FED Vortragsveranstaltung der Regionalgruppe Österreich Referent: Johann Hackl Graz, 21.04.2016 Copyright, Häusermann GmbH, 2016 Häusermann GmbH I A-3571 Gars am Kamp I Zitternberg 100 I Tel.: +43 (2985) 2141 0 I Fax: +43 (2985) 2141 444 I E-Mail: info@haeusermann.at
Agenda Einleitung Umfragen Herstellung Wichtige Kenngrößen Umfragen 2
Teil 1 / 5 Einleitung 3
Bestandteile Basismaterial Basismaterial besteht aus drei wesentlichen Bestandteilen: Glas Harz Kupfer bestimmen die grundlegenden Eigenschaften Quelle: Isola GmbH 4
Einleitung Die Anforderungen für Basismaterial sind in der IPC 4101 D definiert. Die Standardqualität ist FR-4 (FR5) FR Flame Retardent, flammhemmend FR-4 Glasgewebe, Epoxidharz, flammhemmend FR-5 Glasgewebe, Epoxidharz, flammhemmend, erhöhte Temperaturbeständigkeit Weitere Qualitäten: FR-2 Papier, Phenolharz, flammhemmend FR-3 Papier, Epoxidharz, flammhemmend CEM1 Glasgewebeoberfläche, Cellulosepapierkern Epoxidharz, flammhemmend CEM3 Glasgewebeoberfläche, Glasflieskern, flammhemmend 5
Europäische Laminathersteller Quelle: Isola GmbH 6
Europäische Laminathersteller Quelle: Isola GmbH 7
Teil 2 / 5 Umfrage 8
Frage 1 Wie gut würden Sie selbst Ihr Wissen in Bezug auf Basismaterial in der Leiterplatte einschätzen? - Ebene des Anfängers (Grundbegriffe sind bekannt) - Fortgeschrittener Anfänger (gängige Prepregtypen, wichtige Kenngrößen ) - Fachliche Kompetenz (Einfluss der Kenngrößen auf die Auswahl des geeigneten Basismaterials) - Erfahrung (langjährige Erfahrung) - Experte (Eigenschaften und Wechselwirkungen sind bestens bekannt) 9
Frage 2 Wenn Sie Mid oder Hoch-Tg Material einsetzen, was sind die Gründe dafür? - Wir setzen nur Material mit Tg130 ein - Mein Endkunde gibt Tg150 vor - Mein Endkunde gibt Tg170 vor - Tg150 wegen der Arbeitstemperatur - Tg170 wegen der Arbeitstemperatur - Tg150 wegen erhöhter Lötanforderungen - Tg170 wegen erhöhter Lötanforderungen - Erhöhte Zyklenbeständigkeit - Andere Gründe Mehrfachnennungen möglich! 10
Frage 3 Welche Eigenschaften sind für Sie bei der Auswahl von Basismaterial wichtig: - Kupferhaftung - Feuchtigkeitsaufnahme - Erhöhte thermische Lötbeständigkeit - Arbeitstemperatur Einsatzbedingungen im Betrieb - Hochfrequenz-Eigenschaften 2 5 GHz - Hochfrequenz-Eigenschaften 5-10 GHz - Hochfrequenz-Eigenschaften > 10 GHz - Halogenfrei - Gute Wärmeleitfähigkeit, Wärmeableitung - Elektrische Eigenschaften - Andere Mehrfachnennungen möglich! 11
Teil 3 / 5 Herstellung 12
Rohmaterial - Glas es wird fast ausschließlich E-Glas (E = Elektro) verwendet einzelne Glasfilamente haben einen Durchmesser von 5µm - 9µm Glasfilamente werden zu Glasfäden gezwirnt und später zu Glasmatten verwoben (Kette & Schuss) Quelle: Isola GmbH 13
Rohmaterial - Harz Glasmatten werden mit flüssigem Epoxyd-Harz getränkt und vorvernetzt es entstehen Prepregs (pre-impregnated) Zusätzlich finden sich im Harz noch Härter, Beschleuniger, Füllstoffe, etc. Typ Dicke Harzgehalt 106 50 µm ~ 68 % 1080 63 µm ~ 62 % 2116 116 µm ~ 50 % 7628 180 µm ~ 43 % 14
Rohmaterial - Kupferfolie Nach IPC-A-600 gelten für die Kupferfolien die Werte nach folgender Tabelle: Gewicht Dicke 1/8 oz 5 µm 1/ 4 oz 9 µm 3/8 oz 12 µm 1/2 oz 18 µm 1 oz 35 µm 2 oz 70 µm 3 oz 105 µm 15
Herstellungsprozess Quelle: Isola GmbH 16
Teil 4 / 5 Wichtige Kenngrößen 17
Anforderungen T 260 Zeit bis zur Delamination bei 260 C Sigma Biege- und Zugfestigkeit MOT Maximale Betriebstemperatur T d Zersetzungstemperatur Zyklenfest CAF HF T g Glasübergangstemperatur Halogenfrei T 288 Zeit bis zur Delamination bei 288 C CTEz Z-Achsenausdehnung Kupferhaftung Alpha Lambda Wärmeleitfähigkeit 18 Thermische Ausdehnungskoeffizient Feuchtigkeitsaufnahme
Lichten wir den Urwald Thermische Eigenschaften Glasübergangstemperatur - T g Zersetzungstemperatur - T D Time to Delamination T 260 / T 288 Wärmeausdehnungskoeffizient Elektrische Eigenschaften Hohe Datenrate (niedriges ε r ) Migrationsbeständigkeit CAF Konstante elektr. Eigenschaften stabil von 2 bis 10 GHz FR4 Physikalische Eigenschaften Thermische Ausdehnung Zyklenfestigkeit Kupferhaftung Feuchtigkeitsaufnahme Sonstige Eigenschaften Halogenfrei Flammhemmer (kein Brom) Bahnnorm 19
Glasübergangstemperatur T g Sie zeigt an, wann bei welcher Temperatur die Harzmatrix vom glasartig, spröden in den plastisch, weichen Zustand übergeht. Es gibt drei Messmethoden: TMA (Thermo Mechanical Analysis) DSC (Differential Scanning Calorimetry) DMA (Dynamic Mechanical Analysis) Tg(TMA) = Tg(DSC) 10 C = Tg(DMA) 20 C Die Werte liegen üblicherweise zwischen 130 C und 260 C Der Tg-Wert gibt ausschließlich Auskunft über die maximale Arbeitstemperatur 20
Zersetzungstemperatur T D Sie zeigt an, bei welcher Temperatur eine signifikante Zersetzung der Harzmatrix stattfindet. Über dem T D -Punkt ist das Material praktisch zerstört! T D ist ein Indikator für die Löttemperatur T D zwischen 300 und 370 C Zersetzungstemperatur 22
Time to delamination T 260 + T 288 Sie zeigt an, nach welcher Zeit in Abhängigkeit der Temperatur (260 C oder 288 C) eine Delamination auftritt Standard FR4 hat ein T 260 von 10 15 min Wärmestabile Materialien haben ein T 260 von > 60 min 23
CTE in Z-Richtung α Z Neben Lochdurchmesser, Kupferdicke im Loch und Dicke der Leiterplatte ist das Ausdehnungsverhalten in Z-Richtung entscheidend für die Zyklusfestigkeit. Dafür sind Werte 40 ppm/k (unter T g ) notwendig Der CTE-Wert über Tg steigt stark an (> 220 ppm/k) Die Ausdehnung in X und Y Richtung spielt so gut wie keine Rolle 24
Zyklentest, IPC TM 650 2.6.7.2 25
Praktisches Beispiel Z-Achsenausdehnung < Tg (100 C) Längenänderung Z Material A ~ 9,6 µm Material D ~ 4,8 µm > Tg (250 C) Längenänderung Z Material A ~ 86,4 µm Material D ~ 51,2 µm 26
Feuchtigkeitsaufnahme Lagerbedingungen sind wichtig Bei Lagerung bei 22 C und 50% rel. Luftfeuchte liegt die Sättigung bei 0,2 bis 0,3% Bei Lagerung bei 40 C und 96% rel. Luftfeuchte liegt die Sättigung bei 0,3 bis 0,7% Hoch-T g Materialen nehmen deutlich mehr Feuchtigkeit auf 27
Lagerbedingungen % 0,80 0,60 % 0,40 0,20 0,00 Feuchtigkeitsaufnahme an verschiedenen Qualitäten 1,5 mm Dicke über einen Zeitraum von 28 Tagen (40 C - 96% RF) noch keine Sättigung Feuchtigkeitsaufnahme 1,5mm dick 28 Tage (Sättigung) 40 C 96%RF 0 1 2 3 4 7 8 9 10 11 14 21 28 Tage 104 A B C 117 D Zulässige Obergrenze überschritten Zulässige Obergrenze 0,80 0,60 % % 0,40 0,20 0,00 Feuchtigkeitsaufnahme an verschiedenen Qualitäten 1,5 mm Dicke über einen Zeitraum von Feuchtigkeitsaufnahme 1191,5mm Tagen (23 C dick - 70% 119 RF) = Tage Sättigung (Sättigung) 23 C 70%RF 0 1 2 3 4 7 8 9 10 11 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105112119126133140147154 Tage 10 A 4B C 11 D 7 Zulässige Obergrenze überschritten Zulässige Obergrenze % % 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 00,00 Feuchtigkeitsaufnahme 91 T agen ( 23 C 1,5mm - 50% R F ) = dick Sättigung 91 Tage (Sättigung) 23 C 50%RF Feuchtigkeitsaufnahme an verschiedenen Qualitäten 1,5 mm Dicke über einen Zeitraum von 0 1 2 3 4 7 8 9 10 11 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 Tage 104A B 117 C 156D IS410 Zulässige Obergrenze Nicht überschritten Zulässige Obergrenze Quelle: Isola GmbH 28
Teil 5 / 5 Umfrage 30
Frage 1 Wie gut würden Sie selbst Ihr Wissen in Bezug auf Basismaterial in der Leiterplatte einschätzen? - Ebene des Anfängers (Grundbegriffe sind bekannt) - Fortgeschrittener Anfänger (gängige Prepregtypen, wichtige Kenngrößen ) - Fachliche Kompetenz (Einfluss der Kenngrößen auf die Auswahl des geeigneten Basismaterials) - Erfahrung (langjährige Erfahrung) - Experte (Eigenschaften und Wechselwirkungen sind bestens bekannt) 31
Frage 2 Wenn Sie Mid oder Hoch-Tg Material einsetzen, was sind die Gründe dafür? - Wir setzen nur Material mit Tg130 ein - Mein Endkunde gibt Tg150 vor - Mein Endkunde gibt Tg170 vor - Tg150 wegen der Arbeitstemperatur - Tg170 wegen der Arbeitstemperatur - Tg150 wegen erhöhter Lötanforderungen - Tg170 wegen erhöhter Lötanforderungen - Erhöhte Zyklenbeständigkeit - Andere Gründe Mehrfachnennungen möglich! 32
Frage 3 Welche Eigenschaften sind für Sie bei der Auswahl von Basismaterial wichtig: - Kupferhaftung - Feuchtigkeitsaufnahme - Erhöhte thermische Lötbeständigkeit - Arbeitstemperatur Einsatzbedingungen im Betrieb - Hochfrequenz-Eigenschaften 2 5 GHz - Hochfrequenz-Eigenschaften 5-10 GHz - Hochfrequenz-Eigenschaften > 10 GHz - Halogenfrei - Gute Wärmeleitfähigkeit, Wärmeableitung - Elektrische Eigenschaften - Andere Mehrfachnennungen möglich! 33
Zusammenfassung Standard FR-4 Basismaterial ist in vielen Fällen für das bleifreie Löten geeignet Standard FR-4 ist durch das Harzsystem weniger temperaturbelastbar Bietet aber andere Vorteile Moderne (gefüllte) Harzsysteme bieten Sicherheitsreserven beim bleifrei Löten Vorsicht: Moderne Harzsysteme bringen aber auch Nachteile mit sich Höhere Basismaterialkosten Geringere Kupferhaftung (Kupferfolie & Innenlage) Höherer Bohrerverschleiß Anpassung mancher chemischer Prozesse Angabe von Materialeigenschaften statt ein bestimmtes Material vorzugeben 34
Kontakt Wir begleiten Sie durch den gesamten Entwicklungsprozess. Anwendungsentwicklung, Johann Hackl A-3571 Gars am Kamp, Zitternberg 100 Phone +43 2985 2141-601 Fax +43 2985 2141-333 Email johann.hackl@haeusermann.at HÄUSERMANN GmbH A-3571 Gars am Kamp, Zitternberg 100 Phone +43 2985 2141-0 Fax +43 2985 2141-444 Email info@haeusermann.at Web www.haeusermann.at Copyright 2016, Häusermann GmbH, Zitternberg 100, A-3571 Gars am Kamp Vervielfältigung und Weitergabe an Dritte nur mit ausdrücklicher Genehmigung der Häusermann GmbH 35