Pb-frei ante portas --- Kein Ende für konventionelles SnPb auf Leiterplatten

Pb-frei ante portas --- Kein Ende für konventionelles SnPb auf Leiterplatten Dr.Friedrich-Wilhelm Wulfert Freescale Halbleiter Deutschland GmbH EMEA Quality Technologies & Standards Schatzbogen 7, 81829 München friedrich.w.wulfert@freescale.com tel: *49-(0)89-92103-470, fax: *49-(0)89-92103-610 Einleitung Die Zeit bis zum 1. Juli 2006, dem seit Jahren bekannten Termin der RoHS (1-3), wird für Hersteller und Anwender immer kürzer, von wo an große Teile der Industrie auf die Verwendung der dreckigen 6, nämlich Pb, Hg, Cr-VI, Cd, PBB und PBDE in den hergestellten und in den Verkehr gebrachten Produkten weitgehend verzichten müssen. Neben vielfachen Diskussionen zu den bereits bestehenden und neu eingebrachten Ausnahmeregelungen, zu den Grenzwerten ansich und der Definition homogenes Material, sind es letztendlich auch noch formale Unzulänglichkeiten, die zu Verzögerungen in Brüssel beitrugen und damit nicht unbedingt zum wachsenden Verständnis, zur zielgerichteten Vorbereitung mit abschließender Umsetzung und Anwendung der erarbeiteten technischen Lösungen in einem bequemen Zeitfenster vor dem 1. Juli 2006 führen. Die weiterhin latent vorhandenen Unsicherheiten führten wohl auch dazu, dass neben den rein technologischen Herausforderungen von Pb-frei, denen man sich recht intensiv und erfolgreich, auch mit Fördermitteln gestützt, annahm, die logistischen Fragen des Übergangs auf Pb-frei und die Koexistenz konventioneller Leiterplattenfertigungen für die vom Blei Bann ausgenommenen Märkte dagegen recht unbeachtet blieben. Unzureichende Kommunikation um Pb-frei kann sich zu einem Dilemma entlang der gesamten Wertschöpfungskette entwickeln. Inzwischen befinden sich alle mit der RoHS konfrontierten Produzenten und Anwender im Kraftfeld von Technologie, Logistik, Angebot und Nachfrage. Pb-frei Komponenten nach Bedarf Hierbei ist deutlich zu vermerken, dass man den marktspezifischen Unterschieden als Hersteller von Halbleiter Komponenten voll ausgesetzt ist. Dementsprechend muss man Lösungen für die breite Produktpalette und Anwendungen in den Märkten bereithalten. Konsumer muss, Industrie kann und Automotive hat noch Zeit (-steht aber in den Startlöchern-), ist eine grobe Beschreibung der Pb-frei Situation und reflektiert auch das Ungleichgewicht zwischen dem einerseits kurzfristigen Verlangen nach Bauteilen für umgehende Fertigung schnelllebiger Produkte, dem Abwiegen und Suchen anwendbarer Ausnahmeregelungen pro SnPb Löten oder dem gegen Veränderungen grundsätzlich vorsichtig gegenüberstehenden Automobilbereich, wo man sich zeitig mit der ELV (4) gegen zu schnelle Einführung von Neuerungen in Sachen Pb-frei gewappnet hat...aber auch nichts (kein Geschäft!) verpassen will. Sobald jemand Pb-frei einsetzt, damit Markt gewinnt, der Verbraucher gar Pb-frei anerkennt und als Kaufentscheid nutzt, will jeder mindestens und sofort der Zweite sein. Schon am Anfang aller Überlegungen zur umweltgerechten Fertigung und Entsorgung von Elektroprodukten hatte man sich schnell auf das Blei im Lot konzentriert, das es wegen seines Giftpotentials in Wasser und Luft allgemein zu reduzieren gilt. Dem hat sich Freescale mit der Entwicklung und Einführung Pb-freier Belotungen der Bauteilanschlüsse gestellt und dabei auch die Verarbeitbarkeit neu entwickelter Bausteine bei den dann höheren Pb-frei n in den Platinenfertigungen (Tabelle 1) nicht außer Acht gelassen (5). Freescale Semiconductor GmbH, EMEA Quality 1 / 7 FWW, Mai 2005

Solder Paste Liquidus Large, thick Packages Small, thin Packages Sn/Pb 183 C- 210 C Maximum Package Peak 225 C 240 C Minimum Solder Joint 205-220 C 205-220 C Sn/Ag/Cu 221 C-227 C Maximum Package Peak 245 C 250-260 C Minimum Solder Joint 225-240 C 225-240 C Tabelle 1: Typische n bei SnPb bzw. SnAgCu Leiterplattenprozessen für gute Lötstellen und intakte Bauteilintegrität. Neue Standardprodukte werden gemäß RoHS eingeführt. Am Anfang aller Projekte ist dieses Thema insbesondere aber auch mit den Entwicklern kundenspezifischer Komponenten zu klären. Solche Environmentally Preferred Products (EPP, http://www.freescale.com/epp) bieten neben Pb-freien Anschlüssen natürlich per Design auch die notwendige Feuchteempfindlichkeit / Gehäusetemperatur (MSL/PPT, d.h. Moisture Sensitivity / Package Peak, J-STD-020C, http://jedec.org) Klassifizierung und damit die erforderliche Lötwärmebeständigkeit für die mögliche Verarbeitung unter Pb-frei Bedingungen. Robuste MSL/PPT ist nicht immer bei herkömmlichen ( legacy ) Bauteilen älterer Generationen gegeben. Darunter fallen auch die schon seit langem erhältlichen Komponenten deren Anschlüsse NiPd(Au) beschichtet sind und sehrwohl nun das Pb-frei und RoHS Zeichen bei Erfüllung der weiterhin dazu notwendigen Materialkriterien auch zuerkannt bekommen. Beim Löten jeglicher Produkte muss immer die MSL/PPT Klasse beachtet werden. Wenn solche legacy Bauteile gegebenenfalls in der Übergangsphase in Pb-frei Prozessen verwendet werden müssen, kann Trockenbacken vor dem Löten die Verarbeitbarkeit bei höheren n herstellen. Darüber gibt es aber keine allgemeingültigen Erfahrungen. Dies Vorgehen muss sorgfältig für die Applikation abgestimmt und in Vorversuchen seitens des Anwenders für seine Prozessführung evaluiert werden. Freescale appelliert daher an die Leiterplattenbestücker, die laufenden Fertigungsprozesse zu studieren und den Unterschied zwischen Lötstellen- und Gehäusetemperatur beim Leiterplattenlöten UND vielleicht notwendigen Reparaturarbeiten tunlichst zu beachten (Bild 1), um die Gehäuseintegrität der Komponenten thermisch-mechanisch nicht vorzuschädigen (5, 6). Package Peak (PPT) as measured at the top package surface PPT 1 PPT 2 SJT 1 Solder Joint (SJT) as measured in the solderjoint SJT 2 Bild 1: Beim Löten ist dafür zu sorgen, dass überall die minimal notwendige Lötstellentemperatur zur Ausbildung guter Lotverbindungen erreicht wird und man dabei gleichzeitig nirgends die maximal zulässige Gehäusetemperatur irgendeines Bauteils auf der Leiterplatte überschreitet. Freescale Semiconductor GmbH, EMEA Quality 2 / 7 FWW, Mai 2005

Gerade auch im Zusammenhang von Fehlerverifikation und analyse ist es ganz wichtig, fragliche Bauteile auf der Platine vor dem vorsichtigen Entlöten bezüglich eines vermuteten Ausfalls elektrisch einzukreisen und zu charakterisieren, es erst dann nach MSL Regeln, d.h. nach vorigem Trocknen zu entlöten, um nicht zusätzliche Defekte inform von Schädigungen der Gehäuseintegrität und interner elektrischer Verbindungen zu verursachen, die weitere Untersuchungen unmöglich machen oder gar fehlleiten und falsche Befunde dann unzutreffende korrigierende Massnahmen beim Hersteller oder Kunden veranlassen. Die Notwendigkeit und Forderung liegt auf der Hand, dass entlötete Bauteile auf identisches (Fehl)Verhalten wie vordem auf der Leiterplatte zu betätigen sind, bevor weiterer Aufwand kostenintensiver Analysen angestoßen wird! Produktionsübergang zu Pb-frei und Kompatibilitätsbetrachtungen Freescale http://www.freescale.com wird die Fertigung von existierenden, konventionellen Standard Bauteilen in 2005 noch nicht automatisch auf Pb-frei umstellen. Die Reihenfolge und Palette von Pb-frei Komponenten richtet sich nach dem Bedarf der Kunden. Der hat sich von ca. 20% vom Januar 2005 auf etwa 38% im April 2005 gemausert, weiterer Forecast lässt die Nachfrage bis Mitte 2006 noch unter 50% rangieren. Hierbei schlagen die marktspezifischen Anforderungen und auch die weiterhin bestehenden Ausnahmeregeln voll zu. Wir haben jedoch vor, zum Ende des Jahres 2005 alle Produkte Pb-frei und in RoHS entsprechenden Gehäusen auch als EPP, also auch mit notwendiger MSL/PPT Robustheit verfügbar zu machen, damit sich die Anwender für seine RoHS Fertigung vorbereiten und nach Absprache bevorraten kann (Tabelle 2). Package Description SOIC CSP / MAP BGA Thin & Standard PBGA TSSOP SSOP PLCC TBGA (for Non-Low-K dielectric chip) TBGA (for Low-K dielectric chip) QFP (PQFP, TQFP, MQFP, LQFP) QFP-MCR Power QFN QFN Dedicated Automotive Qualifications RoHS Compliant Q4 04 TBD** Q3 05 Q4 05 Q4 05 Tabelle 2: Bedarfsgesteuerte Fertigungsbereitschaft Pb-freier Produkte, passende Gehäuse gibt es für die meisten bis Ende 2005. Freescale Semiconductor GmbH, EMEA Quality 3 / 7 FWW, Mai 2005

Hierbei wird insbesondere auf die volle Kompatibilität (Bild 2) der mit Matt Sn beloteten, bedrahteten EPP Bauelelemente gebaut, die sich sowohl für die konventionelle SnPb als auch heißen Pb-freien Leiterplatten Lötprozesse anbieten. Matt Sn Lotoberflächen bilden ausgezeichnete Lötstellen mit Pb-haltigen und Pb-freien Lote, die als Paste bzw. Welle das Lotsystem beherrschen (6, 7). SnPb Terminal Component Conventional SnPb Solder Board Attach Process OK, must set up profile to be >225 C for array package solderjoint temperature OK, components require robustness for higher package temperature compliance (MSL/PPT) Pb-free Terminal Component Pb-free SnAgCu Pb-free Solder Board Attach Process Inhibit Bi and Pb contamination in High applications! Bild 2: Bedingte Vor- und Rückwärtskompatibilität beim Löten von Komponenten durch eventuelle Einschränkungen aufgrund von MSL/PPT herkömmlicher SnPb Bauteile für Pb-frei n am Gehäuse bzw. wegen unzureichenden Aufschmelzens von SnAgCu Kugeln bei laufenden SnPb Leiterplattenprozessen. Bei Ball Grid Array (BGA) EPP Bauteilen ist die volle Rückwärtskompatibilität nicht gegeben, da man bei der Lötprozessführung darauf achten muss, dass die Pb-freien SnAgCu Lotkugeln erst bei höheren n als SnPbAg schmelzen, der SnPb Leiterplattenprozess dann aber in Sachen Temperatur am oberen Ende (>225 C in den kältesten Lötstellen der Kugeln) gefahren werden müsste, damit SnAgCu Kugeln voll aufschmelzen. Dabei können aber andere konventionelle Bauteile älterer Fertigungstechnologien -insbesondere solche mit kleiner Wärmekapazität- auf der SnPb Platine in Sachen MSL/PPT überfordert sein, da sie ja den vollen Temperaturhub mitbekommen und somit gegebenenfalls überhitzt werden. Dieser Situation wird dadurch Rechnung getragen, dass die ansich PPT robusten Freescale BGA Produkte neuerer Fertigung -nach Absprache- weiterhin auch mit konventionellen SnPbAg Kugeln und somit für die laufenden SnPb Leiterplattenprozesse verfügbar sind. Die Kunden sind aufgefordert, uns ihre Pb-frei Roadmaps mitzuteilen, so dass beidseitige Planungssicherheit erlangt wird, womit auch Restbestände an Bauteilen in den Lagern optimale Verwertung finden werden. Ebenso wie der Bedarf an Pb-frei Komponenten von großem Interesse ist, so möchten wir auch zukünftig benötigte Mengen an Produkte mit konventioneller SnPb Belotung bzw. die Ball Grid Arrays mit SnPbAg Kugeln baldmöglichst genannt bekommen, um unsere Fertigungskapazitäten dem abzusehenden Mix anpassen zu können. Freescale Semiconductor GmbH, EMEA Quality 4 / 7 FWW, Mai 2005

EPP Bauteilstatus Pb-freie Anschlüsse bei Bauelementen, d.h. <0,1Gew% Blei auf den Beinchen oder den Pads oder in den Lotkugeln genügen nicht allein der RoHS. Die Bauteile erfüllen erst RoHS, wenn zudem die anderen dreckigen 5 nicht vorhanden oder unterhalb der Grenzwerte sind oder aber Ausnahmeregelungen ziehen. Damit kann es zu der befremdenden Situation kommen, dass neue, auf Pb-freie Anschlüsse umgestellte Produkte mehr Blei in sich tragen als zuvor die ansonsten identischen konventionellen Bauteile voriger Bauart. Der Grund hierfür liegt in der Notwendigkeit, dass man bauteilinterne Lote durch hoch-pb-haltige Lote ersetzen muss, die einen höheren Schmelzpunkt haben, um nicht beim externen Pb-frei Löten weich zu werden und sich in verminderter Zuverlässigkeit des Systems auswirken können. Freescale wird daher das Pb-frei Emblem nur für Bauteile vergeben, die in allen homogenen Materialien <0,1Gew% Blei enthalten. Pb-frei und RoHS Kennzeichnung können auch bei älteren Produkten Anwendung finden, die nicht die Lötwärmebeständigkeit für Pb-freie Leiterplattenprozesse haben. Freescale Environmentally Preferred Products (EPP) erfüllen die umweltrelevanten Materialeinschränkungen der RoHS Direktive und die MSL/PPT Anforderungen für fertigungstechnische Verarbeitbarkeit. Die Freescale Webseite http://www.freescale.com verfügt über ein Portal zur Abfrage von Standard Produkt Informationen, das nunmehr auch den Bauteilstatus im Rahmen des Environmentally Preferred Product (EPP) Programms allen zugänglich darlegt. Wenn man die Bauteilbezeichnung oder Teile davon oben rechts auf dieser Seite bei Part Number einträgt, erhält man im nächsten Schritt eine Übersicht der verfügbaren Standardbauelemente. Die hinterlegten Produktdaten lassen neben Details zum Gehäuse auch Pb-free und RoHS Zugehörigkeit erkennen. Mit Aufruf weiterer Informationen über more gibt es noch Auskunft zur Verarbeitbarkeit der Komponenten in der Leiterplattenfertigung. Dieser wichtige Hinweis ist durch die Feuchteempfindlichkeit bei maximaler Gehäusetemperatur nach J-STD-20C (8) mit Moisture Sensitivity Level (MSL) und Package Peak (PPT) gegeben. Zusätzlich hilft noch die Angabe der Belotung mit e1... e7 nach JESD097 (9), damit man in den Fertigungen weiß, was bzw. was nicht mit dem Bauteil gemacht werden darf und mit welchen Materialien man es beim Löten zu tun hat und die Leiterplatten dementsprechend durch die Öfen zu fahren sind. Wenn das gewünschte Bauteil über http://www.freescale.com nicht gefunden wird, insbesondere wird das der Fall sein, wenn es sich um kundenspezifische Bauteile handelt, so sind die gewünschten Informationen über die Verkaufskontakte einzuholen. Hier ist man auch daran interessiert, grundsätzlich frühest möglich den eventuellen Bedarf an Pb-frei Produkten zu erfahren, die bisher konventionell bezogen wurden, womit man beiderseits die Pb-frei Roadmaps abstimmen kann und Unstimmigkeiten sowie Unterbrechungen entlang der Lieferkette vermeiden hilft. In diesem Zusammenhang ist noch auf unsere Konformitätserklärungen zu RoHS bzw. ELV (10, 11) und die verfügbaren Listen der Inhaltsstoffe von Freescale Bauteilen hinzuweisen, die als Material Content Data Sheets (MCDS) für die einzelnen Produkte als Gehäusedaten zusammengestellt sind und als EXCEL Dateien für Standard Gehäuse geliefert können. Über das oben genannte Web Portal gibt es für die Bauteile den jeweiligen Product Content Report inform der Material Composition Declaration als.pdf auch zum Download. Freescale Semiconductor GmbH, EMEA Quality 5 / 7 FWW, Mai 2005

Zusammenfassung Bis Ende 2005 wird Freescale für sein Gesamtprogram Gehäuse zur Herstellung von RoHS Produkten anbieten. Bereits jetzt sind solche Komponenten verfügbar und werden auch ausgeliefert, was Kunden in die Lage versetzt, sich auf RoHS zum Juli 2006 jetzt schon einzurichten. Bauteile, für die Abkündigungen anstehen, werden wohl nicht auf RoHS und EPP Status gebracht. Freescale wird zeitweise sowohl die bislang konventionellen als auch die neuen Pb-freien Bauteile bei entsprechender Nachfrage anbieten. Der Übergang auf EPP (RoHS und Pb-frei verarbeitbar) Fertigung soll zusammen mit den Kunden gestaltet werden, wozu wir den zukünftigen Bedarf an bisherigen Bauteilen mit Pb-haltigen Anschlüssen bzw. Pb-frei und/oder RoHS Komponenten für die jeweiligen Applikationen und Fertigungslinien wissen müssen. Nur so werden beidseitig Lager- und Kostenrisiken gemeistert. Freescale EPP Bauteile unterscheiden sich von bisherigen Bauteilen durch eigene Markierungen. Die Verarbeitbarkeit der Produkte wird durch MSL/PPT Aufdrucke auf den Barcodes der Verpackungseinheiten nach J-STD-020C deutlich gemacht. Das Material der Anschlüsse wird dort auch nach JESD97 aufgezeigt wie auch die Erfüllung von RoHS und/oder totale Bleifreiheit durch entsprechende Symbole. Bauteile mit Matt Sn Belotung samt dem einstündigen Anlassen bei 150 C stellen hochwertige Qualität dar, womit der Whisker Bildung Einhalt geboten ist. Wir betonen die volle Einsetzbarkeit dieser Matt Sn Standard Produkte in Leiterplattenfertigung mit herkömmlichen SnPb Prozessen. Bei BGAs werden SnAgCu Kugeln die vorigen aus SnPbAg ersetzen. Diese Umstellung ist noch stärker bedarfsgesteuert und erfordert damit intensiven Austausch zwischen uns und unseren Kunden. Alle EPP Bauteile werden neben RoHS Erfüllung auch die notwendige Beständigkeit gegen Lötwärme für Pb-frei Prozesse haben; bei der Feuchteempfindlichkeit wird MSL3 oder besser nach J-STD-020C angestrebt. Alle Änderungen auf Pb-freie Anschlüsse bzw. Materialanpassungen zur RoHS Erfüllung oder eventuelle Abkündigungen alter Produkte unterliegen den üblichen PCN (Product Change Notification) bzw. PTN (Product Termination Notification) oder EOL (End-of-Life) Prozeduren. Freescale Semiconductor GmbH, EMEA Quality 6 / 7 FWW, Mai 2005

Literaturverzeichnis 1) Directive 2002/95/EC of the European Parliament and of the Council of 27 January 2003 on the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment (RoHS) 2) Directive 2002/96/EC of the European Parliament and of the Council of 27 January 2003 on waste electrical and electronic equipment (WEEE) 3) Electrical and Electronic Equipment Act (ElektroG), Bundesgesetzblatt Jahrgang 2005, Teil I Nr.17 vom 23.03.2005 4) Commission Decision of 27 June 2002 amending Annex II of Directive 2000/53/EC of the European Parliament and of the Council on end-of-life vehicles (ELV) 5) Wulfert, F.W. (2003): Umweltfreundliche ICs, Elektronik 22, Oktober 2003 6) http://www.freescale.com/files/product/doc/env_pbfreeov2.pdf 7) Dittes, M. et al (2004): A Two Step Approach for the Release of Lead Free Component Finishes with Respect to Whisker Risk, IPC and JEDEC 7 th International Conference on Lead Free Electronic Components and Assemblies, Frankfurt, Germany, Oct.21-22, 2004 8) J-STD-020C: Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Nonhermetic Solid State Surface Mount Devices, Oktober 2004 9) JESD97: Marking, Symbols, and Labels for Identification of Lead (Pb) Free Assemblies, Components, and Devices, May 2004 10) http://www.freescale.com/files/product/doc/env_rohs_std_rsp.pdf 11) http://www.freescale.com/files/product/doc/env_elv_std_rsp.pdf tel: *49-(0)89-92103-470 fax: *49-(0)89-92103-610 e-mail: friedrich.w.wulfert@freescale.com Dr. Friedrich-Wilhelm Wulfert studierte Physik an der Tu Clausthal. Nach seinem Abschluss (1976) promovierte er 1982 an der Universität Hannover, wozu er sich weiter mit atomaren Defekten und deren Nachweis an der Si-SiO2 Grenzfläche beschäftigte. Anschließend war er bei National Semiconductor mit Schwerpunkt auf Technologie, Qualität, Zuverlässigkeit, Fertigung, Yieldanalyse in Wafer Fab, Assembly, auch in Zusammenarbeit mit Kunden bei der Fehleranalyse an fertigen Produkten tätig. 1995 wechselte er zu Motorola SPS -ab April 2004 nunmehr Freescale Semiconductor- in München und unterstützt dort als EMEA Quality Manager interne und externe Entwicklungsteams mit Rat und Tat, dem Bestreben folgend, Anforderungen gemeinsam und entlang der gesamten Wertschöpfungskette realisierbar in Einklang zu bringen und umzusetzen. Zudem arbeitet er aktiv in nationalen und internationalen Standardisierungs Gremien technologieorientiert mit. Freescale Semiconductor GmbH, EMEA Quality 7 / 7 FWW, Mai 2005