deren Kostenverträglichkeit! Lötprozesse mit richtigen Prozessparametern (Optimierung!), wie z. B. Lötprofil (Temperatur, Zeit), Atmosphäre, Vorwärmung und Abkühlung => erfordert geeignete Anlagentechnik Geeignete bleifreie Lotwerkstoffe und deren Werkstoffverträglichkeit mit den Zutaten, sowohl im Fertigungsprozess, als auch im Feld besonders bzgl. der Zuverlässigkeit
Bleifreie Sn-Beschichtungen mit Minimalanforderungen (ZVEI) Sn finish layer (surface Oberfläche) a Cu-underlayer) (not recommended) Base material Basismaterial Ceramic based galvanic matt min. 3µm 3) X X X X (Carbon content in the finish < 150 min. 7µm 3) X X X ppm 2) in weight) hot dip plating min. 3µm 3) X X X Top-underlayer Zwischenschicht galvanic Ni (min. 0,5 µm) 4) galvanic Cu (min. 2µm) Post treatment Nachbehandlung annealing (post bake) reflow process after plating 5) Cu-based (or other materials with X 1) 1) 1) (X) (X) X X X FeNi X X X 1) CuZn as base material not recommended 2) target value, measured min. 2µm below the surface 3) for plating thicknesses below 3µm and above 4) Ni-layer must not show cracks or pores 20µm, the solderability of the parts has to be 5) Sn has to melt during process (e.g. 10s@235 C) assured according to customer specification. (X): preferred X X
Steckverbinder für bleifreie Produktion Test board for heat resistance evaluation Tin-melting on contacts Popcorning effects (humidity dependent) 15 Connector types 5 Base materials 13 Polymers Heat deflection Main Rules Plastics > PA6.6 Glas content > 10% Tin melting during solder process Metalization Whisker resistent Melting of board-locks (+ solder balls)
Geeignete Leiterplatten: Wärmebeständig und gute Lot-Benetzung Crack after 500 cycles (post reflow) Via blowing Temperatur [ C] 300,0 250,0 200,0 150,0 100,0 50,0 Solder heat Pb-freie resistance Reflowlötung reflow profile ramp up to 150 C max 3K/sec 180 sec. 40 sec > 255 C 260 C 120 sec. Using J-Std 020C ramp down max 6K/sec t 25 C to Peak 360 sec. Pcb deformation (max. postcard) 0,0 0 60 120 180 240 300 360 420 480 Zeit [s] Solder resist ok after 500 cycles Poor weeting of immersion tin
Zutatenanforderungen process components Pb Soldering process Pb Temperature increase min. 30 K package: must be verified Pb Pb Pin metallization Experienced technology in production and field package: no change solderability: must be verified reliability: no issue (with released metallization, no Bi, no BGA) (Heat Resistence!) solderability: no issue reliability joint: no issue (BGA!) package: must be changed (green Package) solderability: must be verified reliability: no issue tin plating not melten Whisker risk
Anlagentechnische Voraussetzungen Reflowlötung: Regelbare und genügend lange Vorheizung mit unmittelbar anschließender Lötzone (Doppel-Peak) Gut regelbare und kontrollierbare Stickstoffzuführung Gewährleistung der notwendigen Aufheiz- bzw. Abkühlgeschwindigkeit (Ausreichende Abkühlung für ev. Entnahme zur Kontrolle) (3 6 K/s) Wellenlötung: Sn-resistente Lottiegel, Lotpumpenräder, Strömungskanäle, Lotdüsen etc. Bei Selektivwellen Unterschied von benetzbaren und nichtbenetzbaren Düsenmaterial beachten Unbedingt für ausreichende Vorheizung sorgen! - Konvektion!
Beispiele zur Anlagenausrüstung Nadelbildung (Dendriten) durch Fe-Auflösung und Sn/Fe-Phasenbildung im Bleifreilot (höhere Temperatur, höherer Sn-Gehalt) Wörthmann-Welle mit Lochmaske für eine ruhige Wellenbewegung bei einer Bleifreilötung
Qualifikation von Bauteilen für den Bleifrei-Lötprozess Qualifikationsgrenzprofil für Lötwärmebeständigkeit (Die angegebenen Temperaturen beziehen sich auf den Mittelpunkt der Gehäuseoberseite als Messpunkt), Qelle: ZVEI-Broschüre 2007
Das richtige Lötprofil Bei der Einstellung eines Reflowlötprofils ist folgende Vorgehensweise zu empfehlen: Messpunkte an grossen und kleinen Bauteilen festlegen und entsprechende Thermofühler anbringen Messwerte nach Ofendurchlauf vergleichen und einpegeln unter Berücksichtigung weiter genannter Punkte Vergleichen mit der Lötnorm J-STD 020C (Temperaturen dürfen nicht über Tmax liegen (siehe Abb. oben!) Temperaturen und Temperaturverlauf mit Angaben (Datenblatter) der Herstellen von den Lotpasten und Bauteilen vergleichen Messtoleranzen beachten und Messungen durch mehrere Ofendurchläufe absichern Es muss gewährleistet sein, dass das Flussmittel in der Paste und das Benetzungsverhalten durch eine optimierte Vorheizung wirkungsvoll beeinflusst werden Zur Einstellung eines optimalen Wellenlötprofils gelten analoge Empfehlungen.
Reflow-Lötprofil bleifrei
Beeinflussung des Werkstoffverhalten des Lotes nach dem Löten Werkstoffeigenschaften (Lotwerkstoff) Lötprozess (Prozessführung + Lötparameter)
Lotschrumpfung Im Gegensatz zum bleihaltigem Lot, schrumpft wegen des höheren Sn- Gehaltes und des fehlenden Blei das bleifreie Lot beim Abkühlprozess mehr als das SnPb. - Fillet Lifting - Pad Lifting - Schrumpfrisse
Fillet- und Pad Lifting, Schrumpfungsrisse (Welle) Wird besonders bei der Wellenlötung beobachtet. Ursachen sind: - falsche Abkühlung, Empfehlung: 3 6 K/s - zu viel Pb oder Cu durch Ablegierung im Lot, Empfehlung: Lotbadkontrolle
Phasenausscheidungen am Tiegelboden (Welle) Sn/Cu-Phasenausscheidungen am Tiegelboden (agglomerierte Dendriten-Nadeln ), besonders bei Verwendung vonsncu-lot beobachtet (flüssiges Lot ist übersättigt ): kann Lotpumpe schädigen! Ursache: zu hoher Cu-Konzentration im Lot, Empfehlung: Lotbadkontrolle, bei Wartung überprüfen
Dendritenbildung bei Reflowlötung Sn/Cu-Phasenbildung in Form von Dendriten beim Reflowlöten: kann zu Kurzschlüssen führen! Ursachen: zu langes Löten oder Mehrfachlötungen, Empfehlung: Lötparameter optimieren
Bildung von Sn/Au-Phasen im Lot beim Reflowlöten Bildung von Sn/Au-Phasen im Lotdepot der Reflow-Lötstelle: kann Lötstelle verspröden! Ursache: zu dicke Au-Beschichtung von Lötkontakten; Empfehlung: Au-Schichtdicke < 0,5 µm
Lotgefüge Ausbildung und Gefügeuntersuchungen Quelle: 1-3: LiVe, W. Scheel, K.Wittke, M. Nowottnick, Verlag Dr. M. A. Detert, Templin 2009 4: eigene Aufnahme 1 3 2 4 Symbolische Darstellung von Gefügeuntersuchungen mit EBSD an Lötstellen. Das Gefüge bildet sich beim Erstarrungsprozess aus: Schnelles Abkühlen ergibt ein feines Gefüge, langsames Abkühlen ein gröberes Gefüge (opt. 3 6 K/s). Im Verlauf der Lebensdauer ändert sich das Gefüge entsprechend der Belastung: Kriterien sind Korngrösse, Verspannungen und Orientierung der Kristallite
Mischlötungen (bleifreie Lötung mit bleihaltigen Zutaten) Bei Mischlötungen kann es zur sog. Bleiseigerung kommen: (unter Verwendung von bleifreiem Lot) Links: Lot aus einer Wellenlötanlage im erstarrten Zustand mit geringem Pb-Anteil (SEM-Aufnahme: Pb hell) Rechts: Lotdepot einer Reflowlötstelle im Zusammenhang mit einer verbleiten HAL-Lp (lichtopt. Aufn.: Pb dunkel)
Mischlötungen (bleihaltige Reflowlötung mit bleifreien Zutaten) Beim bleifreiem Reflowlöten handelt es sich um ein statisches Lotdepot. Ist die Sn-Schicht auf den Bauteilanschlüssen zu dick (> 25 µm*) ), kann es zu nicht gelösten Sn-Rückständen auf der Beschichtung kommen, die besonders bei galv. Schichten zu Schwachstellen in den Lötstellen führen. *) Untersuchungen bei Hella: DA Julia Götz
Whiskerbildung Bilder: Tobias Götte Fa. Hella KGaA Whisker bilden sich besonders auf Reinzinn-Oberflächen, meistens in Verbindung mit mechanischen Spannungen. Sie sind deshalb auf den unbenetzten verzinnten Anschlussgebieten zu erwarten. Bleifreie Lote zeigen keine Whisker. Die Abbildungen zeigen verschiedene Whiskertypen: gerade Nadelwhisker, gekrümmte Whisker, Schachtelhalm-Whisker
Mikrolegierte Lote Eine Möglichkeit die Werkstoffeigenschaften bis zu einem gewissen Maße zu beeinflussen besteht in der Zugabe weiterer metallischer Elemente in minimalen Anteilen. Darüber existiert eine Vielzahl von Veröffentlichungen mit konkreten Untersuchungsergebnissen aus Projekten mit mikrolegierten Lotwerkstoffen. Die Fa. Hella KGaA befindet sich mit einigen Anwendungen in einer Validierungsphase.
Fazit + Zusammenfassung Die Automobilelektronik-Branche steht mit den aktuellen ELV-Gesetzes-Anforderungen zur Bleifreilöttechnologie vor einer grossen Herausforderung. Neben der Kenntnis über ein schmaleres Prozessfenster bei der Bleifreilötung gegenüber dem bleihaltigen Prozess, ist das Werkstoffverhalten bleifreier Lote und das Zusammenspiel mit den Lötpartnern ein wichtiges Thema. Auftretende Fehler als Folge von gegebenen Werkstoffeigenschaften können durch eine Einflussnahme in der Prozessführung vermindert bzw. vermieden werden. Unter Verwendung von mikrolegierten Elementen können Loteigenschaften beeinflußt werden Es gibt Materialien die im Rückblick auf den bleihaltigen Prozess für den bleifreie Prozess und in Hinblick auf die Zuverlässigkeit nicht empfehlenswert sind ( z. B. Messing). Zur Absicherung der aufgezeigten Zuverlässigkeitskriterien sind neben einer optimalen Zutatenauswahl und Prozessführung (einschließlich Ausrüstungsauswahl), umfangreiche Qualifizierungsmaßnahmen im Produktentstehungsprozess erforderlich.