Trainalytics GmbH, Erwitter Str. 105, 59557 Lippstadt, Tel. 02941 270 161, Fax 02941 270 179, [email protected], www.trainalytics.de „Bleifrei-Knackpunkte“ - Erläuterung der Löttechnologien Die Umstellung der Lötprozesse im ZE auf bleifreie Lotwerkstoffe zum 1. Januar 2010 Montag, 14.Dezember 2009, 9:00 bis 13:00 Uhr im Hörsaal [email protected]Dr.-Ing. Thomas Ahrens FED-Mastertrainer für IPC-A-610
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„Bleifrei-Knackpunkte“- Erläuterung der Löttechnologienze.desy.de/sites2009/site_ze/content/e69529/e69554/e69611/infobox... · SMD -Kondensator „Floating Electrodes “zur
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01.01.2009 Aufnahme GeschäftsbetriebFirmensitz: LippstadtBeschäftigte: 10 Mitarbeiter/innenMission: Dienstleistung für ElektronikproduzentenVision: Labor zur Zertifizierung von
�� Einige essentielle DesignEinige essentielle Design--Hinweise und Hinweise und --QuellenQuellen
Was ist WeichlWas ist Weichlöötenten
�� WeichlWeichlööten ist eine ten ist eine
Methode zur Herstellung einer stoffschlMethode zur Herstellung einer stoffschlüüssigen Bindungssigen Bindung
�� Definition nach Norm (DIN 8505): Definition nach Norm (DIN 8505):
Die Die LiquidusLiquidus--TemperaturTemperatur von Weichloten liegt unter 450von Weichloten liegt unter 450°°CC
�� Ablauf: LAblauf: Löötgut positionieren, Lot schmelzen, tgut positionieren, Lot schmelzen, LLöötoberfltoberfläächen benetzen und Lchen benetzen und Löötspalt ftspalt füüllen, abkllen, abküühlen hlen und Lot erstarren lassenund Lot erstarren lassen
�� ÜÜberwiegend werden zinnhaltige bzw. Zinnberwiegend werden zinnhaltige bzw. Zinn--Basislote Basislote verwendetverwendet
WeichlWeichlöötverbindungen sind mechanisch nicht belastbar!tverbindungen sind mechanisch nicht belastbar!
Vom Kupfer, und dessen Vom Kupfer, und dessen LotheLothe
§§. 95. 2. Das . 95. 2. Das LothLoth, womit die Kupferschmiede , womit die Kupferschmiede
die kupferne Sachen die kupferne Sachen llööthenthen ist ist zweyerleizweyerlei: :
Das eine heiDas eine heißßt bei ihnen t bei ihnen HartlothHartloth oder oder
SchlaglothSchlagloth und das andere wird und das andere wird WeichlothWeichloth
genennetgenennet und dieses haben sie mit den und dieses haben sie mit den
Klempnern, Klempnern, FlFlääschnernschnern etc. gemein.etc. gemein.
Quelle: AusfQuelle: Ausfüührliche Beschreibung der hrliche Beschreibung der MetalllotheMetalllothe und und LLööthungenthungen, , von Johann Georg Friedrich Klein. Berlin, 1760von Johann Georg Friedrich Klein. Berlin, 1760
FormfFormfüüllungsvermllungsvermöögen: Lotspaltbreite gen: Lotspaltbreite beim Weichlbeim Weichlööten in der Elektronikten in der Elektronik
� THT „Through Hole Technology“
= Durchsteck-Montagetechnik
� Lochdurchmesser-Stiftdurchmesser
= 0,2mm bis 0,4mm
� Spaltbreite 0,1mm bis 0,2mm
� SMT „Surface Mount Technology“
= Oberflächen-Montagetechnik
� Schichtstärke Lotpastenauftrag
= 0,12mm bis 0,15mm
� Spaltbreite 0,05mm bis 0,1mm
Lotspaltbreite beim FlammlLotspaltbreite beim Flammlööten (ten (HartlHartlööten)ten)�� äähnlichehnliche Werte beim WeichlWerte beim Weichlööten in der Elektronikten in der Elektronik
Vom Kupfer, und dessen Vom Kupfer, und dessen LotheLothe
§§. . 99.99. BB.. Das Das Weicheloth derWeicheloth der Kupferschmiede Kupferschmiede welche sie mit welche sie mit
den Klempnern und Flden Klempnern und Flääschnern etc. gemein haben, womit schnern etc. gemein haben, womit
sie die Dsie die Düüllen in die Theekessel und dergleichen einllen in die Theekessel und dergleichen ein-- und und
kleine Lkleine Lööcher in verzinnter alter Kupfercher in verzinnter alter Kupfer-- und Meund Meßßingarbeit ingarbeit
zu lzu lööthen, wird also gemacht: Man nimmt etwa 2 Theile then, wird also gemacht: Man nimmt etwa 2 Theile
Zinn und einen Theil Bley, schmelzet solches in einer Zinn und einen Theil Bley, schmelzet solches in einer
GieGießßkelle oder eisernen Schaale oder Pfanne zusammen kelle oder eisernen Schaale oder Pfanne zusammen
und gieund gießßt es zu einer Stange, so ist es zu Gebrauch fertig.t es zu einer Stange, so ist es zu Gebrauch fertig.
Quelle: AusfQuelle: Ausfüührliche Beschreibung der hrliche Beschreibung der MetalllotheMetalllothe und und LLööthungenthungen, , von Johann Georg Friedrich Klein. Berlin, 1760von Johann Georg Friedrich Klein. Berlin, 1760
Metallurgie (1): Wann schmilzt das Lot? Metallurgie (1): Wann schmilzt das Lot? Das Das eutektischeeutektische Zweistoffsystem ZinnZweistoffsystem Zinn--BleiBlei
Die Die eutektischeeutektische Legierung hat Legierung hat
den niedrigsten Schmelzpunkt den niedrigsten Schmelzpunkt
(183(183°°C), d. h. auch die niedrigste C), d. h. auch die niedrigste
Verarbeitungstemperatur und das Verarbeitungstemperatur und das
beste Formfbeste Formfüüllungsvermllungsvermöögen im gen im
SystemSystem
P: PrimP: Primäärdendrit (bleireich) im rdendrit (bleireich) im eutektischeutektisch
EE Grundmetall Grundmetall (Leiterplattenkupfer)(Leiterplattenkupfer)
BB
DDCC
AA
DD
EE
Europa auf dem Wege zu umweltgerechter ElektronikEuropa auf dem Wege zu umweltgerechter Elektronik
WEEEWEEE und und RoHSRoHSEUEU--Richtlinien seit 13. Februar 2003 in Kraft,Richtlinien seit 13. Februar 2003 in Kraft,
Deutschland: nationale Gesetzgebung Deutschland: nationale Gesetzgebung ElektroGElektroG umfasst beide, umfasst beide, RoHSRoHS & & WEEEWEEE
1. Waste Electrical and Electronic Equipment (WEEE) (Richtlinie 2002/96/EG über Elektro- und Elektronik-Altgeräte)
2. The Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electricaland Electronic Equipment (RoHS)(Richtlinie 2002/95/EG zur Beschränkung der Verwendungbestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronik-Geräten)
von RoHS betroffene Stoffe:
Blei*, Quecksilber, Cadmium, sechswertige Chromverbindungen, polybromierte Biphenyle und Diphenylether (Flammhemmer)
* betrifft insbesondere Lötstellen und lötfähige Endschichten von Bauelementen und Leiterplatten
Grenzwerte 0,1 Gew.% im homogenen Material
(Cd 0,01 Gew.%)
ElektroG = Elektro-Altgeräte-Gesetz (in Kraft seit 13. August 2005)
Woher kommt das Blei in der LWoher kommt das Blei in der Löötstelle?tstelle?Volumen der Volumen der VerzinnungVerzinnung = Anschlussoberfl= Anschlussoberflääche x Schichtdickeche x Schichtdicke
Beispielrechnung:Schichtdicke der Verzinnung(Plating Sn/Pb 80/20) ca. 8 µm*
Anschlusslänge L = 2 mmBreite B = 0,4 mmDicke T = 0,15 mm Bleianteil/Package = 0,3%Bleianteil/Anschluss = 3%Bleianteil/Lötstelle = 5%
T = T =
MaMaßße in mme in mm
* F* Fäällt bei Prllt bei Prüüfung mit RFA auf!fung mit RFA auf!(RFA = R(RFA = Rööntgenfluoreszenzanalyse)ntgenfluoreszenzanalyse)
Metallurgie (3): Wann schmilzt das Lot? Metallurgie (3): Wann schmilzt das Lot? Das Das eutektischeeutektische Zweistoffsystem ZinnZweistoffsystem Zinn--SilberSilber
Die Die eutektischeeutektische Legierung Legierung
schmilzt bei 221schmilzt bei 221°°C; unter C; unter
Zugabe von 0,5Zugabe von 0,5--0,7% Kupfer 0,7% Kupfer
sinkt die Schmelztemperatur sinkt die Schmelztemperatur
auf 217auf 217°°CC
SnAg
„„BleifreiBleifrei““ meist Zinnmeist Zinn--SilberSilber--Kupfer (SAC)Kupfer (SAC)�� Schmelzpunkt ca. 40Schmelzpunkt ca. 40°°C hC hööher als Zinnher als Zinn--BleiBlei
Mechanische und elektrische Eigenschaften von Mechanische und elektrische Eigenschaften von SnSn--CuCu--Phasen im Vergleich mit Weichlot und KupferPhasen im Vergleich mit Weichlot und Kupfer
Mikrohärte Elektrischer Widerstand [3] DichtekN/mm2 R / µOhm x m ρ / g/cm3
„„Floating ElectrodesFloating Electrodes““ zur Verringerung der zur Verringerung der Kurzschlussgefahr im ChipKurzschlussgefahr im Chip KondensatorKondensator
Quelle: Quelle: Kemet Kemet „„FEFE--CAPCAP““
FE-CAP Innenaufbau:
die Gestaltung der Elektroden führt
beim Bruch zur elektrischen
Unterbrechung und nicht zum
Kurzschluss
„Flex Crack“
Verringerte BruchgefahrVerringerte Bruchgefahr von Chip von Chip Komponenten durch Flex TerminationsKomponenten durch Flex Terminations
Quelle: Quelle: Kemet Kemet „„FTFT--CAPCAP““
Zinnschicht
Nickelschicht
Silber-Leitkleber
Kontakt-Metallisierung
Flex Terminations: die elastische
Zwischenschicht aus „Silber-Epoxy“
nimmt Biegebelastungen auf, die
sonst (z. B. beim Nutzentrennen)
zum Kondensator-Bruch führten
Chipmontage auf Chipmontage auf „„LeadframeLeadframe““(Leiterrahmen), dann Verguss in Geh(Leiterrahmen), dann Verguss in Gehääuse use
Quelle: VCI Folienserie 18 Quelle: VCI Folienserie 18 „„Chemie Chemie –– Grundlage der MikroelektronikGrundlage der Mikroelektronik““
BaugruppenqualitBaugruppenqualitäätt: : InspektionInspektion und und GefGefüügege bleifreierbleifreier LLöötstellentstellen
�� Gutes elektrisches und thermisches Gutes elektrisches und thermisches
VerhaltenVerhalten
MLF (Micro MLF (Micro LeadframeLeadframe) nach dem L) nach dem Lööten:ten:�� Stanzkanten teils benetzt, Stanzkanten teils benetzt,
teils nicht benetztteils nicht benetzt
MLF (Micro MLF (Micro LeadframeLeadframe) nach dem L) nach dem Lööten:ten:�� Inspektion der Unterseite ist bei geeigneter MontageInspektion der Unterseite ist bei geeigneter Montage
mmööglich, aber nicht zur glich, aber nicht zur
Nachahmung empfohlen!Nachahmung empfohlen!
ÜÜbersicht:bersicht:OberflOberfläächen Metallisierung der Bauteilechen Metallisierung der Bauteile
Benetzungstest an einem Benetzungstest an einem SO SO PackagePackage GullGull WingWing AnschlussAnschluss
�� Test mit Lotkugel, Test mit Lotkugel, 25 mg Pille25 mg Pille
�� aktiviertes Flussmittel auf aktiviertes Flussmittel auf die Kugel aufgebrachtdie Kugel aufgebracht
3D SO Schema: Quelle Philips Halbleiter
Benetzung bei T = 5%, 10% und 15% Benetzung bei T = 5%, 10% und 15% üüber Schmelztemperatur ber Schmelztemperatur
Quelle: M. Nowottnick, Fraunhofer IZM
0
50
100
150
200
250
300
TM TM+5% TM+10%
Tem
pera
tur
/ °C SnPb36Ag2
SnAg3,5Cu0,7
SnAg3,5
SnCu0,7
Benetzungsmessung an Benetzungsmessung an LeiterplattenLeiterplatten--TestcouponsTestcoupons
Lochdurchmesser 1 mm (grLochdurchmesser 1 mm (grüün)n)
Montageloch 3 mm Montageloch 3 mm DurchmDurchm. (blau). (blau)
Coupon GrCoupon Größößee
15mm x 25 mm15mm x 25 mm
2mm
Quelle: Multicore MUST II Handbook
�� Test mit Lotkugel, 200 mg PilleTest mit Lotkugel, 200 mg Pille
�� aktiviertes Flussmittel auf die Kugel aktiviertes Flussmittel auf die Kugel und auf die Lund auf die Löötoberfltoberflääche aufgebrachtche aufgebracht
�� vorheizen mit der Lotschmelze dicht unter dem Test vorheizen mit der Lotschmelze dicht unter dem Test CouponCoupon
Benetzungstest an einem Benetzungstest an einem PCB Test CouponPCB Test Coupon
BenetzungskraftBenetzungskraft--ZeitZeit--Kurven an Kurven an SMDSMD--PadflPadfläächenchen, , OSP/SnPbOSP/SnPb Ausgangszustand Ausgangszustand chem. Sn/SACchem. Sn/SAC
Beispiele an Beispiele an SMDSMD--PadsPads:: C44P01R_041C44P01R_041 F1 F1 --Sn (S2) SACSn (S2) SAC
C44P01R_143C44P01R_143 F1 F1 --O SnPb gute BenetzungO SnPb gute Benetzung schlechtere Benetzungschlechtere Benetzung
Ant image fromSMT Magazine, PennWell
R0402R0402
R0201R0201
... das ist lange kein ... das ist lange kein HHüühnerfutter mehr!hnerfutter mehr!
... und die Teile werden immer kleiner...... und die Teile werden immer kleiner...bleifreie Metallisierungbleifreie Metallisierung
C01005C01005
Benetzungstest an einem Benetzungstest an einem 0805 Chip Widerstand0805 Chip Widerstand
�� Test mit Lotkugel, Test mit Lotkugel, 200 mg Pille200 mg Pille
�� aktiviertes Flussmittel aktiviertes Flussmittel auf die Kugel auf die Kugel aufgebrachtaufgebracht
Beispiel:Beispiel:
Gold schGold schüützt das Nickel.tzt das Nickel.
Bei Bei üüber 2% Gold wird ber 2% Gold wird
das Lot sprdas Lot sprööde, deshalb de, deshalb
muss die Goldschicht muss die Goldschicht
zum Lzum Lööten dten düünn sein nn sein
(50(50--200nm); das Gold 200nm); das Gold
llööst sich schnell st sich schnell
vollstvollstäändig im Lot auf ndig im Lot auf
LLöösungsgeschwindigkeit sungsgeschwindigkeit diverser Metalle in Lotdiverser Metalle in Lot
Quelle: Klein Wassink, Weichlöten in der Elektronik. 1992
StromschieneStromschieneguter Durchstieg guter Durchstieg bei 265bei 265°°CC10 µm Ablegierung bei 265°C
WellenlWellenlöötseite: Phasenbildung und Ablegieren tseite: Phasenbildung und Ablegieren im Vergleich SN100Cim Vergleich SN100C und und SnCu0,7SnCu0,7
Beide Proben Reflow Sn SAC N2; Wellenlötung mit kurzer Doppelwelle bei 260°C unter Schutzgas (N2)
StabilitStabilitäät der Lotlegierung im Tiegel: t der Lotlegierung im Tiegel: Cu Anreicherung in Cu Anreicherung in SnAgCuSnAgCu
[Monate nach der Umstellung auf bleifrei (SAC)
0,790,83
0,88
0,94
1,01
0,79
0,85
1,02
1 2 3 4 5 6 70,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
Cu
Gew
.%im
Lot
Periode 1
Periode 2
AnschlussoberflAnschlussoberfläächen an SMDchen an SMD--Kondensator Kondensator mit Nimit Ni--Sperrschicht und Sperrschicht und VerzinnungVerzinnung
BaugrBaugrößößee
C0603 C0603
= 1,5 mm lang= 1,5 mm lang
11 KeramikKeramik
22 KontaktKontakt
BaugrBaugrößöße C1206e C1206
= 3,1 mm lang= 3,1 mm lang
11 22
LLööten mit Festlotdepots und gering aktiviertem ten mit Festlotdepots und gering aktiviertem Flussmittel, Flussmittel, PeaktemperaturPeaktemperatur 210210°°CC
an Luft: keine Benetzungan Luft: keine Benetzung unter Schutzgas: gute Benetzung unter Schutzgas: gute Benetzung (100ppm Restsauerstoff) (100ppm Restsauerstoff)
LLööten mit Festlotdepots und gering aktiviertem ten mit Festlotdepots und gering aktiviertem Flussmittel, Flussmittel, PeaktemperaturPeaktemperatur 210210°°CC
an Luft: keine Benetzungan Luft: keine Benetzung unter Schutzgas: gute Benetzung unter Schutzgas: gute Benetzung (100ppm Restsauerstoff) (100ppm Restsauerstoff)
AnschlussoberflAnschlussoberfläächen an SMDchen an SMD--Kondensator Kondensator ohne Niohne Ni--Sperrschicht (nur AgSperrschicht (nur Ag--Pd)Pd)
200200µµmm
AnschlussoberflAnschlussoberfläächen an SMDchen an SMD--Kondensator Kondensator mit/ohne Nimit/ohne Ni--Sperrschicht, bleifrei gelSperrschicht, bleifrei gelöötettet
� Tg = Glass transition temperature� Td = Degradation temperature� T260 = Time to delamination at 260˚ C� T288 = Time to delamination at 288˚ C� CTE (z) = Coefficient of Thermal Expansion
(in Z-Richtung)
Material von heute?Material von heute?
� FR4 acc. to IPC 4101/21
� Tg 110-150˚ C
� T260 10 min.
� T288 10 s acc. IPC-TM-650 2.4.13.1
� Td: keine Angabe
LLöötwtwäärmebestrmebestäändigkeit / bleifrei Lndigkeit / bleifrei Lööten* ten* a) Degradation des a) Degradation des Basismaterials / ReflowBasismaterials / Reflow
–– „„Werkzeug zur optimalen MaterialauswahlWerkzeug zur optimalen Materialauswahl““
�� IsolaIsola: z. B. IS400: T260 ca. 60 min., T288 ca. 10 min.: z. B. IS400: T260 ca. 60 min., T288 ca. 10 min.
*„bleifrei“ steht hier für SAC & SC!
(Zinn-Silber-Kupfer & Zinn-Kupfer)
LLöötwtwäärmebestrmebestäändigkeitndigkeitb) Belastung der Durchkontaktierungenb) Belastung der Durchkontaktierungen
TemperaturTemperatur
Ausd
e hnu
ng
Ausd
e hnu
ng
2020°°CC TTG1G1 TTG2G2 TTLLöötprozesstprozess
hier ist Thier ist TGG
((GlasGlasüübergangsbergangs--temperaturtemperatur) ) neben dem neben dem ZZ--AchsenAchsen--AusdehnungsAusdehnungs--koeffizientenkoeffizienten wichtigwichtig
Bildung der LBildung der Löötverbindung beim Kolbenltverbindung beim Kolbenlöötenten
Quelle: DKI Lehrhilfe Quelle: DKI Lehrhilfe Werkstofftechnik Werkstofftechnik HerstellungsverfahrenHerstellungsverfahren& FED& FED--Video Video „„HandlHandlöötenten““
Quelle: Quelle: S. Kurnaz, DiplomarbeitS. Kurnaz, Diplomarbeit
SMD HandlSMD Handlöötungtung
Quelle: Quelle: FEDFED--Video Video „„HandlHandlöötenten““
HandlHandlööten eines ten eines SMDSMD--BauteilsBauteils; hier: ; hier: Small Small OutlineOutline Transistor Transistor „„SOT23SOT23““
Richtige Erzeugung von LRichtige Erzeugung von Löötstellentstellen
Die Lötstellenoberfläche soll konkav sein ���� Hohlkehle
Heißgas
Probleme beim HandlProbleme beim Handlöötenten
• Zu hohe Arbeitstemperatur / Lötspitzentemperatur.
• Zu lange Lötzeiten.
• Daraus folgende Ausdehnung von Leiterplatten führt zur Belastung der Kupferhülsen.
• Außerdem zum Haftverlust und zum Abheben der Restringe� „Pad Lifting“.
• Ferner zur verstärkten Auflösung der Kupferoberfläche � „Ablegieren“.
• … und zur Auflösung der Lötspitzenbeschichtung� „Lötspitzenkorrosion“
• Zu hohe Lötspitzentemperatur führt auch zur raschen Zersetzung des Flussmittels, das damit unwirksam wird.
Zu viel Lötwärme führt zum Abheben der RestringeHand0lötung.jpg
HandDetLötung.jpg
Folgen zu hoher ArbeitstemperaturFolgen zu hoher ArbeitstemperaturPad Lift off – natürlich auch bei bleihaltigem Lot!!
LLööten von Litzendrten von Litzendräähten: hten: Ablegierverhalten nach 3x5s LAblegierverhalten nach 3x5s Löötzeittzeit
Litzendrähte verdrilltSnPbAg SnAgCu0,5 SnAgCu1,3
250°C
280°C
Das Ablegieren wird durch erhDas Ablegieren wird durch erhööhten hten Kupferanteil im Lot stark vermindert:Kupferanteil im Lot stark vermindert:260260°°C, 3x5sC, 3x5s
SnPbAg SnAgCu0,5 SnAgCu1,3
Beispiel fBeispiel füür Lr Löötspitzentspitzen--KorrosionKorrosion
Quelle: ZAVTQuelle: ZAVT
Kupferkern
Eisenschicht
Lots
chic
ht
Oxidation auf der LOxidation auf der Löötspitzetspitze
1 & 3: Hei1 & 3: Heißßgasgriffel fgasgriffel füür r schonendes Einlschonendes Einlööten von ten von KeramikKeramik--BauteilenBauteilen
2: 2: SchutzgasSchutzgas--umspumspüültelte LLöötspitze zum tspitze zum VorwVorwäärmen und zur rmen und zur UnterstUnterstüützung der Flussmitteltzung der Flussmittel--AktivitAktivitäätt
Video: ChipVideo: Chip--Bauteil einlBauteil einlööten mit ten mit HeiHeißßgasgriffelgasgriffel
Flussmittelauftrag durch SprFlussmittelauftrag durch Sprüühen, hen, mit Pinsel oder Flussmittelstiftmit Pinsel oder Flussmittelstift
�� Auch beim AuslAuch beim Auslöötvorgang tvorgang Flussmittel verwendenFlussmittel verwenden
�� Verwenden Sie einen Verwenden Sie einen Flussmittelstift zum Flussmittelstift zum selektiven Auftragen von selektiven Auftragen von Flussmitteln.Flussmitteln.
�� Flussmittelstift mit Flussmittelstift mit SelektivlSelektivlöötflussmittel tflussmittel abgestimmt auf die fabgestimmt auf die füür Ihren r Ihren Prozess qualifizierten Prozess qualifizierten Flussmittel Flussmittel
Bleifrei HandlBleifrei Handlööten ten –– MerksMerksäätze:tze:� Die Grundregeln werden wichtiger denn je!
� Die Spitzentemperatur muss angehoben werden (+25°C)
� Die Obergrenze darf nicht angehoben werden, sonst erfolgen Delaminationder Leiterplatte oder thermische Beschädigung der Bauelemente!
� D. h. das Prozessfenster wird enger!
� Das bleifreie Lot fließt langsamer - erwarte 50-100% längere Lötzeit!
� Vermeide Ausübung von Druck beim Löten – Druck zerstört die Kupfer-Anschlussflächen und führt zu Fleckenbildung = „Measling“
� Das bleifreie Lot ist aggressiver, d. h. erhöhter Spitzenverschleiß -Lötstationen abschalten, wenn nicht in Gebrauch!
� Schnell nachheizende Lötspitzen sind schnell wieder betriebsfähig!
� Werkzeuge für bleihaltig und bleifrei löten sauber getrennt halten!
Wipe = Abwischen der Lötspitze auf feuchtem Schwamm Rinse = Lötspitze mit Lot aufladen und dann abschütteln
Abwischen und SpAbwischen und Spüülen einer len einer SnSn--PbPb--kontaminiertenkontaminierten LLöötspitze mit bleifreiem Lottspitze mit bleifreiem Lot
Quelle: SMT MagazineQuelle: SMT MagazineRay Ray CirimeleCirimele
Visuelle Inspektion im Vergleich Visuelle Inspektion im Vergleich bleihaltig (bleihaltig (QFPQFP--BauelementBauelement) / bleifrei) / bleifrei
optimale Hoptimale Hööhe he minimale Hoheminimale Hohe
kein kein MeniscusMeniscusverlangtverlangt
ΘΘΘΘΘΘΘΘ
Inspektion/ Besonderheiten bei Inspektion/ Besonderheiten bei bleifreien Lbleifreien Löötstellen:tstellen:matte Oberflmatte Oberflääche wg. che wg. dendritischerdendritischer Erstarrung der SACErstarrung der SAC--LoteLote
Lichtmikroskopie vs. REM = RasterLichtmikroskopie vs. REM = Raster--ElektronenmikroskopElektronenmikroskop
Kennzeichen einer guten Kennzeichen einer guten WeichlWeichlöötverbindungtverbindung�� Flacher Kontaktwinkel Flacher Kontaktwinkel �� gute Benetzunggute Benetzung
�� Glatte, mGlatte, mööglichst konkave Oberflglichst konkave Oberflääche (Glanz nicht erforderlich)che (Glanz nicht erforderlich)
�� FFüüllung des Lllung des Löötspaltes / ausgeftspaltes / ausgefüüllte Hohlkehlellte Hohlkehle
�� Bedeckung der lBedeckung der löötbaren Oberfltbaren Oberfläächeche
�� Kein ZurKein Zurüückziehen des Lotes von der benetzten Flckziehen des Lotes von der benetzten Flääche (Entnetzung)che (Entnetzung)
�� Keine BrKeine Brüücken, keine Unterbrechungen cken, keine Unterbrechungen
�� Keine oder aber klare, nicht korrosive FlussmittelrKeine oder aber klare, nicht korrosive Flussmittelrüückstckstäändende
�� DurchgDurchgäängige Schicht intermetallischer Phasen in der Grenzflngige Schicht intermetallischer Phasen in der Grenzflääche che
Lot/GrundmetallLot/Grundmetall
IPCIPC--AA--610D610D: Abnahmekriterien : Abnahmekriterien ffüür elektronische Baugruppenr elektronische Baugruppen�� Mehr als nur LMehr als nur Löötstellentstellen
Normkriterien: Kontaktwinkel Normkriterien: Kontaktwinkel --unabhunabhäängig von der Lotlegierung!ngig von der Lotlegierung!
Bild 5Bild 5--1: Anforderungen f1: Anforderungen füür alle Klassen gleich.r alle Klassen gleich.Alle vier ZustAlle vier Zustäände Ande A--D sind zulD sind zuläässig.ssig.
WaferWafer--LevelLevel ChipChip--SizeSize PackagingPackagingKundenspezifisches CSP mit aufgelKundenspezifisches CSP mit aufgelööteten teten Lotkugeln und Lotkugeln und BCBBCB--WaferpassivierungWaferpassivierung vor vor dem Trennschleifendem Trennschleifen
Bestückungsfertiges CSP
Querschliff durch eine Lotkugel auf einem CSP mit Umverdrahtung und
Beispiel: bleifreie LBeispiel: bleifreie Löötstellen, Qualittstellen, Qualitäät zult zuläässig in allen drei Klassenssig in allen drei Klassen
�� NSMDNSMD = Non = Non SolderSolder MaskMask DefinedDefined PadPad (d. h. (d. h. PadPad freigestellt)freigestellt)
�� SMDSMD = = SolderSolder MaskMask DefinedDefined PadPad ((PadPad auf Kupferflauf Kupferflääche durch che durch LLöötstoppmaske begrenzt) tstoppmaske begrenzt) �� z. B. Maskenz. B. Maskenööffnung auf ffnung auf PadgrPadgrößößee verkleinernverkleinern
LLöötfehler nach Wellenltfehler nach Wellenlöötungtung
Kurzschluss durch Lotbrücke
Nichtbenetzung
Die BrDie Brüücke fcke fäällt ins Auge! llt ins Auge! -- und ist Bestandteil im Designund ist Bestandteil im Design
Schlechte LSchlechte L öösungsung
Gute LGute Löösungsung
AnomalitAnomalitäätenten
„„billboardingbillboarding““: Bauelement : Bauelement liegt auf der Seite (R0201)liegt auf der Seite (R0201)��ZulZuläässig Klasse 1,2,3, ssig Klasse 1,2,3, solange Bauteil solange Bauteil ≤≤ 1206 und 1206 und Breite Breite ≤≤ 2x H2x Hööhehe
BL7BL7--02010201--linkerKreislinkerKreis--4x4x
BL8BL8--08050805--Design2Design2--2x2x
LLöötperlen seitlich tperlen seitlich am Bauelement (R0805) am Bauelement (R0805) ��ZulZuläässig Klasse 1,2,3: Lotkugeln ssig Klasse 1,2,3: Lotkugeln sind eingebettet/ eingekapselt sind eingebettet/ eingekapselt und verletzen nicht den und verletzen nicht den minimalen elektrischen Abstandminimalen elektrischen Abstand
ErlErlääuterung der Luterung der Lööttechnologienttechnologien
Themenschwerpunkte:Themenschwerpunkte:
�� Metallurgie der LotwerkstoffeMetallurgie der Lotwerkstoffe
�� Metallurgie der BauelementanschlMetallurgie der Bauelementanschlüüssesse
�� OberflOberfläächenchen--Metallurgie der LeiterplatteMetallurgie der Leiterplatte
�� Bleifreies vs. bleihaltiges HandlBleifreies vs. bleihaltiges Handlöötenten
�� Visuelle Bewertung von LVisuelle Bewertung von Löötstellentstellen
�� Risiken bei der Kombination verschiedener LoteRisiken bei der Kombination verschiedener Lote
Eine einzelne Substanz wie ein Polymer, Eine einzelne Substanz wie ein Polymer, z. B. die PVCz. B. die PVC--Isolierung an isoliertem Kupferkabel. Isolierung an isoliertem Kupferkabel.
1. 1. LeadframeLeadframe
coating (coating (SnSn))
2. 2. Silizium Silizium ChipChip 3. Bond3. Bond--
DrahtDraht (Au)(Au)
5. Die Attach 5. Die Attach (Silber(Silber--Epoxy Epoxy oderoder
Bauelemente wie Kondensatoren, Transistoren und Halbleitergehäusesind kein “Material“ im Sinne von „Werkstoff“, sondern bestehen aus mehreren verschiedenen Substanzen (1-6 im Schemabild)
ÜÜberprberprüüfung des Bauelementefung des Bauelemente--ArtikelstammsArtikelstamms
1. RoHS1. RoHS--KonformitKonformitäätt
2. 2. ProzesskompatibilitProzesskompatibilitäätt ffüür r
Reflow Reflow �� JJ--STDSTD--020D020D
Welle Welle �� JESD22a111JESD22a111
HandlHandlööten siehe Reflowten siehe Reflow
3. Umsetzung 3. Umsetzung
…… und was ist mit der Leiterplatte?und was ist mit der Leiterplatte?
RoHSRoHS--KonformitKonformitäätt allein reicht nichtallein reicht nicht
LLöötbarkeit = Gesamteignung des tbarkeit = Gesamteignung des Bauteils fBauteils füür das industrielle Lr das industrielle Lööten ten
�� Die Die BenetzungsfBenetzungsfäähigkeithigkeit hhäängt von der ngt von der
LLöötoberfltoberflääche, der Lche, der Lööttemperatur und der Aktivitttemperatur und der Aktivitäät des t des
Flussmittels abFlussmittels ab
�� Der Der LLöötwtwäärmebedarfrmebedarf wwäächst mit der Wchst mit der Wäärmekapazitrmekapazitäät t
und der Masse der und der Masse der FFüügeteilegeteile
�� Die Die LLöötwtwäärmebestrmebestäändigkeitndigkeit der Materialien begrenzt der Materialien begrenzt
das Ldas Löötprofil in Dauer und Htprofil in Dauer und Hööhehe
Konstruktion und LKonstruktion und Löötverfahren mtverfahren müüssen zusammenpassen!ssen zusammenpassen!
MischbestMischbestüückung, nur Wellenlckung, nur Wellenlöötung:tung:einfache Durchsteckeinfache Durchsteck-- und und SMDSMD--MontageMontage
PrimPrimäärseiterseite
SekundSekundäärseite rseite = L= Löötseitetseite
MassenlMassenlöötverfahren tverfahren -- Welle: Welle: Einfachwelle (nur THD), Doppelwelle (auch SMD)Einfachwelle (nur THD), Doppelwelle (auch SMD)2 x Kontakt mit der Lotschmelze:2 x Kontakt mit der Lotschmelze: Schritte in der LSchritte in der Löötanlagetanlage
SprSprüühfluxerhfluxer dosieren dosieren prprääziser als ziser als SchaumfluxerSchaumfluxer; der ; der Vorratstank ist Vorratstank ist geschlossen, deshalb geschlossen, deshalb nimmt das Flussmittel nimmt das Flussmittel kaum Feuchte aus der kaum Feuchte aus der Luft auf Luft auf
der Prozess ist der Prozess ist stabiler als mit stabiler als mit SchaumfluxerSchaumfluxer
sprsprüüht nur ht nur wwäährend einer hrend einer Wegrichtung, Wegrichtung, damit der damit der FluxauftragFluxauftraggleichmgleichmäßäßig ig wird.wird.
LLööten mit einer Doppelwelle: ten mit einer Doppelwelle: Beobachtung der FlussmittelaktivitBeobachtung der Flussmittelaktivitäät unter einer t unter einer wwäärmebestrmebestäändigen Glasplattendigen Glasplatte
LLööten von ICten von IC--Bauelementen mit einer Doppelwelle: Bauelementen mit einer Doppelwelle: Wellenabriss beim Austauchen aus der WelleWellenabriss beim Austauchen aus der Welle
LLööten von ICten von IC--Bauelementen mit einer Doppelwelle: Bauelementen mit einer Doppelwelle: FlussmittelaktivitFlussmittelaktivitäät in der Wellet in der Welle
HHööhere Anforderung an die Where Anforderung an die Wäärmebestrmebestäändigkeitndigkeitaktiver Bauelemente faktiver Bauelemente füürr bleifreies Wellenlbleifreies Wellenlööten ten seit Mai 2004 teils bis 260seit Mai 2004 teils bis 260°°C qualifiziertC qualifiziert
Quelle: JESD22A111: Mai 2004; Quelle: JESD22A111: Mai 2004; Temperaturen am Bauelement Temperaturen am Bauelement gemessengemessen
Wave Solder Solder DipPreheat Temperature 25 to 140°C 145°CPreheat Time 80 s. 15 s min.Solder Temperature 245°C Classification 245°C +5/-0°C 245°C +5/-0°C
260°C Classification 260°C +5/-0°C 260°C +5/-0°CSolder Immersion Single Wave Simulation 5 +/- 1 s 5 +/- 1 sTime Dual Wave First Wave: 5 +/- 1 s 10 +/- 1 s
Lotpaste = Lot + FlussmittelLotpaste = Lot + Flussmittel
Welle = Lot + LWelle = Lot + Löötwtwäärmerme
Bestandteile eines Bestandteile eines „„LLöötprofilstprofils““
= Temperatur= Temperatur--ZeitZeit--Verlauf beim OfenlVerlauf beim Ofenlöötenten
Quelle: DIN 8505Quelle: DIN 8505
Tem
pera
tur
Zeit
Aufh
eize
n
Dur
chwär
men
Aufs
chm
elze
n,
Bene
tzen
Erst
arre
n,
Abkü
hlen
Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 4
Liquidus-
Temperatur
Mechanismen des WMechanismen des Wäärmetransportsrmetransports
StrahlungStrahlung
KonvektionKonvektion
LeitungLeitung
WWäärmermeüübergang durch Konvektionbergang durch Konvektion
PP WWäärmestromrmestrom
AA FlFläächeche
TT Temperatur Temperatur
aa WWäärmermeüübergangszahlbergangszahl
Typische Werte nach:Typische Werte nach:M. Wutz, "WM. Wutz, "Wäärmeabfuhr in der Elektronikrmeabfuhr in der Elektronik““
Bei Zwangskonvektion ist die WBei Zwangskonvektion ist die Wäärmermeüübergangszahl bergangszahl αα abhabhäängig ngig
von der Strvon der Ströömungsgeschwindigkeit des Gases.mungsgeschwindigkeit des Gases.
TAP ∆⋅⋅= α
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
20
40
60
80
100
.. 3 .. .... 8 ....... 5 ...Windstärke in Beaufort
Wär
meü
berg
angs
zahl
α in
W m
-2 K
-1
Strömungsgeschwindigkeit v der Luft in m/s
ReflowReflow: Dampfphasenl: Dampfphasenlöötenten
ReflowReflow: Dampfphasenl: Dampfphasenlöötenten
DampfphasenlDampfphasenlöötenten
1. Die Baugruppe befindet sich unmittelbar über der Dampfdecke. Sie ist z.B. in einer IR-Vorheizung vorgewärmt worden oder wird in der Dampfzone vorgewärmt.
2. Die Baugruppe fährt in die Dampfzone ein. Für bestimmte Anwendungen kann diese Einfahrt so gesteuert werden, dass ein sehr sanfter Temperaturanstieg realisiert wird.
3. Der Dampf kondensiert auf dem Lötgut ab und überträgt seine Wärme. Da der Dampf chemisch inert ist und sich kein Sauerstoff in dieser Zone befindet, ist Oxidation des Lötguts ausgeschlossen.
4. Das Lötgut erwärmt sich maximal auf die Temperatur der Dampfdecke. Auch bei einer längeren Verweilzeit kann diese Temperatur nicht überschritten werden.
5. Nach der Ausfahrt des Lötguts aus dem Dampf verdampft das noch auf dem Lötgut befindliche Kondensat rückstandsfrei durch die Eigenwärme des Lötguts. Die Baugruppe fährt trocken aus der Anlage aus.
LLöötergebnis einwandfrei tergebnis einwandfrei –– ist das Zielist das Ziel�� Eine Eine Messung mit Messung mit
Thermoelementen Thermoelementen erfassterfasst die die TemperaturTemperatur--ZeitZeit--KurveKurve
�� Einstellung des Einstellung des Prozessfensters Prozessfensters zwischen zwischen LLöötwtwäärmebedarf und rmebedarf und LLöötwtwäärmebestrmebestäändigkeitndigkeit
�� TestboardTestboard, , ffüür dier dieProfilProfil--Messung Messung mit mit Thermoelementen Thermoelementen „„verdrahtetverdrahtet““
�� Thermische Massen zur Thermische Massen zur Simulation einer realen Simulation einer realen BeladungBeladung
Grüne Kurve:SO8 (kleines Bauteil)
Rote Kurve:BGA (massereich)
165
LLöötprofil Dampfphasetprofil Dampfphase
VergleichVergleich
�� EinEin--StufenStufen--ProfilProfil
�� ZweiZwei--StufenStufen--ProfilProfil
Grüne Kurve:SO8 (kleines Bauteil)
Rote Kurve:BGA (massereich)
35% Leistung bis Dampfdecke über Baugruppe geschlossen
80% Leistung 45s, 45s Haltezeit
30% Leistung bis Dampfdecke über Baugruppe geschlossen
HHööhere Anforderung an die Where Anforderung an die Wäärmebestrmebestäändigkeit:ndigkeit:aktive aktive BauelementeBauelemente## ffüürr bleifreies bleifreies ReflowReflowöötentenseit Juli 2004 seit Juli 2004 (Rev. C) teils(Rev. C) teils bis 260bis 260°°C C qualifiziertqualifiziert**
#Quelle: JSTD-020D: Juni 2007; Temperaturen am Bauelement gemessenMSL = Moisture Sensitivity Level
J-STD-020D# bleihaltiger Prozess SnPb eutektisches LotTabelle 4-1 höchste Reflow-Temperatur am GehäuseGehäuse Volumen < 350 mm 3 >= 350 mm 3
Dicke klein groß< 2,5 mm dünn 235 °C 220 °C>= 2,5 mm dick 220 °C 220 °C
J-STD-020D bleifrei-ProzessTabelle 4-2 Reflow-Temperatur zur Gehäuse-Klassifika tionGehäuse Volumen < 350 mm 3 350-2000 mm 3 > 2000 mm 3
Dicke klein groß< 1,6 mm dünn 260 °C 260 °C 260 °C1,6 - 2,5 mm 260 °C 250 °C 245 °C> 2,5 mm dick 250 °C 245 °C 245 °C
* Für Nicht-IC-Elektronikbauelemente:ECA/IPC/JEDEC J-STD-075PSL = Process Sensitivity Level
SchemaSchema--Beispiel Beispiel ffüür Peak r Peak ReflowReflowTemperaturen gemessen an verschiedenen Temperaturen gemessen an verschiedenen Stellen an oder neben einem BGAStellen an oder neben einem BGA--BauteilBauteil
mit Bezug aufJEDEC 020D
Quelle: IPCQuelle: IPC--7095B Design and 7095B Design and AssemblyAssembly ProcessProcessImplementationImplementation forfor BGAsBGAs ((MarchMarch 2008)2008)LF = LF = LeadLead--FreeFree
Typische Fertigungsabfolge einer Typische Fertigungsabfolge einer SteckkarteSteckkarte
Schaltplan
SpezifizierungBauelemente
SpezifizierungLot, Lotpaste,
Flussmittel
Design derLeiterplatte
Auslegung derBauelemente
Leiterplatten-herstellung
Bauelement-Herstellung
Lötwerkstoffe
Bestückung Löten
Inspektion,Test,
Nacharbeit,Endmontage
Auslieferung
(Reflow)
Leiterplatte
Bauelemente
Typische Abfolge der Fertigungsstufen einer Steckkarte (nach R. J. Klein Wassink)
DelaminationenDelaminationen in ICin IC--Bauelementen nach Stresstest:Bauelementen nach Stresstest:
Leadframe/UmhLeadframe/Umhüüllungllung Die Die AttachAttach
QFP = Quad Flat Pack
DelaminationenDelaminationen in ICin IC--Bauelementen nach Stresstest:Bauelementen nach Stresstest:
Leadframe/UmhLeadframe/Umhüüllungllung Die Die AttachAttach
Ultraschall-Mikroskop-Aufnahmen zur Prüfung der Lötwärmebeständigkeit (Bilder: ZµP/TU Dresden)
Referenz: J-STD-035 Acoustic Microscopy for Nonhermetic Encapsulated Electronic Components
QFP = Quad Flat Pack
Dampfdruck von Wasser Dampfdruck von Wasser in Abhin Abhäängigkeit von der Temperaturngigkeit von der Temperatur
0
10
20
30
40
50
60
70
0 50 100 150 200 250 300
Temperatur / °C
Dru
ck /
bar
][
47565105,3][ KTebarp
−⋅⋅=
SourceSource: : JJ--STDSTD--020D: Juni 2007020D: Juni 2007; ;
FeuchteFeuchte--EmpfindlichkeitsklasseEmpfindlichkeitsklasse MSL MSL (Moisture Sensitivity Level)(Moisture Sensitivity Level)
Klasse Offenzeit ohne Gefährdung Zeit Umgebung 1 unbegrenzt ≤30°C / 85% rF 22 11 JJaahhrr ≤≤3300°°CC // 6600%% rrFF 2a 4 Wochen - ´´ - 33 116688 hh -- ´́´́ -- 4 72 h - ´´ - 5 48 h - ´´ - 5a 24 h - ´´ - 6 Time on label - ´´ -
Methode:Methode: LLÖÖTEN TEN -- wird anspruchsvollerwird anspruchsvollerEuropa auf dem Wege zu umweltgerechter Elektronik:Europa auf dem Wege zu umweltgerechter Elektronik:2003: WEEE und 2003: WEEE und RoHSRoHS (2005:(2005: EuPEuP; 2007: REACH); 2007: REACH)�� Umsetzung in nationale GesetzgebungUmsetzung in nationale Gesetzgebung
1. 1. WWaste aste EElectricallectrical and and EElectronic lectronic EEquipment (quipment (WEEEWEEE) ) (Richtlinie 2002/96/EG (Richtlinie 2002/96/EG üüber Elektrober Elektro-- und Elektronikund Elektronik--AltgerAltgerääte)te)
2. 2. TheThe RRestrictionestriction oof f thethe UseUse of of CertainCertain HHazardousazardous SSubstancesubstances in in ElectricalElectricaland Electronic Equipment (and Electronic Equipment (RoHSRoHS))(Richtlinie 2002/95/EG zur Beschr(Richtlinie 2002/95/EG zur Beschräänkung der Verwendungnkung der Verwendungbestimmter gefbestimmter gefäährlicher Stoffe in Elektrohrlicher Stoffe in Elektro-- und Elektronikund Elektronik--GerGerääten)ten)
von von RoHSRoHS betroffene Stoffe:betroffene Stoffe:
Blei*Blei*,, Quecksilber, Cadmium, sechswertige Chromverbindungen*, Quecksilber, Cadmium, sechswertige Chromverbindungen*, polybromiertepolybromierte BiphenyleBiphenyle und und DiphenyletherDiphenylether* (Flammhemmer)* (Flammhemmer)
* betrifft insbesondere L* betrifft insbesondere Löötstellen und ltstellen und löötftfäähige Endschichten hige Endschichten von von
Bauteilen und Leiterplatten Bauteilen und Leiterplatten �������� hhööhere Lhere Lööttemperatur fttemperatur füür SACr SAC--LoteLote
Grenzwerte 0,1 Gew.% im homogenen Material(Cd 0,01 Gew.%)
SAC = Zinn-Silber-Kupfer z. B. SnAg3,8Cu0,7Schmelzbereich 217-220°C
Schlechtes MultichipSchlechtes Multichip--Modul: Modul: Hier schmilzt die HalbleiterlHier schmilzt die Halbleiterlöötung mit auf!tung mit auf!
UltraschallUltraschall--RastermikroskopieRastermikroskopieSAM = SAM = ScanningScanning AcousticAcoustic MicroscopyMicroscopy
ReflowReflow 245245°°CC��DelaminationDelamination im MCMim MCM
SchliffbildSchliffbild
FocusFocus--Ebene 1Ebene 1
FocusFocus--Ebene 2Ebene 2
Das DieDas Die--Attach Lot ist aufgeschmolzen, Attach Lot ist aufgeschmolzen, Delamination der Vergussmasse Delamination der Vergussmasse von der LPvon der LP--OberfOberfäächeche (rot)(rot)
Mit dem gesamten DMit dem gesamten Düüsenquerschnitt:senquerschnitt:
Mittlere Gasgeschwindigkeit Mittlere Gasgeschwindigkeit in der Din der Düüse: 18 m/sse: 18 m/s
Strahlaufweitung des turbulenten Strahlaufweitung des turbulenten Gasstroms hinter der DGasstroms hinter der Düüse reduziert die se reduziert die Gasgeschwindigkeit, ca. 0.25 ... 0.5 x.Gasgeschwindigkeit, ca. 0.25 ... 0.5 x.
Schematischer Aufbau Schematischer Aufbau einer Konvektionszelle einer Konvektionszelle
Temperaturzonen und Transportgeschwindigkeit Temperaturzonen und Transportgeschwindigkeit im im KonvektionsKonvektions--ReflowsystemReflowsystem (gleiches T(gleiches T--Profil)Profil)
�� 1 1 PeakzonePeakzone, , Unterheizung Unterheizung nur im Peak: nur im Peak: 380 mm/min380 mm/min
�� 2 2 PeakzonenPeakzonen, , Unterheizung Unterheizung in allen Zonen: in allen Zonen: 660 mm/min 660 mm/min
im Vergleich zur im Vergleich zur Messung an einer Messung an einer 1.61.6 mm dicken Leiterplatte mm dicken Leiterplatte (ISIT (ISIT TestboardTestboard)) 0 60 120 180 240 300 360
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
Tem
pera
tur
in °C
Zeit in s
QFP exp. LP exp. QFP sim. LP sim. Gas oben Gas unten
Inspektion einer komplexen ElektronikInspektion einer komplexen Elektronik--Baugruppe: hoher Durchsatz ist gefordertBaugruppe: hoher Durchsatz ist gefordert
Einfluss der RestsauerstoffEinfluss der Restsauerstoff--KonzentrationKonzentration
ErlErlääuterung der Luterung der Lööttechnologienttechnologien
Themenschwerpunkte:Themenschwerpunkte:
�� Metallurgie der LotwerkstoffeMetallurgie der Lotwerkstoffe�� Metallurgie der BauelementanschlMetallurgie der Bauelementanschlüüssesse�� OberflOberfläächenchen--Metallurgie der LeiterplatteMetallurgie der Leiterplatte�� Bleifreies vs. bleihaltiges HandlBleifreies vs. bleihaltiges Handlöötenten�� Visuelle Bewertung von LVisuelle Bewertung von Löötstellentstellen�� Risiken bei der Kombination verschiedener LoteRisiken bei der Kombination verschiedener Lote�� Maschinelles bleifreies WellenlMaschinelles bleifreies Wellenlöötenten�� SMDSMD--ReflowlReflowlööten bleifreiten bleifrei�� Einige essentielle DesignEinige essentielle Design--Hinweise und Hinweise und --QuellenQuellen
Prozessoptimierung beginnt in der Entwicklung: Prozessoptimierung beginnt in der Entwicklung: AnsAnsäätze der Kostenreduzierung durch tze der Kostenreduzierung durch DfMDfM
Kos
tenr
eduz
ieru
ngK
oste
nred
uzie
rung
frfrüühh Zeitpunkt der BeteiligungZeitpunkt der Beteiligung
VorlVorlääufige ufige StStüücklisteckliste
••GGüünstigste Bauteilverfnstigste Bauteilverfüügbarkeit/gbarkeit/--kostenkosten•• GehGehääuse + Prozess use + Prozess ZuverlZuverläässigkeit/Kostenssigkeit/Kosten•• NRE Werkzeugkosten minimierenNRE Werkzeugkosten minimieren••Anzahl Platten pro Nutzen optimierenAnzahl Platten pro Nutzen optimieren
••Hier werden Hier werden zuszusäätzltzl. Design Revisionen von . Design Revisionen von LochgrLochgröössenssen, , Via Abstand, mechanische Konflikte vermiedenVia Abstand, mechanische Konflikte vermieden
••MMöögliche Probleme vor gliche Probleme vor Serienstart durchspielenSerienstart durchspielen
DFM = Design for ManufacturingNRE = Non Recoverable Equipment
KonstruktionsKonstruktions--FMEAFMEA
Quelle: Stibirsky, Sack. Advantages of DFM and DFT. future ems, Issue 3, 2000
�� Die Flachbaugruppe reagiert in der Fertigung Die Flachbaugruppe reagiert in der Fertigung elektrisch, thermisch, mechanisch und chemisch!elektrisch, thermisch, mechanisch und chemisch!
�� DfMDfM = fertigungsgerechtes Design f= fertigungsgerechtes Design füür r a) Leiterplatte a) Leiterplatte b) Baugruppenmontageb) Baugruppenmontage
Vom Vom SchaltungsSchaltungs--entwurfentwurf zur zur Leiterplatte Leiterplatte
Quelle: IPC-2221A (2003)Generic Standard on Printed Board Design
Deutsche Übersetzung FED 2006
Montagedesign
Anordnung und Freistellung der Anordnung und Freistellung der Passmarken (Passmarken (FiducialsFiducials))�� Passmarken auf dem Nutzenrand (Panel Passmarken auf dem Nutzenrand (Panel FiducialsFiducials))
�� drei Passmarken mit grdrei Passmarken mit größößtem Abstand auf der Leiterplatte ftem Abstand auf der Leiterplatte füür r den allgemeinen Bestden allgemeinen Bestüückvorgang (Global ckvorgang (Global Fiducials)Fiducials)
�� Aufpassen, dass die Passmarken nichtAufpassen, dass die Passmarken nichtim Transportrand verschwinden!im Transportrand verschwinden!
Quelle: Quelle: ANSI/IPCANSI/IPC--2221B2221B (2003)(2003)GenericGeneric Standard on Standard on PrintedPrintedBoard DesignBoard Design Fig. 5Fig. 5--66
Anordnung der Passmarken (Anordnung der Passmarken (FiducialsFiducials))
�� drei Passmarken mit grdrei Passmarken mit größößtem Abstand auf der Leiterplatte ftem Abstand auf der Leiterplatte füür den r den allgemeinen Bestallgemeinen Bestüückvorgang (Global ckvorgang (Global FiducialsFiducials))
�� Lokale Passmarken an zwei Ecken von Fine Lokale Passmarken an zwei Ecken von Fine PitchPitch ICs erhICs erhööhen die hen die PrPrääzision des Absetzvorgangszision des Absetzvorgangs
Layout WellenlLayout Wellenlööten : ten : VorzugsrichtungVorzugsrichtung ffüür die Anordnung r die Anordnung von BEvon BE
Um niedrige Fehlerraten zu erzielen, ist es beim Wellenlöten erforderlich das Layout der Baugruppe so zu gestalten, daß die Bauelemente in bestimmtenVorzugsrichtungen auf der LP angeordnet werden.
QFP 64 / 0,8mm
QFP sind in der Welle nur dann sicher zuverarbeiten, wenn sie diagonal angeordnetsind. Über große Lotfänger muß das Lotsicher um das BE „herumgeleitet“ werden.
Vollflächige Masseanbindungen fördern den Wärmeabfluß und erschweren den Lotdurchstieg inDurchkontaktierungen
Masseanbindung über Stegeminimieren den Wärmeabfluß und begünstigen den Lotdurchstieg inDurchkontaktierungen
Quelle:J. Friedrich,
WWäärmefallen rmefallen -- wichtig fwichtig füür bleifrei Lr bleifrei Löötenten
Quelle: Quelle: 11 ANSI/IPCANSI/IPC--2221 (1998)2221 (1998)GenericGeneric Standard on Standard on PrintedPrintedBoard DesignBoard Design Fig. 9Fig. 9--4422 Klein Klein WassinkWassink, Weichl, Weichlööten in ten in der Elektronik, 2. Auflage 1992der Elektronik, 2. Auflage 1992
�� Kupferlayout Kupferlayout 11
�� Bauteilgestaltung Bauteilgestaltung 22
Quelle:Quelle:
MaMaßßnahmen gegen Grabsteineffektnahmen gegen Grabsteineffekt
Quelle: Quelle: Klein Klein WassinkWassink 19921992SMT SMT magazinemagazine 19981998
a. Bauteila. Bauteil--LLäängsversatzngsversatz b. b. PadsPads zu grozu großß
OberflächenspannungSchwerkraft
Ya YbDas Verhältnis von Y a / Yb beeinflusst die Entstehung eines Tombstone!
Quelle: Klein Quelle: Klein WassinkWassink, , VerguldVerguld 19951995
Diese Formen Diese Formen sind in der sind in der produktprodukt--spezifischen spezifischen Fertigung zu Fertigung zu erproben; wie erproben; wie prprääzise ist die zise ist die Platzierung?Platzierung?
Philips Philips GuidelinesGuidelines ffüür r PadPad--DesignDesign C 0402C 0402
LLöötstopplack ist nicht unbedingt gleichmtstopplack ist nicht unbedingt gleichmäßäßig dickig dick
LLöötstopplack ist nicht unbedingt gleichmtstopplack ist nicht unbedingt gleichmäßäßig dick ig dick �� das kann zu Grabsteinen oder das kann zu Grabsteinen oder AufliegernAufliegern ffüührenhren
�� Bilder aus einer Studie des Fraunhoferinstituts Bilder aus einer Studie des Fraunhoferinstituts üüber ber dasdas Elektropolierverfahren bei Fa. Christian KoenenElektropolierverfahren bei Fa. Christian Koenen
Stufenschablone CK-SpezialverfahrenDer Edelstahlrohling wird genau definiert über das Spezialverfahren in den vorgesehenen Bereichen abgetragen und danach im Laser über Passmarken mittels Kamerasystem eingerichtet und weiterverarbeitet
Vorteile
� Schnelle Lieferzeit (2-4 Arbeitstage)
� Genau definierte Materialstärke (+/- 2-3 µm)
� Exakte Padgeometrien und Positionen (+/- 2-3 µm)
� Sanfter Abhang (Rampe) zwischen den verschiedenen Bereichen
� Kein Zwischenschritt über Filmerstellung nötig
� Kostengünstig
� Vertiefungen auf beiden Seiten möglich
SchliffbilderSchliffbilder
�� VergrVergrößößerungsfaktor Mikroskopaufnahme 50erungsfaktor Mikroskopaufnahme 50--fach fach
�� SchablonenstSchablonenstäärke. 200 rke. 200 µµm Basis, um 50 m Basis, um 50 µµm verringert auf 150m verringert auf 150
Schliffbilder: Fa. Mair
MaMaßße zu Designregeln bei Stufenschablonene zu Designregeln bei Stufenschablonen
Quelle: Quelle: Th. Lehmann (Th. Lehmann (KoenenKoenen), PLUS 1/2007), PLUS 1/2007
�� StufenflStufenflääche A x A mind. 5 x 5 mm2 che A x A mind. 5 x 5 mm2
�� Abstand B = Abstand B = PadendePadende –– Stufe mind. 400Stufe mind. 400µµmm
�� Abstand C = Stufe Abstand C = Stufe –– nnäächstes chstes PadPad 400400µµmm
�� Steg D = Abstand zwischen Bauteilen mind. 800Steg D = Abstand zwischen Bauteilen mind. 800µµmm
Empfohlener Empfohlener Minimalabstand Minimalabstand zwischen den zwischen den PadflPadfläächenchen
Quelle: IPCQuelle: IPC--782 (1996)782 (1996)SurfaceSurface Mount DesignMount Design and and Land Pattern Standard 3Land Pattern Standard 3--88
�� 5 mm Abstand 5 mm Abstand von hohen von hohen BauelementenBauelementen(H(Hööhe > 5,7 he > 5,7 mm)mm)
�� 0,6 mm Abstand 0,6 mm Abstand um Testpunke um Testpunke herumherum
Platz fPlatz füür Testpunkter Testpunkte
Quelle: ANSI/IPCQuelle: ANSI/IPC--2221 (1998)2221 (1998)GenericGeneric Standard on Standard on PrintedPrintedBoard DesignBoard Design Fig. 3Fig. 3--22
Testpunkte / Ansetzen der PrTestpunkte / Ansetzen der Prüüfnadelnfnadeln
�� falschfalsch
�� richtigrichtig
Quelle: ANSI/IPCQuelle: ANSI/IPC--2221 (1998)2221 (1998)GenericGeneric Standard on Standard on PrintedPrintedBoard DesignBoard Design Fig. 3Fig. 3--33
Anordnung von ChipkondensatorenAnordnung von Chipkondensatoren
Empfehlung:Empfehlung:PadPad schmaler als schmaler als
das Bauteil;das Bauteil;
das seitliche Lot das seitliche Lot beim breiten beim breiten PadPadbelastet das Bauteil belastet das Bauteil zu starkzu stark
PadPad Design fDesign füür r ChipChip--
kondensatorenkondensatoren (1)(1)
Ritzen von Trennkanten: 60Ritzen von Trennkanten: 60°° Flanke erlaubt Flanke erlaubt geringeren Randabstand der Leiterbahngeringeren Randabstand der Leiterbahn
LeiterbildLeiterbild--abstand zu abstand zu NDKNDK--Bohrungen Bohrungen und zur Kontur und zur Kontur mind. 0,5mm; mind. 0,5mm; Leiterbahnen Leiterbahnen und und Bauelemente Bauelemente ddüürfen beim rfen beim Ritzen nicht Ritzen nicht beschbeschäädigt digt werden!werden!
�� Standard fStandard füür Weichlr Weichlöötverbindungen sind Sntverbindungen sind Sn--BasisBasis--LoteLote
�� Die metallurgische Anbindung geschieht Die metallurgische Anbindung geschieht üüber eine Grenzschicht ber eine Grenzschicht
intermetallischer Phasen intermetallischer Phasen �� ebenfalls im bleifreien Lebenfalls im bleifreien Löötprozesstprozess
�� Grund fGrund füür die breite Anwendung in der Elektronikfertigung ist die r die breite Anwendung in der Elektronikfertigung ist die
niedrige Prozesstemperatur beim Weichlniedrige Prozesstemperatur beim Weichlöötenten
Die Funktion der LDie Funktion der Löötoberfltoberfläächen ist die Herstellung und die Erhaltung chen ist die Herstellung und die Erhaltung
der der BenetzbarkeitBenetzbarkeit der Lder Löötanschltanschlüüsse im Lsse im Löötprozesstprozess
und:und: Ohne Flussmittel geht es nichtOhne Flussmittel geht es nicht
QuellenangabenQuellenangaben�� Klein Klein WassinkWassink, , R. J.:, WeichlR. J.:, Weichlööten in der Elektronik. Eugen G. ten in der Elektronik. Eugen G. LeuzeLeuze Verlag, Saulgau, 2. Aufl. (1992). Verlag, Saulgau, 2. Aufl. (1992).
�� Bell, H.:Bell, H.: ReflowlReflowlöötenten -- Grundlagen, Verfahren, Temperaturprofile und LGrundlagen, Verfahren, Temperaturprofile und Löötfehler. Eugen G. tfehler. Eugen G. LeuzeLeuze Verlag, Bad Saulgau Verlag, Bad Saulgau (2005). (2005).
�� Scheel, W. , EdScheel, W. , Ed.: Baugruppentechnologie der Elektronik .: Baugruppentechnologie der Elektronik -- Montage, T. Ahrens, F. W. Wulff: Kapitel 5.1: Diagnostik Montage, T. Ahrens, F. W. Wulff: Kapitel 5.1: Diagnostik elektronischer Baugruppen: Zerstelektronischer Baugruppen: Zerstöörende Prrende Prüüfverfahren. Verlag Technik, Berlin und fverfahren. Verlag Technik, Berlin und LeuzeLeuze Verlag, Saulgau, 1997.Verlag, Saulgau, 1997.
�� EngelmaierEngelmaier, W, W., Fuentes, B.: ., Fuentes, B.: AlloyAlloy 42 42 -- A Material to A Material to bebe AvoidedAvoided forfor SurfaceSurface Mount Mount ComponentComponent LeadsLeads and and LeadLeadFramesFrames. . SolderingSoldering & & SurfaceSurface Mount Technology No. 21 (Mount Technology No. 21 (OctOct 1995) 201995) 20--25.25.
�� Wurst, LWurst, L.: Entwicklung und Bewertung einer Benetzungspr.: Entwicklung und Bewertung einer Benetzungsprüüfung ffung füür die r die ReflowlReflowlööttechnikttechnik. Diplomarbeit FH . Diplomarbeit FH WestkWestküüste, Heide, durchgefste, Heide, durchgefüührt im ISIT, Itzehoe (1999).hrt im ISIT, Itzehoe (1999).
�� DIN EN 61760DIN EN 61760--11 OberflOberfläächenmontagetechnik chenmontagetechnik -- Teil 1: Genormtes Verfahren zur Spezifizierung Teil 1: Genormtes Verfahren zur Spezifizierung oberfloberfläächenmontierbarer Bauelemente (SMD) 1998.chenmontierbarer Bauelemente (SMD) 1998.