„Bleifrei-Knackpunkte“- Erläuterung der...

Trainalytics GmbH, Erwitter Str. 105, 59557 Lippstadt, Tel. 02941 270 161, Fax 02941 270 179, [email protected], www.trainalytics.de

„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

[email protected]. Thomas Ahrens

FED-Mastertrainer für IPC-A-610

Unternehmen

Training Analytik

Aufbau- und Verbindungstechnik

01.01.2009 Aufnahme GeschäftsbetriebFirmensitz: LippstadtBeschäftigte: 10 Mitarbeiter/innenMission: Dienstleistung für ElektronikproduzentenVision: Labor zur Zertifizierung von

Fachkräften und Baugruppen

Analytik & UmweltprAnalytik & Umweltprüüfungfung

�� Inspektion, Querschliffe Inspektion, Querschliffe

�� Mechanische & elektrische PrMechanische & elektrische Prüüfungfung

�� TemperaturTemperatur-- und Klimaprund Klimaprüüfung,fung,SIRSIR--TestTest, Temperaturschock, Temperaturschock

Dienstleistungsangebot AnalytikDienstleistungsangebot Analytik

�� SchadensanalysenSchadensanalysen

�� Qualifizierung von Materialien Qualifizierung von Materialien und Baugruppenund Baugruppen−− Visuelle PrVisuelle Prüüfungfung

−− QuerschliffeQuerschliffe

−− Mechanische PrMechanische Prüüfungfung

−− Elektrische PrElektrische Prüüfung fung

−− Umwelteinfluss / KlimabeanspruchungUmwelteinfluss / Klimabeanspruchung

�� Fertigungsmuster und Fertigungsmuster und ReworkRework--ArbeitenArbeiten�� ProzessoptimierungProzessoptimierung

�� Bewertung von Konstruktionen Bewertung von Konstruktionen �� ZuverlZuverläässigkeitssigkeit

LIFE05LIFE05 ENV/D/000197ENV/D/000197Project LEADFREEProject LEADFREE

www.lifewww.life--leadfree.deleadfree.de

�� Demonstration and Demonstration and Training LeadTraining Lead--Free Free

Soldering for European Soldering for European Industry in Order to Industry in Order to

Promote Environmental Promote Environmental Friendly Electronic Friendly Electronic

ProductionProduction

EUREKA LEADFREE &EUREKA LEADFREE &DVS Gemeinschaftsforschung DVS Gemeinschaftsforschung zur Prozesstechnik und zur Prozesstechnik und ZuverlZuverl äässigkeit bleifrei ssigkeit bleifrei gelgel ööteter Baugruppenteter Baugruppen

Fraunhofer InstitutSiliziumtechnologie

Dienstleistungsangebot Dienstleistungsangebot SchulungSchulung

LLöötfachausbildung:tfachausbildung:Professionelle WeiterbildungProfessionelle Weiterbildung

DVS = Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V., Düsseldorf

AufbaustufenAufbaustufen ZertifizierungZertifizierung

RichtlinieRichtlinie StartStart StufeStufe ErgebnisErgebnis

DVS 2620: Anlernkraft DVS 2620: Anlernkraft „„HandlHandlöött-- �� Facharbeiter/inFacharbeiter/in1 Woche1 Woche ArbeitskraftArbeitskraft““

DVS 2621: Fachpersonal DVS 2621: Fachpersonal „„LLöött--FachkraftFachkraft““ �� LinienfLinienfüührer/in, hrer/in, 3 Wochen 3 Wochen

DVS 2622: Ingenieur/in DVS 2622: Ingenieur/in „„LLöött--FachingFaching..““ �� TechnologieTechnologieca. 2 Monateca. 2 Monate

T1

Folie 6

T1 KommentarTA; 19.10.2009

Training in Theorie & PraxisTraining in Theorie & Praxis

�� Prozesse / Baugruppenfertigung Prozesse / Baugruppenfertigung

�� QualitQualitäätsbewertung / IPCtsbewertung / IPC

�� HandlHandlööten zentral & ten zentral & inin--househouse

�� Manufaktur / MaterialverhaltenManufaktur / Materialverhalten

�� Automatische FertigungsschritteAutomatische Fertigungsschritte

DurchfDurchfüührung vor Ort & in Lippstadthrung vor Ort & in Lippstadt

�� 2009: 10 Perform2009: 10 Perform--Kurse mit 119 TeilnehmernKurse mit 119 Teilnehmern

�� PrPrüüfung in Theorie und Praxis: alle bestandenfung in Theorie und Praxis: alle bestanden

�� Vor Ort:Vor Ort: 2x Hamm, 2x Laichingen, 1x Laupheim, 2x Hamm, 2x Laichingen, 1x Laupheim, 2x L2x Lüüneburg, 1x Dietzenbachneburg, 1x Dietzenbach

�� Trainalytics: Trainalytics: 2x Lippstadt2x Lippstadt

�� Andere Seminare: 43 Teilnehmer (Stand 10. Nov. 09)Andere Seminare: 43 Teilnehmer (Stand 10. Nov. 09)

ErlErlääuterung der Luterung der Lööttechnologienttechnologien

Themenschwerpunkte:Themenschwerpunkte:

�� Metallurgie der LotwerkstoffeMetallurgie der Lotwerkstoffe

�� Metallurgie der BauelementanschlMetallurgie der Bauelementanschlüüssesse

�� OberflOberfläächenchen--Metallurgie der LeiterplatteMetallurgie der Leiterplatte

�� Bleifreies vs. bleihaltiges HandlBleifreies vs. bleihaltiges Handlöötenten

�� Visuelle Bewertung von LVisuelle Bewertung von Löötstellentstellen

�� Risiken bei der Kombination verschiedener LoteRisiken bei der Kombination verschiedener Lote

�� Maschinelles bleifreies WellenlMaschinelles bleifreies Wellenlöötenten

�� SMDSMD--ReflowlReflowlööten bleifreiten bleifrei

�� Einige essentielle DesignEinige essentielle Design--Hinweise und Hinweise und --QuellenQuellen

„„LEADLESSLEADLESS““ (ohne Beinchen)(ohne Beinchen) BGA (Ball Grid Array)BGA (Ball Grid Array)�� MLCC, C1206MLCC, C1206 �� BGA256BGA256

SMDSMD--GrundbauformenGrundbauformen

JJ--LEADS (JLEADS (J--AnschlAnschlüüsse)sse) GullGull WingWing ((GullGull WingWing))�� SOJ, PLCC68SOJ, PLCC68 �� SO28, TQFP44SO28, TQFP44

Quelle: M. Krause;Quelle: M. Krause;TrainalyticsTrainalytics 20092009

Was ist WeichlWas ist Weichlöötenten

�� WeichlWeichlööten ist eine ten ist eine

Methode zur Herstellung einer stoffschlMethode zur Herstellung einer stoffschlüüssigen Bindungssigen Bindung

�� Definition nach Norm (DIN 8505): Definition nach Norm (DIN 8505):

Die Die LiquidusLiquidus--TemperaturTemperatur von Weichloten liegt unter 450von Weichloten liegt unter 450°°CC

�� Ablauf: LAblauf: Löötgut positionieren, Lot schmelzen, tgut positionieren, Lot schmelzen, LLöötoberfltoberfläächen benetzen und Lchen benetzen und Löötspalt ftspalt füüllen, abkllen, abküühlen hlen und Lot erstarren lassenund Lot erstarren lassen

�� ÜÜberwiegend werden zinnhaltige bzw. Zinnberwiegend werden zinnhaltige bzw. Zinn--Basislote Basislote verwendetverwendet

WeichlWeichlöötverbindungen sind mechanisch nicht belastbar!tverbindungen sind mechanisch nicht belastbar!

Vom Kupfer, und dessen Vom Kupfer, und dessen LotheLothe

§§. 95. 2. Das . 95. 2. Das LothLoth, womit die Kupferschmiede , womit die Kupferschmiede

die kupferne Sachen die kupferne Sachen llööthenthen ist ist zweyerleizweyerlei: :

Das eine heiDas eine heißßt bei ihnen t bei ihnen HartlothHartloth oder oder

SchlaglothSchlagloth und das andere wird und das andere wird WeichlothWeichloth

genennetgenennet und dieses haben sie mit den und dieses haben sie mit den

Klempnern, Klempnern, FlFlääschnernschnern etc. gemein.etc. gemein.

Quelle: AusfQuelle: Ausfüührliche Beschreibung der hrliche Beschreibung der MetalllotheMetalllothe und und LLööthungenthungen, , von Johann Georg Friedrich Klein. Berlin, 1760von Johann Georg Friedrich Klein. Berlin, 1760

Nachdruck fNachdruck füür INERTEC Lr INERTEC Lööttechnik, Kreuzwertheim, 1998ttechnik, Kreuzwertheim, 1998

Reine Durchsteckmontagetechnik, Reine Durchsteckmontagetechnik, einseitige Leiterplatteeinseitige Leiterplatte

THT = THT = ThroughThrough Hole TechnologyHole Technology

FormfFormfüüllungsvermllungsvermöögen: Lotspaltbreite gen: Lotspaltbreite beim Weichlbeim Weichlööten in der Elektronikten 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 FlammlLotspaltbreite beim Flammlööten (ten (HartlHartlööten)ten)�� äähnlichehnliche Werte beim WeichlWerte beim Weichlööten in der Elektronikten in der Elektronik

http://www.ikz.de/ikzhttp://www.ikz.de/ikz--praxis/p0004/000404.phppraxis/p0004/000404.php

Vom Kupfer, und dessen Vom Kupfer, und dessen LotheLothe

§§. . 99.99. BB.. Das Das Weicheloth derWeicheloth der Kupferschmiede Kupferschmiede welche sie mit welche sie mit

den Klempnern und Flden Klempnern und Flääschnern etc. gemein haben, womit schnern etc. gemein haben, womit

sie die Dsie die Düüllen in die Theekessel und dergleichen einllen in die Theekessel und dergleichen ein-- und und

kleine Lkleine Lööcher in verzinnter alter Kupfercher in verzinnter alter Kupfer-- und Meund Meßßingarbeit ingarbeit

zu lzu lööthen, wird also gemacht: Man nimmt etwa 2 Theile then, wird also gemacht: Man nimmt etwa 2 Theile

Zinn und einen Theil Bley, schmelzet solches in einer Zinn und einen Theil Bley, schmelzet solches in einer

GieGießßkelle oder eisernen Schaale oder Pfanne zusammen kelle oder eisernen Schaale oder Pfanne zusammen

und gieund gießßt es zu einer Stange, so ist es zu Gebrauch fertig.t es zu einer Stange, so ist es zu Gebrauch fertig.

Quelle: AusfQuelle: Ausfüührliche Beschreibung der hrliche Beschreibung der MetalllotheMetalllothe und und LLööthungenthungen, , von Johann Georg Friedrich Klein. Berlin, 1760von Johann Georg Friedrich Klein. Berlin, 1760

Nachdruck fNachdruck füür INERTEC Lr INERTEC Lööttechnik, Kreuzwertheim, 1998ttechnik, Kreuzwertheim, 1998

Metallurgie (1): Wann schmilzt das Lot? Metallurgie (1): Wann schmilzt das Lot? Das Das eutektischeeutektische Zweistoffsystem ZinnZweistoffsystem Zinn--BleiBlei

Die Die eutektischeeutektische Legierung hat Legierung hat

den niedrigsten Schmelzpunkt den niedrigsten Schmelzpunkt

(183(183°°C), d. h. auch die niedrigste C), d. h. auch die niedrigste

Verarbeitungstemperatur und das Verarbeitungstemperatur und das

beste Formfbeste Formfüüllungsvermllungsvermöögen im gen im

SystemSystem

P: PrimP: Primäärdendrit (bleireich) im rdendrit (bleireich) im eutektischeutektisch

erstarrten Geferstarrten Gefüüge (Legierung Sn60 Pb)ge (Legierung Sn60 Pb)

PP

Metallurgie (2):Metallurgie (2):Die Grenzschichtreaktion KupferDie Grenzschichtreaktion Kupfer--ZinnZinn

Bei der Benetzung lBei der Benetzung lööst sich st sich

Kupfer im flKupfer im flüüssigen Zinn. ssigen Zinn.

Bei LBei Lööttemperatur ttemperatur

entstehen an der entstehen an der

GrenzflGrenzflääche stabile Keime che stabile Keime

der intermetallischen der intermetallischen

Phasen Phasen εε (Cu(Cu33Sn) und Sn) und

ηη (Cu(Cu66SnSn55). Blei nimmt an ). Blei nimmt an

der Reaktion nicht teil.der Reaktion nicht teil.

ε

η

Lot

Cu

ηη

εε

415°C

676°C

LotgefLotgefüügegeη

ε

CuCu

2020µµmm

Benetzung erkennbar Benetzung erkennbar am flachen Winkel am flachen Winkel ΘΘ

ΘΘΘΘΘΘΘΘ

GefGefüüge einer bleihaltigen SMDge einer bleihaltigen SMD--LLöötverbindung:tverbindung:SnSn--PbPb--Ag, Ag, PeaktemperaturPeaktemperatur 210210°°CC

AA eutektischeseutektisches SnSn--PbPb--GefGefüügege

BB intermetallische Phasenintermetallische Phasen--Grenzschicht Grenzschicht (Legierungsschicht)(Legierungsschicht)

CC Grundmetall Grundmetall (Leiterplattenkupfer, (Leiterplattenkupfer, angeangeäätzt)tzt)

CC

BBAA

IP-Reflow_HAL.jpg 20 20 µµmm

Fehler: Schlechte stoffschlFehler: Schlechte stoffschlüüssige Bindungssige Bindungeutektischeseutektisches SnSn--PbPb--LotgefLotgefüüge:ge:

AA PbPb--reichereiche Phase (hell)Phase (hell)

BB SnSn--reichereiche Phase (dunkel)Phase (dunkel)

CC Spalt = unvollstSpalt = unvollstäändige Bindungndige Bindung

CuCu--Oxidschicht wurde vor der Oxidschicht wurde vor der

galvanischen Sngalvanischen Sn--Plattierung Plattierung

nicht ordentlich entferntnicht ordentlich entfernt

DD einzelne intermetallische einzelne intermetallische PhasenteilchenPhasenteilchen

EE Grundmetall Grundmetall (Leiterplattenkupfer)(Leiterplattenkupfer)

BB

DDCC

AA

DD

EE

Europa auf dem Wege zu umweltgerechter ElektronikEuropa auf dem Wege zu umweltgerechter Elektronik

WEEEWEEE und und RoHSRoHSEUEU--Richtlinien seit 13. Februar 2003 in Kraft,Richtlinien seit 13. Februar 2003 in Kraft,

Deutschland: nationale Gesetzgebung Deutschland: nationale Gesetzgebung ElektroGElektroG umfasst beide, umfasst beide, RoHSRoHS & & WEEEWEEE

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 Electricaland Electronic Equipment (RoHS)(Richtlinie 2002/95/EG zur Beschränkung der Verwendungbestimmter 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

Grenzwerte 0,1 Gew.% im homogenen Material

(Cd 0,01 Gew.%)

ElektroG = Elektro-Altgeräte-Gesetz (in Kraft seit 13. August 2005)

Woher kommt das Blei in der LWoher kommt das Blei in der Löötstelle?tstelle?Volumen der Volumen der VerzinnungVerzinnung = Anschlussoberfl= Anschlussoberflääche x Schichtdickeche x Schichtdicke

Beispielrechnung:Schichtdicke der Verzinnung(Plating Sn/Pb 80/20) ca. 8 µm*

Anschlusslänge L = 2 mmBreite B = 0,4 mmDicke T = 0,15 mm Bleianteil/Package = 0,3%Bleianteil/Anschluss = 3%Bleianteil/Lötstelle = 5%

T = T =

MaMaßße in mme in mm

* F* Fäällt bei Prllt bei Prüüfung mit RFA auf!fung mit RFA auf!(RFA = R(RFA = Rööntgenfluoreszenzanalyse)ntgenfluoreszenzanalyse)

Metallurgie (3): Wann schmilzt das Lot? Metallurgie (3): Wann schmilzt das Lot? Das Das eutektischeeutektische Zweistoffsystem ZinnZweistoffsystem Zinn--SilberSilber

Die Die eutektischeeutektische Legierung Legierung

schmilzt bei 221schmilzt bei 221°°C; unter C; unter

Zugabe von 0,5Zugabe von 0,5--0,7% Kupfer 0,7% Kupfer

sinkt die Schmelztemperatur sinkt die Schmelztemperatur

auf 217auf 217°°CC

SnAg

„„BleifreiBleifrei““ meist Zinnmeist Zinn--SilberSilber--Kupfer (SAC)Kupfer (SAC)�� Schmelzpunkt ca. 40Schmelzpunkt ca. 40°°C hC hööher als Zinnher als Zinn--BleiBlei

LegierungLegierung SchmelztemperaturSchmelztemperatur

SnSn--CuCu SnCu0,7 (<0,1Ni + x)SnCu0,7 (<0,1Ni + x) 227 (227 (eutektischeutektisch)*)*

SnSn--AgAg SnAg3,5SnAg3,5 221 (221 (eutektischeutektisch)*)*

„„SACSAC““ SnAg3,0Cu0,7SnAg3,0Cu0,7 217 (217 (eutektischeutektisch)*)*

SnSn--AgAg--BiBi SnAg3,5Bi3SnAg3,5Bi3 206...213**206...213**

SnSn--AgAg--InIn--Bi SnAg3,5In8Bi0,5Bi SnAg3,5In8Bi0,5 207** 207**

(Sn(Sn--BiBi--CuCu SnBi10Cu0,5SnBi10Cu0,5 190...200)190...200)

SnSn--ZnZn SnZn9(Bi, Al)SnZn9(Bi, Al) 198,5 (198,5 (eutekteutekt.)**.)**

SnSn--Pb Pb SnPb37(Ag1)SnPb37(Ag1) 179179--183 (183 (eutekteutekt.).)

SnSn--BiBi SnBi58SnBi58 138 (138 (eutektischeutektisch))##

SnSn--InIn SnIn52SnIn52 118 (118 (eutektischeutektisch))##

240

230

220

210

200

190

180

170

* EU, USA

**Japan#Spezialanwendungen

LLöötbarkeit = Gesamteignung des tbarkeit = Gesamteignung des Bauteils fBauteils füür das industrielle Lr das industrielle Lööten ten

�� Die Die BenetzungsfBenetzungsfäähigkeithigkeit hhäängt von der ngt von der

LLöötoberfltoberflääche, der Lche, der Lööttemperatur und der Aktivitttemperatur und der Aktivitäät des t des

Flussmittels abFlussmittels ab

�� Der Der LLöötwtwäärmebedarfrmebedarf wwäächst mit der Wchst mit der Wäärmekapazitrmekapazitäät t

und der Masse der und der Masse der FFüügeteilegeteile

�� Die Die LLöötwtwäärmebestrmebestäändigkeitndigkeit der Materialien begrenzt der Materialien begrenzt

das Ldas Löötprofil in Dauer und Htprofil in Dauer und Hööhehe

Konstruktion und LKonstruktion und Löötverfahren mtverfahren müüssen zusammenpassen!ssen zusammenpassen!

GefGefüüge einer bleifreien SMDge einer bleifreien SMD--LLöötverbindung, tverbindung, PeaktemperaturPeaktemperatur 245245°°CC

20 µm

AA LLöötanschluss (Bauelement) mit tanschluss (Bauelement) mit

NiNi--SperrSperr-- und intermetallischer und intermetallischer

PhasenPhasen--GrenzschichtGrenzschicht

BB CuCu66SnSn55--/Ag/Ag33SnSn--PhasenteilchenPhasenteilchen

CC PrimPrimäärdendrit (zinnreich)rdendrit (zinnreich)

DD eutektischeeutektische RestschmelzeRestschmelze

EE intermetallische Phasenintermetallische Phasen--Grenzschicht Grenzschicht (Legierungsschicht)(Legierungsschicht)

FF Grundmetall Grundmetall (Leiterplattenkupfer)(Leiterplattenkupfer)

DDCC

BB

FF

EE

AA

2000-limi_001976

Mechanische und elektrische Eigenschaften von Mechanische und elektrische Eigenschaften von SnSn--CuCu--Phasen im Vergleich mit Weichlot und KupferPhasen im Vergleich mit Weichlot und Kupfer

Mikrohärte Elektrischer Widerstand [3] DichtekN/mm2 R / µOhm x m ρ / g/cm3

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 (Cu3Sn) 4.900 [1] 0,20 0,22η(Cu6Sn5) 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

Typische SMT Typische SMT –– AnschlussgeometrienAnschlussgeometrien

ChipChip--Bauteil mit 3 Bauteil mit 3 AnschlussflAnschlussfläächenchen

ChipChip--Bauteil mit 5 Bauteil mit 5 AnschlussflAnschlussfläächenchen

ArrayArray--BauformBauform

AnschlussflAnschlussfläächen von zylinderfchen von zylinderföörmigen rmigen und rechteckigen Bauelementformen und rechteckigen Bauelementformen

CCCCCC = Chip = Chip CeramicCeramic CapacitanceCapacitance

Quelle Philips HalbleiterQuelle Philips Halbleiter

Mittels WellenlMittels Wellenlöötung auf FR4 montiert;tung auf FR4 montiert;

Bauform C1206Bauform C1206

Metallisierung an 5 FlMetallisierung an 5 Fläächen chen

an jedem Ende an jedem Ende

Passive Bauelemente:Passive Bauelemente:SMDSMD--Kondensator Kondensator

„„Floating ElectrodesFloating Electrodes““ zur Verringerung der zur Verringerung der Kurzschlussgefahr im ChipKurzschlussgefahr im Chip KondensatorKondensator

Quelle: Quelle: Kemet Kemet „„FEFE--CAPCAP““

FE-CAP Innenaufbau:

die Gestaltung der Elektroden führt

beim Bruch zur elektrischen

Unterbrechung und nicht zum

Kurzschluss

„Flex Crack“

Verringerte BruchgefahrVerringerte Bruchgefahr von Chip von Chip Komponenten durch Flex TerminationsKomponenten durch Flex Terminations

Quelle: Quelle: Kemet Kemet „„FTFT--CAPCAP““

Zinnschicht

Nickelschicht

Silber-Leitkleber

Kontakt-Metallisierung

Flex Terminations: die elastische

Zwischenschicht aus „Silber-Epoxy“

nimmt Biegebelastungen auf, die

sonst (z. B. beim Nutzentrennen)

zum Kondensator-Bruch führten

Chipmontage auf Chipmontage auf „„LeadframeLeadframe““(Leiterrahmen), dann Verguss in Geh(Leiterrahmen), dann Verguss in Gehääuse use

Quelle: VCI Folienserie 18 Quelle: VCI Folienserie 18 „„Chemie Chemie –– Grundlage der MikroelektronikGrundlage der Mikroelektronik““

BaugruppenqualitBaugruppenqualitäätt: : InspektionInspektion und und GefGefüügege bleifreierbleifreier LLöötstellentstellen

SMDSMD--ReflowlReflowlöötungtung: : GuteGute BenetzungBenetzungAusschnittAusschnitt: : GrenzschichtGrenzschicht intermetintermet. . PhasenPhasen

2020µµmm

1mm1mm20042004--limi_02637limi_02637

20022002--macro_001575macro_001575

PLCC 44PLCC 44WellenlWellenlöötungtung

20042004--macro_01205macro_01205

PLCC 44PLCC 44ReflowlReflowlöötungtung

Neue Entwicklungen:Neue Entwicklungen:� Für mittlere Anschlusszahlen: < 100 pins

� Leadframe-basiert: low cost

� Meist eine Reihe Anschlüsseumlaufend 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: VQFNInfineon: VQFN= = VeryVery ThinThin QuadQuad FlatFlat Pack No Pack No LeadsLeads

Quelle: Infineon Technologies 2000Quelle: Infineon Technologies 2000

�� LeadframeLeadframe--basiertebasierte TechnologieTechnologie((LeadframeLeadframe = Leiter= Leiter--AnschlussAnschluss--Rahmen)Rahmen)

�� GGüünstige Fertigungnstige Fertigung

�� pitchpitch 0.5 mm0.5 mm

�� Pin Anzahl 16...48 Pin Anzahl 16...48

(bis zu 60 und mehr)(bis zu 60 und mehr)

�� Gutes elektrisches und thermisches Gutes elektrisches und thermisches

VerhaltenVerhalten

MLF (Micro MLF (Micro LeadframeLeadframe) nach dem L) nach dem Lööten:ten:�� Stanzkanten teils benetzt, Stanzkanten teils benetzt,

teils nicht benetztteils nicht benetzt

MLF (Micro MLF (Micro LeadframeLeadframe) nach dem L) nach dem Lööten:ten:�� Inspektion der Unterseite ist bei geeigneter MontageInspektion der Unterseite ist bei geeigneter Montage

mmööglich, aber nicht zur glich, aber nicht zur

Nachahmung empfohlen!Nachahmung empfohlen!

ÜÜbersicht:bersicht:OberflOberfläächen Metallisierung der Bauteilechen Metallisierung der Bauteile

SnNiSnNiMurataMurata

SnAgCuSnAgCuMatte SnMatte SnInfineonInfineon

SnAgCuSnAgCuSnBiSnBiMatsushitaMatsushita

SnAgCuSnAgCuSnBiSnBiLSILSI

Matte SnMatte SnLinearLinear

SnAgCuSnAgCuMatte SnMatte SnIntelIntel

SnAgCuSnAgCuMatte SnMatte SnIBMIBM

SnAgCuSnAgCuSnBiSnBiNiPdAuNiPdAu

HitachiHitachi

SnAgCuSnAgCu

SnBiAgSnBiAg

SnBiSnBiFujitsuFujitsu

SnAgCuSnAgCuMatte SnMatte SnAnalog DevicesAnalog Devices

SnAgCuSnAgCuMatte SnMatte SnAgilentAgilent

SnAgCuSnAgCuMatte SnMatte SnAgereAgere

SnAgCuSnAgCuMatte SnMatte SnAMDAMD

BGABGALeadedLeadedCompanyCompany

SnAgCuSnAgCuMatte Sn, Matte Sn, NiPdAuNiPdAu

ST ST MicroelectronicsMicroelectronics

SnAgCuSnAgCuMatte SnMatte SnTycoTyco

SnBiSnBiToyotaToyota

SnAgCuSnAgCuSnAgPdSnAgPd, , SnBiSnBiToshibaToshiba

SnAgCuSnAgCuNiPdAuNiPdAu, Matte Sn, Matte SnTexas InstrumentsTexas Instruments

SnAgCuSnAgCuSnBiSnBiSamsungSamsung

SnAgCuSnAgCuNiPdAuNiPdAu, , SnBiSnBiSony Sony SemiconductorSemiconductor

SnAgCuSnAgCuSnBiSnBi, Pd, PdSharpSharp

Pd, Pd, SnBiSnBi, , AuAuPanasonicPanasonic

SnAgCuSnAgCuMatte Sn, Matte Sn, NiPdAuNiPdAuPhilipsPhilips

SnAgCuSnAgCuSnBiSnBiNECNEC

SnAgCuSnAgCuMatte SnMatte SnNational National SemiconductorSemiconductor

SnAgCuSnAgCuMatte SnMatte Sn

NiPdAuNiPdAu

MotorolaMotorola

BGABGALeadedLeadedCompanyCompany

Quelle: MotorolaQuelle: Motorola

VertrVerträäglichkeitglichkeit

OK, wenn LOK, wenn Löötstelle >230tstelle >230°°C C bei bei ArrayArray--PackagesPackages

StandardprozessStandardprozess

BleifreiBleifrei--ProzessProzess

Quelle: MotorolaQuelle: Motorola

PbPb--freiesfreies--BEBE--FinishFinish

SnPbSnPb--BEBE--FinishFinish

PbPb--haltigerhaltigerFertigungsprozessFertigungsprozess

PbPb--freier freier FertigungsprozessFertigungsprozess

OK, bei TemperaturbestOK, bei Temperaturbestäändigkeit ndigkeit und und MSLMSL--ÜÜbereinstimmungbereinstimmung

Benetzungskraftmessung + VideoBenetzungskraftmessung + Video

DV-Rechner IBM 486 SX

MS-DOS V6.21

Videorecorder

CCD-Kamera

Speicher; Meßverstärker;

phasenselektiver Gleichrichter

Kraft-Mess-einrichtung

(LVDT)Halter

A/D -Wandler

Monitor Tastatur Drucker

X-Y-Z-Tisch

LKB/LB*

Probe

*LKB/LB: Lotkugelblock/Lotbad

ISITISIT--specialspecial::

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

BenetzungskraftBenetzungskraft--ZeitZeit--KurveKurve

Benetzungstest an einem Benetzungstest an einem SO SO PackagePackage GullGull WingWing AnschlussAnschluss

�� Test mit Lotkugel, Test mit Lotkugel, 25 mg Pille25 mg Pille

�� aktiviertes Flussmittel auf aktiviertes Flussmittel auf die Kugel aufgebrachtdie Kugel aufgebracht

3D SO Schema: Quelle Philips Halbleiter

Benetzung bei T = 5%, 10% und 15% Benetzung bei T = 5%, 10% und 15% üüber Schmelztemperatur ber Schmelztemperatur

Quelle: M. Nowottnick, Fraunhofer IZM

0

50

100

150

200

250

300

TM TM+5% TM+10%

Tem

pera

tur

/ °C SnPb36Ag2

SnAg3,5Cu0,7

SnAg3,5

SnCu0,7

Benetzungsmessung an Benetzungsmessung an LeiterplattenLeiterplatten--TestcouponsTestcoupons

Lochdurchmesser 1 mm (grLochdurchmesser 1 mm (grüün)n)

Montageloch 3 mm Montageloch 3 mm DurchmDurchm. (blau). (blau)

Coupon GrCoupon Größößee

15mm x 25 mm15mm x 25 mm

2mm

Quelle: Multicore MUST II Handbook

�� Test mit Lotkugel, 200 mg PilleTest mit Lotkugel, 200 mg Pille

�� aktiviertes Flussmittel auf die Kugel aktiviertes Flussmittel auf die Kugel und auf die Lund auf die Löötoberfltoberflääche aufgebrachtche aufgebracht

�� vorheizen mit der Lotschmelze dicht unter dem Test vorheizen mit der Lotschmelze dicht unter dem Test CouponCoupon

Benetzungstest an einem Benetzungstest an einem PCB Test CouponPCB Test Coupon

BenetzungskraftBenetzungskraft--ZeitZeit--Kurven an Kurven an SMDSMD--PadflPadfläächenchen, , OSP/SnPbOSP/SnPb Ausgangszustand Ausgangszustand chem. Sn/SACchem. Sn/SAC

Beispiele an Beispiele an SMDSMD--PadsPads:: C44P01R_041C44P01R_041 F1 F1 --Sn (S2) SACSn (S2) SAC

C44P01R_143C44P01R_143 F1 F1 --O SnPb gute BenetzungO SnPb gute Benetzung schlechtere Benetzungschlechtere Benetzung

Ant image fromSMT Magazine, PennWell

R0402R0402

R0201R0201

... das ist lange kein ... das ist lange kein HHüühnerfutter mehr!hnerfutter mehr!

... und die Teile werden immer kleiner...... und die Teile werden immer kleiner...bleifreie Metallisierungbleifreie Metallisierung

C01005C01005

Benetzungstest an einem Benetzungstest an einem 0805 Chip Widerstand0805 Chip Widerstand

�� Test mit Lotkugel, Test mit Lotkugel, 200 mg Pille200 mg Pille

�� aktiviertes Flussmittel aktiviertes Flussmittel auf die Kugel auf die Kugel aufgebrachtaufgebracht

Beispiel:Beispiel:

Gold schGold schüützt das Nickel.tzt das Nickel.

Bei Bei üüber 2% Gold wird ber 2% Gold wird

das Lot sprdas Lot sprööde, deshalb de, deshalb

muss die Goldschicht muss die Goldschicht

zum Lzum Lööten dten düünn sein nn sein

(50(50--200nm); das Gold 200nm); das Gold

llööst sich schnell st sich schnell

vollstvollstäändig im Lot auf ndig im Lot auf

LLöösungsgeschwindigkeit sungsgeschwindigkeit diverser Metalle in Lotdiverser Metalle in Lot

Quelle: Klein Wassink, Weichlöten in der Elektronik. 1992

bleifreie Wellenlbleifreie Wellenlöötung , SnAg3,5/265tung , SnAg3,5/265°°C, Schutzgas C, Schutzgas SMD (LSMD (Löötseite)tseite)

R0805R0805

QFP44 QFP44 0,8 mm 0,8 mm Raster Raster

StromschieneStromschieneguter Durchstieg guter Durchstieg bei 265bei 265°°CC10 µm Ablegierung bei 265°C

WellenlWellenlöötseite: Phasenbildung und Ablegieren tseite: Phasenbildung und Ablegieren im Vergleich SN100Cim Vergleich SN100C und und SnCu0,7SnCu0,7

Beide Proben Reflow Sn SAC N2; Wellenlötung mit kurzer Doppelwelle bei 260°C unter Schutzgas (N2)

2004-limi_05268tn642004-limi_05269tn64

2004-macro_01313tn64

Oberfläche: OSP chem. SnFlussmittel: Alkoholbasis, 14% Feststoff Wasserbasis, 2,5 %

Quelle: Teleste/ERSA

Anforderungen an den Wellenlötprozess

StabilitStabilitäät der Lotlegierung im Tiegel: t der Lotlegierung im Tiegel: Cu Anreicherung in Cu Anreicherung in SnAgCuSnAgCu

[Monate nach der Umstellung auf bleifrei (SAC)

0,790,83

0,88

0,94

1,01

0,79

0,85

1,02

1 2 3 4 5 6 70,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

Cu

Gew

.%im

Lot

Periode 1

Periode 2

AnschlussoberflAnschlussoberfläächen an SMDchen an SMD--Kondensator Kondensator mit Nimit Ni--Sperrschicht und Sperrschicht und VerzinnungVerzinnung

BaugrBaugrößößee

C0603 C0603

= 1,5 mm lang= 1,5 mm lang

11 KeramikKeramik

22 KontaktKontakt

BaugrBaugrößöße C1206e C1206

= 3,1 mm lang= 3,1 mm lang

11 22

LLööten mit Festlotdepots und gering aktiviertem ten mit Festlotdepots und gering aktiviertem Flussmittel, Flussmittel, PeaktemperaturPeaktemperatur 210210°°CC

an Luft: keine Benetzungan Luft: keine Benetzung unter Schutzgas: gute Benetzung unter Schutzgas: gute Benetzung (100ppm Restsauerstoff) (100ppm Restsauerstoff)

AnschlussoberflAnschlussoberfläächen an SMDchen an SMD--Kondensator Kondensator ohne Niohne Ni--Sperrschicht (nur AgSperrschicht (nur Ag--Pd)Pd)

200200µµmm

AnschlussoberflAnschlussoberfläächen an SMDchen an SMD--Kondensator Kondensator mit/ohne Nimit/ohne Ni--Sperrschicht, bleifrei gelSperrschicht, bleifrei gelöötettet

11 2211

22

3311 KeramikKeramik

22 Ag(PdAg(Pd) ) KontaktKontakt

33 NiNi--SperrschichtSperrschicht

44 SnSn--Ag PhasenAg Phasen

44

Folgen thermomechanischer BeanspruchungFolgen thermomechanischer Beanspruchung

500 Zyklen -55°C - 125°C, 30´

Aufdecken von Schwachstellen: fehlende Nickel-Diffusionsbarriere, Bildung spröder intermetallischer Phasen, Haftungsprobleme zum Keramikkörper





�� Leiterplatte: Basismaterial, OberflLeiterplatte: Basismaterial, Oberfläächenchen--MetallurgieMetallurgie







Leiterplattenprobleme Leiterplattenprobleme nach bleifreinach bleifrei--LLöötenten

� Delamination

� Hülsenrisse

� Ablegiereffekte

� trocknen

� Materialauswahl

� Prozessführung

Vermeidung der Vermeidung der Leiterplattenprobleme Leiterplattenprobleme vor bleifreivor bleifrei--LLöötenten

HHüülsenlsen--RissRissBruch Bruch imim

KnieKnie InnenlagenInnenlagen--AbrissAbriss

Wichtige Wichtige Parameter fParameter füürr BasBasisismaterialmaterial

� 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?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

LLöötwtwäärmebestrmebestäändigkeit / bleifrei Lndigkeit / bleifrei Lööten* ten* a) Degradation des a) Degradation des Basismaterials / ReflowBasismaterials / Reflow

�� TTGG: Glas: Glasüübergangstemperatur bergangstemperatur

�� ist ist nichtnicht der wesentliche Wert fder wesentliche Wert füür die Degradationr die Degradation

�� ttDD: : „„Time to Time to DelaminationDelamination““ ist ist wichtigerwichtiger

�� (Welle: (Welle: „„Solder FloatSolder Float““, Pr, Prüüfanforderungfanforderung: 10s bei : 10s bei 288288°°C)C)

�� BestBestäändigkeit gegen 3 x ndigkeit gegen 3 x ReflowReflow

�� PolycladPolyclad ((seit 24. Apr. 06 seit 24. Apr. 06 �� isolaisola) )

–– „„Werkzeug zur optimalen MaterialauswahlWerkzeug zur optimalen Materialauswahl““

�� IsolaIsola: z. B. IS400: T260 ca. 60 min., T288 ca. 10 min.: z. B. IS400: T260 ca. 60 min., T288 ca. 10 min.

*„bleifrei“ steht hier für SAC & SC!

(Zinn-Silber-Kupfer & Zinn-Kupfer)

LLöötwtwäärmebestrmebestäändigkeitndigkeitb) Belastung der Durchkontaktierungenb) Belastung der Durchkontaktierungen

TemperaturTemperatur

Ausd

e hnu

ng

Ausd

e hnu

ng

2020°°CC TTG1G1 TTG2G2 TTLLöötprozesstprozess

hier ist Thier ist TGG

((GlasGlasüübergangsbergangs--temperaturtemperatur) ) neben dem neben dem ZZ--AchsenAchsen--AusdehnungsAusdehnungs--koeffizientenkoeffizienten wichtigwichtig

©Isola AG

Delaminierung

Aufheizphase(TMA Kurve)

T260

�� 10- 15 min für Standard FR4höhere Werte für Novolak oder

Halogenfreie Systeme

Difunktionales / MultifunktionalesEpoxidharz

Dicyandiamid-oder Novolak-

Härtung

““Time to Time to DelaminationDelamination””

ThermogravimetrieThermogravimetrie5% Gewichtsabnahme = T5% Gewichtsabnahme = TDD

(engl. (engl. DecompositionDecomposition, d. h. Zersetzung), d. h. Zersetzung)TTDD

��typtyp. ~310. ~310--320320°°C fC füür Standard FR4r Standard FR4

MaterialeigenschaftenMaterialeigenschaften

©©IsolaIsola AGAG

Bild: Dr. L. WeitzelBild: Dr. L. Weitzel

LLöötwtwäärmebestrmebestäändigkeit / Kombination:ndigkeit / Kombination:STII=STII= „„SolderSolder TemperatureTemperature Impact IndexImpact Index““

� Vorschlag W. Engelmaier

(schreibt die Leitlinien für Zuverlässigkeit in IPC-Standards)

STII = (TG + TD)/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

TG: Glasübergangstemperatur

TD: Zersetzungstemperatur (Decomposition Temperature)

bei bei PeaktemperaturPeaktemperatur

bei Raumtemperaturbei Raumtemperatur

LLöötprozesstprozessZugspannungenZugspannungenauf die Cu Hauf die Cu HüülselseLLöötauge wird nachtauge wird nach

auaußßen gebogenen gebogen

0

10

20

30

40

50

60

70

25 50 75 100 125 150 175 200 225 250

T [°C]

z-A

chen

ausd

ehnu

ng [µ

m]

Standard-FR4 z-Achse Cu

LeiterplatteneigenschaftenLeiterplatteneigenschaften

PadliftingPadlifting

Bild: Dr. L. WeitzelBild: Dr. L. Weitzel

© Polar Instruments 2003www.polarinstruments.com

PWB’s IST Systemwww.pwbcorp.com

PWB TESTING HIERARCHY

THERMAL OVEN

I.S.T.

SOLDER FLOAT

MICROSECTION

ELECTRICAL

A.O.I.

Estimated % of Products

<0.1%

<1%

<1%

<1%

100%

100% Visual Inspection

Continuity

Mechanical Compliance

Shock

Accelerated Stress

Accelerated Stress

Capability Requirement

Customer Compliance

AssemblySimulation

Physical Examination

Customer Compliance

DefectReduction

Product/ProcessIntegrity

I.S.T. = Internal Stress Test�� Testcoupon mit Heiz- und Sensorkreis in spezifischer Produkttechnologie



IST Principles / Methodology



IST Coupon Design



History of IST Technology

200252+ IST Systems in the Field

2001IPC TR486 Completed (R & R Study on IST Vs Thermal Shock)

2002Generic Design/Testing/Reporting Strategy Implemented

2000IST Service Capacity Increased to Meet High Demands

2000IPC – TM650 Approval Received (2.6.26)

1998Systems Installed into Asia / Europe

1996First Revenue Generating System Installed

1995PWB Interconnect Solutions Incorporated

1994Patents awarded for Methodology / Coupon Design

1993Deployed Beta Systems (Viasystems Canada)

1989Initiated Development Activities at DEC

GegenGegenüüberstellung berstellung -- LLöötoberfltoberfläächen auf Leiterplattenchen auf LeiterplattenEigenschaften 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 nmLF

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 �� bleihaltigLF �� bleifrei

Was sind Was sind BromineBromine/Halogene?/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 EndoberflBleihaltige Endoberfläächeche am Beispiel der am Beispiel der HeiHeißßluftverzinnungluftverzinnung

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


BleifreiBleifrei LeiterplattenoberflLeiterplattenoberfläächenchen

OSP = Organische

Passivierung

HAL

ChemischZinn

Gold

ChemischSilber

LP


HAL

BleiBlei--freifrei LeiterplattenoberflLeiterplattenoberfläächenchen

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


ChemischZinn


Vorteile:

• bekannter Prozess• koplanare Oberfläche• gute Lötbarkeit• gute Einpresseigensch.• preiswert

Nachteile:

• nicht bondbar• Cu-Sn-Diffusion

Sn2+ + Cu � Sn + Cu2+

� SnCu


t, T�

SnCu6Sn5Cu3SnCu

SnCu

Sn-Cu-Diffusion

@ 330@ 330°°C C ( Handl( Handlööten!)ten!)

1 1 µµm / Sekundem / Sekunde

@ 260@ 260°°CC1 1 µµm / Minutem / Minute

@ 190@ 190°°CC1 1 µµm / Stundem / Stunde

@ 140@ 140°°CC1 1 µµm / Tagm / Tag

@ 80@ 80°°CC1 1 µµm / Monatm / Monat

@ 40@ 40°°CC1 1 µµm / Jahrm / Jahr

@ 20@ 20°°CC1 1 µµm in 2.5 Jahrem in 2.5 Jahre


�� Dicke der chem. Sn-Schicht ≥ 0.8 µm !


Gold


Die unterschiedlichen Bezeichnungenchem. Ni/AuElectroless Nickel / Immersion Gold ENIG

Ni dient als Diffusionssperre

70..120 nm Au4-6 µm Ni

Vorteile:• bekannter Prozess• Koplanare Oberfläche• Al-Draht bondbar• gute Lötbarkeit• lange Lagerzeit

Nachteile:• Preis• geringere Benetzbarkeit alsHAL und chem. Sn

• Ni-Sprödigkeit (nicht für Flex-LP)• Reduzierte Zuverlässigkeit derLötstellen (bei erhöhtem thermo-mechanischen Stress)


Electrolyt.Soft-Gold

BleiBlei--freifrei LeiterplattenoberflLeiterplattenoberfläächenchen400..600 nm Au4-6 µm Ni► für Au-Wire-US-Bonden► spröde Sn-Au-Phases► Preis, wenig verfügbar

ReductionGold

400..600 nm Au (99.9%), galv.4-6 µm Ni► wenig verfügbar► Anbindung der Pads erforderlich

0,8 ..5 µm Au-Co (0.5%), galv.4-6 µm Ni► Kontakte, Schleifer,

Stecker (PCI-Slot),...

Electrolyt.Hard-Gold

Alternative: Carbon-Lack


ChemischSilber


► kaum verfügbar in Europa► bedingt bondbar► Lötbarkeit eingeschränkt► Lagerzeit eingeschränkt

Organic Coating100-200 nm Ag


OrganischePassivierung


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


Bildung der LBildung der Löötverbindung beim Kolbenltverbindung beim Kolbenlöötenten

Quelle: DKI Lehrhilfe Quelle: DKI Lehrhilfe Werkstofftechnik Werkstofftechnik HerstellungsverfahrenHerstellungsverfahren

A: Oxidschicht

B: „kochendes“Flussmittel

C: freiliegende Metalloberfläche

D: Lot reagiert mit dem Grundmetall

E: wachsende Legierungsschicht (intermetallische Phase)

F: Grundmetall

Bewegungsrichtung

Kolbenspitze (Kupfer)

Oxidschicht

Flussmittel

Legierungsschicht

Lot

Grundmetall

Eisenschicht: benetzt, löst sich nur langsam

Bildung der LBildung der Löötverbindung beim Kolbenltverbindung beim Kolbenlöötenten

Quelle: DKI Lehrhilfe Quelle: DKI Lehrhilfe Werkstofftechnik Werkstofftechnik HerstellungsverfahrenHerstellungsverfahren& FED& FED--Video Video „„HandlHandlöötenten““

A: Oxidschicht

B: „kochendes“Flussmittel

C: freiliegende Metalloberfläche

D: Lot reagiert mit dem Grundmetall

E: wachsende Legierungsschicht (intermetallische Phase)

F: Grundmetall

Bewegungsrichtung

Kolbenspitze (Kupfer)

Oxidschicht

Flussmittel

Legierungsschicht

Lot

Grundmetall

Eisenschicht: benetzt, löst sich nur langsam

THT HandlTHT Handlöötung, Durchstieg dokumentierttung, Durchstieg dokumentiert

Quelle: Quelle: S. Kurnaz, DiplomarbeitS. Kurnaz, Diplomarbeit

SMD HandlSMD Handlöötungtung

Quelle: Quelle: FEDFED--Video Video „„HandlHandlöötenten““

HandlHandlööten eines ten eines SMDSMD--BauteilsBauteils; hier: ; hier: Small Small OutlineOutline Transistor Transistor „„SOT23SOT23““

Richtige Erzeugung von LRichtige Erzeugung von Löötstellentstellen

Die Lötstellenoberfläche soll konkav sein �� Hohlkehle

Heißgas

Probleme beim HandlProbleme beim Handlöötenten

• 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.

Zu viel Lötwärme führt zum Abheben der RestringeHand0lötung.jpg

HandDetLötung.jpg

Folgen zu hoher ArbeitstemperaturFolgen zu hoher ArbeitstemperaturPad Lift off – natürlich auch bei bleihaltigem Lot!!

LLööten von Litzendrten von Litzendräähten: hten: Ablegierverhalten nach 3x5s LAblegierverhalten nach 3x5s Löötzeittzeit

Litzendrähte verdrilltSnPbAg SnAgCu0,5 SnAgCu1,3

250°C

280°C

Das Ablegieren wird durch erhDas Ablegieren wird durch erhööhten hten Kupferanteil im Lot stark vermindert:Kupferanteil im Lot stark vermindert:260260°°C, 3x5sC, 3x5s

SnPbAg SnAgCu0,5 SnAgCu1,3

Beispiel fBeispiel füür Lr Löötspitzentspitzen--KorrosionKorrosion

Quelle: ZAVTQuelle: ZAVT

Kupferkern

Eisenschicht

Lots

chic

ht

Oxidation auf der LOxidation auf der Löötspitzetspitze

Quelle: ZAVTQuelle: ZAVT

Folgen erhFolgen erhööhter Arbeitstemperatur / Thter Arbeitstemperatur / T--GradientenGradientenBauteilschädigung

1 & 3: Hei1 & 3: Heißßgasgriffel fgasgriffel füür r schonendes Einlschonendes Einlööten von ten von KeramikKeramik--BauteilenBauteilen

2: 2: SchutzgasSchutzgas--umspumspüültelte LLöötspitze zum tspitze zum VorwVorwäärmen und zur rmen und zur UnterstUnterstüützung der Flussmitteltzung der Flussmittel--AktivitAktivitäätt

4: D4: Düüsen fsen füür Heir Heißßgasgriffelgasgriffel

Quelle: Quelle: 1 SUNKO / MBR ELECTRONICS1 SUNKO / MBR ELECTRONICS2 HAKKO / TBK2 HAKKO / TBK3 3 zephyrtroniczephyrtronic

11

22

33 44

Video: ChipVideo: Chip--Bauteil einlBauteil einlööten mit ten mit HeiHeißßgasgriffelgasgriffel

Flussmittelauftrag durch SprFlussmittelauftrag durch Sprüühen, hen, mit Pinsel oder Flussmittelstiftmit Pinsel oder Flussmittelstift

�� Auch beim AuslAuch beim Auslöötvorgang tvorgang Flussmittel verwendenFlussmittel verwenden

�� Verwenden Sie einen Verwenden Sie einen Flussmittelstift zum Flussmittelstift zum selektiven Auftragen von selektiven Auftragen von Flussmitteln.Flussmitteln.

�� Flussmittelstift mit Flussmittelstift mit SelektivlSelektivlöötflussmittel tflussmittel abgestimmt auf die fabgestimmt auf die füür Ihren r Ihren Prozess qualifizierten Prozess qualifizierten Flussmittel Flussmittel

Bleifrei HandlBleifrei Handlööten ten –– MerksMerksäätze:tze:� Die Grundregeln werden wichtiger denn je!

� Die Spitzentemperatur muss angehoben werden (+25°C)

� Die Obergrenze darf nicht angehoben werden, sonst erfolgen Delaminationder 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!

Wipe = Abwischen der Lötspitze auf feuchtem Schwamm Rinse = Lötspitze mit Lot aufladen und dann abschütteln

Abwischen und SpAbwischen und Spüülen einer len einer SnSn--PbPb--kontaminiertenkontaminierten LLöötspitze mit bleifreiem Lottspitze mit bleifreiem Lot

Quelle: SMT MagazineQuelle: SMT MagazineRay Ray CirimeleCirimele

BEST BEST IncInc September 2005September 2005

Bleianteil mittels ICPBleianteil mittels ICP--AES AES gemessengemessen

�� bleifreies Lot: 0,079% Pbbleifreies Lot: 0,079% Pb

�� Lot von der Spitze: 0,10% PbLot von der Spitze: 0,10% Pbnach dem 3. Spnach dem 3. Spüülvorganglvorgang

Zusammenfassung:Zusammenfassung:

Bei Verwendung bleifreier Lote sind: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

EE--Baugruppe: HerstellungsqualitBaugruppe: HerstellungsqualitäättInspektion, hier TOPInspektion, hier TOP--Seite = PrimSeite = Primäärseiterseite

99h2-macro_001286

3 mm3 mm

Bleifreie LBleifreie Löötstellen (SAC)tstellen (SAC)

TOP: TOP: SMDSMD--ReflowlReflowlöötungtungSMDSMD--SteckverbinderSteckverbinder, ,

LEDLEDTHTTHT--StiftleisteStiftleiste

SOD80SOD80

C0603C0603

tn88_P1060283tn88_P1060283

EE--Baugruppe, HerstellungsqualitBaugruppe, Herstellungsqualitäät:t:LLöötstellenform und Ltstellenform und Löötstellengeftstellengefüügege

Grenzschicht Lot/AnschlussbeinGrenzschicht Lot/Anschlussbein

20042004--limi_02637limi_02637

1mm1mm

Bleifreie LBleifreie Löötstellen; SAC3807tstellen; SAC3807

20042004--macro_01116macro_01116

SMDSMD--ReflowlReflowlöötungtung: Gute Benetzung: Gute Benetzung

2020µµmm

2004-limi_02638

Visuelle Inspektion im Vergleich Visuelle Inspektion im Vergleich bleihaltig (bleihaltig (QFPQFP--BauelementBauelement) / bleifrei) / bleifrei

optimale Hoptimale Hööhe he minimale Hoheminimale Hohe

kein kein MeniscusMeniscusverlangtverlangt

ΘΘΘΘΘΘΘΘ

Inspektion/ Besonderheiten bei Inspektion/ Besonderheiten bei bleifreien Lbleifreien Löötstellen:tstellen:matte Oberflmatte Oberflääche wg. che wg. dendritischerdendritischer Erstarrung der SACErstarrung der SAC--LoteLote

Lichtmikroskopie vs. REM = RasterLichtmikroskopie vs. REM = Raster--ElektronenmikroskopElektronenmikroskop

Kennzeichen einer guten Kennzeichen einer guten WeichlWeichlöötverbindungtverbindung�� Flacher Kontaktwinkel Flacher Kontaktwinkel �� gute Benetzunggute Benetzung

�� Glatte, mGlatte, mööglichst konkave Oberflglichst konkave Oberflääche (Glanz nicht erforderlich)che (Glanz nicht erforderlich)

�� FFüüllung des Lllung des Löötspaltes / ausgeftspaltes / ausgefüüllte Hohlkehlellte Hohlkehle

�� Bedeckung der lBedeckung der löötbaren Oberfltbaren Oberfläächeche

�� Kein ZurKein Zurüückziehen des Lotes von der benetzten Flckziehen des Lotes von der benetzten Flääche (Entnetzung)che (Entnetzung)

�� Keine BrKeine Brüücken, keine Unterbrechungen cken, keine Unterbrechungen

�� Keine oder aber klare, nicht korrosive FlussmittelrKeine oder aber klare, nicht korrosive Flussmittelrüückstckstäändende

�� DurchgDurchgäängige Schicht intermetallischer Phasen in der Grenzflngige Schicht intermetallischer Phasen in der Grenzflääche che

Lot/GrundmetallLot/Grundmetall

IPCIPC--AA--610D610D: Abnahmekriterien : Abnahmekriterien ffüür elektronische Baugruppenr elektronische Baugruppen�� Mehr als nur LMehr als nur Löötstellentstellen

Vermittlung der Abnahmekriterien: IPC Application Specialist Trainingdurch Certified IPC Trainer (CIT)

Bleifreie Bleifreie LLöötstelletstelle

�� Fachbegriffe und Normen zur BaugruppenfertigungFachbegriffe und Normen zur Baugruppenfertigung

�� Handhabung elektronischer BaugruppenHandhabung elektronischer Baugruppen

�� MontageMontage-- und Befestigungsteileund Befestigungsteile

�� LLöötstellentstellen

�� AnschlAnschlüüssesse

�� DurchsteckmontageDurchsteckmontage--TechnologieTechnologie

�� OberflOberfläächenmontierte Baugruppenchenmontierte Baugruppen

�� BauteilbeschBauteilbeschäädigungendigungen

�� LeiterplattenLeiterplatten

�� EinzelverdrahtungenEinzelverdrahtungen

�� HochspannungHochspannung

Normkriterien: Kontaktwinkel Normkriterien: Kontaktwinkel --unabhunabhäängig von der Lotlegierung!ngig von der Lotlegierung!

Bild 5Bild 5--1: Anforderungen f1: Anforderungen füür alle Klassen gleich.r alle Klassen gleich.Alle vier ZustAlle vier Zustäände Ande A--D sind zulD sind zuläässig.ssig.

Quelle: Quelle: IPCIPC--AA--610D Kapitel 5 610D Kapitel 5 „„LLöötstellentstellen““

BildBild 55--3535

Unzulässig- Klasse 1,2,3

UnzulUnzuläässig Klasse 2, 3,ssig Klasse 2, 3,zulzuläässig Klasse 1ssig Klasse 1

Fehlende Benetzung am

Anschluss

Durchstieg < 75%

UnzulUnzuläässig Klasse 1, 2, 3ssig Klasse 1, 2, 3

Lotbrücke

offene Lötstellen

Bauteile verschoben

WaferWafer--LevelLevel ChipChip--SizeSize PackagingPackagingKundenspezifisches CSP mit aufgelKundenspezifisches CSP mit aufgelööteten teten Lotkugeln und Lotkugeln und BCBBCB--WaferpassivierungWaferpassivierung vor vor dem Trennschleifendem Trennschleifen

Bestückungsfertiges CSP

Querschliff durch eine Lotkugel auf einem CSP mit Umverdrahtung und

BCB-Passivierung

CSPCSP = Chip = Chip SizeSize PackagePackage: : GehGehääuse use = Chipfl= ChipfläächecheBCBBCB = = BenzuCycloButeneBenzuCycloButene(fotostrukturierbares (fotostrukturierbares DielektrikumDielektrikum))

Quelle: Fraunhofer ISIT, Dr. W. Reinert

Aktuelle Bauformen:Aktuelle Bauformen:

� Für mittlere Anschlusszahlen: < 100< 100 pinspins

� Leadframe-basiert: low cost

� Meist eine Reihe Anschlüsse umlaufend am Rand

Anwendungen:

Voll integrierte analoge Power Management Lösungen für mobile Geräte

QFN = QFN = QuadQuad FlatFlat No No LeadsLeads (Infineon)(Infineon)

MLF = Micro MLF = Micro LeadframeLeadframe (Texas Instr.)(Texas Instr.)

LLP = LLP = LeadframeLeadframe basedbased LeadlessLeadless PackagePackage (National (National SemiconductorSemiconductor))

MLFMLF--Benetzung an der StanzkanteBenetzung an der Stanzkante

MLF = Micro MLF = Micro LeadframeLeadframe

PadgestaltungPadgestaltung: Bitte vereinheitlichen!: Bitte vereinheitlichen!

Beispiel: bleifreie LBeispiel: bleifreie Löötstellen, Qualittstellen, Qualitäät zult zuläässig in allen drei Klassenssig in allen drei Klassen

�� NSMDNSMD = Non = Non SolderSolder MaskMask DefinedDefined PadPad (d. h. (d. h. PadPad freigestellt)freigestellt)

�� SMDSMD = = SolderSolder MaskMask DefinedDefined PadPad ((PadPad auf Kupferflauf Kupferflääche durch che durch LLöötstoppmaske begrenzt) tstoppmaske begrenzt) �� z. B. Maskenz. B. Maskenööffnung auf ffnung auf PadgrPadgrößößee verkleinernverkleinern

NSMDNSMD--PadsPads SMDSMD--PadPad

Feldbeispiel: Feldbeispiel: Fehler mittels AOI ausgesondert Fehler mittels AOI ausgesondert automatische automatische →→ KlassifizierungKlassifizierung

AOIAOI--Bilder mit PrBilder mit Prüüffensterffenster

DiffuslichtDiffuslicht AuflichtAuflicht PinendePinende (Stanzkante)(Stanzkante)

GehGehääusekante, Pinaustritt usekante, Pinaustritt

InspektionsmikroskopInspektionsmikroskop

PadvorsprungPadvorsprung

SeitenmeniskusSeitenmeniskus

LLöötfehler nach Wellenltfehler nach Wellenlöötungtung

Kurzschluss durch Lotbrücke

Nichtbenetzung

Die BrDie Brüücke fcke fäällt ins Auge! llt ins Auge! -- und ist Bestandteil im Designund ist Bestandteil im Design

Schlechte LSchlechte L öösungsung

Gute LGute Löösungsung

AnomalitAnomalitäätenten

„„billboardingbillboarding““: Bauelement : Bauelement liegt auf der Seite (R0201)liegt auf der Seite (R0201)��ZulZuläässig Klasse 1,2,3, ssig Klasse 1,2,3, solange Bauteil solange Bauteil ≤≤ 1206 und 1206 und Breite Breite ≤≤ 2x H2x Hööhehe

BL7BL7--02010201--linkerKreislinkerKreis--4x4x

BL8BL8--08050805--Design2Design2--2x2x

LLöötperlen seitlich tperlen seitlich am Bauelement (R0805) am Bauelement (R0805) ��ZulZuläässig Klasse 1,2,3: Lotkugeln ssig Klasse 1,2,3: Lotkugeln sind eingebettet/ eingekapselt sind eingebettet/ eingekapselt und verletzen nicht den und verletzen nicht den minimalen elektrischen Abstandminimalen elektrischen Abstand

Richtwerte fRichtwerte füür Verunreinigungen im Lotbadr Verunreinigungen im Lotbad

Quelle: Stannol

Liste der verbotenen Stoffe / RoHSListe der verbotenen Stoffe / RoHSzulzuläässige Grenzwertessige Grenzwerte1)1) gemgemäßäß

„„COUNCIL DECISION COUNCIL DECISION amendingamending DirectiveDirective 2002/95/EC2002/95/EC““, Aug.05, Aug.05

�� PbPb Blei Blei 0,1%0,1%

(mit (mit AusnahmenAusnahmen seit 25.10.05)seit 25.10.05)

�� HgHg QuecksilberQuecksilber 0,1%0,1%

�� CdCd CadmiumCadmium 0,01%0,01%

�� CrCr+6+6 sechswertiges Chromsechswertiges Chrom 0,1%0,1%

�� PBBPBB ** polybromiertepolybromierte BiphenyleBiphenyle 0,1%0,1%

�� PBDE *PBDE * polybromiertepolybromierte DiphenyletherDiphenylether 0,1%0,1%

* flammhemmende Zus* flammhemmende Zusäätzetze

1)1) Gewichtsprozente imGewichtsprozente imhomogenen Materialhomogenen Material

Was ist Was ist „„Homogenes MaterialHomogenes Material““? ?

Quelle: EC Quelle: EC draftdraft guidelinesguidelines

Eine einzelne Substanz wie ein Polymer, Eine einzelne Substanz wie ein Polymer, z. B. die PVCz. B. die PVC--Isolierung an isoliertem Kupferkabel. Isolierung an isoliertem Kupferkabel.

1. 1. LeadframeLeadframe

coating (coating (SnSn))

2. 2. Silizium Silizium ChipChip 3. Bond3. Bond--

DrahtDraht (Au)(Au)

5. Die Attach 5. Die Attach (Silber(Silber--Epoxy Epoxy oderoder

BleiBlei--BasisBasis--Lot)Lot)

6. Plastik6. Plastik--VergussmasseVergussmasse4. 4. LeadframeLeadframe

(Cu)(Cu)

Bauelemente wie Kondensatoren, Transistoren und Halbleitergehäusesind 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

EinfEinfüührung bleifreier (hrung bleifreier (RoHSRoHS--konformerkonformer) Produkte) Produkte

ÜÜberprberprüüfung des Bauelementefung des Bauelemente--ArtikelstammsArtikelstamms

1. RoHS1. RoHS--KonformitKonformitäätt

2. 2. ProzesskompatibilitProzesskompatibilitäätt ffüür r

Reflow Reflow �� JJ--STDSTD--020D020D

Welle Welle �� JESD22a111JESD22a111

HandlHandlööten siehe Reflowten siehe Reflow

3. Umsetzung 3. Umsetzung

…… und was ist mit der Leiterplatte?und was ist mit der Leiterplatte?

RoHSRoHS--KonformitKonformitäätt allein reicht nichtallein reicht nicht

MischbestMischbestüückung, nur Wellenlckung, nur Wellenlöötung:tung:einfache Durchsteckeinfache Durchsteck-- und und SMDSMD--MontageMontage

PrimPrimäärseiterseite

SekundSekundäärseite rseite = L= Löötseitetseite

MassenlMassenlöötverfahren tverfahren -- Welle: Welle: Einfachwelle (nur THD), Doppelwelle (auch SMD)Einfachwelle (nur THD), Doppelwelle (auch SMD)2 x Kontakt mit der Lotschmelze:2 x Kontakt mit der Lotschmelze: Schritte in der LSchritte in der Löötanlagetanlage

11. turbulente . turbulente „„ChipChip““--Welle (SMD)Welle (SMD)

22. ruhige, . ruhige, laminarelaminare Formwelle (THD)Formwelle (THD)

WellenlWellenlöötprofiltprofil

Zeichnungen nach R. J. Klein Zeichnungen nach R. J. Klein WassinkWassink

„„WeichlWeichlööten in der Elektronikten in der Elektronik““ (1992)(1992)

1 2

THD: Through Hole Device(bedrahtete Bauelemente)SMD: Surface Mounted Device(Bauelemente für Oberflächenmontage)

Lot-TiegelVorheizung

Fluxer

Abluft Abluft

Ladestation

Entlade-station

MassenlMassenlöötverfahren tverfahren -- Welle: Welle: Einfachwelle (nur THD), Doppelwelle (auch SMD)Einfachwelle (nur THD), Doppelwelle (auch SMD)

2 x Kontakt mit der Lotschmelze:2 x Kontakt mit der Lotschmelze: Schritte in der LSchritte in der Löötanlagetanlage

11. turbulente . turbulente „„ChipChip““--Welle (SMD)Welle (SMD)

22. ruhige, . ruhige, laminarelaminare Formwelle (THD)Formwelle (THD)

WellenlWellenlöötprofiltprofil

Zeichnungen nach R. J. Klein Zeichnungen nach R. J. Klein WassinkWassink

„„WeichlWeichlööten in der Elektronikten in der Elektronik““ (1992)(1992)

1 2

THD: Through Hole Device(bedrahtete Bauelemente)SMD: Surface Mounted Device(Bauelemente für Oberflächenmontage)

Lot-TiegelVorheizung

Fluxer

Abluft Abluft

Ladestation

Entlade-station

WellenlWellenlööten: ten: SchaumfluxerSchaumfluxer,, SchemaSchema

WellenlWellenlööten:ten:Schemadarstellung Schemadarstellung SprSprüühfluxerhfluxer

SprSprüühfluxerhfluxer dosieren dosieren prprääziser als ziser als SchaumfluxerSchaumfluxer; der ; der Vorratstank ist Vorratstank ist geschlossen, deshalb geschlossen, deshalb nimmt das Flussmittel nimmt das Flussmittel kaum Feuchte aus der kaum Feuchte aus der Luft auf Luft auf

der Prozess ist der Prozess ist stabiler als mit stabiler als mit SchaumfluxerSchaumfluxer

Quelle: ERSA LQuelle: ERSA Lööttechnik GmbHttechnik GmbH

SprSprüühfluxerhfluxer

SprSprüühfluxerhfluxer

sprsprüüht nur ht nur wwäährend einer hrend einer Wegrichtung, Wegrichtung, damit der damit der FluxauftragFluxauftraggleichmgleichmäßäßig ig wird.wird.

LLööten mit einer Doppelwelle: ten mit einer Doppelwelle: Beobachtung der FlussmittelaktivitBeobachtung der Flussmittelaktivitäät unter einer t unter einer wwäärmebestrmebestäändigen Glasplattendigen Glasplatte

bleifreie Wellenlbleifreie Wellenlöötung R0605, Lotbad 265tung R0605, Lotbad 265°°CC

Luft: BrLuft: Brüücken cken Schutzgas:Schutzgas: gutgut

Schutzgas: Stickstoff (NSchutzgas: Stickstoff (N22))


LLööten von ICten von IC--Bauelementen mit einer Doppelwelle: Bauelementen mit einer Doppelwelle: Wellenabriss beim Austauchen aus der WelleWellenabriss beim Austauchen aus der Welle


LLööten von ICten von IC--Bauelementen mit einer Doppelwelle: Bauelementen mit einer Doppelwelle: FlussmittelaktivitFlussmittelaktivitäät in der Wellet in der Welle

HHööhere Anforderung an die Where Anforderung an die Wäärmebestrmebestäändigkeitndigkeitaktiver Bauelemente faktiver Bauelemente füürr bleifreies Wellenlbleifreies Wellenlööten ten seit Mai 2004 teils bis 260seit Mai 2004 teils bis 260°°C qualifiziertC qualifiziert

Quelle: JESD22A111: Mai 2004; Quelle: JESD22A111: Mai 2004; Temperaturen am Bauelement Temperaturen am Bauelement gemessengemessen

JESD22A111 Table 1 Wave solder Simulation ConditionsTest Conditions Reflow Method

Wave Solder Solder DipPreheat Temperature 25 to 140°C 145°CPreheat 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°CSolder Immersion Single Wave Simulation 5 +/- 1 s 5 +/- 1 sTime Dual Wave First Wave: 5 +/- 1 s 10 +/- 1 s

Simulation Second Wave: 10 +/- 1 s

[email protected] Mai 2009STANNOL GmbH 147

Ablegierung statisch von Cu - Draht

T

Ablegierversuch an Drahtproben

Lotbad

KupferdrahtThermometer

[email protected] Mai 2009STANNOL GmbH 148

NEMI Wave board

•Cu THICKNESS AFTER 1STPASS WAVE

•Cu THICKNESS AFTER 11sec•REMOVE +REPLACE PROCESS•(1 STEP)

Cu THICKNESS AFTER REMOVE +SITE DRESS PROCESS

Cu THICKNESSAFTER REMOVE +SITE DRESS + REPLACE PROCESS (3 STEP)

SnAgCu 1stpass wave followed by SnAgCu minipot rework on 60mil thick

bleifreie Wellenlbleifreie Wellenlöötung , SnAg3,5/265tung , SnAg3,5/265°°C, Schutzgas C, Schutzgas SMD (LSMD (Löötseite)tseite)

R0805R0805

QFP44 QFP44 0,8 mm 0,8 mm Raster Raster

StromschieneStromschieneguter Durchstieg guter Durchstieg bei 265bei 265°°CC10 µm Ablegierung bei 265°C

300

200

100

00 60 120 180 240

Zeit [s]0 60 120 180 240

Zeit [s]

Quelle: DIN EN 61760Quelle: DIN EN 61760--11OberflOberfläächenmontagetechnikchenmontagetechnik

Tem

pera

tur

[°C]

180°C

Vorheizung Vorheizu

ng

180°C

LLöötprofile tprofile -- TemperaturTemperatur--ZeitZeit--DiagrammDiagrammDoppelwellenlDoppelwellenlöötenten ReflowlReflowlöötenten

Infrarot, KonvektionInfrarot, Konvektion

220°C 220°C

300

200

100

0

0 60 120 180 240Zeit [s]


Tem

pera

tur

[°C]

Vorheizung Vorheizu

ng

180°C


SnPbSnPb--LotLot Infrarot, KonvektionInfrarot, Konvektion

220°C

0 60 120 180 240Zeit [s]

180°C

220°C

300

200

100

00 60 120 180 240

Zeit [s]0 60 120 180 240

Zeit [s]


Tem

pera

tur

[°C]

180°C

Vorheizung Vorheizu

ng

180°C


Infrarot, KonvektionInfrarot, Konvektion

220°C 220°C

300

200

100

0

0 60 120 180 240Zeit [s]


Tem

pera

tur

[°C]

Vorheizung Vorheizu

ng

180°C


SnPbSnPb--LotLot Infrarot, KonvektionInfrarot, Konvektion

220°C

0 60 120 180 240Zeit [s]

180°C

220°C

SMD auf Leiterplatte gelSMD auf Leiterplatte gelöötet (tet (ReflowReflow))

SMT = SMT = SurfaceSurface Mount TechnologyMount TechnologySMD = SMD = SurfaceSurface Mount Mount DeviceDevice

SMDSMD--Montage mittels Welle bzw. Montage mittels Welle bzw. ReflowReflow

Lea, Colin: A Scientific Guide to Surface Mount Technology. Electrochemical Publications (1988).

Flussmittelauftrag, VorwFlussmittelauftrag, Vorwäärmenrmen

Lotpaste = Lot + FlussmittelLotpaste = Lot + Flussmittel

Welle = Lot + LWelle = Lot + Löötwtwäärmerme

Bestandteile eines Bestandteile eines „„LLöötprofilstprofils““

= Temperatur= Temperatur--ZeitZeit--Verlauf beim OfenlVerlauf beim Ofenlöötenten

Quelle: DIN 8505Quelle: DIN 8505

Tem

pera

tur

Zeit

Aufh

eize

n

Dur

chwär

men

Aufs

chm

elze

n,

Bene

tzen

Erst

arre

n,

Abkü

hlen

Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 4

Liquidus-

Temperatur

Mechanismen des WMechanismen des Wäärmetransportsrmetransports

StrahlungStrahlung

KonvektionKonvektion

LeitungLeitung

WWäärmermeüübergang durch Konvektionbergang durch Konvektion

PP WWäärmestromrmestrom

AA FlFläächeche

TT Temperatur Temperatur

aa WWäärmermeüübergangszahlbergangszahl

Typische Werte nach:Typische Werte nach:M. Wutz, "WM. Wutz, "Wäärmeabfuhr in der Elektronikrmeabfuhr in der Elektronik““

Bei Zwangskonvektion ist die WBei Zwangskonvektion ist die Wäärmermeüübergangszahl bergangszahl αα abhabhäängig ngig

von der Strvon der Ströömungsgeschwindigkeit des Gases.mungsgeschwindigkeit des Gases.

TAP ∆⋅⋅= α

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

20

40

60

80

100

.. 3 .. .... 8 ....... 5 ...Windstärke in Beaufort

Wär

meü

berg

angs

zahl

α in

W m

-2 K

-1

Strömungsgeschwindigkeit v der Luft in m/s

ReflowReflow: Dampfphasenl: Dampfphasenlöötenten

DampfphasenlDampfphasenlöötenten

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.

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.

Siedende Flüssigkeit zur Erzeugung der Dampfdecke

Dampfzone mit 200°C

Quelle: IBL-Löttechnik GmbH /www.ibl-loettechnik.de/

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/

DampfphasenlDampfphasenlöötenten

164

LLöötergebnis einwandfrei tergebnis einwandfrei –– ist das Zielist das Ziel�� Eine Eine Messung mit Messung mit

Thermoelementen Thermoelementen erfassterfasst die die TemperaturTemperatur--ZeitZeit--KurveKurve

�� Einstellung des Einstellung des Prozessfensters Prozessfensters zwischen zwischen LLöötwtwäärmebedarf und rmebedarf und LLöötwtwäärmebestrmebestäändigkeitndigkeit

�� TestboardTestboard, , ffüür dier dieProfilProfil--Messung Messung mit mit Thermoelementen Thermoelementen „„verdrahtetverdrahtet““

�� Thermische Massen zur Thermische Massen zur Simulation einer realen Simulation einer realen BeladungBeladung

Grüne Kurve:SO8 (kleines Bauteil)

Rote Kurve:BGA (massereich)

165

LLöötprofil Dampfphasetprofil Dampfphase

VergleichVergleich

�� EinEin--StufenStufen--ProfilProfil

�� ZweiZwei--StufenStufen--ProfilProfil

Grüne Kurve:SO8 (kleines Bauteil)

Rote Kurve:BGA (massereich)

35% Leistung bis Dampfdecke über Baugruppe geschlossen

80% Leistung 45s, 45s Haltezeit

30% Leistung bis Dampfdecke über Baugruppe geschlossen

HHööhere Anforderung an die Where Anforderung an die Wäärmebestrmebestäändigkeit:ndigkeit:aktive aktive BauelementeBauelemente## ffüürr bleifreies bleifreies ReflowReflowöötentenseit Juli 2004 seit Juli 2004 (Rev. C) teils(Rev. C) teils bis 260bis 260°°C C qualifiziertqualifiziert**

#Quelle: JSTD-020D: Juni 2007; Temperaturen am Bauelement gemessenMSL = Moisture Sensitivity Level

J-STD-020D# bleihaltiger Prozess SnPb eutektisches LotTabelle 4-1 höchste Reflow-Temperatur am GehäuseGehäuse 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-ProzessTabelle 4-2 Reflow-Temperatur zur Gehäuse-Klassifika tionGehäuse Volumen < 350 mm 3 350-2000 mm 3 > 2000 mm 3

Dicke klein groß< 1,6 mm dünn 260 °C 260 °C 260 °C1,6 - 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-075PSL = Process Sensitivity Level

SchemaSchema--Beispiel Beispiel ffüür Peak r Peak ReflowReflowTemperaturen gemessen an verschiedenen Temperaturen gemessen an verschiedenen Stellen an oder neben einem BGAStellen an oder neben einem BGA--BauteilBauteil

mit Bezug aufJEDEC 020D

Quelle: IPCQuelle: IPC--7095B Design and 7095B Design and AssemblyAssembly ProcessProcessImplementationImplementation forfor BGAsBGAs ((MarchMarch 2008)2008)LF = LF = LeadLead--FreeFree

Typische Fertigungsabfolge einer Typische Fertigungsabfolge einer SteckkarteSteckkarte

Schaltplan

SpezifizierungBauelemente

SpezifizierungLot, Lotpaste,

Flussmittel

Design derLeiterplatte

Auslegung derBauelemente

Leiterplatten-herstellung

Bauelement-Herstellung

Lötwerkstoffe

Bestückung Löten

Inspektion,Test,

Nacharbeit,Endmontage

Auslieferung

(Reflow)

Leiterplatte

Bauelemente

Typische Abfolge der Fertigungsstufen einer Steckkarte (nach R. J. Klein Wassink)

(Welle)

Flussmittel-auftrag

Auftrag desSMD-Klebers

Auftrag derLotpaste

Vorrat

Vorrat

Vorrat

Zeit, Temperatur, AtmosphZeit, Temperatur, Atmosph äärere

DelaminationenDelaminationen in ICin IC--Bauelementen nach Stresstest:Bauelementen nach Stresstest:

Leadframe/UmhLeadframe/Umhüüllungllung Die Die AttachAttach

QFP = Quad Flat Pack

DelaminationenDelaminationen in ICin IC--Bauelementen nach Stresstest:Bauelementen nach Stresstest:

Leadframe/UmhLeadframe/Umhüüllungllung Die Die AttachAttach

Ultraschall-Mikroskop-Aufnahmen zur Prüfung der Lötwärmebeständigkeit (Bilder: ZµP/TU Dresden)

Referenz: J-STD-035 Acoustic Microscopy for Nonhermetic Encapsulated Electronic Components

QFP = Quad Flat Pack

Dampfdruck von Wasser Dampfdruck von Wasser in Abhin Abhäängigkeit von der Temperaturngigkeit von der Temperatur

0

10

20

30

40

50

60

70

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur / °C

Dru

ck /

bar

][

47565105,3][ KTebarp

−⋅⋅=

SourceSource: : JJ--STDSTD--020D: Juni 2007020D: Juni 2007; ;

FeuchteFeuchte--EmpfindlichkeitsklasseEmpfindlichkeitsklasse MSL MSL (Moisture Sensitivity Level)(Moisture Sensitivity Level)

Klasse Offenzeit ohne Gefährdung Zeit Umgebung 1 unbegrenzt ≤30°C / 85% rF 22 11 JJaahhrr ≤≤3300°°CC // 6600%% rrFF 2a 4 Wochen - ´´ - 33 116688 hh -- ´́´́ -- 4 72 h - ´´ - 5 48 h - ´´ - 5a 24 h - ´´ - 6 Time on label - ´´ -

Methode:Methode: LLÖÖTEN TEN -- wird anspruchsvollerwird anspruchsvollerEuropa auf dem Wege zu umweltgerechter Elektronik:Europa auf dem Wege zu umweltgerechter Elektronik:2003: WEEE und 2003: WEEE und RoHSRoHS (2005:(2005: EuPEuP; 2007: REACH); 2007: REACH)�� Umsetzung in nationale GesetzgebungUmsetzung in nationale Gesetzgebung

1. 1. WWaste aste EElectricallectrical and and EElectronic lectronic EEquipment (quipment (WEEEWEEE) ) (Richtlinie 2002/96/EG (Richtlinie 2002/96/EG üüber Elektrober Elektro-- und Elektronikund Elektronik--AltgerAltgerääte)te)

2. 2. TheThe RRestrictionestriction oof f thethe UseUse of of CertainCertain HHazardousazardous SSubstancesubstances in in ElectricalElectricaland Electronic Equipment (and Electronic Equipment (RoHSRoHS))(Richtlinie 2002/95/EG zur Beschr(Richtlinie 2002/95/EG zur Beschräänkung der Verwendungnkung der Verwendungbestimmter gefbestimmter gefäährlicher Stoffe in Elektrohrlicher Stoffe in Elektro-- und Elektronikund Elektronik--GerGerääten)ten)

von von RoHSRoHS betroffene Stoffe:betroffene Stoffe:

Blei*Blei*,, Quecksilber, Cadmium, sechswertige Chromverbindungen*, Quecksilber, Cadmium, sechswertige Chromverbindungen*, polybromiertepolybromierte BiphenyleBiphenyle und und DiphenyletherDiphenylether* (Flammhemmer)* (Flammhemmer)

* betrifft insbesondere L* betrifft insbesondere Löötstellen und ltstellen und löötftfäähige Endschichten hige Endschichten von von

Bauteilen und Leiterplatten Bauteilen und Leiterplatten �� hhööhere Lhere Lööttemperatur fttemperatur füür SACr SAC--LoteLote

Grenzwerte 0,1 Gew.% im homogenen Material(Cd 0,01 Gew.%)

SAC = Zinn-Silber-Kupfer z. B. SnAg3,8Cu0,7Schmelzbereich 217-220°C

Schlechtes MultichipSchlechtes Multichip--Modul: Modul: Hier schmilzt die HalbleiterlHier schmilzt die Halbleiterlöötung mit auf!tung mit auf!

UltraschallUltraschall--RastermikroskopieRastermikroskopieSAM = SAM = ScanningScanning AcousticAcoustic MicroscopyMicroscopy

ReflowReflow 245245°°CC��DelaminationDelamination im MCMim MCM

SchliffbildSchliffbild

FocusFocus--Ebene 1Ebene 1

FocusFocus--Ebene 2Ebene 2

Das DieDas Die--Attach Lot ist aufgeschmolzen, Attach Lot ist aufgeschmolzen, Delamination der Vergussmasse Delamination der Vergussmasse von der LPvon der LP--OberfOberfäächeche (rot)(rot)

GasumwGasumwäälzung: 700 m3/h (100%)lzung: 700 m3/h (100%)

Mit dem gesamten DMit dem gesamten Düüsenquerschnitt:senquerschnitt:

Mittlere Gasgeschwindigkeit Mittlere Gasgeschwindigkeit in der Din der Düüse: 18 m/sse: 18 m/s

Strahlaufweitung des turbulenten Strahlaufweitung des turbulenten Gasstroms hinter der DGasstroms hinter der Düüse reduziert die se reduziert die Gasgeschwindigkeit, ca. 0.25 ... 0.5 x.Gasgeschwindigkeit, ca. 0.25 ... 0.5 x.

Quelle: Quelle: VitronicsVitronics SoltecSoltec BVBV

Schematischer Aufbau Schematischer Aufbau einer Konvektionszelle einer Konvektionszelle

Temperaturzonen und Transportgeschwindigkeit Temperaturzonen und Transportgeschwindigkeit im im KonvektionsKonvektions--ReflowsystemReflowsystem (gleiches T(gleiches T--Profil)Profil)

�� 1 1 PeakzonePeakzone, , Unterheizung Unterheizung nur im Peak: nur im Peak: 380 mm/min380 mm/min

�� 2 2 PeakzonenPeakzonen, , Unterheizung Unterheizung in allen Zonen: in allen Zonen: 660 mm/min 660 mm/min

T-Profil MSL-Test small components

VxVx: : VerbesserteVerbesserte WWäärmermeüübertragungbertragung

0

50

100

150

200

250

0 100 200 300 400 500

Zeit [s]

Tem

pera

tur

[°C]

Pea

k 2

Pea

k 1

217°C

dT = 19,5 K

0

50

100

150

200

250

0 100 200 300 400 500

Zeit [s]

Tem

pera

tur

[°C]

Pea

k 1

Pea

k 2

Pea

k 3

217°C

dT = 9,5 K

V8 2-Zonen-Peak Vx 3-Zonen-Peak

�� 3 3 PeakzonenPeakzonen

�� Geringer Abstand DGeringer Abstand Düüsenfelder / Transportebenesenfelder / Transportebene

�� VollstVollstäändige Unterheizungndige Unterheizung

Quelle: Dr. Hans Bell, rehm thermal Systems GmbH

MSLMSL--BelastungsprofilBelastungsprofilGrenzbelastung 260Grenzbelastung 260°°C* auf dem BauelementC* auf dem Bauelement

* konform mit JEDEC 020D

6:30 min.

Beispiel fBeispiel füür ein Lr ein Löötprofil:tprofil:Empfehlung eines LotpastenherstellersEmpfehlung eines Lotpastenherstellers

Empfohlenes, min. Reflow Profil für Cobar No-Clean bleifreie Lotpasten

0

50

100

150

200

250

0 50 100 150 200 250

Zeit (sek.)

Tem

pera

tur

130 sek.

20-140 °C1 °C/sek.

40 sek.

140-160 °C0.5 °C/sek.

35 sek.

160-225 °C2 °C/sek.

Verweilzeit min. 30 sek., max. 60 sek.

Kühlste Stelle min. 225 °Cfür 5 sek.

240

170

150

20

Quelle: Cobar Europe BV

ReflowReflow: Nichtbenetzung / Non : Nichtbenetzung / Non WettingWettingVapourVapour Phase, T=200Phase, T=200°°C, FeC, Fe--Ni Ni LeadLead Frame (Frame (AlloyAlloy 42)42)

1 non fusedpretinning

2 fused pretinning3 fused solder paste

11

22

33

1mm1mm

33

11

99H2-limi_000260

99H2-rem_000036

1. nicht umgeschmolzene Vorverzinnung2. umgeschmolzene Vorverzinnung3. umgeschmolzenes Lotdepot

182

LLöötergebnis einwandfrei tergebnis einwandfrei –– ist das Zielist das Ziel

�� Eine Modellrechnung Eine Modellrechnung soll die Messung nicht soll die Messung nicht ersetzen, sondern ersetzen, sondern ergergäänzen!nzen!

�� z.B. Auswirkung von z.B. Auswirkung von ParametervariationenParametervariationen

�� ISIT ISIT TestboardTestboard, f, füür r die Profildie Profil--Messung Messung „„verdrahtetverdrahtet““ mit mit ThermoelementenThermoelementen

Einstellung der berechneten Einstellung der berechneten MaschinenparameterMaschinenparameter

Abmessungen der AnlageAbmessungen der Anlage

Zonenaufteilung Zonenaufteilung

RehmRehm Compact Compact NitroNitro 2100/802100/80--400400

Einstellwerte:Einstellwerte:Zone 1: 140Zone 1: 140°°CCZone 2: 170Zone 2: 170°°CCZone 3: 190Zone 3: 190°°CCZone 4: 235Zone 4: 235°°CCPeak oben: 255Peak oben: 255°°CCPeak unten: 255Peak unten: 255°°CCTransport: 550mm/minTransport: 550mm/min

Vergleich der Modellrechnung Vergleich der Modellrechnung mit der Temperaturprofilmessung mit der Temperaturprofilmessung

Ergebnis einer Ergebnis einer Modellrechnung fModellrechnung füür die r die KonvektionsKonvektions--LLöötanlage tanlage

RehmRehm Compact Compact NitroNitro 2100/802100/80--400 400

im Vergleich zur im Vergleich zur Messung an einer Messung an einer 1.61.6 mm dicken Leiterplatte mm dicken Leiterplatte (ISIT (ISIT TestboardTestboard)) 0 60 120 180 240 300 360

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

Tem

pera

tur

in °C

Zeit in s

QFP exp. LP exp. QFP sim. LP sim. Gas oben Gas unten

Inspektion einer komplexen ElektronikInspektion einer komplexen Elektronik--Baugruppe: hoher Durchsatz ist gefordertBaugruppe: hoher Durchsatz ist gefordert

ISITISIT--TestleiterplatteTestleiterplatte „„ReworkboardReworkboard““ Rev. 7Rev. 7

Flussmittel bewirkt Flussmittel bewirkt BenetzbarkeitBenetzbarkeit

�� Entfernung der Oxidschichten auf den LEntfernung der Oxidschichten auf den Löötoberfltoberfläächen chen und dem Lotund dem Lot

�� Schutz von LSchutz von Löötoberfltoberfläächen und Lot vor Oxidation chen und Lot vor Oxidation bei Lbei Lööttemperaturttemperatur

�� Traditionell Verwendung von Baumharz (Kolophonium): Traditionell Verwendung von Baumharz (Kolophonium): Hauptbestandteil Hauptbestandteil AbietinsAbietinsääureure ((CC1919HH2929COOHCOOH), ), schmilzt bei 172schmilzt bei 172°°CC

Strukturformel:Strukturformel:

CH3

CH3

CH3 COOH

FlussmittelFlussmittel--WirksamkeitWirksamkeitEinfluss von Temperatur und Zeit (schematisch)Einfluss von Temperatur und Zeit (schematisch)

Tem

pera

tur

Zeit

Obere Wirktemperatur � Zersetzung beginnt

Untere Wirktemperatur Untere Wirktemperatur �� Flussmittel wird aktivFlussmittel wird aktiv

LLöötprozessfenster tprozessfenster

des Flussmittelsdes Flussmittels Temperaturstufen verschiedener

Aktivatorzusätze

Quelle: DIN 8505Quelle: DIN 8505

Reaktion & Oxidation des FlussmittelsReaktion & Oxidation des Flussmittels

Aufschmelzen mild aktivierter Aufschmelzen mild aktivierter LotpasteLotpaste

Einfluss der RestsauerstoffEinfluss der Restsauerstoff--KonzentrationKonzentration



�� Metallurgie der LotwerkstoffeMetallurgie der Lotwerkstoffe�� Metallurgie der BauelementanschlMetallurgie der Bauelementanschlüüssesse�� OberflOberfläächenchen--Metallurgie der LeiterplatteMetallurgie der Leiterplatte�� Bleifreies vs. bleihaltiges HandlBleifreies vs. bleihaltiges Handlöötenten�� Visuelle Bewertung von LVisuelle Bewertung von Löötstellentstellen�� Risiken bei der Kombination verschiedener LoteRisiken bei der Kombination verschiedener Lote�� Maschinelles bleifreies WellenlMaschinelles bleifreies Wellenlöötenten�� SMDSMD--ReflowlReflowlööten bleifreiten bleifrei�� Einige essentielle DesignEinige essentielle Design--Hinweise und Hinweise und --QuellenQuellen

Prozessoptimierung beginnt in der Entwicklung: Prozessoptimierung beginnt in der Entwicklung: AnsAnsäätze der Kostenreduzierung durch tze der Kostenreduzierung durch DfMDfM

Kos

tenr

eduz

ieru

ngK

oste

nred

uzie

rung

frfrüühh Zeitpunkt der BeteiligungZeitpunkt der Beteiligung

VorlVorlääufige ufige StStüücklisteckliste

••GGüünstigste Bauteilverfnstigste Bauteilverfüügbarkeit/gbarkeit/--kostenkosten•• GehGehääuse + Prozess use + Prozess ZuverlZuverläässigkeit/Kostenssigkeit/Kosten•• NRE Werkzeugkosten minimierenNRE Werkzeugkosten minimieren••Anzahl Platten pro Nutzen optimierenAnzahl Platten pro Nutzen optimieren

spspäätt

Bauelemente Bauelemente Footprints/LayoutsFootprints/Layouts

definiertdefiniertVerdrahtung und Verdrahtung und

endgendgüültige Stltige Stüückck--liste definiertliste definiert

Prototypenbau fertigPrototypenbau fertig

••BestBestüückplan: Feineinstellung fckplan: Feineinstellung füür Inspektion, Reparaturr Inspektion, Reparatur••BoardgrBoardgröössesse minimerenminimeren

••Hier werden Hier werden zuszusäätzltzl. Design Revisionen von . Design Revisionen von LochgrLochgröössenssen, , Via Abstand, mechanische Konflikte vermiedenVia Abstand, mechanische Konflikte vermieden

••MMöögliche Probleme vor gliche Probleme vor Serienstart durchspielenSerienstart durchspielen

••Design Design üüberprberprüüfenfen••SystemtestSystemtest--Ausbeute Ausbeute

optimierenoptimieren

DFM = Design for ManufacturingNRE = Non Recoverable Equipment

KonstruktionsKonstruktions--FMEAFMEA

Quelle: Stibirsky, Sack. Advantages of DFM and DFT. future ems, Issue 3, 2000

�� Die Flachbaugruppe reagiert in der Fertigung Die Flachbaugruppe reagiert in der Fertigung elektrisch, thermisch, mechanisch und chemisch!elektrisch, thermisch, mechanisch und chemisch!

�� DfMDfM = fertigungsgerechtes Design f= fertigungsgerechtes Design füür r a) Leiterplatte a) Leiterplatte b) Baugruppenmontageb) Baugruppenmontage

�� Bauelementspezifisches Bauelementspezifisches PadlayoutPadlayout (BE(BE--Kataloge)Kataloge)

�� Problemzonen: Problemzonen: SMDSMD--Kleber, LKleber, Löötschatten, Nutzentrennen tschatten, Nutzentrennen

�� Praktikum fPraktikum füür Entwickler in der Fertigungr Entwickler in der Fertigung

DfMDfM (Design (Design forfor ManufacturingManufacturing):):LayoutLayout--Empfehlungen (akademische TrEmpfehlungen (akademische Trääume?)ume?)

WIRTSCHAFTLICHKEITWIRTSCHAFTLICHKEIT

Vom Vom SchaltungsSchaltungs--entwurfentwurf zur zur Leiterplatte Leiterplatte

Quelle: IPC-2221A (2003)Generic Standard on Printed Board Design

Deutsche Übersetzung FED 2006

Montagedesign

Anordnung und Freistellung der Anordnung und Freistellung der Passmarken (Passmarken (FiducialsFiducials))�� Passmarken auf dem Nutzenrand (Panel Passmarken auf dem Nutzenrand (Panel FiducialsFiducials))

�� drei Passmarken mit grdrei Passmarken mit größößtem Abstand auf der Leiterplatte ftem Abstand auf der Leiterplatte füür r den allgemeinen Bestden allgemeinen Bestüückvorgang (Global ckvorgang (Global Fiducials)Fiducials)

�� Aufpassen, dass die Passmarken nichtAufpassen, dass die Passmarken nichtim Transportrand verschwinden!im Transportrand verschwinden!

Quelle: Quelle: ANSI/IPCANSI/IPC--2221B2221B (2003)(2003)GenericGeneric Standard on Standard on PrintedPrintedBoard DesignBoard Design Fig. 5Fig. 5--66

Anordnung der Passmarken (Anordnung der Passmarken (FiducialsFiducials))

�� drei Passmarken mit grdrei Passmarken mit größößtem Abstand auf der Leiterplatte ftem Abstand auf der Leiterplatte füür den r den allgemeinen Bestallgemeinen Bestüückvorgang (Global ckvorgang (Global FiducialsFiducials))

�� Lokale Passmarken an zwei Ecken von Fine Lokale Passmarken an zwei Ecken von Fine PitchPitch ICs erhICs erhööhen die hen die PrPrääzision des Absetzvorgangszision des Absetzvorgangs

Quelle: Quelle: (links) IPC(links) IPC--SMSM--782782(rechts) SMT(rechts) SMT--Magazine 2000Magazine 2000

Layout WellenlLayout Wellenlööten : ten : VorzugsrichtungVorzugsrichtung ffüür die Anordnung r die Anordnung von BEvon BE

Um niedrige Fehlerraten zu erzielen, ist es beim Wellenlöten erforderlich das Layout der Baugruppe so zu gestalten, daß die Bauelemente in bestimmtenVorzugsrichtungen auf der LP angeordnet werden.

QFP 64 / 0,8mm

QFP sind in der Welle nur dann sicher zuverarbeiten, wenn sie diagonal angeordnetsind. Über große Lotfänger muß das Lotsicher um das BE „herumgeleitet“ werden.

Layout Layout WellenlWellenlöötenten: :

QFPQFP

Quelle:J. Friedrich,

bleifreie Wellenlbleifreie Wellenlöötung , Schutzgas tung , Schutzgas SMD (LSMD (Löötseite)tseite)

QFP44 0,8 mm Raster QFP44 0,8 mm Raster ,,Lotbad 265Lotbad 265°°C C SnAg3,5SnAg3,5

SOT23: Lotbad 245SOT23: Lotbad 245°°C;C;grogroßße & kleine e & kleine PadsPads

SnAg3,8Cu0,7SnAg3,8Cu0,7

Bleifreies WellenlBleifreies Wellenlööten; Lot: SN100C (Snten; Lot: SN100C (Sn--CuCu--Ni)Ni)bei 255bei 255°°CC

2002-macro_002234.jpg2002-macro_002235.jpg

ohne Wohne Wäärmefallenrmefallen mit Wmit Wäärmefallenrmefallen

2002-limi__001864tn64 2002-limi__002014tn64

Quelle: Hamburger LQuelle: Hamburger Löötzirkel tzirkel bleifrei Welle 2bleifrei Welle 2

Layout: MasseanbindungLayout: Masseanbindung

Vollflächige Masseanbindungen fördern den Wärmeabfluß und erschweren den Lotdurchstieg inDurchkontaktierungen

Masseanbindung über Stegeminimieren den Wärmeabfluß und begünstigen den Lotdurchstieg inDurchkontaktierungen

Quelle:J. Friedrich,

WWäärmefallen rmefallen -- wichtig fwichtig füür bleifrei Lr bleifrei Löötenten

Quelle: Quelle: 11 ANSI/IPCANSI/IPC--2221 (1998)2221 (1998)GenericGeneric Standard on Standard on PrintedPrintedBoard DesignBoard Design Fig. 9Fig. 9--4422 Klein Klein WassinkWassink, Weichl, Weichlööten in ten in der Elektronik, 2. Auflage 1992der Elektronik, 2. Auflage 1992

�� Kupferlayout Kupferlayout 11

�� Bauteilgestaltung Bauteilgestaltung 22

Quelle:Quelle:

MaMaßßnahmen gegen Grabsteineffektnahmen gegen Grabsteineffekt

Quelle: Quelle: Klein Klein WassinkWassink 19921992SMT SMT magazinemagazine 19981998

a. Bauteila. Bauteil--LLäängsversatzngsversatz b. b. PadsPads zu grozu großß

OberflächenspannungSchwerkraft

Ya YbDas Verhältnis von Y a / Yb beeinflusst die Entstehung eines Tombstone!

Quelle: Klein Quelle: Klein WassinkWassink, , VerguldVerguld 19951995

Diese Formen Diese Formen sind in der sind in der produktprodukt--spezifischen spezifischen Fertigung zu Fertigung zu erproben; wie erproben; wie prprääzise ist die zise ist die Platzierung?Platzierung?

Philips Philips GuidelinesGuidelines ffüür r PadPad--DesignDesign C 0402C 0402

0402 = 1.000 0402 = 1.000 µµmm

B = C = 500 B = C = 500 µµmm

D = 500 D = 500 µµmm

A = 1.500 A = 1.500 µµmm

Tombstoning =Tombstoning = GrabsteineffektGrabsteineffekt

LLöötstopplack ist nicht unbedingt gleichmtstopplack ist nicht unbedingt gleichmäßäßig dickig dick

LLöötstopplack ist nicht unbedingt gleichmtstopplack ist nicht unbedingt gleichmäßäßig dick ig dick �� das kann zu Grabsteinen oder das kann zu Grabsteinen oder AufliegernAufliegern ffüührenhren

LotpastendruckLotpastendruckteils schlechte Auslteils schlechte Auslöösung, sung, 250250µµm grom großße (kleine) Fenstere (kleine) Fensterööffnungffnung

Druckschablone nach DruckvorgangDruckschablone nach Druckvorgangmit Lotpastenrestenmit Lotpastenresten

MicroviaMicrovia--LeiterplatteLeiterplatte; ; hier: hier: SolderSolder MaskMask DefinedDefined PadsPads (SMD)(SMD)

Schemabild: Schemabild: die SMD die SMD PadsPads nehmen mehr Lotpaste aufnehmen mehr Lotpaste auf

NSMDNSMD--PadsPads SMD SMD PadsPads

AiFAiF--Projekt:Projekt:„„VolumeneffekteVolumeneffekte““

Schablonen Schablonen -- Design: AuslDesign: Auslööseverhaltenseverhalten

Aspect Ratio: W / T > 1,5

Area Ratio: (L x W) / 2 x (L + W) x T > 0,66

W

L

T

Quelle: Quelle: IPC 7525IPC 7525

�� Bilder aus einer Studie des Fraunhoferinstituts Bilder aus einer Studie des Fraunhoferinstituts üüber ber dasdas Elektropolierverfahren bei Fa. Christian KoenenElektropolierverfahren bei Fa. Christian Koenen

ElektropolierverfahrenElektropolierverfahren

PoliertUnpoliert

Auftrag unterschiedlicherAuftrag unterschiedlicherPastenhPastenhööhenhen

Stufenschablone CK-SpezialverfahrenDer Edelstahlrohling wird genau definiert über das Spezialverfahren in den vorgesehenen Bereichen abgetragen und danach im Laser über Passmarken mittels Kamerasystem eingerichtet und weiterverarbeitet

Vorteile

� Schnelle Lieferzeit (2-4 Arbeitstage)

� Genau definierte Materialstärke (+/- 2-3 µm)

� Exakte Padgeometrien und Positionen (+/- 2-3 µm)

� Sanfter Abhang (Rampe) zwischen den verschiedenen Bereichen

� Kein Zwischenschritt über Filmerstellung nötig

� Kostengünstig

� Vertiefungen auf beiden Seiten möglich

SchliffbilderSchliffbilder

�� VergrVergrößößerungsfaktor Mikroskopaufnahme 50erungsfaktor Mikroskopaufnahme 50--fach fach

�� SchablonenstSchablonenstäärke. 200 rke. 200 µµm Basis, um 50 m Basis, um 50 µµm verringert auf 150m verringert auf 150

Schliffbilder: Fa. Mair

MaMaßße zu Designregeln bei Stufenschablonene zu Designregeln bei Stufenschablonen

Quelle: Quelle: Th. Lehmann (Th. Lehmann (KoenenKoenen), PLUS 1/2007), PLUS 1/2007

�� StufenflStufenflääche A x A mind. 5 x 5 mm2 che A x A mind. 5 x 5 mm2

�� Abstand B = Abstand B = PadendePadende –– Stufe mind. 400Stufe mind. 400µµmm

�� Abstand C = Stufe Abstand C = Stufe –– nnäächstes chstes PadPad 400400µµmm

�� Steg D = Abstand zwischen Bauteilen mind. 800Steg D = Abstand zwischen Bauteilen mind. 800µµmm

Empfohlener Empfohlener Minimalabstand Minimalabstand zwischen den zwischen den PadflPadfläächenchen

Quelle: IPCQuelle: IPC--782 (1996)782 (1996)SurfaceSurface Mount DesignMount Design and and Land Pattern Standard 3Land Pattern Standard 3--88

�� 5 mm Abstand 5 mm Abstand von hohen von hohen BauelementenBauelementen(H(Hööhe > 5,7 he > 5,7 mm)mm)

�� 0,6 mm Abstand 0,6 mm Abstand um Testpunke um Testpunke herumherum

Platz fPlatz füür Testpunkter Testpunkte

Quelle: ANSI/IPCQuelle: ANSI/IPC--2221 (1998)2221 (1998)GenericGeneric Standard on Standard on PrintedPrintedBoard DesignBoard Design Fig. 3Fig. 3--22

Testpunkte / Ansetzen der PrTestpunkte / Ansetzen der Prüüfnadelnfnadeln

�� falschfalsch

�� richtigrichtig

Quelle: ANSI/IPCQuelle: ANSI/IPC--2221 (1998)2221 (1998)GenericGeneric Standard on Standard on PrintedPrintedBoard DesignBoard Design Fig. 3Fig. 3--33

Anordnung von ChipkondensatorenAnordnung von Chipkondensatoren

Quelle: Quelle: Chip Chip MonolithicMonolithic CeramicCeramic CapacitorsCapacitors

MurataMurata CatalogCatalog No. C02ENo. C02E--99

Chip parallel zur Chip parallel zur BiegeBiege--Achse Achse anordnenanordnen

ChipChip--Anordnung: Anordnung: A: A: üübelstbelstC: kaum besserC: kaum besserB, D: am bestenB, D: am besten

Quelle: Quelle: TDK Multilayer Ceramic Chip TDK Multilayer Ceramic Chip Capacitors; Application ManualCapacitors; Application Manual

PadPad Design fDesign füür r ChipChip--

kondensatorenkondensatoren (2)(2)

Quelle: Quelle: TDK Multilayer Ceramic Chip TDK Multilayer Ceramic Chip Capacitors; Application ManualCapacitors; Application Manual

Empfehlung:Empfehlung:PadPad schmaler als schmaler als

das Bauteil;das Bauteil;

das seitliche Lot das seitliche Lot beim breiten beim breiten PadPadbelastet das Bauteil belastet das Bauteil zu starkzu stark

PadPad Design fDesign füür r ChipChip--

kondensatorenkondensatoren (1)(1)

Ritzen von Trennkanten: 60Ritzen von Trennkanten: 60°° Flanke erlaubt Flanke erlaubt geringeren Randabstand der Leiterbahngeringeren Randabstand der Leiterbahn

LeiterbildLeiterbild--abstand zu abstand zu NDKNDK--Bohrungen Bohrungen und zur Kontur und zur Kontur mind. 0,5mm; mind. 0,5mm; Leiterbahnen Leiterbahnen und und Bauelemente Bauelemente ddüürfen beim rfen beim Ritzen nicht Ritzen nicht beschbeschäädigt digt werden!werden!

Quelle: Quelle: IPCIPC--SMSM--782782

PreisPreisBAUGRUPPEBAUGRUPPE

KostenKosten

MENSCHMENSCHMASCHINEMASCHINE BedienungBedienung,, TolerToleranzenanzen, , AuswahlAuswahl MATERIALMATERIAL

METHODEMETHODE MITWELTMITWELT

LayoutLayout SubstrateSubstrate

LotauftragLotauftrag Lot, FlussmittelLot, Flussmittel

PlatzierungPlatzierung Anschlüsse

AtmosphäreLLöötprofiltprofil

Reinigung, Reinigung, TestTest

Rückstände SchutzlackAnforderungenAnforderungen

ZUVERLZUVERLÄÄSSIGKEITSSIGKEITLeistungLeistung

LLÖÖTSTELLENTSTELLEN

KleberKleber--AuftragAuftrag

WellenWellen--ParameterParameter

SMDSMD--KleberKleber

KrKräätzetze--BildungBildung

LotbadLotbad--AnreicherungAnreicherung

ZusammenfassungZusammenfassung

�� Standard fStandard füür Weichlr Weichlöötverbindungen sind Sntverbindungen sind Sn--BasisBasis--LoteLote

�� Die metallurgische Anbindung geschieht Die metallurgische Anbindung geschieht üüber eine Grenzschicht ber eine Grenzschicht

intermetallischer Phasen intermetallischer Phasen �� ebenfalls im bleifreien Lebenfalls im bleifreien Löötprozesstprozess

�� Grund fGrund füür die breite Anwendung in der Elektronikfertigung ist die r die breite Anwendung in der Elektronikfertigung ist die

niedrige Prozesstemperatur beim Weichlniedrige Prozesstemperatur beim Weichlöötenten

Die Funktion der LDie Funktion der Löötoberfltoberfläächen ist die Herstellung und die Erhaltung chen ist die Herstellung und die Erhaltung

der der BenetzbarkeitBenetzbarkeit der Lder Löötanschltanschlüüsse im Lsse im Löötprozesstprozess

und:und: Ohne Flussmittel geht es nichtOhne Flussmittel geht es nicht

QuellenangabenQuellenangaben�� Klein Klein WassinkWassink, , R. J.:, WeichlR. J.:, Weichlööten in der Elektronik. Eugen G. ten in der Elektronik. Eugen G. LeuzeLeuze Verlag, Saulgau, 2. Aufl. (1992). Verlag, Saulgau, 2. Aufl. (1992).

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�� Bell, H.:Bell, H.: ReflowlReflowlöötenten -- Grundlagen, Verfahren, Temperaturprofile und LGrundlagen, Verfahren, Temperaturprofile und Löötfehler. Eugen G. tfehler. Eugen G. LeuzeLeuze Verlag, Bad Saulgau Verlag, Bad Saulgau (2005). (2005).

�� Scheel, W. , EdScheel, W. , Ed.: Baugruppentechnologie der Elektronik .: Baugruppentechnologie der Elektronik -- Montage, T. Ahrens, F. W. Wulff: Kapitel 5.1: Diagnostik Montage, T. Ahrens, F. W. Wulff: Kapitel 5.1: Diagnostik elektronischer Baugruppen: Zerstelektronischer Baugruppen: Zerstöörende Prrende Prüüfverfahren. Verlag Technik, Berlin und fverfahren. Verlag Technik, Berlin und LeuzeLeuze Verlag, Saulgau, 1997.Verlag, Saulgau, 1997.

�� EngelmaierEngelmaier, W, W., Fuentes, B.: ., Fuentes, B.: AlloyAlloy 42 42 -- A Material to A Material to bebe AvoidedAvoided forfor SurfaceSurface Mount Mount ComponentComponent LeadsLeads and and LeadLeadFramesFrames. . SolderingSoldering & & SurfaceSurface Mount Technology No. 21 (Mount Technology No. 21 (OctOct 1995) 201995) 20--25.25.

�� Wurst, LWurst, L.: Entwicklung und Bewertung einer Benetzungspr.: Entwicklung und Bewertung einer Benetzungsprüüfung ffung füür die r die ReflowlReflowlööttechnikttechnik. Diplomarbeit FH . Diplomarbeit FH WestkWestküüste, Heide, durchgefste, Heide, durchgefüührt im ISIT, Itzehoe (1999).hrt im ISIT, Itzehoe (1999).

�� Schliffbilder, Benetzungskraftmessungen: Fraunhofer ISIT, ItzehoSchliffbilder, Benetzungskraftmessungen: Fraunhofer ISIT, Itzehoee

�� DIN EN 61760DIN EN 61760--11 OberflOberfläächenmontagetechnik chenmontagetechnik -- Teil 1: Genormtes Verfahren zur Spezifizierung Teil 1: Genormtes Verfahren zur Spezifizierung oberfloberfläächenmontierbarer Bauelemente (SMD) 1998.chenmontierbarer Bauelemente (SMD) 1998.

�� ANSI/JANSI/J--STDSTD--002002. . SolderabilitySolderability teststests forfor componentcomponent leadsleads, , terminationsterminations, , lugslugs, , terminalsterminals and and wireswires (1992)(1992)�� ANSI /JANSI /J--STDSTD--003003 SolderabilitySolderability teststests forfor printedprinted boardsboards (1992)(1992)

JJ--STDSTD--005005 RequirementsRequirements forfor SolderingSoldering PastePaste�� DINDIN--Taschenbuch 196Taschenbuch 196 LLööten ten –– HartlHartlööten, Weichlten, Weichlööten, gedruckte Schaltungen. ten, gedruckte Schaltungen. BeuthBeuth Verlag (1989)Verlag (1989)�� DIN IEC 68 Teil 2DIN IEC 68 Teil 2--2020 Grundlegende UmweltprGrundlegende Umweltprüüfverfahren, Prfverfahren, Prüüfung T: Lfung T: Lööten (1991)ten (1991)�� DIN IEC 68 Teil 2DIN IEC 68 Teil 2--5454 Grundlegende UmweltprGrundlegende Umweltprüüfverfahren Ta: Prfverfahren Ta: Prüüfung der Lfung der Löötbarkeit mit der Benetzungswaage tbarkeit mit der Benetzungswaage

(1988)(1988)

„Bleifrei-Knackpunkte“- Erläuterung der...

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