Baugruppen schonende Reworkprozesse
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Baugruppen schonende Reworkprozesse
2. Elektronik-Technologie-Forum Nord 24.-25. Feb. 2010 2. ElektronikElektronik-TechnologieTechnologie-Forum Nord 24. - 25. Feb. 2010, Hamburg Baugruppen schonende Reworkprozesse Lötprozessoptimierung bei eingeschrä eingeschränktem Prozessfenster unter Berü Berücksichtigung vorhandener Reparaturstandards Helge Schimanski Fraunhoferstr. 1, D-25524 Itzehoe Tel. 04821 17-4639, Fax 04821 17-4250 email: [email protected] internet: http://www.isit.fraunhofer.de Anforderungen an die Ausfü Ausführungsqualitä hrungsqualität von Lötbaugruppen - Teil 5: Nacharbeit, Änderungen und Reparatur von gelö gelöteten elektronischen Baugruppen DIN EN 6119261192-5, Dez. 2007 Heißluft-Nacharbeitsmaschinen Heißgas-Nacharbeitsmaschinen sind Auf-Tisch-Geräte, die einen Strom aus erwärmter Luft bzw. erwärmtem Gas über Düsen oder eine Führungsvorrichtung auf die Anschlüsse des Bauelementes leiten. Sie sind häufig für Bauformen mit zahlreichen Anschlüssen vorgesehen und können sowohl für das erstmalige Löten als auch zur Demontage und Neuplatzierung von Bauelementen eingesetzt werden. Farbabbrennpistolen, Wärmeschrumpfpistolen und Heißluft-Haartrockner sollten nicht verwendet werden. Quelle: DIN EN 6119261192-5, Dez. 2007 H. Schimanski - Baugruppen schonende Reworkprozesse 1 2. Elektronik-Technologie-Forum Nord 24.-25. Feb. 2010 Wie komme ich zu einem Lötprofil? Prozess-Vorgaben festlegen Wie komme ich zu einem Lötprofil? Antworten Profilvorgaben aus Normen Soll-Vorgaben der Materialhersteller (z.B. Lotpaste, Lotdraht) Beschränkungen seitens der Komponentenund Leiterplattenhersteller Durchsatzoptimierung im zulässigen Prozessfenster Temperaturmessung und Prozessqualifikation H. Schimanski - Baugruppen schonende Reworkprozesse 2 2. Elektronik-Technologie-Forum Nord 24.-25. Feb. 2010 Genormtes Temperatur-Zeit-Diagramm am Anschluss, IR-, Konvektionslöten1) 2 x. Ma °C /s Temp. am Anschluss Verfahrensgrenzen: untere (Temp. am Anschluss) Obere (Temp. an der Oberseite) Quelle: DIN EN 6176061760-1 Oberflä Oberflächenmontagetechnik Achtung: Bleifrei kann vieles bedeuten! Hier: Alle Legierungen auß außer SnSn-Pb Legierung Schmelztemperatur 240 „SC“ SC“ SnSn-Ag „SAC“ SAC“ SnSn-AgAg-Bi Sn-Ag-In-Bi (Sn-Bi-Cu Sn-Zn SnSn-Pb Sn-Bi (Sn-In SnCu0,7 (<0,1Ni + x) SnAg3,5 SnAg3,0Cu0,7 SnAg3,5Bi3 SnAg3,5In8Bi0,5 SnBi10Cu0,5 SnZn9(Bi, Al) SnPb37(Ag1) SnBi58 SnIn52 230 220 210 200 190 180 170 227 (eutektisch )* (eutektisch)* 221 (eutektisch )* (eutektisch)* 217 (eutektisch )* (eutektisch)* 206...213** 207** 190...200) 198,5 (eutektisch)** 179.) 179-183 (eutekt (eutekt.) 138 (eutektisch)# 118 (eutektisch)# * EU, USA **Japan #Spezialanwendungen H. Schimanski - Baugruppen schonende Reworkprozesse 3 2. Elektronik-Technologie-Forum Nord 24.-25. Feb. 2010 Beispiel für ein Lötprofil: Empfehlung eines Lotpastenherstellers Quelle: BALVER ZINN Klassifizierungstemperaturen für bleihaltige und bleifreie Lötprozesse J-STD-020D Tabelle 4-1 Gehäuse Volumen Dicke < 2,5 mm dünn >= 2,5 mm dick bleihaltiger Prozess SnPb eutektisches Lot höchste Reflow-Temperatur am Gehäuse 3 3 < 350 mm >= 350 mm klein groß 235 °C 220 °C 220 °C 220 °C J-STD-020D Tabelle 4-2 Gehäuse Volumen Dicke < 1,6 mm dünn 1,6 - 2,5 mm > 2,5 mm dick bleifrei-Prozess Reflow-Temperatur zur Gehäuse-Klassifikation 3 3 3 350-2000 mm > 2000 mm < 350 mm klein ... groß 260 °C 260 °C 260 °C 260 °C 250 °C 245 °C 250 °C 245 °C 245 °C Quelle: JSTDJSTD-020D: Juni 2007; Temperaturen am Bauelement gemessen H. Schimanski - Baugruppen schonende Reworkprozesse 4 2. Elektronik-Technologie-Forum Nord 24.-25. Feb. 2010 „Classification Reflow Profile“ – Pb-Free Assembly 245/250/260°C ≤3°C/sec 30sec 217°C ≤6°C/sec 60-150sec 200°C 150°C 60-120sec ≤8min P: Peak L: Liquidus S: Soak Quelle: JSTDJSTD-020D; Fig. 55-1 Heizen ohne Schä Schädigung: Lötprozessoptimierung im BleifreiBleifrei-ReparaturReparatur-Prozess Forderung: Lötprofil wie im Serienprozess (“Maschinenlöten”) Lötwärmebedarf: Lötwärme ausreichend zur • Aktivierung des Flussmittels • Aufheizung auf Löttemperatur (deutlich über Liquidus) • Erreichung der Löttemperatur nach max. 3-5 Min. Lötwärmebeständigkeit von Bauelement* und Leiterplatte: • Aufheizgeschwindigkeit 2…4°C/s* • Board-Temperatur nicht länger als 4 Min. über 190°C • Ca. 60-90 s über Liquidus, max. 20 (-60) s auf 245°C * Spezifikation des Bauelement-Herstellers beachten! Quelle: IPCIPC-7095B, März 2008 H. Schimanski - Baugruppen schonende Reworkprozesse 5 2. Elektronik-Technologie-Forum Nord 24.-25. Feb. 2010 Heizen ohne Schä Schädigung: Lötprozessoptimierung im BleifreiBleifrei-ReparaturReparatur-Prozess Forderung: Lötprofil wie im Serienprozess (“Maschinenlöten”) Lötwärmebedarf: Lötwärme ausreichend zur • Aktivierung des Flussmittels • Aufheizung auf Löttemperatur (deutlich über Liquidus) • Erreichung der Löttemperatur nach max. 3-5 Min. Lötwärmebeständigkeit von Bauelement* und Leiterplatte: • Aufheizgeschwindigkeit 2…4°C/s* • Board-Temperatur nicht länger als 4 Min. über 190°C • Ca. 60-90 s über Liquidus, max. 20 (-60) s auf 245°C * Spezifikation des Bauelement-Herstellers beachten! Quelle: IPCIPC-7095B, März 2008 Anforderungen an die Ausfü Ausführungsqualitä hrungsqualität von Lötbaugruppen - Teil 5: Nacharbeit, Änderungen und Reparatur von gelö gelöteten elektronischen Baugruppen DIN EN 6119261192-5, Dez. 2007 Trocknen vor dem Bauelementeaustausch (Auszug) Mehrlagenleiterplatten-Baugruppen, die aus dem praktischen Einsatz zurückgeführt oder die für einen Monat oder mehr ungeschützt gelagert wurden, müssen vor der Nacharbeit getrocknet werden … ! Lagerzeit ist zu lang ! Der Trocknungsprozess sollte bei der maximalen Lagerungstemperatur der Baugruppe mit einer geeigneten Dauer durchgeführt werden … Übliche Kombinationen sind 48 h bei 80 °C oder 60 h bei 70 °C Quelle: DIN EN 6119261192-5, Dez. 2007 H. Schimanski - Baugruppen schonende Reworkprozesse 6 2. Elektronik-Technologie-Forum Nord 24.-25. Feb. 2010 Feuchte-Empfindlichkeitsklasse MSL (Moisture Sensitivity Level) Klasse 1 2 2a 3 4 5 5a 6 Offenzeit ohne Gefährdung Zeit Umgebung unbegrenzt ≤30°C / 85% rF 1 Jahr ≤30°C / 60% rF 4 Wochen - ´´ 168 h - ´´ 72 h - ´´ 48 h - ´´ 24 h - ´´ Time on label - ´´ Source: Source: J-STDSTD-020D: Juni 2007 Klasse 6: Vor der Verarbeitung ist tempern obligatorisch Handhabung, Verpackung, Transport und Einsatz feuchtigkeitsfeuchtigkeits-/reflowempfindlicher Bauelemente fü für Oberflä Oberflächenmontage, JJ-STDSTD-033B.1 Leiterplattennacharbeit: Max. Bauteilkörper-Temperatur beliebiger SMD-BE sollte 200°C nicht überschreiten, falls doch muss die LP getrocknet werden BE-Temperaturen müssen oben in der Mitte des Gehäusekörpers gemessen werden Entfernung und Neumontage gemäß IPC-7711/7721 Trocknung der Baugruppe nach Tabelle 4-1 (vorzugsweise 125°C, bei Anwesenheit von temperaturempfindlichen Bauteilen auch niedriger) Ein SMD-Gehäuse darf zu keiner Zeit die Kennwerte seiner Feuchtigkeitsempfindlichkeitsklasse gemäß J-STD-020 überschreiten Quelle: JJ-STDSTD-033B.1 Jan. 2007 H. Schimanski - Baugruppen schonende Reworkprozesse 7 2. Elektronik-Technologie-Forum Nord 24.-25. Feb. 2010 Referenzbedingungen für die Trocknung montierter und unmontierter SMD-Gehäuse Quelle: JJ-STDSTD-033B.1 Jan. 2007 Lötprofilermittlung für den Reworkprozess Methodik Montage von Thermoelementen an mehreren extremen Messpunkten, z. B. innen, auß außen, oben, unten am BGA, ferner an der Leiterplatte Fixierung mittels wenig SMDSMD-Kleber oder KaptonKapton-Klebeband auf der Leiterplatte; Montage mittels kleinster Mengen Wä Wärmeleitpaste am Lötanschluss oder in Durchkontaktierung Separate Betrachtung von OberOber- und Unterheizung; beide Ergebnisse können in erster Nä Näherung addiert werden Einstellung eines Parametersatzes (Zieltemperatur eher zu niedrig wä wählen) Erarbeiten eines Temperaturprofils im Prozessfenster H. Schimanski - Baugruppen schonende Reworkprozesse 8 2. Elektronik-Technologie-Forum Nord 24.-25. Feb. 2010 Lötprofilermittlung für den Reworkprozess Methodik Montage von Thermoelementen an mehreren extremen Messpunkten, z. B. innen, auß außen, oben, unten am BGA, ferner an der Leiterplatte Fixierung mittels wenig SMDSMD-Kleber oder KaptonKapton-Klebeband auf der Leiterplatte; Montage mittels kleinster Mengen Wä Wärmeleitpaste am Lötanschluss oder in Durchkontaktierung Separate Betrachtung von OberOber- und Unterheizung; beide Ergebnisse können in erster Nä Näherung addiert werden Einstellung eines Parametersatzes (Zieltemperatur eher zu niedrig wä wählen) Erarbeiten eines Temperaturprofils im Prozessfenster Mantelthermoelement Lötprofilermittlung für den Reworkprozess Anordnung der Temperaturfühler BGA Top Eckball A1 Ball Mitte Eckball xx Elko Top R0402 H. Schimanski - Baugruppen schonende Reworkprozesse 9 2. Elektronik-Technologie-Forum Nord 24.-25. Feb. 2010 IPC-7095B Design and Assembly Process Implementation for BGAs Quelle: IPCIPC-7095B, März 2008 IPCIPC-7095B Design and Assembly Process Implementation for BGAs Quelle: IPCIPC-7095B, März 2008 H. Schimanski - Baugruppen schonende Reworkprozesse 10 2. Elektronik-Technologie-Forum Nord 24.-25. Feb. 2010 Gemessene Lötprofile im Rework-Prozess Grenzbelastung 245°C auf dem Bauelement bleihaltige Lotpaste bleifreie Lotpaste Sn95.5Ag3.8Cu0.7 Sn62Pb36Ag2 300 300 BGA-Oberseite 219°C* 250 205°C Temperatur [°C] 200 231°C 200 150 BGA-Oberseite 243°C* 245°C 250 150 100 100 auf BGA-Oberseite (max. 219°C) auf LP-Unterseite (max. 202°C) am Lötanschluss aussen (max. 205°C) 50 0 auf BGA-Oberseite (max. 243) am BGA-Lötanschluss innen (max. 231) am BGA-Lötanschluss außen (max. 245) auf LP-Unterseite (max. 239) 50 0 0 60 120 180 240 0 60 120 180 240 300 360 4:30 min. Zeit [sec] Zeit [sec] 3 min. * konform mit JEDEC 020D Gemessenes Lötprofil im Rework-Prozess BGA1517 maximale Temperatur auf dem Bauelement 245° 245°C Lötstelle 226°C BGA-Oberseite 243°C* 5:10 min. * konform mit JEDEC 020D H. Schimanski - Baugruppen schonende Reworkprozesse 11 2. Elektronik-Technologie-Forum Nord 24.-25. Feb. 2010 Gemessenes Lötprofil für Rework-Prozess BGA132 maximale Temperatur auf dem Bauelement 250° 250°C Lötstelle 234°C BGA-Oberseite 247°C* 3:30 min. * konform mit JEDEC 020D MSL-Belastungsprofil maximale Temperatur 260° 260°C* auf dem Bauelement 6:30 min. * konform mit JEDEC 020D H. Schimanski - Baugruppen schonende Reworkprozesse 12 2. Elektronik-Technologie-Forum Nord 24.-25. Feb. 2010 Verifikation der Qualität : Vorgabe z.B. nach IPCIPC-A-610 Optische Inspektion Röntgeninspektion Funktionstest Querschliffanalyse – unbedingt notwendig bei grenzwertigen Lötprozessen Verifikation der Qualitä Qualität, Rö Röntgeninspektion: BGA Lotabfluss in Umsteigerbohrung H. Schimanski - Baugruppen schonende Reworkprozesse 13 2. Elektronik-Technologie-Forum Nord 24.-25. Feb. 2010 Verifikation der Qualitä Qualität, Rö Röntgeninspektion: BGA, Oxidation verhindert Zusammenschmelzen von Ball und Lotpastendepot IPC-A610D Bewertungskriterien für BGA (Auszug) H. Schimanski - Baugruppen schonende Reworkprozesse 14 2. Elektronik-Technologie-Forum Nord 24.-25. Feb. 2010 Verifikation der Qualitä Qualität, Rö Röntgeninspektion: Porengehalt im Röntgenbild größer als 25% kleiner als 25% vor Rework nach Rework Verifikation der Qualität: Querschliffanalyse BGABGA-Lötung in Seitenansicht und im Querschliff 100µm H. Schimanski - Baugruppen schonende Reworkprozesse 15 2. Elektronik-Technologie-Forum Nord 24.-25. Feb. 2010 Zusammenfassung Rework ist als Strategie in Design und Fertigung einzuplanen Die Handhabung von Bauteil und Baugruppe muss auf den Lötprozess abgestimmt sein Verifikation der Qualität (optisch, Röntgen, Querschliffanalyse) ist bei grenzwertigen Prozessparametern unbedingt notwendig Voraussetzung für die Herstellung zuverlässiger Baugruppen (bei eingeschränktem Prozessfenster) sind qualifizierte Prozessoptimierung und reproduzierbarer Prozessablauf Arbeitsziel zur Herstellung zuverlässiger Elektronik ist das Prozessfenster für sicheres Löten H. Schimanski - Baugruppen schonende Reworkprozesse 16