Löten mit Überdruck - 5. Elektronik-Technologie

4. Elektronik-Technologie-Forum-Nord
30. / 31.01.2013
Hamburg
Eröffnungsvortrag
Poren in SMT - Lötstellen
Dr. Sonja Wege
Rolf L. Diehm
1
Daten und Fakten
•
gegründet 1976
•
eigentümergeführt
= Flexibilität und Kreativität für unsere Kunden
•
Hauptsitz und Fertigung in Deutschland
•
Tochtergesellschaften und Offices:
- SEHO North America, Inc.
- SEHO UK Ltd.
- SEHO Office Mexico
- SEHO Office China
- SEHO Office India
•
180 Mitarbeiter weltweit
2
Inhalt des Vortrages
•
Entstehung von Poren
•
Porosität in Lötverbindungen
•
Einflüsse auf die Porenbildung
•
Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit
•
Prozesstechnische Maßnahmen zur Porenreduzierung
•
Löten unter Überdruck
•
Versuche und Lötergebnisse
•
Zusammenfassung
3
Entstehung von Poren
Fehlstellen in Lötverbindungen
Lunker
Benetzungsfehler
Poren
Entstehung durch
Volumenschwund bei
der Erstarrung
Entstehung durch
Behinderung des
Lotflusses
Entstehung durch
sprunghaft
abnehmende
Gaslöslichkeit bei der
Erstarrung
Quelle: Fraunhofer-IZM, OPH
4
Porosität in Lötstellen
Abnahmekriterien der IPC A 610 (Revision E) – BGA-Bauteile
Zulässig – Klasse 1, 2 und 3
 Die Poren belegen 25 % oder weniger von der Fläche einer beliebigen Kugel im
Röntgenbild
Fehler – Klasse 1, 2 und 3
 Die Poren belegen mehr als 25 % der Fläche einer beliebigen Kugel im
Röntgenbild
Vom Design verursachte Poren, z.B. an Microvias in der Anschlussfläche, sind von diesem
Anforderungskriterium ausgeschlossen. In solchen Fällen müssen die Abnahmekriterien
zwischen Hersteller und Anwender vereinbart werden.
Für Lötstellen von SMD-Standardbauteilen existieren noch keine Angaben zur
zulässigen Porosität. Für Anwendungen in Klasse 3 wird teilweise von Firmen ebenfalls
ein Porenanteil unter 25 % oder sogar von 10 – 15 % gefordert (bezogen auf das
Volumen der Lötstelle).
5
Porosität in Lötstellen
Vorgaben der IPC 7095
„Design and Assembly Process Implementation for BGA´s”
Klassifizierung der Voids bezüglich
ihres Auftretens in den Balls
BGA-Bauteile im Ausgangszustand
nach dem Lötprozess
6
Porosität in Lötstellen
Vorgaben der IPC 7095
Definition unterschiedlicher Poren in einer BGA-Lötstelle
1: die größten vorkommenden Voids
2: kleine Voids in der Nähe der Verbindungsflächen
3: rissähnliche Voids – vor allem in bleifreien Loten
4: verursacht durch Microvias in Pads
5: sehr kleine Voids in der intermetallischen Phase,
(meist nach thermischer Alterung)
6: verursacht durch kleinste Löcher in der Kupferoberfläche der Leiterplatte
7
Porosität in Lötstellen
IEC 61191-6
Evaluation criteria for voids in soldered Joints of BGA and LGA
8
Porosität in Lötstellen
Einfluss - Leiterplattendesign
Quelle: FhG-IZM, ZVE
Maßnahme zur
Porenvermeidung:
gefüllte Microvias
Quelle: IPC-7095
9
Porosität in Lötstellen
Abnahmekriterien der IPC A 610 (Revision E) – BTC-Bauteile
10
Porosität in Lötstellen
Abnahmekriterien der IPC A 610 (Revision E) – BTC-Bauteile
•
•
•
•
sichtbar gute Benetzung
Für Bauteile die keine durchgehend lötbare
Oberfläche besitzen, kann an der Spitze keine
Lötstelle ausgebildet werden und somit ist dort
auch keine Benetzung gefordert.
Angaben zur Seitenlänge und Höhe der
Lötstellen sind nicht festgelegt.
Angaben zur Bedeckung der Lötfläche unterhalb
des Bauteils liegen nicht vor.
Die Lotbedeckung der thermal pads ist zwischen
Hersteller und Anwender zu vereinbaren.
Poren in der Kühlfläche sind üblich. Es existieren keine
weiteren Vorgaben zur Porosität in den Lötstellen.
11
Porosität in Lötstellen
Vorgaben der IPC 7093
„Design and Assembly Process Implementation for Bottom Termination
SMT Components“
Lotbedeckung der thermal pads
Die Lotbedeckung muss so sein, dass die geforderte Wärmeableitung gewährleistet
ist.
Normalerweise wird eine Lotbedeckung von 50 % angestrebt. Erst bei einer
Lotbedeckung unterhalb von 50 % ergeben sich größere Einflüsse auf die
Wärmeableitung.
Angaben zur maximal zulässigen Größe der Voids existieren nicht.
12
Porosität in Lötstellen
Bottom Termination Components – Vorgaben der IPC 7093
Die ermittelten Werte gelten beim Vorhandensein kleinerer Voids.
Große Voids sind zu vermeiden. Vorhandene Vias sollten deshalb abgedeckt
werden.
13
Porosität in Lötstellen
Baugruppen für die Leistungselektronik
Quelle: Heraeus
Die Vorgaben der IPC-7093 für die Lotbedeckung gelten nicht für Baugruppen der
Leistungselektronik.
Die hohen Verlustleistungen erfordern andere Kriterien. Die Forderungen liegen
hier im Bereich von ca. 3 %.
14
Porosität in Lötstellen
Bottom Termination Components – Vorgaben der IPC 7093
Lotbedeckung der thermal pads
Quelle: IPC-7093
Die Lotbedeckung der Thermal pads kann durch die Schablonenvariante
beeinflusst werden.
15
Porosität in Lötstellen
16
Porosität in Lötstellen
Inspektion
Zur Beurteilung der Porosität in Lötverbindungen und der Lotbedeckung von
„thernal pads“ ist eine Röntgeninspektion erforderlich
Anwendung:
für die Evaluierung eines Prozesses
in der Start-up-Phase
zur Stichprobenüberwachung bei stabilen Prozessen;
100 %-Prüfung bei sehr hohen Qualitätsanforderungen
an das Produkt und den Prozess
Quelle: Fraunhofer-IZM, OPH
17
Porosität in Lötstellen
Röntgeninspektion – Bestimmung Porenanteil
Einflüsse auf das Ergebnis ergeben sich
durch:
 die gewählte X-Ray-Spannung
 die Kalibrierung der Porengröße zu
Beginn der Messung
 die Qualität der Software
Quelle: Fraunhofer-IZM, OPH
Einfluss der X-Ray-Spannung auf die Porengröße
Quelle: IPC 7095
18
Porosität in Lötstellen
Einflussparameter beim Reflowprozess
•
•
•
•
•
•
•
Metallgehalt
Lotlegierung
Lötatmosphäre
Profil (Linear-, Sattelprofil)
Leiterplattenoberfläche
Lagertemperatur der Lotpaste
Lagerzeit der Lotpaste
Beispiel: Lötergebnisse
gleiche Lotpaste, verschiedene Reflowprofile
Quelle: FhG-IZM, OPH
19
Porosität in Lötstellen
BTC-Bauteile – Einflussparameter Lotpastenmenge
Bei einer optimierten Lotpastenmenge sind
alle Pads vollständig und gleichmäßig mit
Lot bedeckt und die Lötfläche unterhalb des
Bauteils weist nur einen geringen
Porenanteil auf.
Wird zu wenig Lotpaste verwendet sind die
Lötstellen sehr unregelmäßig ausgebildet
und die Lötfläche unterhalb des Bauteiles
zeigt einen hohen Porenanteil.
Quelle: Fraunhofer-IZM, OPH
20
Porosität –Einfluss auf die Zuverlässigkeit
thermomechanische Belastungen:
Der tragfähige Querschnitt der Lötverbindung wird reduziert
 Es kommt zu einer Reduzierung der Zuverlässigkeit.
elektrische Funktion:
Einfluss auf die HF-Eigenschaften
Erhöhung der lokalen Stromdichte
 Wärmeschäden, Elektromigration
thermische Eigenschaften:
Erhöhung des thermischen Widerstandes
 Reduzierung der lokalen Entwärmung, Hot Spots
21
Porosität – Einfluss auf die Zuverlässigkeit
Der Einfluss auf die thermomechanische Zuverlässigkeit ist abhängig von der
Porenanzahl und von der Lage und Größe der Poren.
Liegen die Poren an Stellen, an denen bei Belastung erhöhte Spannungen innerhalb
der Lötverbindungen auftreten, kann die Zuverlässigkeit reduziert werden.
BGA-Bauteile:
Chip-Bauteile:
BTC-Bauteile:
an den Grenzflächen zur
Leiterplatte bzw. zum Bauteil
im Lotspalt zwischen Leiterplatte
und Bauteil
im Lotspalt zwischen Leiterplatte
und Bauteil
22
Porosität – Einfluss auf die Zuverlässigkeit
Einfluss von Poren
auf die Rissbildung
in BGALötverbindungen
nach TW-Belastung
Thermoschockbelastung
–40 bis + 125 °C,
500 Zyklen
Einfluss von Poren auf
die Schädigung der
Lötstellen von
Chipbauteilen
Quelle: Fraunhofer-IZM, OPH
23
Maßnahmen zur Porenreduzierung
Prozesseinflüsse beim Reflowlöten
 gute und schnelle Benetzung der Oberflächen
 Minimierung der Rückstände in der Leiterplatten- und Bauteilmetallisierung
 Lotpasten mit optimierten Eigenschaften (angepasste Lösemittel)
 Optimierung des Schablonen-Layouts (bei flächigen Verbindungen)
 Optimierung des Temperatur-Zeit-Profils
 Optimierung des Leiterplatten-Layouts
Diese Maßnahmen können den Porenanteil verringern. Eine
völlige Vermeidung der Poren ist nicht zu erreichen.
24
Maßnahmen zur Porenreduzierung
Vakuumlöten
Gas-und Flussmitteleinschlüsse werden aus der Verbindung „herausgesaugt“
solange das Lot noch flüssig ist.
Zum Heizen und Kühlen wird eine Infrarotstrahlung oder die Dampfphase genutzt
Konvektion ist nicht möglich.
Beispiel für einen Temperatur / Druck- / Zeit-Verlauf (schematisch)
Quelle: www.ipsen.de
25
Maßnahmen zur Porenreduzierung
Vakuumlöten
Quelle: K. Wilke, Siemens AG
26
Löten unter Überdruck
Verschiedene Betrachtungen zeigten, dass zum Entfernen der Poren auch die
Druckdifferenz zwischen Pore und Umgebung entscheidend ist.
Es sollte deshalb auch möglich sein eine Pore die bei Überdruck entstanden ist bei
Normaldruck zu entfernen.
 Entwicklung einer Reflow-Lötanlage mit einer Konvektionsheizung
im Vorheizbereich und einer Druckkammer im Peakbereich
27
Löten unter Überdruck
erste Testversuche mit einer Laboranlage
großflächige Lötverbindungen auf Basis FR4, chem. Sn
ohne Überdruck
1 bar ab 200 °C
1 bar ab 180 °C
1 bar ab 220 °C
28
Löten unter Überdruck
Überdruck – Reflow – Lötanlage (MaxiReflow HP)
Der Vorheizbereich entspricht einer herkömmlichen Konvektionsanlage und verfügt
über sechs Zonen. Der modifizierte Lötbereich besteht aus einer speziell konstruierten
Druckkammer, kombiniert mit einer Konvektions-Heizzone.
29
Löten mit Überdruck
Die MaxiReflow HP verfügt in jeder Heizzone - auch in der Druckkammer - über
Tangentiallüfter, die mit einem hohen Gasumwälzvolumen für eine absolut homogene
Temperaturverteilung sorgen.
Die Form der Austrittsdüsen und das optimierte Gasführungsprinzip FDS (Flow Dynamic
System) ermöglichen eine hocheffiziente Wärmeübertragung auf die Flachbaugruppen,
so dass mit niedrigen, bauteilschonenden Einstelltemperaturen gearbeitet werden kann.
Mit insgesamt sechs oberen und unteren Heizzonen vor der Druckkammer und zwei
oberen und unteren Heizzonen im Überdruck-Bereich kann vollkommen flexibel auf alle
material- und prozessbedingten Gegebenheiten reagiert werden.
Im temperaturgeregelten Kühlbereich, der aus zwei separat einstellbaren Zonen besteht,
können Kühlgradienten gezielt beeinflusst und die Baugruppen somit stressfrei abgekühlt
werden.
Die Anlage verfügt über separat regelbare Transportsegmente für den Vorheizbereich, die
Druckkammer und die Kühlzone. Damit können die Prozesse individuell optimiert und
Durchsätze maximiert werden.
30
Löten mit Überdruck
Druckkammer und Prozessablauf
Die Druckkammer, ist so aufgebaut, dass die Gaskonvektion zur Baugruppenerwärmung
genutzt werden kann. Dadurch können konventionelle Komponenten verwendet werden
und die Gestaltung üblicher Temperaturprofile ist problemlos möglich. Die Kammer ist bei
einem Gesamtvolumen von 240 Litern für einen Überdruck von max. 4,2 bar ausgelegt.
Der Druckaufbau erfolgt mit Stickstoff und wird über ein Magnetventil gesteuert.
Der Prozess kann so gestaltet werden, dass das Lot beim Einfahren in die erste
Druckzone schon aufgeschmolzen ist oder erst in der Druckkammer die Liquidustemperatur überschritten wird. Vorteil der 2. Variante ist, dass keine Übergabe der Baugruppe mit
aufgeschmolzenem Lot auf ein weiteres Transportsystem erfolgt.
In der ersten Zone der Druckkammer wird das flüssige Lot mit einem Überdruck (max. 4
bar) beaufschlagt. Der Druck wird nach kurzer Zeit ruckartig wieder abgebaut, wodurch
vorhandene Poren aus dem flüssigen Lot verdrängt werden. Mit dem getakteten Transport
wird die Baugruppe anschließend in die zweite Konvektionszone der Druckkammer
gefahren und erneut ein Überdruck aufgebaut. In dieser Zone liegt die eingestellte
Temperatur bereits unter dem Solidus, so dass das Lot unter Druck erstarren kann.
31
Löten mit Überdruck
Prozessablauf schematisch
32
Löten unter Überdruck
gemessenes Temperaturprofil
in einer Lötanlage mit Überdruck
Druck: 2 bar
Unterschreiten der Solidustemperatur
geschieht unter Druck geschieht.
33
Löten unter Überdruck
Merkmale des Verfahrens
 Die Wärmeübertragung erfolgt über Konvektion.
 Die Problematik der Strahlungssysteme ist nicht vorhanden.
 Die Anlage ist sowohl als Druckanlage, aber auch als normale Reflowanlage
nutzbar, d.h. die Peakzone kann im Durchlauf auch als normale Reflowzone
eingesetzt werden.
 Da keine Schleusen notwendig sind liegt keine Höhenbegrenzung für die
Flachbaugruppen vor.
 Da der Dichtbedarf relativ gering ist ist eine einfache, wartungsarme
Abdichtung ausreichend.
 Die Verunreinigung durch Materialabscheidungen ist gering, so dass auch
der Reinigungsbedarf gering ist.
34
Löten unter Überdruck
Merkmale des Verfahrens
 Der Arbeitsbereich liegt bei 1 – 10 bar.




Es ist ein Stufendruck oder Mehrfachdruck möglich.
Der Nutzung von Aktivgasen ist möglich.
Der Lötprozess erfolgt nahezu Spritzer- und Lötperlenfrei
Einschränkungen bei der Verarbeitung spezieller Bauteile (wie z.B. von
Elektrolytkondensatoren) sind nicht vorhanden.
 Auch das Diffusionslöten, das sich als ein Verbindungsprozess für
Baugruppen der Leistungselektronik etabliert, ist mit dem
Überdruckverfahren realisierbar.
35
Versuche und Lötergebnisse
Testboards
Oberfläche: Cu
Bauteil: Bare Die
Bauteilmetallisierung. Ag
Lotpaste: SnAgCu
Oberflächen:
NiP/Au
chemisch Zinn
Cu / OSP
36
Versuche und Löterergebnisse
Versuchsmatrix
Lotpasten:
verschiedene Heraeus-Pasten
SAC 305
F 640, F 680, F 610
Prozessparameter:
ohne Überdruck
mit Überdruck – 1 bar, 3 bar und 5 bar
verschiedene Druckprofile
(ohne Entlüften, Druck ab Peak, Normaldruck ab Peak)
37
Versuche und Lötergebnisse
Lötergebnis ohne Überdruck
Lötergebnis mit Überdruck
38
Versuche und Lötergebnisse
350
3,0
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
Druck
300
2,5
250
2,0
200
1,5
150
1,0
100
0,5
50
0,0
0
Kammerdruck, bar
Temperatur, °C
Heizplatte
-0,5
0
300
600
900
1200
Versuchsdauer, s
Temperatur- und Druckprofil mit dazugehörigem Röntgenbild einer ausgewählten
Lötstelle eines Versuches ohne Überdruck. Der Porenanteil liegt bei etwa 11%.
39
Versuche und Lötergebnisse
350
3,0
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
Druck
300
2,5
250
2,0
200
1,5
150
1,0
100
0,5
50
0,0
0
Kammerdruck, bar
Temperatur, °C
Heizplatte
-0,5
0
300
600
900
1200
Versuchsdauer, s
Temperatur- und Druckprofil mit dazugehörigem Röntgenbild einer ausgewählten
Lötstelle bei dem der Druck von Beginn des Lötprozesses bis nach dem Erstarren
über 1 bar betragen hat („ohne Entlüften“). Der Porenanteil liegt bei etwa 12%.
40
Versuche und Lötergebnisse
350
3,0
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
Druck
300
2,5
250
2,0
200
1,5
150
1,0
100
0,5
50
0,0
0
Kammerdruck, bar
Temperatur, °C
Heizplatte
-0,5
0
300
600
900
1200
Versuchsdauer, s
Temperatur- und Druckprofil mit dazugehörigem Röntgenbild einer ausgewählten
Lötstelle bei dem der Druck nach dem Erreichen der Peaktemperatur auf 1 bar erhöht
wurde („Druck ab Peak“). Nach der Erstarrung wurde der Druck wieder auf
Normaldruck abgesenkt wurde. Der Porenanteil liegt bei unter 10%
41
Versuche und Lötergebnisse
350
Heizplatte
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
Druck
5,5
300
4,5
Temperatur, °C
3,5
200
2,5
150
Kammerdruck, bar
250
1,5
100
0,5
50
0
-0,5
0
300
600
900
1200
Versuchsdauer, s
Temperatur- und Druckprofil mit dazugehörigem Röntgenbild einer ausgewählten
Lötstelle bei dem der Druck von Beginn des Lötprozesses an bis nach dem Erstarren 5
bar betragen hat, aber bei Erreichen der Peaktemperatur kurz auf Normaldruck
abgesenkt wurde. Der Porenanteil liegt bei etwa 1%.
42
Löten unter Überdruck
Porenreduzierung - Potential durch die Prozessführung
VP
Druckprofil 3
ohne Druck
Druckprofil 1
Druckprofil 2
Druckprofil 4
Druckprofil 5
Druckprofil 6
43
Versuche und Lötergebnisse
Zusammenfassende Darstellung der Ergebnisse zum Überdrucklöten mit verschiedenen
Druckprofilen und unterschiedlichen Maximaldrücken. Alle Versuche wurden auf CuOberflächen (Cu/OSP) durchgeführt. Jeder Balken gibt das Ergebnis eines einzelnen
Versuchs wieder.
44
Versuche und Lötergebnisse
Porenanteil von flächigen Lötverbindungen in Abhängigkeit des Druckverlaufes und der
verwendeten Paste. Verwendet wurden drei Pasten von Heraeus, die sich im
Flussmittelsystem unterscheiden.
45
Löten unter Überdruck
Versuche zum Überdrucklöten am IAVT der TU Dresden
Der Einfluss des Überdrucklötens auf den Voidgehalt konnte bestätigt werden.
Normaldruck: 22,4 % Voids
Bauelement:
Fläche:
Dicke:
zus. Metallisierung:
Cu-Plättchen
10x10 mm²
1 mm
keine
Substrat:
Fläche:
Dicke:
zus. Metallisierung:
Cu-Platte
20x20 mm²
1 mm
keine
Lotpaste:
Depotdicke:
Druckverfahren:
SnCu0,7 Typ 3
150µm
Handdruck
Überdrucklöten: 3,8 % Voids
Prozessgas: Stickstoff
T. Zerna, A.Klemm
46
Löten unter Überdruck
Bei Osram wurden Chips auf Panels aufgelötet unter Verwendung
des Überdrucklötens und des Vakuumlötens.
Bezüglich der Porenbildung waren die besten Ergebnisse, die beim
Überdrucklöten erreicht wurden mit den Ergebnissen des Vakuumlötens
vergleichbar.
Beim Überdrucklöten zeigten sich nur im Randbereich um die verlöteten
Chips Spuren von Flussmittelrückständen, beim Vakuumlöten verteilen sich
die Flussmittelrückstände auf der Paneloberfläche und auf den LED-Pads,
was eine Reinigung vor einem anschließenden Bondprozess notwendig
macht.
Zum Nachweis der Serientauglichkeit sind noch weitere Versuche
unter Variation der Druckparameter erforderlich.
47
Löten unter Überdruck
Auswirkungen beim Diffusionslötprozess
Beim Diffusionslöten (Solid-Liquid-Interdiffusion) wird
die niedrig schmelzende Lotschicht, die zwischen
zwei hochschmelzenden Metallschichten oder
Substraten platziert ist, vollständig in intermetallische
Phasen umgewandelt. Die Verbindung besteht dann
ausschließlich aus intermetallischer Phase mit einem
Schmelzpunkt ≥ 400 °C.
Haupteinflussfaktoren im Prozess sind Temperatur und
Zeit.
Erste Versuche mit zusätzlichem Überdruck weisen
darauf hin, dass dadurch der Diffusionslötprozess
positiv beeinflusst wird.
Vorgänge beim Diffusionslöten
schematisch
48
Löten unter Überdruck
Bewertung der Ergebnisse
Die Untersuchungen mit einer Anlage, in der sich ein Überdruck einstellen lässt, haben
gezeigt, dass insbesondere bei großflächigen Lötstellen eine deutliche Porenreduzierung
erzielt werden kann, wenn geeignete Druckvariationen, während das Lot im flüssigen
Zustand ist, vorgenommen werden.
Die Versuche zeigten, dass bereits ein Überdruck von 1 bar einen signifikanten Einfluss
auf die Ausbildung der Poren in flächigen Lötstellen hat. Ein Überdruck von 5 bar kann
bei geeigneter Prozessführung sogar zu einer Porenreduzierung derart führen, dass
weniger als 1% der Fläche mit Poren bedeckt ist.
49
Zusammenfassung
 Poren in Lötverbindungen können zu einer Beeinträchtigung des mechanischen,
elektrischen und thermischen Funktion führen.
 Bei Bauteilen mit Kühlfächen ist eine bestimmte Lotbedeckung notwendig, um
die geforderte Wärmeableitung zu gewährleisten. Deshalb wird, abhängig vom
Anwendungsbereich, häufig eine nahezu porenfreie Flächenlötung angestrebt.
 Im Reflowprozess kann durch prozesstechnische Maßnahmen eine
Porenreduzierung erreicht werden. Eine vollständige Vermeidung von Poren ist
nicht möglich.
 Eine Alternative bietet hier das Vakuumlöten.
 Eine weitere Alternative ist ein neu entwickeltes Verfahren, das mit Überdruck
arbeitet. Hier haben die bisherigen Untersuchungen gezeigt, dass bei
geeigneten Druckvariationen flächige Lötverbindungen mit weniger als 1 %
Porenanteil zu erreichen sind.
50
Fragen ?
51