9. Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg vom 22.-26 26 März M 2006 in Colonia de Sant Jordi Bleifreies Handlöten T. Ahrens, Fraunhofer ISIT, D-25524 D Itzehoe Fraunhoferstraße e 1, Tel. 04821 17-4605, Fax -4251 e-mail thomas.ahrens@isit.fraunhofer.de Certified IPC Trainer, Mastertrainer für f r FED Fachverband Elektronik-Design
ISIT Schwerpunkt-Aktivit Aktivitätenten LEADFREE Trainingslinie IC-Technology Microsystems Analog-Digital IC Design Biotechnical Systems Packaging, Module Integration Integrated Power Systems
LEADFREE Trainingslinie im Fraunhofer ISIT* www.life-leadfree.de leadfree.de Pastendruck - Bestücken - Reflowlöten (SMT) Rework AOI Rework Selektiv Kolben Selektiv Welle Welle (SMT&THT) Offline- Programmierung Handlöten Rework Dampfphase Inspektion Zugang durch Schleuse *LIFE05 ENV/D/000197 LEADFREE
Übersicht Metallurgie des Handlötens Probleme mit bleifrei Bewertungskriterien zur Prozessoptimierung Erfassung des Prozessfensters Lotlegierungen im Vergleich Innovative LötwerkzeugeL Schlussfolgerungen Literatur
Bildung der Lötverbindung L beim Kolbenlöten Kolbenspitze (Kupfer) Bewegungsrichtung Flussmittel Oxidschicht Eisenschicht: benetzt, löst sich nur langsam Lot Legierungsschicht Grundmetall A: Oxidschicht B: kochendes Flussmittel C: freiliegende Metalloberfläche D: Lot reagiert mit dem Grundmetall E: wachsende Legierungsschicht (intermetallische Phase) F: Grundmetall Quelle:DKI Lehrmittel
Metallurgie (1): Wann schmilzt das Lot? Das eutektische Zweistoffsystem Zinn-Blei P Die eutektische Legierung hat den niedrigsten Schmelzpunkt (183 C), d. h. auch die niedrigste Verarbeitungstemperatur und das beste Formfüllungsvermögen im System P: Primärdendrit (bleireich) im eutektisch erstarrten Gefüge (Legierung Sn60 Pb)
Metallurgie (2): Wann schmilzt das Lot? Das eutektische Zweistoffsystem Zinn-Silber Die eutektische Legierung schmilzt bei 221 C; unter Zugabe von 0,5-0,7% Kupfer sinkt die Schmelztemperatur auf 217 C Ag Sn
Metallurgie (3): Die Grenzschichtreaktion Kupfer-Zinn Bei der Benetzung löst sich ε Lot Cu η ε Kupfer im flüssigen Zinn. Bei Löttemperatur entstehen an der Grenzfläche stabile Keime η 227 C der intermetallischen Phasen ε (Cu 3 Sn) und η (Cu 6 Sn 5 ). Blei nimmt an der Reaktion nicht teil.
Bleifrei Handlöten Empfehlungen eines Bauelementeherstellers (1) Quelle: Murata Cat.No.C02E-9 Chip Monolithic Ceramic Capacitors
Folgen erhöhter hter Arbeitstemperatur / T-GradientenT Bauteilschädigung
Folgen erhöhter hter Arbeitstemperatur / T-GradientenT Bauteilschädigung
Folgen zu hoher Arbeitstemperatur Folgen zu hoher Arbeitstemperatur Lift off natürlich auch bei bleihaltigem Lot!! HandDetLötung.jpg Hand0lötung.jpg Zu viel Lötwärme führt zum Abheben der Restringe
Grundregeln für f r das Löten L von Hand Stelle einen guten Wärmekontakt zwischen der Lötspitze und der Lötstelle her. Dieser gute Kontakt kann nur über das flüssige Lot erzielt werden. Lass das Flussmittel seine Wirkung an den entsprechenden Stellen verrichten. Das Flussmittel muss frei auf die zu lötende Stelle kommen. Flussmittel fördert den Wärmeübergang. Erhalte den Kontakt zwischen Lötkolben und zu lötender Stelle so lange aufrecht, bis das Lot gut verlaufen ist. Verwende nur soviel Lot wie notwendig. Bei bedrahteten Anschlüssen sollte die Kontur der Drähte sichtbar bleiben. Die Bauteile dürfen sich während der Erstarrung nicht bewegen. Reichen diese Regeln schon aus für einen beherrschten Prozess? Quelle: Klein Wassink Weichlöten in der Elektronik Leuze-Verlag (1992)
Ergebnisse einer NPL-Umfrage bei 65 UK-Elektronikfertigern Rework mit schnell nachheizenden LötspitzenL a) LötspitzentemperaturL THT SMT b) Anzahl LötvorgL tvorgänge c) zulässige LötzeitL SMT SMT Quelle: Wickham, Hunt; Soldering & SMT (1999) NPL = National Physical Laboratory, Teddington,, UK
Quantifizierung der vorhandenen Lötfertigkeiten: Das Scoring Modell Das Scoring-Modell ist ein Punktwertverfahren, das eine systematische Auswahl von Alternativen(Objekten) ermöglicht Objekte haben Merkmale, die je nach ihrer Bedeutung unterschiedlich gewichtet werden. Jedem Merkmal pro Objekt wird je nach Erfüllungsgrad ein Nutzwert zugeordnet Die Summe der gewichteten Nutzwerte aller Merkmale pro Objekt ergibt den Summenwert des Objektes. Das Objekt mit dem höchsten Summenwert ist der Favorit
Scoring ist eine Gruppenaufgabe; Ermittlung und Gewichtung der Merkmale wird durch eine heterogene Gruppe objektiviert Der Prozess kann in sechs Stufen unterteilt werden: Definition der Bewertungsgruppe z. B. Lötergebnis Auswahl der Bewertungskriterien (Merkmale) Gewichtung der Bewertungskriterien (Merkmalsgewichtung) alle gemeinsam; intuitiv (ausdiskutieren), korrelativ (objektiviert) Durchführung der Bewertung - jeder für sich allein Auswertung (Mittelwertbildung der Summenwerte) Sensitivitätsanalyse
visuelle Kriterien* zur Bewertung durch das Fertigungspersonal Die Lötstellenoberfläche soll gleichmäßig und glatt sein (Glanz ist nicht erforderlich). Das Lot soll von den zu fügenden Teilen aus dünn auslaufen (kleiner Kontaktwinkel). Die Lötstellenoberfläche soll nicht unterbrochen sein. Die Konturen der gelöteten Teile sollen in der Lötstelle erkennbar sein. Die Lötstelle muss ausreichend Lot enthalten. *IPC-A-610 Abnahmekriterien für elektronische Baugruppen
Scoring Modell, 2 Beispiele für f quantifizierbare Merkmale Merkmal i Nutzwert 0 1 2 Gewichtung g i [%] Lötzeit [s] t > 3 3 > t > 2 2 > t > 1 17 Abweichung in der Lötzeit s > 0,8 0,8 > s > 0,4 0,4 > s 9
Anwendung des Scoring Modells Der Nachteil des Scoring Modells liegt in der Subjektivität der Auswahl und in der Gewichtung der Merkmale. Der Vorteil ist die Einfachheit des Modells, der fachliche Austausch zwischen den Scoring Teilnehmern und die verursachte Diskussion zwischen den Mitgliedern verschiedener Hierarchiestufen.
Ermittlung des Prozessfensters Löttemperaturen 300 C, 325 C, 350 C C und 375 C. Lötzeiten werden aus Videoaufnahmen ermittelt. Untergrenze des LötprozessfenstersL tprozessfensters: Zeitdauer bis zur vollständigen Pad- Benetzung (100% mit Lot benetzt) Obergrenze des Lötprozessfensters: L Zeitdauer bis zur Fleckenbildung ( Measling( Measling,, d. h., bis sich eine weiße e Verfärbung rbung auf der Leiterplatte zeigt).
Verwendete Lotdrähte SAC SnCuNi Merkmale Lotlegierung Sn-Ag-Cu Sn-Cu-Ni Ni<0,1% Sn-Cu Sn-Pb Zusammensetzung SnAg3.0Cu0.5 Sn99.3Cu0.7Ni Sn99Cu1 Sn60Pb40 Schmelztemperatur [ C] 217 (eutektisch) 227 (eutektisch) 227 (eutektisch) 183 (eutektisch) Drahtdurchmesser [mm] 0,6 0,5 0,7 0,5 Flussmittelanteil [Gewichts%] Fluxtyp 3,4 3,5 1,5 2,5 Alle no-clean halogenfrei
Untergrenze des LötprozessfenstersL 5 4 Zeit in [s] 2 1 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 300 325 350 375 300 375 Lötspitzentemperatur in [ C] Sn-Ag-Cu Sn-Cu-Ni Sn-Cu Sn-Pb
Untergrenze des Lötprozessfensters L - Streuung der LötzeitenL 1,1 0,9 Zeit in [s] 0,5 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 g Sn-Ag-Cu Sn-Cu-Ni Sn-Cu Sn-Pb 0,3 0,4 0,3 325 350 300 375 Lötspitzentemperatur in [ C]
Obergrenze des LötprozessfenstersL 25 20 25 20 Grenzwerte der Fleckenbildung durchschnittliche Lötzeit unterer Grenzwert oberer Grenzwert Standardabweichung Zeit in [s] 10 15 10 5 5 0 325 350 300 375 Lötspitzentemperatur in [ C]
4 3 4,0 3,5 3,0 Durchstiegszeiten g durchschnittliche Durchstiegszeit Standardabweichung Untergrenze der Durchstiegszeit Obergrenze der Durchstiegszeit Zeit in [s] 2,5 2,0 1 1,5 1,0 0,5 325 350 375 300 Lötspitzentemperatur in [ C] 375 THT
Zeit in [s] 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Prozessfenster im Vergleich nach Benetzung = Prozessfenster I Sn-Pb Kurve A Kurve B T L =183 C Zeit in [s] 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Sn-Cu-Ni Kurve A Kurve B T L =227 C 0 9 8 300 325 350 375 Sn-Ag-Cu Kurve A Kurve B 0 9 8 300 325 350 375 Sn-Cu Kurve A Kurve B Zeit in [s] 7 6 5 4 3 T L =217 C Zeit in [s] 7 6 5 4 3 T L =227 C 2 2 1 1 0 300 325 350 375 0 300 325 350 375
Auswirkung auf das Innenleben 300 C SAC SnCuNi SnPb SnCu 300 C SnCu 375 C SnCuNi 375 C SAC 350 C
Scoring Modell - Merkmale - Merkmal i Punktwert N Kürzel Gewichtung 0 1 2 g i [%] Benetzungs- γ >90 90 <γ >45 γ <=45 für A 17 winkel min.1 Lötstellen alle Lötstellen Lötzeit t>3 s 3<t>2 s 2<t>1 B 17 Abweichung σ>0,8 0,8<σ> 0,4 σ<0,4 C 9 in der Lötzeit Durc hstieg unter 80% min. 80% 100% D 17 Löttemperatur [ C] T=>375 350<= T>325 325<= T E 17 FM- Spritzer stark mittel kaum F 4 zusätzliche ja - nein G 12 FM- Verwendung Poren viele wenig kaum H 7 Tabelle 1: Scoring ΙΙ, Merkmale A-H, Punktwerte und Gewichtungen
Scoring Modell - Ergebnisse - Löttemperatur=325 C Summenwert Löttemperatur=350 C Summenwert Objekt k des Objektes Objekt k des Objektes SnPb 1,72 SnCu 0,81 SnAgCu 1,16 SnCuNi 1,06 SnPb 1,72 SnCu 1,15 SnAgCu 1,33 SnCuNi 1,32
Zeit in [s] 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Prozessfenster im Vergleich nach Schliffen = Prozessfenster II Sn-Pb Kurve A Kurve B T L =183 C Zeit in [s] 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Sn-Cu-Ni Kurve A Kurve B T L =227 C 0 9 8 300 325 350 375 Sn-Ag-Cu Kurve A Kurve B 0 9 8 300 325 350 375 Sn-Cu Kurve A Kurve B Zeit in [s] 7 6 5 4 3 T L =217 C Zeit in [s] 7 6 5 4 3 T L =227 C 2 2 1 1 0 300 325 350 375 0 300 325 350 375
bleifreie Wellenlötung, SnAg3,5/265 C, Schutzgas SMD (Lötseite) QFP44 0,8 mm Raster R0805 10 µm Ablegierung bei 265 C Stromschiene guter Durchstieg bei 265 C hohe Temperatur: besserer Durchstieg mehr Ablegierung
Löten von Litzendrähten: Ablegierverhalten nach 3x5s LötzeitL SnPbAg SnAgCu0,5 SnAgCu1,3 Litzendrähte verdrillt 250 C 280 C
Das Ablegieren wird durch erhöhten hten Kupferanteil im Lot stark vermindert: 260 C, 3x5s SnPbAg SnAgCu0,5 SnAgCu1,3
Beispiel für f r LötspitzenL tspitzen-korrosion Quelle: ZAVT
Übersicht über manuelle LötspitzenL Quelle: ERSA Löttechnik GmbH
Handlötwerkzeuge für f r spezielle Anwendungen Oben: Hohlkehl-Lötspitze zur Pad-Nach- und Vorbereitung sowie zum Füllen der Lötverbindungen an Fine-Pitch-Bauelementen links: Heizbare Pinzette zum Greifen und Auslöten von 0402-Bauelementen; nicht zum Einlöten verwenden - der Temperaturschock kann die Keramik zerstören! Quelle: SMT magazine
Oxidation auf der LötspitzeL Quelle: ZAVT
Bleifrei Handlöten bekomme ich genügend gend Wärme W in meine Fügestelle? Lötspitze mit hoher thermischer Masse Lötspitze mit gezielter Kapillarwirkung
Wie verringert man die Oxidation? Lötspitze für Schutzgas umspülten Lötprozess Schutzgas geflutetes flüssiges Lotdepot Quelle: Weller
Flussmittelauftrag durch Sprühen, mit Pinsel oder Flussmittelstift Auch beim Auslötvorgang Flussmittel verwenden Verwenden Sie einen Flussmittelstift zum selektiven Auftragen von Flussmitteln. Flussmittelstift mit Selektivlötflussmittel abgestimmt auf die für Ihren Prozess qualifizierten Flussmittel
Handlöten mit Schutzgas-umsp umspülter Lötspitze 1 2 3 Vorwärmung um Schutzgasstrom Kontaktierung mit Lot Abkühlphase in Schutzgasatmosphäre Quelle: Soldercom GmbH
Bleifrei Handlöten Empfehlungen eines Bauelementeherstellers (2) Früher hieß es: Kinder betet, Vater lötet mdl. Überlieferung: Dr. H. Bell, rehm Anlagenbau (Ursprung Zille?) Heute heißt es: Löten auf eigene Gefahr! Grafik: Murata Cat.No.C02E-9 Chip Monolithic Ceramic Capacitors
Zusammenfassung: Bei Verwendung bleifreier Lote sind die Lötzeiten länger die Ergebnisse ungleichmäßiger die Arbeitstemperaturen höher die Flussmittelrückstände & Lötspitzenkorrosion verstärkt. Deshalb: Schulungsaktivitäten mit Prozessfähigkeitsanalysen verbinden (Methodik siehe z. B. Scoring ) Oxidation mit Einsatz von Schutzgas reduzieren neue Werkzeuge evaluieren
Literatur DKI Lehrhilfe Werkstofftechnik Herstellungsverfahren Klein Wassink Weichlöten in der Elektronik Leuze-Verlag (1992) IPC-A-610C Abnahmekriterien für elektronische Baugruppen ESA PSS-01-708 : The manual soldering of high reliability electrical connections; March 1985 IPC 7711/7721: Rework of Electronic Assemblies & Repair and Modification of Printed Boards and Electronic Assemblies Seher Kurnaz, Diplomarbeit Fachhochschule Wedel Scoring-Prozess: www.resource-people.de/home/praktik/pr_scoring.php