Bleifreies Handlöten - EE

9. Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg
vom 22.-26 März 2006 in Colonia de Sant Jordi
Bleifreies Handlöten
T. Ahrens, Fraunhofer ISIT, D-25524 Itzehoe
Fraunhoferstraße 1, Tel. 04821 17-4605, Fax -4251
e-mail [email protected]
Certified IPC Trainer,
Mastertrainer für FED Fachverband Elektronik-Design
© T. Ahrens, Fraunhofer ISIT 2005
ISIT Schwerpunkt-Aktivitäten
LEADFREE Trainingslinie
z
z
z
z
z
z
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IC-Technology
Microsystems
Analog-Digital IC
Design
Biotechnical
Systems
Packaging,
Module Integration
Integrated Power
Systems
LEADFREE Trainingslinie
im Fraunhofer ISIT*
www.life-leadfree.de
Pastendruck - Bestücken - Reflowlöten (SMT)
Rework
AOI
Selektiv Welle
Welle (SMT&THT)
Handlöten
OfflineProgrammierung
Dampfphase
Zugang durch Schleuse
*LIFE05 ENV/D/000197
LEADFREE
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Inspektion
Rework
Selektiv Kolben
Rework
Übersicht
z
Metallurgie des Handlötens
z
Probleme mit „bleifrei“
z
Bewertungskriterien zur Prozessoptimierung
z
Erfassung des Prozessfensters
z
Lotlegierungen im Vergleich
z
Innovative Lötwerkzeuge
z
Schlussfolgerungen
z
Literatur
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Bildung der Lötverbindung beim Kolbenlöten
Kolbenspitze (Kupfer)
Eisenschicht: benetzt,
löst sich nur langsam
Bewegungsrichtung
A: Oxidschicht
B: „kochendes“
Flussmittel
C: freiliegende
Metalloberfläche
Lot
Flussmittel
Oxidschicht
Legierungsschicht
Grundmetall
D: Lot reagiert mit
dem Grundmetall
E: wachsende
Legierungsschicht
(intermetallische
Phase)
F: Grundmetall
Quelle:DKI Lehrmittel
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Metallurgie (1): Wann schmilzt das Lot?
Das eutektische Zweistoffsystem Zinn-Blei
Die eutektische Legierung hat
den niedrigsten Schmelzpunkt
(183°C), d. h. auch die niedrigste
Verarbeitungstemperatur und das
beste Formfüllungsvermögen im
P
System
P: Primärdendrit (bleireich) im eutektisch
erstarrten Gefüge (Legierung Sn60 Pb)
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Metallurgie (2): Wann schmilzt das Lot?
Das eutektische Zweistoffsystem Zinn-Silber
Die eutektische Legierung
schmilzt bei 221°C; unter
Zugabe von 0,5-0,7% Kupfer
sinkt die Schmelztemperatur
auf 217°C
Ag
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Sn
Metallurgie (3):
Die Grenzschichtreaktion Kupfer-Zinn
Bei der Benetzung löst sich
ε
Lot
η
Cu
ε
Kupfer im flüssigen Zinn.
Bei Löttemperatur
entstehen an der
Grenzfläche stabile Keime
der intermetallischen
η
227°C
Phasen ε (Cu3Sn) und
η (Cu6Sn5). Blei nimmt an
der Reaktion nicht teil.
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Bleifrei Handlöten – Empfehlungen eines
Bauelementeherstellers (1)
Quelle: Murata Cat.No.C02E-9
Chip Monolithic Ceramic Capacitors
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Folgen erhöhter Arbeitstemperatur / T-Gradienten
Bauteilschädigung
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Folgen erhöhter Arbeitstemperatur / T-Gradienten
Bauteilschädigung
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Folgen zu hoher Arbeitstemperatur
Lift off – natürlich auch bei bleihaltigem Lot!!
HandDetLötung.jpg
Hand0lötung.jpg
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Zu viel Lötwärme führt zum
Abheben der Restringe
Grundregeln für das Löten von Hand
z
s?
s
e
z
o
Pr
Stelle einen guten Wärmekontakt zwischen der Lötspitze und
nder Lötstelle
e
t
her. Dieser gute Kontakt kann nur über das flüssige Lotserzielt
ch werden.
rr
e
z Lass das Flussmittel seine Wirkung an den entsprechenden
Stellen
eh
b
n
verrichten.
e
n
ei Stelle kommen.
Das Flussmittel muss frei auf die zu lötende
r
fü
s
Flussmittel fördert den Wärmeübergang.
u
a
onLötkolben und zu lötender Stelle so lange
z Erhalte den Kontakt zwischen
h
c
s
aufrecht, bis das Lot lgut
n verlaufen ist.
e
g
e
Rsoviel Lot wie notwendig.
z Verwende nur
e
s
e
i
Bei bedrahteten
Anschlüssen sollte die Kontur der Drähte sichtbar bleiben.
d
n
e
h
z Die
ic Bauteile dürfen sich während der Erstarrung nicht bewegen.
e
R
Quelle: Klein Wassink
“Weichlöten in der Elektronik”
Leuze-Verlag (1992)
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Ergebnisse einer NPL-Umfrage
bei 65 UK-Elektronikfertigern
Rework mit schnell nachheizenden Lötspitzen
a) Lötspitzentemperatur
THT
b) Anzahl Lötvorgänge
SMT
SMT
c) zulässige Lötzeit
SMT
Quelle: Wickham, Hunt;
Soldering & SMT (1999)
NPL = National Physical
Laboratory, Teddington, UK
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Quantifizierung der vorhandenen
Lötfertigkeiten: Das Scoring Modell
z
Das Scoring-Modell ist ein Punktwertverfahren, das eine
systematische Auswahl von Alternativen(Objekten) ermöglicht
z
Objekte haben Merkmale, die je nach ihrer Bedeutung
unterschiedlich gewichtet werden. Jedem Merkmal pro Objekt
wird je nach Erfüllungsgrad ein Nutzwert zugeordnet
z
Die Summe der gewichteten Nutzwerte aller Merkmale pro
Objekt ergibt den Summenwert des Objektes.
z
Das Objekt mit dem höchsten Summenwert ist der Favorit
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Scoring ist eine Gruppenaufgabe;
Ermittlung und Gewichtung der Merkmale wird durch
eine heterogene Gruppe objektiviert
Der Prozess kann in sechs Stufen unterteilt werden:
z Definition der Bewertungsgruppe – z. B. Lötergebnis
z Auswahl der Bewertungskriterien (Merkmale)
z Gewichtung der Bewertungskriterien
(Merkmalsgewichtung) – alle gemeinsam;
intuitiv (ausdiskutieren), korrelativ (objektiviert)
z Durchführung der Bewertung - jeder für sich allein
z Auswertung (Mittelwertbildung der Summenwerte)
z Sensitivitätsanalyse
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visuelle Kriterien* zur Bewertung durch
das Fertigungspersonal
z
Die Lötstellenoberfläche soll gleichmäßig und glatt sein
(Glanz ist nicht erforderlich).
z
Das Lot soll von den zu fügenden Teilen aus dünn auslaufen
(kleiner Kontaktwinkel).
z
Die Lötstellenoberfläche soll nicht unterbrochen sein.
z
Die Konturen der gelöteten Teile sollen in der Lötstelle
erkennbar sein.
z
Die Lötstelle muss ausreichend Lot enthalten.
*IPC-A-610 Abnahmekriterien für
elektronische Baugruppen
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Scoring Modell, 2 Beispiele für
quantifizierbare Merkmale
Merkmal i
Nutzwert
0
Lötzeit [s]
Abweichung
in der Lötzeit
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1
2
Gewichtung
gi [%]
t>3
3>t>2
2>t>1
17
s > 0,8
0,8 > s > 0,4
0,4 > s
9
Anwendung des Scoring Modells
z
z
Der Nachteil des Scoring Modells liegt in der
Subjektivität der Auswahl und in der Gewichtung der
Merkmale.
Der Vorteil ist die Einfachheit des Modells, der
fachliche Austausch zwischen den Scoring
Teilnehmern und die verursachte Diskussion
zwischen den Mitgliedern verschiedener
Hierarchiestufen.
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Ermittlung des Prozessfensters
z
z
Löttemperaturen 300°C, 325°C, 350°C und 375°C.
Lötzeiten werden aus Videoaufnahmen ermittelt.
z
Untergrenze des Lötprozessfensters:
Zeitdauer bis zur vollständigen Pad- Benetzung
(100% mit Lot benetzt)
z
Obergrenze des Lötprozessfensters:
Zeitdauer bis zur Fleckenbildung („Measling“, d. h., bis
sich eine weiße Verfärbung auf der Leiterplatte zeigt).
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Verwendete Lotdrähte
SAC
Lotlegierung
SnCuNi
Sn-Ag-Cu
Sn-Cu-Ni
Ni<0,1%
Sn-Cu
Sn-Pb
SnAg3.0Cu0.5
Sn99.3Cu0.7Ni
Sn99Cu1
Sn60Pb40
Schmelztemperatur [°C]
217
(eutektisch)
227
(eutektisch)
227
(eutektisch)
183
(eutektisch)
Drahtdurchmesser [mm]
0,6
0,5
0,7
0,5
Flussmittelanteil
[Gewichts%]
3,4
3,5
1,5
2,5
Merkmale
Zusammensetzung
Fluxtyp
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Alle no-clean halogenfrei
Untergrenze des Lötprozessfensters
5 5,0
4,5
Sn-Ag-Cu
Sn-Cu-Ni
Sn-Cu
Sn-Pb
Zeit in [s]
4 4,0
3,5
3,0
2,5
2 2,0
1,5
1 1,0
0,5
0,0
300
300
© T. Ahrens, Fraunhofer ISIT 2005
325
350
Lötspitzentemperatur in [°C]
375
375
Untergrenze des Lötprozessfensters
- Streuung der Lötzeiten
1,1
g
1,1
1,0
Sn-Ag-Cu
Sn-Cu-Ni
Sn-Cu
Sn-Pb
Zeit in [s]
0,9 0,9
0,8
0,7
0,6
0,5 0,5
0,4
0,3 0,3
300
300
© T. Ahrens, Fraunhofer ISIT 2005
325
350
Lötspitzentemperatur in [°C]
375
375
Obergrenze des Lötprozessfensters
25
Grenzwerte der Fleckenbildung
25
durchschnittliche Lötzeit
unterer Grenzwert
oberer Grenzwert
Standardabweichung
Zeit in [s]
2020
15
1010
55
0
300
300
© T. Ahrens, Fraunhofer ISIT 2005
325
350
Lötspitzentemperatur in [°C]
375
375
Durchstiegszeiten
g
durchschnittliche Durchstiegszeit
Standardabweichung
Untergrenze der Durchstiegszeit
Obergrenze der Durchstiegszeit
4 4,0
3,5
Zeit in [s]
3 3,0
2,5
2,0
1,5
1 1,0
0,5
325
300
350
375
Lötspitzentemperatur in [°C]
375
THT
© T. Ahrens, Fraunhofer ISIT 2005
Prozessfenster im Vergleich nach
Benetzung = Prozessfenster I
Sn-Pb
9
8
8
TL=183°C
6
5
4
TL=227°C
6
5
4
3
3
2
2
1
1
0
0
300
325
350
Sn-Ag-Cu
9
8
300
375
350
375
Kurve A
Kurve B
8
TL=227°C
7
TL=217°C
7
325
Sn-Cu
9
Kurve A
Kurve B
6
6
Zeit in [s]
Zeit in [s]
Kurve A
Kurve B
7
Zeit in [s]
Zeit in [s]
7
Sn-Cu-Ni
9
Kurve A
Kurve B
5
4
3
5
4
3
2
2
1
1
0
0
300
325
© T. Ahrens, Fraunhofer ISIT 2005
350
375
300
325
350
375
Auswirkung auf das Innenleben
300°C
SAC
SnCu
300°C
SnCuNi
SnCu
375°C
SAC 350°C
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SnPb
SnCuNi
375°C
Scoring Modell - Merkmale M e rk m a l i
P u n k tw e rt N
B enetz un gs -
K ü rz e l G e w i c h tu n g
0
1
2
γ > 90°
9 0 °< γ > 4 5 °
γ < = 4 5 ° f ür
g i [ %]
A
17
w in k e l
min .1 L ö ts te lle n
a lle L ö ts te lle n
L ö t z e it
t> 3 s
3< t> 2 s
2< t> 1
B
17
A b w e ic h u n g
σ> 0 , 8
0 , 8 < σ> 0 , 4
σ< 0 , 4
C
9
unter 80%
m in . 8 0 %
100%
D
17
T= > 3 7 5
3 5 0 < = T> 3 2 5
325< = T
E
17
s t a rk
m it t e l
k aum
F
4
ja
-
n e in
G
12
vie le
weni g
k aum
H
7
in d e r L ö t z e it
D u rc h s t ie g
L ö t t e m p e ra t u r [ °C ]
F M - S p rit z e r
z u s ä t z lic h e
F M - V erwe ndu ng
P o re n
T a b e ll e 1 : S c o rin g Ι Ι , M e rk m a le A -H , P u n k t w e rt e u n d G e w ic h t u n g e n
© T. Ahrens, Fraunhofer ISIT 2005
Scoring Modell
- Ergebnisse Löttemperatur=325°C
Löttemperatur=350°C
Summenwert
Summenwert
Objekt k
Objekt k
des Objektes
des Objektes
SnPb
1,72
SnPb
1,72
SnCu
0,81
SnCu
1,15
SnAgCu
1,16
SnAgCu
1,33
SnCuNi
1,06
SnCuNi
1,32
© T. Ahrens, Fraunhofer ISIT 2005
Prozessfenster im Vergleich nach
Schliffen = Prozessfenster II
Sn-Pb
9
8
8
TL=183°C
6
5
4
TL=227°C
6
5
4
3
3
2
2
1
1
0
0
300
325
350
Sn-Ag-Cu
9
8
300
375
350
375
Kurve A
Kurve B
8
TL=227°C
7
TL=217°C
7
325
Sn-Cu
9
Kurve A
Kurve B
6
6
Zeit in [s]
Zeit in [s]
Kurve A
Kurve B
7
Zeit in [s]
Zeit in [s]
7
Sn-Cu-Ni
9
Kurve A
Kurve B
5
4
3
5
4
3
2
2
1
1
0
0
300
325
© T. Ahrens, Fraunhofer ISIT 2005
350
375
300
325
350
375
bleifreie Wellenlötung , SnAg3,5/265°C, Schutzgas
SMD (Lötseite)
R0805
QFP44
0,8 mm
Raster
10 µm Ablegierung bei 265°C
Stromschiene
guter Durchstieg
bei 265°C
hohe Temperatur:
Æ besserer Durchstieg
Æ mehr Ablegierung
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Löten von Litzendrähten:
Ablegierverhalten nach 3x5s Lötzeit
SnPbAg
SnAgCu0,5
Litzendrähte verdrillt
250°C
280°C
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SnAgCu1,3
Das Ablegieren wird durch erhöhten
Kupferanteil im Lot stark vermindert:
260°C, 3x5s
SnPbAg
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SnAgCu0,5
SnAgCu1,3
Beispiel für Lötspitzen-Korrosion
Quelle: ZAVT
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Übersicht über manuelle Lötspitzen
Quelle:
ERSA Löttechnik GmbH
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Handlötwerkzeuge für spezielle Anwendungen
z
Oben: Hohlkehl-Lötspitze zur Pad-Nach- und
Vorbereitung sowie zum Füllen der
Lötverbindungen an Fine-Pitch-Bauelementen
z
links: Heizbare Pinzette zum Greifen und
Auslöten von 0402-Bauelementen; nicht zum
Einlöten verwenden - der Temperaturschock
kann die Keramik zerstören!
Quelle: SMT magazine
© T. Ahrens, Fraunhofer ISIT 2005
Oxidation auf der Lötspitze
Quelle: ZAVT
© T. Ahrens, Fraunhofer ISIT 2005
Bleifrei Handlöten – bekomme ich genügend Wärme
in meine Fügestelle?
z
z
Lötspitze mit hoher thermischer Masse
Lötspitze mit gezielter Kapillarwirkung
© T. Ahrens, Fraunhofer ISIT 2005
Wie verringert man die Oxidation?
¾
¾
Lötspitze für Schutzgas umspülten Lötprozess
Schutzgas geflutetes flüssiges Lotdepot
Quelle: Weller
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Flussmittelauftrag durch Sprühen,
mit Pinsel oder Flussmittelstift
z
z
z
© T. Ahrens, Fraunhofer ISIT 2005
Auch beim Auslötvorgang
Flussmittel verwenden
Verwenden Sie einen
Flussmittelstift zum
selektiven Auftragen von
Flussmitteln.
Flussmittelstift mit
Selektivlötflussmittel
abgestimmt auf die für Ihren
Prozess qualifizierten
Flussmittel
Handlöten mit Schutzgas-umspülter
Lötspitze
1
Vorwärmung um Schutzgasstrom
2
Kontaktierung mit Lot
3
Abkühlphase in Schutzgasatmosphäre
Quelle:
Soldercom GmbH
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Bleifrei Handlöten – Empfehlungen eines
Bauelementeherstellers (2)
z
Früher hieß es:
Kinder betet, Vater lötet
mdl. Überlieferung:
Dr. H. Bell, rehm Anlagenbau
(Ursprung – Zille?)
z
Heute heißt es:
Löten auf eigene Gefahr!
Grafik: Murata Cat.No.C02E-9
Chip Monolithic Ceramic Capacitors
© T. Ahrens, Fraunhofer ISIT 2005
Zusammenfassung:
Bei Verwendung bleifreier Lote sind
z
die Lötzeiten länger
z
die Ergebnisse ungleichmäßiger
z
die Arbeitstemperaturen höher
z
die Flussmittelrückstände & Lötspitzenkorrosion verstärkt.
Deshalb:
Î
Schulungsaktivitäten mit Prozessfähigkeitsanalysen
verbinden (Methodik siehe z. B. „Scoring“)
Î
Oxidation mit Einsatz von Schutzgas reduzieren
Î
neue Werkzeuge evaluieren
© T. Ahrens, Fraunhofer ISIT 2005
Literatur
z
z
z
z
z
z
z
DKI Lehrhilfe Werkstofftechnik Herstellungsverfahren
Klein Wassink ”Weichlöten in der Elektronik” Leuze-Verlag (1992)
IPC-A-610C Abnahmekriterien für elektronische Baugruppen
ESA PSS-01-708 : The manual soldering of high reliability electrical
connections; March 1985
IPC 7711/7721: Rework of Electronic Assemblies & Repair and
Modification of Printed Boards and Electronic Assemblies
Seher Kurnaz, Diplomarbeit Fachhochschule Wedel
Scoring-Prozess: www.resource-people.de/home/praktik/pr_scoring.php
© T. Ahrens, Fraunhofer ISIT 2005