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Elektronikproduktion | 30 November 2009

Bleifrei-Produktion & Herausforderungen bei der Veränderung von Prozessen

Dr. Dongkai Shangguan, VizeprĂ€sident – Advanced Technology beim EMS-Dienstleister Flextronics, schreibt ĂŒber eine bleifreie Produktion und die Probleme, die auftreten können, wenn Prozesse verĂ€ndert werden.

1) Bleifreie Lotlegierungen Im Allgemeinen eignen sich alle Varianten der Zinn-Silber-Kupfer-Lotlegierungen (Sn-Ag-Cu SAC) mit einem Silberanteil von 3,0% bis 4,0% fĂŒr bleifreies Reflow- und Wellenlöten. Der IPC hat in Zusammenarbeit mit Lotherstellern und EMS-Providern (wie z. B. Flextronics) Studien an SMT-Testleiterplatten durchgefĂŒhrt, die zeigten, dass zwischen den unterschiedlichen Legierungsvarianten in Bezug auf Prozessleistung und thermischen Zyklen keine signifikanten Unterschiede bestehen. Wenn der Silbergehalt jedoch deutlich niedriger ist (wie bei SAC105), wird die thermomechanische ZuverlĂ€ssigkeit negativ beeinflusst, da die Mikrostruktur des Lots in der intermetallischen Phase weniger Ag3Sn enthĂ€lt. SAC105 eignet sich daher eher fĂŒr die Lotkugeln (Balls) von BGAs/CSPs bei Mobiltelefonen, wo die ZuverlĂ€ssigkeit bei Falltests kritischer ist, als die ZuverlĂ€ssigkeit bei thermischen Zyklen. Bei weniger kritischen Anforderungen an die ZuverlĂ€ssigkeit ist eine Zinn-Kupfer-Legierung eine brauchbare Alternative fĂŒr das Wellenlöten preissensitiver Produkte. In der Industrie wurden verschiedene Sn-Cu-Legierungen, auch mit ZusĂ€tzen wie Silber (Ag), Nickel (Ni) und weiteren Elementen, untersucht. Neben Kostengesichtspunkten spielen auch ZuverlĂ€ssigkeit, Lochdurchstieg und Lösung des Kupfers (insbesondere beim Reworken bedrahteter Bauelemente) bei der Auswahl einer Legierung fĂŒr das Wellenlöten eine wichtige Rolle. Die Qualifizierung und EinfĂŒhrung einer neuen Lotlegierung fĂŒr die Massenproduktion ist ein so grundlegendes Projekt, dass es industrieweiter Anstrengungen bedarf. Flextronics arbeitet mit mehreren Industriekonsortien zusammen, um verschiedene bleifreie Legierungen fĂŒr Lotpaste, Lotbarren, BGA-Lotkugeln etc. zu untersuchen. Dabei hoffen die beteiligten Unternehmen, eine Legierung zu finden, die sich generell fĂŒr alle Applikationen eignet. 2) KompatibilitĂ€t Zur Zeit des Wechsels der Industrie auf bleifreie SAC-Legierungen fĂŒr BGA-/CSP-Lotkugeln ist Löten mit Zinn-Blei-Legierungen bei verschiedenen Produktkategorien noch weit verbreitet. Das bleifreie SAC-Lot mit seiner Schmelztemperatur von 217 °C wird beim Reflowlöten mit verbleitem Lot und einem Peak-Temperaturbereich von 205 bis 215 °C nicht immer vollstĂ€ndig aufschmelzen. Der Effekt der Selbstzentrierung ist minimal oder findet gar nicht statt. Area Array Packages mit engem Ball-Raster sind davon besonders betroffen. Da die Balls beim Löten nicht kollabieren, wirken sich KoplanaritĂ€tsfehler verstĂ€rkt aus. Die fehlende Durchmischung fĂŒhrt zu stark getrennten Mikrostrukturen, die aus metallurgischer Sicht die HomogenitĂ€t und ZuverlĂ€ssigkeit der Lötstelle beeintrĂ€chtigen und zu verstĂ€rkten Bildung von Fehlstellen (Voids) fĂŒhrt. Flextronics hat umfangreiche Studien durchgefĂŒhrt, um diejenigen Prozessbedingungen zu ermitteln, die zu minimalen Risiken fĂŒhren. Die vollstĂ€ndige Durchmischung des Zinn-Blei-Lots mit dem Ball aus SAC-Legierung ist eine wesentliche Voraussetzung dafĂŒr, dass sich gleichmĂ€ĂŸige, homogene Mikrostrukturen bilden. Unsere Studien haben gezeigt, dass das MassenverhĂ€ltnis zwischen dem Zinn-Blei-Lot und dem SAC-Ball sowie die Löttemperatur im Wesentlichen den Grad der Lösung und Durchmischung bestimmen. Zur Bewertung der ZuverlĂ€ssigkeit mĂŒssen insbesondere die Belastungen der Lötstelle betrachtet werden. Thermische Zyklen fĂŒhren meist zu AusfĂ€llen innerhalb des Lots, dynamisch-mechanische Belastungen hingegen eher zu AusfĂ€llen an der Grenzschicht. Die thermomechanische ZuverlĂ€ssigkeit hĂ€ngt gemĂ€ĂŸ unserer Studien stĂ€rker von der HomogenitĂ€t der Mikrostrukturen ab, als die dynamisch-mechanische ZuverlĂ€ssigkeit bei Schock- oder Fallbelastungen. Verschiedene SAC-Legierungen fĂŒr Lotpaste und BGA-Balls, die in jĂŒngster Zeit auf den Markt kommen, sorgen fĂŒr weitere KompatibilitĂ€ts-Unsicherheiten und werden derzeit aktiv untersucht. 3) Änderungen des Leiterplattenlayouts Es hat sich gezeigt, dass im Bereich der SMD-Technologie beim Wechsel auf bleifreies Löten keine wesentlichen Änderungen bezĂŒglich des Pad-Designs erforderlich sind. Unsere Studien haben z. B. belegt, dass die Faustregel fĂŒr das Pad-Design, die verhindert, dass die Bauelemente beim zweiten Reflowdurchgang herabfallen, auch fĂŒr die Bleifrei-Technologie gelten. Wir haben unsere Design-Regeln auf der Basis umfangreicher, systematischer Versuche erstellt. Aktuell sind bereits alle Design-Regeln auf die Bleifrei-Technologie ausgerichtet. Beim Wellenlöten bedrahteter Bauelemente waren jedoch Änderungen der Design-Regeln erforderlich, um den Prozess an die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften von bleifreien und Zinn-Blei-Loten anzupassen - insbesondere um die Anforderungen an den Lotdurchstieg bei dicken Leiterplatten zu erfĂŒllen. Die grundlegenden Richtlinien wie z. B. die Bauteildrehlage in Bezug auf die Lötrichtung, LotfĂ€nger-Pads etc. gelten weiterhin auch fĂŒr bleifreies Wellenlöten. Es ist generell wichtig, das Leiterplattenlayout zu optimieren. Insbesondere die Verteilung von Bauelementen und KupferflĂ€chen auf der Leiterplatte sollte sorgfĂ€ltig ĂŒberprĂŒft werden, um die Temperaturunterschiede ĂŒber die Leiterplattenbereiche zu minimieren. Insbesondere beim Wellenlöten muss der thermische Effekt von KupferflĂ€chen auf den Lotdurchstieg bei dicken Leiterplatten sorgfĂ€ltig untersucht werden. 4) Pad-Kraterbildung bei Leiterplatten Laminatmaterial fĂŒr Leiterplatten muss bezĂŒglich der Anforderungen der Bleifrei-Technologie qualifiziert werden. Bei Bleifrei-Anwendungen wurde in der Industrie eine verstĂ€rkte Pad-Kraterbildung beobachtet, die mit unterschiedlichen Ausfallmechanismen auftritt. Die Rissbildung zeigt sich an der GrenzflĂ€che, am Pad, durch abgehobenes Pad und durch Rissbildung an Prepregs. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass das Auftreten der Pad-Kraterbildung durch mehrere Faktoren beeinflusst wird. Dazu gehören die Eigenschaften der Lotlegierung, die Lötstoppmaske, die GrĂ¶ĂŸe des BGAs, die Sprödigkeit der Leiterplatte, die Prozessparameter des Reflowlötens und natĂŒrlich die mechanische Belastung der Lötstellen. Um die Probleme der Pad-Kraterbildung zu minimieren wurde lötstoppmaskendefinierte Pads (solder mask defined SMD) und freigestellte Pads (non solder mask defined NSMD) mit einander verglichen und bezĂŒglich unterschiedlicher Belastungssituationen (thermomechanisch gegenĂŒber dynamisch-mechanisch) bewertet. 5) Prozess-Herausforderungen: Lotdurchstieg beim Wellenlöten, Lösung des Kupfers im Bad und fehlendes Verschmelzen des Lots mit dem Ball (head-in-pillow) Aufgrund der OberflĂ€chenspannung bleifreier Lotlegierungen ist der Lotdurchstieg in den Montagelöchern bedrahteter Bauteile schwieriger, als bei Zinn-Blei-Legierungen. Besonders kritisch sind organische OberflĂ€chenpassivierung (OSP) der Leiterplatte, dicke Leiterplatten mit KupferflĂ€chen in Innenlagen (z. B. MasseflĂ€chen), die die WĂ€rme entziehen und/oder Bauelemente mit großer thermischer Masse. Um einen befriedigenden Lotdurchstieg zu erreichen, mĂŒssen LochgrĂ¶ĂŸe, Flussmittel, Schutzgas und das Wellenlöt-Profil gemeinsam optimiert werden. Aktuelle Untersuchungen bei Telcordia und IPC haben sich dieses PhĂ€nomens angenommen und haben fĂŒr OEMs und EMS-Provider entsprechende Richtlinien herausgegeben. Flextronics hat umfangreiche Studien ĂŒber den Einfluss des Lotdurchstiegs auf die ZuverlĂ€ssigkeit durchgefĂŒhrt und die Ergebnisse verschiedenen Industriegremien zur VerfĂŒgung gestellt. Kupfer-Erosion/Lösung ist eine metallurgische Reaktion, bei der Kupfer von der Leiterplatte in zinnreichem, geschmolzenen Lot in Lösung geht. Der höhere Zinnanteil der SAC-Legierungen, die höhere Lottemperatur beim Wellenlöten und die lange Haltezeit beim Reworken bedrahteter Technik haben bei der Bleifrei-Technologie zu verstĂ€rkter Lösung des Kupfers gefĂŒhrt. Die EndoberflĂ€che der Leiterplatte, die Lotlegierung beim Wellenlöten sowie Wellenlöt- und Rework-Parameter (z. B. Temperatur, Zeit, Transportgeschwindigkeit und Lötrichtung) sind die SchlĂŒsselparameter, die es zu optimieren gilt, um die Lösung des Kupfers zu minimieren. Die Ergebnisse unserer Untersuchungen wurden auf mehreren Konferenzen prĂ€sentiert. Der „Head-in-Pillow“-Fehler tritt auf, wenn der Ball des BGAs nicht mit der Lotpaste verschmilzt und dadurch keine metallurgische Verbindung mit der Leiterplatte entsteht. Der Ball „sitzt“ förmlich auf dem Lot der Leiterplatte. Es entsteht ein versteckter Fehler, da die Leiterplattenbaugruppe eventuell alle Produktionstests besteht, aber im Feld mit einem FrĂŒhausfall versagen kann. Unsere Forschungen haben gezeigt, dass dieser Fehler auf eine Vielzahl von Faktoren - hĂ€ufig in Kombination - zurĂŒckzufĂŒhren ist. Die Überlagerung von LP-Verwindung, BGA-Verwindung, BGA-KoplanaritĂ€t und Schwankungen der Lotpastenhöhe können wĂ€hrend des Reflowlötens zu einer LĂŒcke zwischen dem BGA-Ball und der Lotpaste fĂŒhren. Schlechte Lötbarkeit der BGA-Balls, geringe FlussmittelaktivitĂ€t in der Paste (aufgrund geringer thermischer StabilitĂ€t des Flussmittels und/oder geringen Pastenvolumens) können die Probleme weiter verschĂ€rfen. Ein ungleiches Temperaturprofil kann die Situation weiter verschlechtern, wenn dadurch der BGA-Ball und die Lotpaste ihre Schmelztemperatur nicht gleichzeitig erreichen. Der „Head-in-Pillow“-Fehler stellt eine besondere Herausforderung dar, da er schwer zu erkennen und zu vermeiden ist, was ein spezielles Problem bei der Evaluierung einer Lotpaste ist. Flextronics hat umfangreiche Studien zu diesem Thema durchgefĂŒhrt und sich umfassendes Know-how bezĂŒglich dieses wichtigen Themas erarbeitet. 6) ZuverlĂ€ssigkeit bleifreier Lote Die Industrie hat sich durch Grundlagenforschung, beschleunigte Tests und Feldversuche umfangreiches Wissen ĂŒber die ZuverlĂ€ssigkeit bleifreier Lote verschiedener Legierungen auf Bauteilen, Leiterplatten und Lötstellen erarbeitet. Wir mussten feststellen, dass die ZuverlĂ€ssigkeit bleifreier Lote ein sehr komplexes Feld ist, wenn man unterschiedliche Belastungsarten (thermomechanisch, dynamisch-mechanisch, elektrochemisch etc.) sowie unterschiedliche Belastungswerte (z. B. hohe/niedrige Stresswerte fĂŒr thermische Zyklen) betrachtet. Daher ist die Definition und Interpretation von beschleunigten Testverfahren Ă€ußerst kompliziert und muss methodisch und umsichtig gehandhabt werden. Eine umfassende Übersicht zu diesem Thema habe ich in meinem Buch „Lead-Free Solder Interconnect Reliability“ [ZuverlĂ€ssigkeit bleifreier Lötverbindungen] veröffentlicht. Prozesskontrolle beim Einsatz neuester Technologien Fortschreitende Miniaturisierung und Erhöhung der Funktionsdichte bilden zusammen mit UmweltvertrĂ€glichkeit, kurzer Entwicklungszeit, niedrigen Kosten und hoher ZuverlĂ€ssigkeit die fĂŒhrenden Trends bei Elektronik-Produkten. Die Nachfrage nach kleineren und leichteren Produkten (oder erweiterter FunktionalitĂ€t bei gleicher BaugrĂ¶ĂŸe) ist die treibende Kraft fĂŒr den Einsatz von 01005 und 0201 Chips, Finepitch QFPs (0,3 – 0,4 mm), SMT-Steckverbindern, Finepitch CSPs (0,3 – 0,4 mm), Flip-Chips und COBs sowie geringeren AbstĂ€nden (< 0,2 mm/8 mil) zwischen Bauelementen. Der Einsatz bleifreier Löttechnologie macht die Herausforderungen nicht geringer. Dazu kommt noch die Technologie der Leiterplatten mit integrierten Bauelementen. Diese Techniken befinden sich bei Flextronics in unterschiedlichen Stufen der Entwicklung und Anwendung, um unseren Kunden wettbewerbsfĂ€hige Lösungen anbieten zu können. Inline Package-on-Package (PoP) ist eine Technologie, die bei Flextronics 2002 entwickelt wurde und bei Flextronics China 2003 bereits in der Massenproduktion eingesetzt wurde. PoP eröffnet einen neuen Weg zu weiterer Miniaturisierung und Erhöhung der Funktionsdichte bei Leiterplattenbaugruppen. Innerhalb des ProduktgehĂ€uses kann der verfĂŒgbare Platz vollstĂ€ndig ausgenutzt werden. Diese Aufbautechnik ermöglicht konfigurierbare Baugruppen und fĂŒhrt zu grĂ¶ĂŸerer FlexibilitĂ€t innerhalb der Wertschöpfungskette: kĂŒrzere Entwicklungszeiten und besseres Management der Produktionsausbeute. Die Technologie ist seitdem in der Industrie Ă€ußerst populĂ€r geworden und hat die Serienproduktion von 3G Handheld-Produkten erst ermöglicht. KĂŒnftig werden diese Verfahren zur Miniaturisierung auch bei großformatigen Leiterplatten zum Einsatz kommen: entweder fĂŒr „lokale Funktionsdichten“ oder aus GrĂŒnden der elektrischen LeistungsfĂ€higkeit. Gleichzeitig haben wir auch an der Verbesserung der technischen Möglichkeiten fĂŒr großformatige Leiterplatten mit großen, hochpoligen Array-Bauelementen und Steckverbindern sowie Backplanes fĂŒr Telecom- und Computing-Anwendungen gearbeitet. Um Baugruppen in diesen neuen Technologien komplett fertigen zu können, bedarf es methodischer Optimierungen zahlreicher Produktionsaspekte. Sie beginnen mit dem Pad-Design der Leiterplatte, der Schablonentechnologie, dem Design der Schablonenöffnungen, der Auswahl der Lotlegierung, der Pastenevaluierung und dem Druckprozess. Bauelemente mĂŒssen spezifiziert werden, BestĂŒckmaschinen evaluiert werden und Reflowprofile und die AtmosphĂ€re mĂŒssen definiert werden. AOI-Maschinen sind zu evaluieren, der Rework-Prozess muss definiert werden, ZuverlĂ€ssigkeitstests sind zu definieren und durchzufĂŒhren etc. Seit vielen Jahren fĂŒhrt Flextronics ein „Werksqualifizierungs-Programm“ durch, das sicherstellt, dass die ProduktionsstĂ€tten weltweit diese hochentwickelten Fertigungsprozesse beherrschen. ----- Autor: Dr. Dongkai Shangguan, VizeprĂ€sident – Advanced Technology, Flextronics
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