Bleifrei-Knackpunkte - Erläuterung der Löttechnologien

Die Umstellung der Lötprozesse im ZE auf bleifreie Lotwerkstoffe zum 1. Januar 2010 Montag, 14.Dezember 2009, 9:00 bis 13:00 Uhr im Hörsaal Bleifrei-Knackpunkte - Erläuterung der Löttechnologien ahrens@trainalytics.de Dr.-Ing. Thomas Ahrens FED-Mastertrainer für IPC-A-610 Trainalytics GmbH, Erwitter Str. 105, 59557 Lippstadt, Tel. 02941 270 161, Fax 02941 270 179, info@trainalytics.de, www.trainalytics.de

01.01.2009 Aufnahme Geschäftsbetrieb Firmensitz: Lippstadt Beschäftigte: 10 Mitarbeiter/innen Mission: Dienstleistung für Elektronikproduzenten Vision: Labor zur Zertifizierung von Fachkräften und Baugruppen Unternehmen Training Analytik Aufbau- und Verbindungstechnik

Analytik & Umweltprüfung Inspektion, Querschliffe Mechanische & elektrische Prüfung Temperatur- und Klimaprüfung, SIR-Test Test,, Temperaturschock

Dienstleistungsangebot Analytik Schadensanalysen Qualifizierung von Materialien und Baugruppen Visuelle Prüfung Querschliffe Mechanische Prüfung Elektrische Prüfung Umwelteinfluss / Klimabeanspruchung Fertigungsmuster und Rework-Arbeiten Prozessoptimierung Bewertung von Konstruktionen Zuverlässigkeit

Dienstleistungsangebot Schulung EUREKA LEADFREE & DVS Gemeinschaftsforschung zur Prozesstechnik und Zuverlässigkeit bleifrei gelöteter Baugruppen LIFE05 ENV/D/000197 Project LEADFREE Demonstration and Training Lead-Free Soldering for European Industry in Order to Promote Environmental Friendly Electronic Production www.life-leadfree.de leadfree.de Fraunhofer Institut Siliziumtechnologie

T1 Lötfachausbildung: Professionelle Weiterbildung Aufbaustufen Zertifizierung Richtlinie Start Stufe Ergebnis DVS 2620: Anlernkraft Handlöt- Facharbeiter/in 1 Woche Arbeitskraft DVS 2621: Fachpersonal Löt-Fachkraft Linienführer/in, 3 Wochen DVS 2622: Ingenieur/in Löt-Faching. Technologie ca. 2 Monate DVS = Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.v., Düsseldorf

Folie 6 T1 Kommentar TA; 19.10.2009

Training in Theorie & Praxis Prozesse / Baugruppenfertigung Qualitätsbewertung tsbewertung / IPC Handlöten zentral & in-house Manufaktur / Materialverhalten Automatische Fertigungsschritte

Durchführung hrung vor Ort & in Lippstadt 2009: 10 Perform-Kurse mit 119 Teilnehmern Prüfung in Theorie und Praxis: alle bestanden Vor Ort: Trainalytics: 2x Lippstadt 2x Hamm, 2x Laichingen, 1x Laupheim, 2x Lüneburg, L 1x Dietzenbach Andere Seminare: 43 Teilnehmer (Stand 10. Nov. 09)

Erläuterung der LöttechnologienL Themenschwerpunkte: Metallurgie der Lotwerkstoffe Metallurgie der Bauelementanschlüsse sse Oberflächen chen-metallurgie der Leiterplatte Bleifreies vs. bleihaltiges Handlöten Visuelle Bewertung von LötstellenL Risiken bei der Kombination verschiedener Lote Maschinelles bleifreies Wellenlöten SMD-Reflowl Reflowlöten bleifrei Einige essentielle Design-Hinweise und -Quellen

SMD-Grundbauformen LEADLESS (ohne Beinchen) MLCC, C1206 BGA (Ball Grid Array) BGA256 J-LEADS (J-Anschl Anschlüsse) sse) SOJ, PLCC68 Gull Wing (Gull Wing) SO28, TQFP44 Quelle: M. Krause; Trainalytics 2009

Erläuterung der LöttechnologienL Themenschwerpunkte: Metallurgie der Lotwerkstoffe Metallurgie der Bauelementanschlüsse sse Oberflächen chen-metallurgie der Leiterplatte Bleifreies vs. bleihaltiges Handlöten Visuelle Bewertung von LötstellenL Risiken bei der Kombination verschiedener Lote Maschinelles bleifreies Wellenlöten SMD-Reflowl Reflowlöten bleifrei Einige essentielle Design-Hinweise und -Quellen

Was ist Weichlöten Weichlöten ist eine Methode zur Herstellung einer stoffschlüssigen ssigen Bindung Definition nach Norm (DIN 8505): Die Liquidus-Temperatur von Weichloten liegt unter 450 C Ablauf: Lötgut L positionieren, Lot schmelzen, Lötoberflächen benetzen und Lötspalt L füllen, f abkühlen und Lot erstarren lassen Überwiegend werden zinnhaltige bzw. Zinn-Basislote verwendet Weichlötverbindungen sind mechanisch nicht belastbar!

Vom Kupfer, und dessen Lothe.. 95. 2. Das Loth,, womit die Kupferschmiede die kupferne Sachen löthen ist zweyerlei: Das eine heißt t bei ihnen Hartloth oder Schlagloth und das andere wird Weichloth genennet und dieses haben sie mit den Klempnern, Fläschnern etc. gemein. Quelle: Ausführliche Beschreibung der Metalllothe und Löthungen, von Johann Georg Friedrich Klein. Berlin, 1760 Nachdruck für f r INERTEC Löttechnik, L Kreuzwertheim, 1998

Reine Durchsteckmontagetechnik, einseitige Leiterplatte THT = Through Hole Technology

Formfüllungsverm llungsvermögen: gen: Lotspaltbreite beim Weichlöten in der Elektronik THT Through Hole Technology = Durchsteck-Montagetechnik Lochdurchmesser-Stiftdurchmesser = 0,2mm bis 0,4mm Spaltbreite 0,1mm bis 0,2mm SMT Surface Mount Technology = Oberflächen-Montagetechnik Schichtstärke Lotpastenauftrag = 0,12mm bis 0,15mm Spaltbreite 0,05mm bis 0,1mm

Lotspaltbreite beim Flammlöten (Hartl( Hartlöten) ten) ähnliche Werte beim Weichlöten in der Elektronik http://www.ikz.de/ikz- praxis/p0004/000404.php

Vom Kupfer, und dessen Lothe. 99.B. Das Weicheloth der Kupferschmiede welche sie mit den Klempnern und Fläschnern etc. gemein haben, womit sie die Düllen D in die Theekessel und dergleichen ein- und kleine Löcher L in verzinnter alter Kupfer- und Meßingarbeit zu löthen, l wird also gemacht: Man nimmt etwa 2 Theile Zinn und einen Theil Bley, schmelzet solches in einer Gießkelle oder eisernen Schaale oder Pfanne zusammen und gießt t es zu einer Stange, so ist es zu Gebrauch fertig. Quelle: Ausführliche Beschreibung der Metalllothe und Löthungen, von Johann Georg Friedrich Klein. Berlin, 1760 Nachdruck für f r INERTEC Löttechnik, L Kreuzwertheim, 1998

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 Formfüllungsverm llungsvermögen gen im System P: Primärdendrit rdendrit (bleireich) im eutektisch erstarrten Gefüge (Legierung Sn60 Pb)

Metallurgie (2): Die Grenzschichtreaktion Kupfer-Zinn Bei der Benetzung löst l sich ε 676 C Lot Cu η ε Kupfer im flüssigen Zinn. Bei Löttemperatur L entstehen an der η 415 C Grenzfläche stabile Keime der intermetallischen Phasen ε (Cu 3 Sn) und η (Cu 6 Sn 5 ). Blei nimmt an der Reaktion nicht teil.

Benetzung erkennbar am flachen Winkel Θ ε η Θ Lotgefüge Cu 20µm

Gefüge einer bleihaltigen SMD-Lötverbindung: Sn-Pb Pb-Ag, Peaktemperatur 210 C A B C A B C eutektisches Sn-Pb Pb-Gefüge intermetallische Phasen- Grenzschicht (Legierungsschicht) Grundmetall (Leiterplattenkupfer, angeätzt) IP-Reflow_HAL.jpg 20 µm

Fehler: Schlechte stoffschlüssige ssige Bindung A B A B eutektisches Sn-Pb Pb-Lotgefüge: ge: Pb-reiche Phase (hell) Sn-reiche Phase (dunkel) C Spalt = unvollständige ndige Bindung C D D Cu-Oxidschicht wurde vor der galvanischen Sn-Plattierung nicht ordentlich entfernt E D E einzelne intermetallische Phasenteilchen Grundmetall (Leiterplattenkupfer)

Europa auf dem Wege zu umweltgerechter Elektronik WEEE und RoHS EU-Richtlinien seit 13. Februar 2003 in Kraft, Deutschland: nationale Gesetzgebung ElektroG umfasst beide, RoHS & WEEE 1. Waste Electrical and Electronic Equipment (WEEE) (Richtlinie 2002/96/EG über Elektro- und Elektronik-Altgeräte) 2. The Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment (RoHS) (Richtlinie 2002/95/EG zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronik-Geräten) von RoHS betroffene Stoffe: Blei*, Quecksilber, Cadmium, sechswertige Chromverbindungen, polybromierte Biphenyle und Diphenylether (Flammhemmer) * betrifft insbesondere Lötstellen und lötfähige Endschichten von Bauelementen und Leiterplatten ElektroG = Elektro-Altgeräte-Gesetz (in Kraft seit 13. August 2005) Grenzwerte 0,1 Gew.% im homogenen Material (Cd 0,01 Gew.%)

Woher kommt das Blei in der Lötstelle? L Volumen der Verzinnung = Anschlussoberfläche che x Schichtdicke Maße e in mm T = Beispielrechnung: Schichtdicke der Verzinnung (Plating Sn/Pb 80/20) ca. 8 µm* Anschlusslänge L = 2 mm Breite B = 0,4 mm Dicke T = 0,15 mm Bleianteil/Package = 0,3% Bleianteil/Anschluss = 3% Bleianteil/Lötstelle = 5% * Fällt F bei Prüfung mit RFA auf! (RFA = Röntgenfluoreszenzanalyse) R

Metallurgie (3): Wann schmilzt das Lot? Das eutektische Zweistoffsystem Zinn-Silber Die eutektische Legierung schmilzt bei 221 C; unter Zugabe von 0,5-0,7% 0,7% Kupfer sinkt die Schmelztemperatur auf 217 C Ag Sn

Bleifrei meist Zinn-Silber Silber-Kupfer (SAC) Schmelzpunkt ca. 40 C C höher h her als Zinn-Blei Legierung Schmelztemperatur Sn-Cu SnCu0,7 (<0,1Ni + x) 227 (eutektisch( eutektisch)* 230 Sn-Ag SnAg3,5 221 (eutektisch( eutektisch)* 220 SAC SnAg3,0Cu0,7 217 (eutektisch( eutektisch)* 210 Sn-Ag Ag-Bi SnAg3,5Bi3 206...213** 200 Sn-Ag Ag-In-Bi SnAg3,5In8Bi0,5 207** (Sn-Bi Bi-Cu SnBi10Cu0,5 190 190...200) Sn-Zn SnZn9(Bi, Al) 180 198,5 (eutekt( eutekt.)** Sn-Pb SnPb37(Ag1) 170 179-183 183 (eutekt( eutekt.) Sn-Bi SnBi58 138 (eutektisch( eutektisch) # Sn-In SnIn52 118 (eutektisch( eutektisch) # 240 * EU, USA **Japan # Spezialanwendungen

Lötbarkeit = Gesamteignung des Bauteils für f r das industrielle Löten L Die Benetzungsfähigkeit hängt von der Lötoberfläche, der Löttemperatur L und der Aktivität t des Flussmittels ab Der Lötwärmebedarf wächst mit der WärmekapazitW rmekapazität und der Masse der Fügeteile Die Lötwärmebeständigkeit der Materialien begrenzt das Lötprofil L in Dauer und HöheH Konstruktion und Lötverfahren L müssen m zusammenpassen!

Gefüge einer bleifreien SMD- Lötverbindung, Peaktemperatur 245 C D C A B A B Lötanschluss (Bauelement) mit Ni-Sperr Sperr- und intermetallischer Phasen-Grenzschicht Cu 6 Sn 5 -/Ag 3 Sn-Phasenteilchen C Primärdendrit rdendrit (zinnreich) E F 2000-limi_001976 20 µm D E F eutektische Restschmelze intermetallische Phasen- Grenzschicht (Legierungsschicht) Grundmetall (Leiterplattenkupfer)

Mechanische und elektrische Eigenschaften von Sn-Cu Cu-Phasen im Vergleich mit Weichlot und Kupfer Mikrohärte Elektrischer Widerstand [3] Dichte kn/mm 2 R / µohm x m ρ / g/cm 3 bei 25 C bei 100 C. Zinn 40 [2] 0,12 0,16 7,3 [2] SnPb40 17 [4] 0,17 0,32 8,5 [2] SnAg4Cu0,5 15 [4] 0,1-0,15 7,5 [4] Blei 30 [2] 0,21 0,27 11,3 [2] Kupfer 400...1.100 [2] 0,017 0,02 8,9 [2] ε (Cu 3 Sn) 4.900 [1] 0,20 0,22 η(cu 6 Sn 5 ) 5.100 [1] 0,12 0,16 8,3 [5] Stahl (Werkzeug & intermetallische Phasen tauchen im bleifreien Lot ab) 7,85 [2] [1] Klein Wassink 1992, Tab. 4.6 [3] -- --, Tab. 4.10 [2] Stoffhütte 1967, S. 1008ff. [4] G. Poupon 2003 [5] J.D. Bernal 1928

Erläuterung der LöttechnologienL Themenschwerpunkte: Metallurgie der Lotwerkstoffe Metallurgie der Bauelementanschlüsse sse Oberflächen chen-metallurgie der Leiterplatte Bleifreies vs. bleihaltiges Handlöten Visuelle Bewertung von LötstellenL Risiken bei der Kombination verschiedener Lote Maschinelles bleifreies Wellenlöten SMD-Reflowl Reflowlöten bleifrei Einige essentielle Design-Hinweise und -Quellen

Typische SMT Anschlussgeometrien

Anschlussflächen chen von zylinderförmigen rmigen und rechteckigen Bauelementformen Chip-Bauteil mit 3 Anschlussflächen chen Array-Bauform Chip-Bauteil mit 5 Anschlussflächen chen

Passive Bauelemente: SMD-Kondensator Mittels Wellenlötung auf FR4 montiert; Bauform C1206 Metallisierung an 5 Flächen an jedem Ende CCC = Chip Ceramic Capacitance Quelle Philips Halbleiter

Floating Electrodes zur Verringerung der Kurzschlussgefahr im Chip Kondensator Flex Crack FE-CAP Innenaufbau: die Gestaltung der Elektroden führt beim Bruch zur elektrischen Unterbrechung und nicht zum Kurzschluss Quelle: Kemet FE-CAP

Verringerte Bruchgefahr von Chip Komponenten durch Flex Terminations Kontakt- Metallisierung Nickelschicht Zinnschicht Flex Terminations: die elastische Zwischenschicht aus Silber-Epoxy nimmt Biegebelastungen auf, die sonst (z. B. beim Nutzentrennen) zum Kondensator-Bruch führten Silber- Leitkleber Quelle: Kemet FT-CAP

Chipmontage auf Leadframe (Leiterrahmen), dann Verguss in Gehäuse Quelle: VCI Folienserie 18 Chemie Grundlage der Mikroelektronik

Baugruppenqualität: Inspektion und Gefüge bleifreier Lötstellen PLCC 44 Wellenlötung 20µm 2002-macro_001575 PLCC 44 Reflowlötung 2004-macro_01205 2004-limi_02637 1mm SMD-Reflowl Reflowlötung: Gute Benetzung Ausschnitt: Grenzschicht intermet. Phasen

Neue Entwicklungen: Für mittlere Anschlusszahlen: < 100 pins Leadframe-basiert: low cost Meist eine Reihe Anschlüsse umlaufend am Rand Anwendungen: Voll integrierte analoge Power Management Lösungen für mobile Geräte QFN = Quad Flat No Leads (Infineon) MLF = Micro Leadframe (Texas Instr.) LLP = Leadframe based Leadless Package (National Semiconductor)

Infineon: VQFN = Very Thin Quad Flat Pack No Leads Leadframe-basierte Technologie (Leadframe = Leiter-Anschluss Anschluss-Rahmen) Günstige Fertigung pitch 0.5 mm Pin Anzahl 16...48 (bis zu 60 und mehr) Gutes elektrisches und thermisches Verhalten Quelle: Infineon Technologies 2000

MLF (Micro Leadframe) ) nach dem Löten: L Stanzkanten teils benetzt, teils nicht benetzt

MLF (Micro Leadframe) ) nach dem Löten: L Inspektion der Unterseite ist bei geeigneter Montage möglich, aber nicht zur Nachahmung empfohlen!

Company AMD Agere Agilent IBM Infineon Intel Linear LSI Matsushita Murata Übersicht: Oberflächen Metallisierung der Bauteile Analog Devices Fujitsu Hitachi Leaded Matte Sn Matte Sn Matte Sn Matte Sn SnBi SnBi NiPdAu Matte Sn Matte Sn Matte Sn Matte Sn SnBi SnBi SnNi BGA SnAgCu SnAgCu SnAgCu SnAgCu SnAgCu SnBiAg SnAgCu SnAgCu SnAgCu SnAgCu SnAgCu SnAgCu Company Motorola National Semiconductor NEC Philips Panasonic Sharp Sony Semiconductor ST Microelectronics Samsung Texas Instruments Toshiba Toyota Tyco Leaded Matte Sn NiPdAu Matte Sn SnBi Matte Sn, NiPdAu Pd, SnBi, Au SnBi,, Pd NiPdAu, SnBi Matte Sn, NiPdAu SnBi NiPdAu,, Matte Sn SnAgPd, SnBi SnBi Matte Sn BGA SnAgCu SnAgCu SnAgCu SnAgCu SnAgCu SnAgCu SnAgCu SnAgCu SnAgCu SnAgCu SnAgCu Quelle: Motorola

Verträglichkeit Pb-freies freies- BE-Finish SnPb- BE-Finish Standardprozess Pb-haltiger Fertigungsprozess OK, wenn Lötstelle L >230 C bei Array-Packages OK, bei Temperaturbeständigkeit und MSL-Übereinstimmung Bleifrei-Prozess Pb-freier Fertigungsprozess Quelle: Motorola

Benetzungskraftmessung + Video Kraft-Messeinrichtung (LVDT) Halter ISIT- special: CCD- Kamera Probe Speicher; Meßverstärker; phasenselektiver Gleichrichter A/D - Wandler LKB/LB* X-Y-Z- Tisch Videorecorder DV-Rechner IBM 486 SX MS-DOS V6.21 Monitor Tastatur Drucker *LKB/LB: Lotkugelblock/Lotbad

Benetzungskraft- Zeit-Kurve Quelle: Colin Lea - A Scientific Guide to Surface Mount Technology. Fig. 10.31 Electrochemical Publications Ltd., 1988

Benetzungstest an einem SO Package Gull Wing Anschluss Test mit Lotkugel, 25 mg Pille aktiviertes Flussmittel auf die Kugel aufgebracht 3D SO Schema: Quelle Philips Halbleiter

Benetzung bei T = 5%, 10% und 15% über Schmelztemperatur 300 Temperatur / C 250 200 150 100 50 0 TM TM+5% TM+10% SnPb36Ag2 SnAg3,5Cu0,7 SnAg3,5 SnCu0,7 Quelle: M. Nowottnick, Fraunhofer IZM

Benetzungsmessung an Leiterplatten-Testcoupons Lochdurchmesser 1 mm (grün) Montageloch 3 mm Durchm.. (blau) Coupon Größ öße 15mm x 25 mm 2mm Quelle: Multicore MUST II Handbook

Benetzungstest an einem PCB Test Coupon Test mit Lotkugel, 200 mg Pille aktiviertes Flussmittel auf die Kugel und auf die LötoberflL toberfläche aufgebracht vorheizen mit der Lotschmelze dicht unter dem Test Coupon

Benetzungskraft-Zeit Zeit-Kurven an SMD-Padfl Padflächen, OSP/SnPb Ausgangszustand chem. Sn/SAC Beispiele an SMD-Pads Pads: C44P01R_143 F1 -O O SnPb gute Benetzung C44P01R_041 F1 -Sn (S2) SAC schlechtere Benetzung

... und die Teile werden immer kleiner... bleifreie Metallisierung R0201 R0402 C01005... das ist lange kein Hühnerfutter mehr! Ant image from SMT Magazine, PennWell

Benetzungstest an einem 0805 Chip Widerstand Test mit Lotkugel, 200 mg Pille aktiviertes Flussmittel auf die Kugel aufgebracht

Lösungsgeschwindigkeit diverser Metalle in Lot Beispiel: Gold schützt das Nickel. Bei über 2% Gold wird das Lot spröde, deshalb muss die Goldschicht zum Löten L dünn d sein (50-200nm); das Gold löst sich schnell vollständig im Lot auf Quelle: Klein Wassink, Weichlöten in der Elektronik. 1992

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

Wellenlötseite: Phasenbildung und Ablegieren im Vergleich SN100C und SnCu0,7 Beide Proben Reflow Sn SAC N 2 ; Wellenlötung mit kurzer Doppelwelle bei 260 C unter Schutzgas (N 2 ) 2004-limi_05269tn64 2004-limi_05268tn64 Oberfläche: OSP chem. Sn Flussmittel: Alkoholbasis, 14% Feststoff Wasserbasis, 2,5 % 2004-macro_01313tn64

Anforderungen an den Wellenlötprozess Stabilität t der Lotlegierung im Tiegel: Cu Anreicherung in SnAgCu 1,2 1,1 Cu Gew.% im Lot 1 0,9 0,8 0,79 0,85 1,02 0,79 0,83 0,88 0,94 1,01 Periode 1 Periode 2 0,7 0,6 1 2 3 4 5 6 7 [Monate nach der Umstellung auf bleifrei (SAC) Quelle: Teleste/ERSA

Anschlussoberflächen chen an SMD-Kondensator mit Ni-Sperrschicht und Verzinnung Baugröß öße C0603 = 1,5 mm lang 1 2 1 Keramik 2 Kontakt Baugröß öße e C1206 = 3,1 mm lang

Löten mit Festlotdepots und gering aktiviertem Flussmittel, Peaktemperatur 210 C an Luft: keine Benetzung unter Schutzgas: gute Benetzung (100ppm Restsauerstoff)

Löten mit Festlotdepots und gering aktiviertem Flussmittel, Peaktemperatur 210 C an Luft: keine Benetzung unter Schutzgas: gute Benetzung (100ppm Restsauerstoff)

Anschlussoberflächen chen an SMD-Kondensator ohne Ni-Sperrschicht (nur Ag-Pd) 200µm

Anschlussoberflächen chen an SMD-Kondensator mit/ohne Ni-Sperrschicht, bleifrei gelötet 1 2 3 1 Keramik 2 Ag(Pd) Kontakt 3 Ni- Sperrschicht 4 Sn-Ag Phasen 1 2 4

Folgen thermomechanischer Beanspruchung Aufdecken von Schwachstellen: fehlende Nickel-Diffusionsbarriere, Bildung spröder intermetallischer Phasen, Haftungsprobleme zum Keramikkörper 500 Zyklen -55 C - 125 C, 30

Erläuterung der LöttechnologienL Themenschwerpunkte: Metallurgie der Lotwerkstoffe Metallurgie der Bauelementanschlüsse sse Leiterplatte: Basismaterial, Oberflächen chen-metallurgie Bleifreies vs. bleihaltiges Handlöten Visuelle Bewertung von LötstellenL Risiken bei der Kombination verschiedener Lote Maschinelles bleifreies Wellenlöten SMD-Reflowl Reflowlöten bleifrei Einige essentielle Design-Hinweise und -Quellen

Lötbarkeit = Gesamteignung des Bauteils für f r das industrielle Löten L Die Benetzungsfähigkeit hängt von der Lötoberfläche, der Löttemperatur L und der Aktivität t des Flussmittels ab Der Lötwärmebedarf wächst mit der WärmekapazitW rmekapazität und der Masse der Fügeteile Die Lötwärmebeständigkeit der Materialien begrenzt das Lötprofil L in Dauer und HöheH Konstruktion und Lötverfahren L müssen m zusammenpassen!

Leiterplattenprobleme nach bleifrei-löten Delamination Hülsenrisse Ablegiereffekte Vermeidung der Leiterplattenprobleme vor bleifrei-löten trocknen Materialauswahl Prozessführung Hülsen-Riss Bruch im Knie Innenlagen-Abriss

Wichtige Parameter fürf Basis ismaterial Tg = Glass transition temperature Td = Degradation temperature T260 = Time to delamination at 260 C T288 = Time to delamination at 288 C CTE (z) = Coefficient of Thermal Expansion (in Z-Richtung)

Material von heute? FR4 acc. to IPC 4101/21 Tg 110-150 C T260 10 min. T288 10 s acc. IPC-TM-650 2.4.13.1 Td: keine Angabe

Lötwärmebeständigkeit / bleifrei Löten* L a) Degradation des Basismaterials / Reflow T G : Glasübergangstemperatur ist nicht der wesentliche Wert für f r die Degradation t D : Time to Delamination ist wichtiger (Welle: Solder Float,, Prüfanforderung fanforderung: : 10s bei 288 C) Beständigkeit gegen 3 x Reflow Polyclad (seit 24. Apr. 06 isola) Werkzeug zur optimalen Materialauswahl Isola: : z. B. IS400: T260 ca. 60 min., T288 ca. 10 min. * bleifrei steht hier für SAC & SC! (Zinn-Silber-Kupfer & Zinn-Kupfer)

Lötwärmebeständigkeit b) Belastung der Durchkontaktierungen Ausdehnung hier ist T G (Glasübergangs- temperatur) neben dem Z-Achsen-Ausdehnungs- koeffizienten wichtig 20 C T G1 T G2 Temperatur T Lötprozess

Time to Delamination Difunktionales / Multifunktionales Epoxidharz T 260 Delaminierung Dicyandiamidoder Novolak- Härtung Aufheizphase (TMA Kurve) Isola AG 10-15 min für Standard FR4 höhere Werte für Novolak oder Halogenfreie Systeme

Materialeigenschaften T D Bild: Dr. L. Weitzel Thermogravimetrie 5% Gewichtsabnahme = T D (engl. Decomposition,, d. h. Zersetzung) typ.. ~310-320 320 C C für f r Standard FR4 Isola AG

Lötwärmebeständigkeit / Kombination: STII= Solder Temperature Impact Index Vorschlag W. Engelmaier (schreibt die Leitlinien für Zuverlässigkeit in IPC-Standards) STII = (T G + T D )/2 - (%thermal expansion 50 C...260 C) x 10 Anforderung STII 215 STII ist kein beschreibendes Modell, sondern ein Richtwert zur Einschätzung der Eignung eines ausgewählten Materials anhand des Materialdatenblatts T G : Glasübergangstemperatur T D : Zersetzungstemperatur (Decomposition Temperature)

Leiterplatteneigenschaften Bild: Dr. L. Weitzel Standard-FR4 z-achse Cu bei Raumtemperatur z - Ach en au sd eh n u n g [µm ] 70 60 50 40 30 20 10 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 T [ C] Lötprozess Lötauge wird nach außen gebogen Zugspannungen auf die Cu HülseH Padlifting bei Peaktemperatur

PWB TESTING HIERARCHY Estimated % of Products <0.1% I.S.T. = Internal Stress Test Testcoupon mit Heiz- und Sensorkreis in spezifischer Produkttechnologie Capability THERMAL OVEN Accelerated Stress Requirement Customer Compliance <1% I.S.T. Accelerated Stress Product/Process Integrity PWB s IST System <1% www.pwbcorp.com SOLDER FLOAT Shock Assembly Simulation <1% MICROSECTION Physical Examination Mechanical Compliance 100% ELECTRICAL Continuity Customer Compliance 100% A.O.I. Visual Polar Instruments 2003 www.polarinstruments.com Inspection Defect Reduction

IST Principles / Methodology PWB s IST System www.pwbcorp.com Polar Instruments 2003 www.polarinstruments.com

IST Coupon Design PWB s IST System www.pwbcorp.com Polar Instruments 2003 www.polarinstruments.com

History of IST Technology Initiated Development Activities at DEC Deployed Beta Systems (Viasystems Canada) Patents awarded for Methodology / Coupon Design PWB Interconnect Solutions Incorporated First Revenue PWB s IST Generating System System Installed www.pwbcorp.com Systems Installed into Asia / Europe IPC TM650 Approval Received (2.6.26) IST Service Capacity Increased to Meet High Demands IPC TR486 Completed (R & R Study on IST Vs Thermal Shock) 1989 1993 1994 1995 1996 1998 2000 2000 2001 52+ IST Systems in the Field Polar Instruments 2003 Generic www.polarinstruments.com Design/Testing/Reporting Strategy Implemented 2002 2002

Gegenüberstellung - Lötoberflächen auf Leiterplatten Eigenschaften HAL NiAu OSP Chem. Ag Chem. Sn Fine-pitch-Eignung Bedingt Ja Ja Ja Ja Pb-frei Eignung Ja* Ja Ja Ja Ja Beschichtungs-Kosten Mittel Hoch Niedrig Mittel Mittel Schichtdicke 500 nm 10 µm 4-6 µm NiP 100-200 nm Au 0,5-1 µm ca. 300 nm 800 nm PB 1.000 nm LF Mehrfachlötbarkeit Ja Ja Bedingt Ja ja Lagerfähigkeit Gut Gut Mittel Mittel Mittel Einpresstechnik Bedingt Nein Bedingt Ja ja Kontaktanwendung Nein Ja Nein Bedingt Nein Drahtbondbarkeit Nein Ja Nein Nein Nein Verträglichkeit LSM** Gut Kritisch Gut Gut Kritisch Wartungsaufwand Hoch Mittel Niedrig Niedrig Mittel Prozeßaufwand Mittel Hoch Niedrig Niedrig Niedrig Arbeitssicherheit, Umwelt Schlecht Gut Gut Gut Gut Temperaturstress Hoch Niedrig Niedrig Niedrig Niedrig * SnCuNi ** LSM = Lötstoppmaske PB bleihaltig LF bleifrei

Was sind Bromine/Halogene? Die Bromverbindungen im FR4 sind: chemisch gebunden in einer Polymer-Matrix weder Brom noch deren Verbindung werden hier frei kein negativer gesundheitlicher Effekt bekannt nach der RoHS nicht auf der Verbotsliste Quelle:. Lehnberger, Andus; L. Oberender, Häusermann

Bleihaltige Endoberfläche am Beispiel der Heißluftverzinnung Die Bedeutung der Endoberflächen am Beipiel HAL: Verhinderung der Oxidation der Cu-Oberfläche Gute Benetzung der Oberfläche beim Löten Verlängerung der Lagerzeit bis zur Weiterverarbeitung HAL (Hot-Air-Leveling): 70 % ( ) aller LP s bei Andus (2004) Tauchen in flüssiges SnPb anschließendes Evakuieren der LP und Entfernen der Übermenge SnPb von den Cu-Oberflächen und den Cu-Hülsen Quelle:. Lehnberger, Andus; L. Oberender, Häusermann

Bleifrei Leiterplattenoberflächen Chemisch Zinn HAL Gold LP OSP = Organische Passivierung Chemisch Silber Quelle:. Lehnberger, Andus; L. Oberender, Häusermann

Blei-frei Leiterplattenoberflächen HAL Blei-frei HAL: Ersetzen von SnPb durch SnCu(Ni) Vorteile: bekannter Prozess bekannte Oberfläche gute Lötbarkeit gute Einpresseigensch. preiswert lange Lagerzeit Nachteile: nicht bondbar therm. Stress der LP und der Vias schlechte Koplanarität (µbga,..) weniger geeignet für Feinpitch Quelle:. Lehnberger, Andus; L. Oberender, Häusermann

Blei-frei Leiterplattenoberflächen Chemisch Zinn Sn 2+ + Cu Sn + Cu 2+ Sn Cu Vorteile: bekannter Prozess koplanare Oberfläche gute Lötbarkeit gute Einpresseigensch. preiswert Nachteile: nicht bondbar Cu-Sn-Diffusion Quelle:. Lehnberger, Andus; L. Oberender, Häusermann

Blei-frei Leiterplattenoberflächen Sn-Cu-Diffusion Sn Cu t, T Sn Cu 6 Sn 5 Cu 3 Sn Cu 1 µm m in 2.5 Jahre 1 µm m / Jahr 1 µm m / Monat 1 µm m / Tag 1 µm m / Stunde 1 µm m / Minute 1 µm m / Sekunde @ 20 C @ 40 C @ 80 C @ 140 C @ 190 C @ 260 C @ 330 C ( Handlöten!) Dicke der chem. Sn-Schicht 0.8 µm! Quelle:. Lehnberger, Andus; L. Oberender, Häusermann

Blei-frei Leiterplattenoberflächen Gold 70..120 nm Au 4-6 µm Ni Die unterschiedlichen Bezeichnungen chem. Ni/Au Electroless Nickel / Immersion Gold ENIG Ni dient als Diffusionssperre Vorteile: Nachteile: bekannter Prozess Preis Koplanare Oberfläche geringere Benetzbarkeit als Al-Draht bondbar HAL und chem. Sn gute Lötbarkeit Ni-Sprödigkeit (nicht für Flex-LP) lange Lagerzeit Reduzierte Zuverlässigkeit der Lötstellen (bei erhöhtem thermomechanischen Stress) Quelle:. Lehnberger, Andus; L. Oberender, Häusermann

Blei-frei Leiterplattenoberflächen Reduction Gold 400..600 nm Au 4-6 µm Ni für Au-Wire-US-Bonden spröde Sn-Au-Phases Preis, wenig verfügbar Electrolyt. Soft-Gold 400..600 nm Au (99.9%), galv. 4-6 µm Ni wenig verfügbar Anbindung der Pads erforderlich Electrolyt. Hard-Gold 0,8..5 µm Au-Co (0.5%), galv. 4-6 µm Ni Kontakte, Schleifer, Stecker (PCI-Slot),... Alternative: Carbon-Lack Quelle:. Lehnberger, Andus; L. Oberender, Häusermann

Blei-frei Leiterplattenoberflächen Chemisch Silber Organic Coating 100-200 nm Ag kaum verfügbar in Europa bedingt bondbar Lötbarkeit eingeschränkt Lagerzeit eingeschränkt Quelle:. Lehnberger, Andus; L. Oberender, Häusermann

Blei-frei Leiterplattenoberflächen Organische Passivierung 200 600nm OSP - Organic Solderability Preservative Marken-Namen: ENTEK+, Glycoat Dünne Schutzbeschichtung (Luftsauerstoff) Vorwiegend für Konsumgüterprodukte Vorteile: Preis koplanare Oberfläche Nachteile: Mehrfachlöten ist problematisch elektrischer Test vor OSP-Prozess Quelle:. Lehnberger, Andus; L. Oberender, Häusermann

Erläuterung der LöttechnologienL Themenschwerpunkte: Metallurgie der Lotwerkstoffe Metallurgie der Bauelementanschlüsse sse Oberflächen chen-metallurgie der Leiterplatte Bleifreies vs. bleihaltiges Handlöten Visuelle Bewertung von LötstellenL Risiken bei der Kombination verschiedener Lote Maschinelles bleifreies Wellenlöten SMD-Reflowl Reflowlöten bleifrei Einige essentielle Design-Hinweise und -Quellen

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 Lehrhilfe Werkstofftechnik Herstellungsverfahren

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 Lehrhilfe Werkstofftechnik Herstellungsverfahren & FED-Video Handlöten

THT Handlötung, Durchstieg dokumentiert Quelle: S. Kurnaz, Diplomarbeit

SMD Handlötung Quelle: FED-Video Handlöten

Handlöten eines SMD-Bauteils Bauteils; ; hier: Small Outline Transistor SOT23

Richtige Erzeugung von LötstellenL Heißgas Die Lötstellenoberfläche soll konkav sein Hohlkehle

Probleme beim Handlöten Zu hohe Arbeitstemperatur / Lötspitzentemperatur. Zu lange Lötzeiten. Daraus folgende Ausdehnung von Leiterplatten führt zur Belastung der Kupferhülsen. Außerdem zum Haftverlust und zum Abheben der Restringe Pad Lifting. Ferner zur verstärkten Auflösung der Kupferoberfläche Ablegieren. und zur Auflösung der Lötspitzenbeschichtung Lötspitzenkorrosion Zu hohe Lötspitzentemperatur führt auch zur raschen Zersetzung des Flussmittels, das damit unwirksam wird.

Folgen zu hoher Arbeitstemperatur Folgen zu hoher Arbeitstemperatur Pad Lift off natürlich auch bei bleihaltigem Lot!! HandDetLötung.jpg Hand0lötung.jpg Zu viel Lötwärme führt zum Abheben der Restringe

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 Kupferkern Lotschicht Eisenschicht Quelle: ZAVT

Oxidation auf der LötspitzeL Quelle: ZAVT

Folgen erhöhter hter Arbeitstemperatur / T-GradientenT Bauteilschädigung

Folgen erhöhter hter Arbeitstemperatur / T-GradientenT Bauteilschädigung

1 2 1 & 3: Heißgasgriffel für f schonendes Einlöten von Keramik-Bauteilen 2: Schutzgas-umsp umspülte Lötspitze zum Vorwärmen rmen und zur Unterstützung tzung der Flussmittel- Aktivität 4: Düsen D für f r Heißgasgriffel 3 4 Quelle: 1 SUNKO / MBR ELECTRONICS 2 HAKKO / TBK 3 zephyrtronic

Video: Chip-Bauteil einlöten mit Heißgasgriffel

Flussmittelauftrag durch Sprühen, mit Pinsel oder Flussmittelstift Auch beim Auslötvorgang Flussmittel verwenden Verwenden Sie einen Flussmittelstift zum selektiven Auftragen von Flussmitteln. Flussmittelstift mit Selektivlötflussmittel tflussmittel abgestimmt auf die für f r Ihren Prozess qualifizierten Flussmittel

Bleifrei Handlöten Merksätze: Die Grundregeln werden wichtiger denn je! Die Spitzentemperatur muss angehoben werden (+25 C) Die Obergrenze darf nicht angehoben werden, sonst erfolgen Delamination der Leiterplatte oder thermische Beschädigung der Bauelemente! D. h. das Prozessfenster wird enger! Das bleifreie Lot fließt langsamer - erwarte 50-100% längere Lötzeit! Vermeide Ausübung von Druck beim Löten Druck zerstört die Kupfer- Anschlussflächen und führt zu Fleckenbildung = Measling Das bleifreie Lot ist aggressiver, d. h. erhöhter Spitzenverschleiß - Lötstationen abschalten, wenn nicht in Gebrauch! Schnell nachheizende Lötspitzen sind schnell wieder betriebsfähig! Werkzeuge für bleihaltig und bleifrei löten sauber getrennt halten!

Abwischen und Spülen einer Sn-Pb Pb- kontaminierten Lötspitze mit bleifreiem Lot Bleianteil mittels ICP-AES gemessen bleifreies Lot: 0,079% Pb Lot von der Spitze: 0,10% Pb nach dem 3. Spülvorgang Wipe = Abwischen der Lötspitze auf feuchtem Schwamm Rinse = Lötspitze mit Lot aufladen und dann abschütteln Quelle: SMT Magazine Ray Cirimele BEST Inc September 2005

Zusammenfassung: Bei Verwendung bleifreier Lote sind: die Lötzeiten länger die Ergebnisse ungleichmäßiger die Arbeitstemperaturen höher die Flussmittelrückstände & Lötspitzenkorrosion verstärkt. Deshalb: Schulungsaktivitäten mit Prozessfähigkeitsanalysen verbinden Oxidation mit Einsatz von Schutzgas reduzieren neue Werkzeuge evaluieren

Erläuterung der LöttechnologienL Themenschwerpunkte: Metallurgie der Lotwerkstoffe Metallurgie der Bauelementanschlüsse sse Oberflächen chen-metallurgie der Leiterplatte Bleifreies vs. bleihaltiges Handlöten Visuelle Bewertung von LötstellenL Risiken bei der Kombination verschiedener Lote Maschinelles bleifreies Wellenlöten SMD-Reflowl Reflowlöten bleifrei Einige essentielle Design-Hinweise und -Quellen

E-Baugruppe: Herstellungsqualität Inspektion, hier TOP-Seite = Primärseite rseite TOP: SMD-Reflowl Reflowlötung SMD-Steckverbinder Steckverbinder, SOD80 LED 3 mm THT-Stiftleiste 99h2-macro_001286 C0603 tn88_p1060283 Bleifreie Lötstellen L (SAC)

E-Baugruppe: Herstellungsqualität Inspektion, hier TOP-Seite = Primärseite rseite TOP: SMD-Reflowl Reflowlötung SMD-Steckverbinder Steckverbinder, SOD80 LED 3 mm THT-Stiftleiste 99h2-macro_001286 C0603 tn88_p1060283 Bleifreie Lötstellen L (SAC)

E-Baugruppe, Herstellungsqualität: t: Lötstellenform und LötstellengefL tstellengefüge SMD-Reflowl Reflowlötung: : Gute Benetzung Grenzschicht Lot/Anschlussbein 2004-macro_01116 1mm 2004-limi_02637 20µm 2004-limi_02638 Bleifreie Lötstellen; L SAC3807

Visuelle Inspektion im Vergleich bleihaltig (QFP( QFP-Bauelement) ) / bleifrei Θ optimale Höhe H minimale Hohe kein Meniscus verlangt

Inspektion/ Besonderheiten bei bleifreien Lötstellen: L matte Oberfläche wg. dendritischer Erstarrung der SAC-Lote Lichtmikroskopie vs. REM = Raster-Elektronenmikroskop

Kennzeichen einer guten Weichlötverbindung Flacher Kontaktwinkel gute Benetzung Glatte, möglichst m konkave Oberfläche (Glanz nicht erforderlich) Füllung des Lötspaltes L / ausgefüllte Hohlkehle Bedeckung der lötbaren l Oberfläche Kein Zurückziehen des Lotes von der benetzten Fläche (Entnetzung) Keine Brücken, keine Unterbrechungen Keine oder aber klare, nicht korrosive Flussmittelrückst ckstände Durchgängige Schicht intermetallischer Phasen in der Grenzfläche Lot/Grundmetall

IPC-A-610D 610D: : Abnahmekriterien für r elektronische Baugruppen Mehr als nur LötstellenL Fachbegriffe und Normen zur Baugruppenfertigung Handhabung elektronischer Baugruppen Montage- und Befestigungsteile Lötstellen Anschlüsse sse Durchsteckmontage-Technologie Oberflächenmontierte Baugruppen Bauteilbeschädigungen Leiterplatten Einzelverdrahtungen Hochspannung Vermittlung der Abnahmekriterien: IPC Application Specialist Training durch Certified IPC Trainer (CIT) Bleifreie Lötstelle

Normkriterien: Kontaktwinkel - unabhängig ngig von der Lotlegierung! Bild 5-35 Bild 5-1: 5 Anforderungen für f r alle Klassen gleich. Alle vier Zustände A-D A D sind zulässig. Unzulässig - Klasse 1,2,3 Quelle: IPC-A-610D Kapitel 5 Lötstellen

Unzulässig Klasse 2, 3, zulässig Klasse 1 Fehlende Benetzung am Anschluss Durchstieg < 75%

Unzulässig Klasse 1, 2, 3 offene Lötstellen Lotbrücke Bauteile verschoben

Wafer-Level Chip-Size Packaging Kundenspezifisches CSP mit aufgelöteten Lotkugeln und BCB-Waferpassivierung vor dem Trennschleifen Bestückungsfertiges CSP Querschliff durch eine Lotkugel auf einem CSP mit Umverdrahtung und BCB-Passivierung Quelle: Fraunhofer ISIT, Dr. W. Reinert CSP = Chip Size Package: Gehäuse = Chipfläche BCB = BenzuCycloButene (fotostrukturierbares Dielektrikum)

Aktuelle Bauformen: QFN = Quad Flat No Leads (Infineon) MLF = Micro Leadframe (Texas Instr.) LLP = Leadframe based Leadless Package (National Semiconductor) Für mittlere Anschlusszahlen: < 100 pins Leadframe-basiert: low cost Meist eine Reihe Anschlüsse umlaufend am Rand Anwendungen: Voll integrierte analoge Power Management Lösungen für mobile Geräte

MLF-Benetzung an der Stanzkante MLF = Micro Leadframe

Padgestaltung: : Bitte vereinheitlichen! NSMD-Pads SMD-Pad Beispiel: bleifreie Lötstellen, L Qualität t zulässig in allen drei Klassen NSMD = Non Solder Mask Defined Pad (d. h. Pad freigestellt) SMD = Solder Mask Defined Pad (Pad auf Kupferfläche durch Lötstoppmaske begrenzt) z. B. Maskenöffnung auf Padgröß öße verkleinern

Feldbeispiel: Fehler mittels AOI ausgesondert automatische Klassifizierung AOI-Bilder mit Prüffenster Seitenmeniskus Inspektionsmikroskop Gehäusekante, Pinaustritt Diffuslicht Padvorsprung Auflicht Pinende (Stanzkante)

Lötfehler nach Wellenlötung Kurzschluss durch Lotbrücke Nichtbenetzung

Die Brücke fällt f ins Auge! - und ist Bestandteil im Design Schlechte LösungL Gute LösungL

Anomalitäten ten Lötperlen seitlich am Bauelement (R0805) Zulässig Klasse 1,2,3: Lotkugeln sind eingebettet/ eingekapselt und verletzen nicht den minimalen elektrischen Abstand BL7-0201 0201-linkerKreis-4x billboarding :: Bauelement liegt auf der Seite (R0201) Zulässig Klasse 1,2,3, solange Bauteil 1206 und Breite 2x HöheH BL8-0805 0805-Design2-2x2x

Erläuterung der LöttechnologienL Themenschwerpunkte: Metallurgie der Lotwerkstoffe Metallurgie der Bauelementanschlüsse sse Oberflächen chen-metallurgie der Leiterplatte Bleifreies vs. bleihaltiges Handlöten Visuelle Bewertung von LötstellenL Risiken bei der Kombination verschiedener Lote Maschinelles bleifreies Wellenlöten SMD-Reflowl Reflowlöten bleifrei Einige essentielle Design-Hinweise und -Quellen

Richtwerte für f r Verunreinigungen im Lotbad Quelle: Stannol

Liste der verbotenen Stoffe / RoHS zulässige Grenzwerte 1) gemäß COUNCIL DECISION amending Directive 2002/95/EC,, Aug.05 Pb Hg Cd Blei 0,1% (mit Ausnahmen seit 25.10.05) Quecksilber 0,1% Cadmium 0,01% Cr +6 sechswertiges Chrom 0,1% PBB * PBDE * polybromierte Biphenyle 0,1% polybromierte Diphenylether 0,1% * flammhemmende Zusätze 1) Gewichtsprozente im homogenen Material

Was ist Homogenes Material? Eine einzelne Substanz wie ein Polymer, z. B. die PVC-Isolierung an isoliertem Kupferkabel. 1. Leadframe coating (Sn( Sn) 2. Silizium Chip 3. Bond- Draht (Au) 4. Leadframe (Cu) 5. Die Attach (Silber-Epoxy oder Blei-Basis Basis-Lot) 6. Plastik- Vergussmasse Bauelemente wie Kondensatoren, Transistoren und Halbleitergehäuse sind kein Material im Sinne von Werkstoff, sondern bestehen aus mehreren verschiedenen Substanzen (1-6 im Schemabild) http://uk.farnell.com/static/en/rohs/highlights/rohs-faq-page.htm Quelle: EC draft guidelines

Erläuterung der LöttechnologienL Themenschwerpunkte: Metallurgie der Lotwerkstoffe Metallurgie der Bauelementanschlüsse sse Oberflächen chen-metallurgie der Leiterplatte Bleifreies vs. bleihaltiges Handlöten Visuelle Bewertung von LötstellenL Risiken bei der Kombination verschiedener Lote Maschinelles bleifreies Wellenlöten SMD-Reflowl Reflowlöten bleifrei Einige essentielle Design-Hinweise und -Quellen

Einführung bleifreier (RoHS( RoHS-konformer) ) Produkte Überprüfung des Bauelemente-Artikelstamms 1. RoHS-Konformit Konformität 2. Prozesskompatibilität für Reflow J-STD-020D Welle JESD22a111 Handlöten siehe Reflow 3. Umsetzung RoHS-Konformit Konformität allein reicht nicht und was ist mit der Leiterplatte?

Lötbarkeit = Gesamteignung des Bauteils für f r das industrielle Löten L Die Benetzungsfähigkeit hängt von der Lötoberfläche, der Löttemperatur L und der Aktivität t des Flussmittels ab Der Lötwärmebedarf wächst mit der WärmekapazitW rmekapazität und der Masse der Fügeteile Die Lötwärmebeständigkeit der Materialien begrenzt das Lötprofil L in Dauer und HöheH Konstruktion und Lötverfahren L müssen m zusammenpassen!

Mischbestückung, ckung, nur Wellenlötung: einfache Durchsteck- und SMD-Montage Montage Primärseite rseite Sekundärseite = LötseiteL

Massenlötverfahren - Welle: Einfachwelle (nur THD), Doppelwelle (auch SMD) 2 x Kontakt mit der Lotschmelze: Schritte in der LötanlageL 1.. turbulente Chip -Welle (SMD) 2.. ruhige, laminare Formwelle (THD) Ladestation Abluft Abluft Entladestation Fluxer Vorheizung Lot-Tiegel 1 2 Zeichnungen nach R. J. Klein Wassink Weichlöten in der Elektronik (1992) Wellenlötprofil THD: Through Hole Device (bedrahtete Bauelemente) SMD: Surface Mounted Device (Bauelemente für Oberflächenmontage)

Massenlötverfahren - Welle: Einfachwelle (nur THD), Doppelwelle (auch SMD) 2 x Kontakt mit der Lotschmelze: Schritte in der LötanlageL 1.. turbulente Chip -Welle (SMD) 2.. ruhige, laminare Formwelle (THD) Ladestation Abluft Abluft Entladestation Fluxer Vorheizung Lot-Tiegel 1 2 Zeichnungen nach R. J. Klein Wassink Weichlöten in der Elektronik (1992) Wellenlötprofil THD: Through Hole Device (bedrahtete Bauelemente) SMD: Surface Mounted Device (Bauelemente für Oberflächenmontage)

Wellenlöten: Schaumfluxer, Schema

Wellenlöten: Schemadarstellung Sprühfluxer Sprühfluxer dosieren präziser als Schaumfluxer; ; der Vorratstank ist geschlossen, deshalb nimmt das Flussmittel kaum Feuchte aus der Luft auf der Prozess ist stabiler als mit Schaumfluxer Quelle: ERSA Löttechnik L GmbH

Sprühfluxer Sprühfluxer sprüht nur während einer Wegrichtung, damit der Fluxauftrag gleichmäß äßig wird.

Löten mit einer Doppelwelle: Beobachtung der Flussmittelaktivität t unter einer wärmebeständigen Glasplatte

bleifreie Wellenlötung R0605, Lotbad 265 C Luft: Brücken Schutzgas: gut Schutzgas: Stickstoff (N 2 )

Löten von IC-Bauelementen mit einer Doppelwelle: Wellenabriss beim Austauchen aus der Welle Quelle: ERSA Löttechnik L GmbH

Löten von IC-Bauelementen mit einer Doppelwelle: Flussmittelaktivität t in der Welle Quelle: ERSA Löttechnik L GmbH

Höhere Anforderung an die WärmebestW rmebeständigkeit aktiver Bauelemente fürf bleifreies Wellenlöten seit Mai 2004 teils bis 260 C C qualifiziert JESD22A111 Table 1 Wave solder Simulation Conditions Test Conditions Reflow Method Wave Solder Solder Dip Preheat Temperature 25 to 140 C 145 C Preheat Time 80 s. 15 s min. Solder Temperature 245 C Classification 245 C +5/-0 C 245 C +5/-0 C 260 C Classification 260 C +5/-0 C 260 C +5/-0 C Solder Immersion Single Wave Simulation 5 +/- 1 s 5 +/- 1 s Time Dual Wave First Wave: 5 +/- 1 s 10 +/- 1 s Simulation Second Wave: 10 +/- 1 s Quelle: JESD22A111: Mai 2004; Temperaturen am Bauelement gemessen

Ablegierung statisch von Cu - Draht T Kupferdraht Thermometer Lotbad Ablegierversuch an Drahtproben STANNOL GmbH Werner.kruppa@stannol.de Mai 2009 147

NEMI Wave board SnAgCu 1stpass wave followed by SnAgCu minipot rework on 60mil thick Cu THICKNESS AFTER 1STPASS WAVE Cu THICKNESS AFTER REMOVE +SITE DRESS PROCESS Cu THICKNESS AFTER 11sec REMOVE +REPLACE PROCESS (1 STEP) Cu THICKNESS AFTER REMOVE +SITE DRESS + REPLACE PROCESS (3 STEP) STANNOL GmbH Werner.kruppa@stannol.de Mai 2009 148

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

Lötprofile - Temperatur-Zeit Zeit-Diagramm Doppelwellenlöten Reflowlöten 300 Infrarot, Konvektion 180 C Vorheizung Temperatur [ C] 220 C 220 C 200 100 180 C Vorheizung 0 60 120 180 240 Zeit [s] 0 0 60 120 180 240 Zeit [s] Quelle: DIN EN 61760-1 Oberflächenmontagetechnik

Lötprofile - Temperatur-Zeit Zeit-Diagramm Doppelwellenlöten Reflowlöten 180 C Vorheizung SnPb-Lot 220 C Temperatur [ C] 300 200 100 0 Infrarot, Konvektion 180 C Vorheizung 220 C 0 60 120 180 240 Zeit [s] 0 60 120 180 240 Zeit [s] Quelle: DIN EN 61760-1 Oberflächenmontagetechnik

Lötprofile - Temperatur-Zeit Zeit-Diagramm Doppelwellenlöten Reflowlöten 300 Infrarot, Konvektion 180 C Vorheizung Temperatur [ C] 220 C 220 C 200 100 180 C Vorheizung 0 60 120 180 240 Zeit [s] 0 0 60 120 180 240 Zeit [s] Quelle: DIN EN 61760-1 Oberflächenmontagetechnik

Lötprofile - Temperatur-Zeit Zeit-Diagramm Doppelwellenlöten Reflowlöten 180 C Vorheizung SnPb-Lot 220 C Temperatur [ C] 300 200 100 0 220 C Infrarot, Konvektion 180 C Vorheizung 0 60 120 180 240 Zeit [s] 0 60 120 180 240 Zeit [s] Quelle: DIN EN 61760-1 Oberflächenmontagetechnik

Erläuterung der LöttechnologienL Themenschwerpunkte: Metallurgie der Lotwerkstoffe Metallurgie der Bauelementanschlüsse sse Oberflächen chen-metallurgie der Leiterplatte Bleifreies vs. bleihaltiges Handlöten Visuelle Bewertung von LötstellenL Risiken bei der Kombination verschiedener Lote Maschinelles bleifreies Wellenlöten SMD-Reflowl Reflowlöten bleifrei Einige essentielle Design-Hinweise und -Quellen

SMD auf Leiterplatte gelötet (Reflow( Reflow) SMT = Surface Mount Technology SMD = Surface Mount Device

SMD-Montage Montage mittels Welle bzw. Reflow Flussmittelauftrag, Vorwärmen rmen Welle = Lot + LötwL twärme Lotpaste = Lot + Flussmittel Lea, Colin: A Scientific Guide to Surface Mount Technology. Electrochemical Publications (1988).

Bestandteile eines Lötprofils = Temperatur-Zeit Zeit-Verlauf beim Ofenlöten Temperatur Aufheizen Durchwärmen Aufschmelzen, Benetzen Erstarren, Abkühlen Liquidus- Temperatur Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 4 Zeit Quelle: DIN 8505

Mechanismen des WärmetransportsW Konvektion Leitung Strahlung

Wärmeübergang durch Konvektion P P A T a = α Wärmestrom A T Fläche Temperatur Wärmeübergangszahl Typische Werte nach: M. Wutz, "Wärmeabfuhr in der Elektronik Wärmeübergangszahl α in W m -2 K -1 100 80 60 40 20 Windstärke in Beaufort.. 3..... 5...... 8... 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Strömungsgeschwindigkeit v der Luft in m/s Bei Zwangskonvektion ist die WärmeW rmeübergangszahl α abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Gases.

Reflow: : Dampfphasenlöten

Reflow: : Dampfphasenlöten

Dampfphasenlöten Dampfzone mit 200 C Siedende Flüssigkeit zur Erzeugung der Dampfdecke 1. Die Baugruppe befindet sich unmittelbar über der Dampfdecke. Sie ist z.b. in einer IR-Vorheizung vorgewärmt worden oder wird in der Dampfzone vorgewärmt. 2. Die Baugruppe fährt in die Dampfzone ein. Für bestimmte Anwendungen kann diese Einfahrt so gesteuert werden, dass ein sehr sanfter Temperaturanstieg realisiert wird. Quelle: IBL-Löttechnik GmbH /www.ibl-loettechnik.de/ 3. Der Dampf kondensiert auf dem Lötgut ab und überträgt seine Wärme. Da der Dampf chemisch inert ist und sich kein Sauerstoff in dieser Zone befindet, ist Oxidation des Lötguts ausgeschlossen.

Dampfphasenlöten 4. Das Lötgut erwärmt sich maximal auf die Temperatur der Dampfdecke. Auch bei einer längeren Verweilzeit kann diese Temperatur nicht überschritten werden. 5. Nach der Ausfahrt des Lötguts aus dem Dampf verdampft das noch auf dem Lötgut befindliche Kondensat rückstandsfrei durch die Eigenwärme des Lötguts. Die Baugruppe fährt trocken aus der Anlage aus. Quelle: IBL-Löttechnik GmbH /www.ibl-loettechnik.de/

Lötergebnis einwandfrei ist das Ziel Eine Messung mit Thermoelementen erfasst die Temperatur-Zeit Zeit-Kurve Einstellung des Prozessfensters zwischen Lötwärmebedarf und Lötwärmebeständigkeit Testboard, für r die Profil-Messung mit Thermoelementen verdrahtet Thermische Massen zur Simulation einer realen Beladung 164 Grüne Kurve: SO8 (kleines Bauteil) Rote Kurve: BGA (massereich)

Lötprofil Dampfphase 35% Leistung bis Dampfdecke über Baugruppe geschlossen Grüne Kurve: SO8 (kleines Bauteil) Rote Kurve: BGA (massereich) Vergleich Ein-Stufen Stufen-Profil Zwei-Stufen Stufen-Profil 80% Leistung 45s, 45s Haltezeit 30% Leistung bis Dampfdecke über Baugruppe geschlossen 165

Höhere Anforderung an die WärmebestW rmebeständigkeit: aktive Bauelemente # für bleifreies Reflowöten seit Juli 2004 (Rev. C) teils bis 260 C qualifiziert* J-STD-020D# bleihaltiger Prozess SnPb eutektisches Lot Tabelle 4-1 höchste Reflow-Temperatur am Gehäuse Gehäuse Volumen < 350 mm 3 >= 350 mm 3 Dicke klein groß < 2,5 mm dünn 235 C 220 C >= 2,5 mm dick 220 C 220 C J-STD-020D bleifrei-prozess Tabelle 4-2 Reflow-Temperatur zur Gehäuse-Klassifikation Gehäuse Volumen < 350 mm 3 350-2000 mm 3 > 2000 mm 3 Dicke klein groß < 1,6 mm dünn 260 C 260 C 260 C 1,6-2,5 mm 260 C 250 C 245 C > 2,5 mm dick 250 C 245 C 245 C * Für Nicht-IC-Elektronikbauelemente: ECA/IPC/JEDEC J-STD-075 PSL = Process Sensitivity Level #Quelle: JSTD-020D: Juni 2007; Temperaturen am Bauelement gemessen MSL = Moisture Sensitivity Level

Schema-Beispiel für Peak r Peak Reflow Temperaturen gemessen an verschiedenen Stellen an oder neben einem BGA-Bauteil Bauteil Quelle: IPC-7095B Design and Assembly Process Implementation for BGAs (March 2008) LF = Lead-Free mit Bezug auf JEDEC 020D

Spezifizierung Lot, Lotpaste, Flussmittel Typische Fertigungsabfolge einer Steckkarte Lötwerkstoffe Vorrat (Reflow) (Welle) Auftrag der Lotpaste Auftrag des SMD-Klebers Flussmittelauftrag Schaltplan Design der Leiterplatte Leiterplattenherstellung Vorrat Leiterplatte Bestückung Löten Spezifizierung Bauelemente Auslegung der Bauelemente Bauelement- Herstellung Vorrat Bauelemente Zeit, Temperatur, Atmosphäre Inspektion, Test, Nacharbeit, Endmontage Typische Abfolge der Fertigungsstufen einer Steckkarte (nach R. J. Klein Wassink) Auslieferung

Delaminationen in IC-Bauelementen nach Stresstest: Leadframe/Umhüllung Die Attach QFP = Quad Flat Pack

Delaminationen in IC-Bauelementen nach Stresstest: Leadframe/Umhüllung Die Attach QFP = Quad Flat Pack Ultraschall-Mikroskop-Aufnahmen zur Prüfung der Lötwärmebeständigkeit (Bilder: ZµP/TU Dresden) Referenz: J-STD-035 Acoustic Microscopy for Nonhermetic Encapsulated Electronic Components

Dampfdruck von Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur 70 Druck / bar 60 50 40 30 20 10 p[ bar] = 3,5 10 5 e 4756 T[ K ] 0 0 50 100 150 200 250 300 Temperatur / C

Feuchte-Empfindlichkeitsklasse MSL (Moisture Sensitivity Level) Klasse Offenzeit ohne Gefährdung Zeit Umgebung 1 unbegrenzt 30 C / 85% rf 2 1 Jahr 30 C / 60% rf 2a 4 Wochen - - 3 168 h - - 4 72 h - - 5 48 h - - 5a 24 h - - 6 Time on label - - Source: J-STD-020D: Juni 2007;

Methode: LÖTEN - wird anspruchsvoller Europa auf dem Wege zu umweltgerechter Elektronik: 2003: WEEE und RoHS (2005: EuP; ; 2007: REACH) Umsetzung in nationale Gesetzgebung 1. Waste Electrical and Electronic Equipment (WEEE( WEEE) (Richtlinie 2002/96/EG über Elektro- und Elektronik-Altger Altgeräte) te) 2. The Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment (RoHS( RoHS) (Richtlinie 2002/95/EG zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronik-Ger Geräten) von RoHS betroffene Stoffe: Blei*, Quecksilber, Cadmium, sechswertige Chromverbindungen*, polybromierte Biphenyle und Diphenylether* * (Flammhemmer) * betrifft insbesondere Lötstellen L und lötfl tfähige Endschichten von Bauteilen und Leiterplatten höhere here Löttemperatur L für f r SAC- Lote SAC = Zinn-Silber-Kupfer z. B. SnAg3,8Cu0,7 Schmelzbereich 217-220 C Grenzwerte 0,1 Gew.% im homogenen Material (Cd 0,01 Gew.%)

Schlechtes Multichip-Modul: Modul: Hier schmilzt die Halbleiterlötung tung mit auf!

Reflow 245 C Delamination im MCM Ultraschall-Rastermikroskopie SAM = Scanning Acoustic Microscopy Focus-Ebene 1 Focus-Ebene 2 Schliffbild Das Die-Attach Lot ist aufgeschmolzen, Delamination der Vergussmasse von der LP-Oberf Oberfäche (rot)

Schematischer Aufbau einer Konvektionszelle Gasumwälzung: 700 m3/h (100%) Mit dem gesamten Düsenquerschnitt: D Mittlere Gasgeschwindigkeit in der Düse: D 18 m/s Strahlaufweitung des turbulenten Gasstroms hinter der Düse D reduziert die Gasgeschwindigkeit, ca. 0.25... 0.5 x. Quelle: Vitronics Soltec BV