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© HTV Halbleiter Test Vertriebs GmbH Komponenten | 19 Februar 2021

Langzeitlagerung als Herausforderung im Rahmen eines strategischen Obsoleszenzmangements

Die aktuellen weltweiten Krisen führen auch auf dem Halbleitermarkt zu immer mehr Verwerfungen. Halbleiterhersteller konsolidieren ihre Produktlinien oder fusionieren zu immer größeren Konzernen.

Eine stark steigende Anzahl der im Portfolio vorhandenen Komponenten wird daher oft kurzfristig abgekündigt und ist nicht mehr am Markt verfügbar. Dies ist in der Industrie insbesondere für Hersteller von langlebigen oder zertifizierten Produkten ein riesiges, auch existenzielles Problem. Im Rahmen eines strategischen Obsoleszenzmanagements ist es daher besonders wichtig, mittels geeigneter Tools oder durch Inanspruchnahme entsprechender Recherche-Dienstleistungen eine regelmäßige Überwachung der Produktstücklisten durchzuführen. Dadurch verschafft man sich Handlungsspielraum für ein Redesign der Baugruppe oder für einen Life-Time-Buy, d.h. der Beschaffung von Bauteilen für die Restzeit, die ein Produkt am Markt verkauft werden soll. Eine Kombination der bei HTV verwendeten unterschiedlichen Datenbanken, ermöglicht dem Auftraggeber einen breiten und belastbaren Überblick über die Verfügbarkeitssituation und zeigt Alternativen auf. Infokasten: Extrem wichtig für eine strategische Obsoleszenzplanung ist eine detaillierte Stücklistenanalyse, da oftmals mehrere Bauteile auf einer Baugruppe ein nicht zu vernachlässigendes Obsoleszenzrisiko haben! Da ein Redesign der Elektronikbaugruppen sehroft aufgrund des damit verbundenen Aufwandes und der dann möglicherweise fälligen Neuzulassungen wie z.B. im Bereich der Medizintechnik nicht in Frage kommt, ist die Resteindeckung mit den abgekündigten Bauteilen und die anschließende Einlagerung das Mittel der Wahl. Doch die Einlagerung von LTB-Teilen birgt nicht zu unterschätzende Risiken, da nur ein qualifiziertes, speziell auf die Komponente zugeschnittenes Lagerungskonzept die Funktionalität und Verarbeitbarkeit nach einer Lagerungszeit von mehreren Jahren oder Jahrzehnten sicherstellt. Risiken bei der Langzeitlagerung elektronischer Komponenten Zur Beurteilung der Risiken für die Langzeitlagerung muss zunächst im Vorfeld der aktuelle Gesamtzustand der zu lagernden Komponenten erfasst werden. Dabei ist zu ermitteln, ob die Bauteile mechanisch und elektrisch einwandfrei sind und welche Risiken während der Lagerung zu erwarten sind, bzw. ob die Komponenten überhaupt für eine Lagerung geeignet sind. Verschiedenste Alterungsprozesse können bereits bei normaler Lagerung aber auch unter Stickstoffatmosphäre (Stickstoff-Dry-Pack) innerhalb von zwei Jahren die Funktionalität (z. B. durch Daten- und Kapazitätsverluste, Leckströme) und Verarbeitbarkeit (z.B. im Löt-oder Crimp-Prozess) elektronischer Komponenten maßgeblich beeinträchtigen. Wesentliche Alterungsprozesse sind:
  • Diffusionsprozesse (Anschlüsse und Halbleiterchip)
  • Alterung durch Feuchte und Sauerstoff (Korrosion und Oxidation)
  • Alterung durch Schadstoffe
  • Whiskerbildung
  • Zinnpest
  • Delamination
  • Versprödung
Vielfach ist die Meinung verbreitet, eine Lagerung in Stickstoff-Atmosphäre stoppe die Alterungsprozesse. Das ist falsch! Durch Stickstoff wird ausschließlich die Oxidation reduziert, die nur ein sehr kleiner Bestandteil sämtlicher zu berücksichtigender Alterungsprozesse darstellt. In den sogenannten Stickstoff-Drypacks, die oftmals für eine Langzeitlagerung verwendet werden, findet man bei einem Standardverpackungsprozess zudem immer noch einen Sauerstoffanteil im Prozentbereich. Dementsprechend ist sogar die Wirkung der verminderten Oxidation fraglich. Abbildung1: Bei der Lagerung nach TAB ist nahezu kein intermetallisches Phasenwachstum (Diffusionsprozess) feststellbar Die relevanten Alterungsprozesse, wie z.B. die Diffusions- oder auch Korrosionsprozesse durch ausgasende Schadstoffe, werden hierbei in keiner Weise reduziert! Reduzierung der relevanten Alterungsprozesse durch das Langzeitkonservierungsverfahren TAB Zur Lösung der Problematik, dass Bauteile während der Lagerung auf vielfache Weise altern, hat die Firma HTV Halbleiter-Test & Vertriebs-GmbH aus Bensheim mit TAB (Thermisch-Absorptive-Begasung) ein Verfahren entwickelt, um die Langzeitverfügbarkeit elektronischer Komponenten mit der erforderlichen Qualität sicherzustellen. Als komplexe Kombination unterschiedlichster Methoden vermeidet bzw. verringert dieses einzigartige Verfahren im Gegensatz zur herkömmlichen Lagerung in Stickstoff Dry-Packs oder Korrosionsschutz-Folien nahezu alle relevanten Alterungsfaktoren elektronischer Komponenten. TAB ermöglicht es, elektronische Komponenten wie z. B. Bauteile, Baugruppen, Displays sowie Wafer und DIEs bei vollem Erhalt der Verarbeitbarkeit und Funktionalität für bis zu 50 Jahre einzulagern. Die drastische Reduktion der Alterung wird dabei im Wesentlichen durch 3 Faktoren erreicht:
  • Zunächst wird durch gezielte individuelle Temperaturreduktion die Schwelle der Aktivierungsenergie drastisch erhöht. Chemische Reaktionen laufen dementsprechend gar nicht oder nur sehr langsam ab. Dadurch werden viele der inneren (auf dem Halbleiterchip) und äußeren Alterungsprozesse nahezu gestoppt, wie es z.B. am Wachstum der intermetallischen Phase (Diffusion am Bauteilanschluss) zwischen dem Kupfer aus dem Inneren des Bauteilpins in das Zinn der Pinoberfläche deutlich gezeigt werden kann. Die jahrzehntelange Forschung und abgestimmte Verfahren ermöglichen es dabei, kritische Nebeneffekte, wie z. B. die Zinnpest, auszuschließen. Die Lagerung insbesondere bei tiefen Temperaturen erfordert eine genaue Kenntnis der Umwandlungsprozesse, um durch geeignete Einstellung der Lagerungsparameter und zugehörige Überwachungsstrategien eine Umwandlung zu verhindern.
  • Der zweite wesentliche Faktor ist ein von HTV entwickeltes System aus speziellen Funktionsfolien und individuell zusammengestellten komponentenspezifischen Absorptionsmaterialien. Dieses bewirkt die Absorption organischer und anorganischer Schadstoffe, die aus den elektronischen Komponenten ausgasen oder von außen in die Verpackungen diffundieren.
  • Der dritte Faktor ist ein spezieller konservierender Gascocktail, welcher die zu lagernden Komponenten umspült und Korrosionsprozessen entgegenwirkt. Zudem werden Feuchtigkeit, Sauerstoff und Gaszusammensetzung kontrolliert und auf das Produkt angepasst eingestellt, so dass eine Alterung bestmöglich reduziert ist.
Entscheidend für den Erfolg der Langzeitkonservierung sind dabei ausgeklügelte umfangreiche Überwachungs- und Analysestrategien, die sicherstellen, dass die Qualität und der Zustand der Ware für viele Jahre und Jahrzehnte nahezu unverändert bleibt. Basis hierfür ist ein kontinuierlich wachsender Bestand an hochsensitiven Analysesystemen, die Veränderungen der Ware bereits im Anfangsstadium erkennen. Ein weiteres, oftmals nicht berücksichtigtes, aber wesentliches Risiko bei der Langzeitlagerung ist die physikalische Sicherheit der Komponenten. Insbesondere Feuer ist eine sehr ernstzunehmende Gefahr, deren Auftrittswahrscheinlichkeit bei Lagerdauern von mehreren Jahrzehnten nicht unerheblich ist. Dementsprechend ist bei TAB die Lagerung in Hochsicherheitsgebäuden ein wesentlicher Bestandteil und stellt neben optimierten Lagerungsbedingungen auch den Schutz vor Brand, Diebstahl und Naturkatastrophen sicher. Der Artikel geht nach der Tabelle weiter. Abbildung2: Vergleich der Lagerverfahren Fazit Mithilfe von TAB können die Risiken bei der Einlagerung elektronischer Komponenten beherrscht werden, indem, im Gegensatz zur herkömmlichen Lagerung in Stickstoff Dry-Packs oder Korrosionsschutz-Folien, alle relevanten Alterungsprozesse elektronischer Komponenten extrem reduziert oder sogar verhindert werden. Elektronische Komponenten wie z. B. Bauteile, Baugruppen, Displays oder ganze Geräte können so bei vollem Erhalt der Verarbeitbarkeit und Funktionalität für bis zu 50 Jahre eingelagert werden. Mittels professioneller Stücklistenanalysen werden dabei im Vorfeld die entscheidenden Obsoleszenzkandidaten ermittelt! Abkündigungen von Komponenten verlieren damit ihre Brisanz und Produktlebenszyklen können signifikant verlängert werden.
Autor: Dipl. Ing. (TU) Holger Krumme, Managing-Director – Technical Operations, © HTV Halbleiter Test & Vertriebs-GmbH[ib][/ib]
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