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Trainalytics GmbH, Erwitter Str. 105, 59557 Lippstadt, Tel. 02941 270 161, Fax 02941 270 179, info@trainalytics.de, 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
ahrens@trainalytics.deDr.-Ing. Thomas Ahrens
FED-Mastertrainer für IPC-A-610
Unternehmen
Training Analytik
Aufbau- und Verbindungstechnik
01.01.2009 Aufnahme GeschäftsbetriebFirmensitz: LippstadtBeschäftigte: 10 Mitarbeiter/innenMission: Dienstleistung für ElektronikproduzentenVision: Labor zur Zertifizierung von
Fachkräften und Baugruppen
Analytik & UmweltprAnalytik & Umweltprüüfungfung
�� Inspektion, Querschliffe Inspektion, Querschliffe
�� Mechanische & elektrische PrMechanische & elektrische Prüüfungfung
�� TemperaturTemperatur-- und Klimaprund Klimaprüüfung,fung,SIRSIR--TestTest, Temperaturschock, Temperaturschock
Dienstleistungsangebot AnalytikDienstleistungsangebot Analytik
�� SchadensanalysenSchadensanalysen
�� Qualifizierung von Materialien Qualifizierung von Materialien und Baugruppenund Baugruppen−− Visuelle PrVisuelle Prüüfungfung
−− QuerschliffeQuerschliffe
−− Mechanische PrMechanische Prüüfungfung
−− Elektrische PrElektrische Prüüfung fung
−− Umwelteinfluss / KlimabeanspruchungUmwelteinfluss / Klimabeanspruchung
�� Fertigungsmuster und Fertigungsmuster und ReworkRework--ArbeitenArbeiten�� ProzessoptimierungProzessoptimierung
�� Bewertung von Konstruktionen Bewertung von Konstruktionen �� ZuverlZuverläässigkeitssigkeit
LIFE05LIFE05 ENV/D/000197ENV/D/000197Project LEADFREEProject LEADFREE
www.lifewww.life--leadfree.deleadfree.de
�������� Demonstration and Demonstration and Training LeadTraining Lead--Free Free
Soldering for European Soldering for European Industry in Order to Industry in Order to
Promote Environmental Promote Environmental Friendly Electronic Friendly Electronic
ProductionProduction
EUREKA LEADFREE &EUREKA LEADFREE &DVS Gemeinschaftsforschung DVS Gemeinschaftsforschung zur Prozesstechnik und zur Prozesstechnik und ZuverlZuverl äässigkeit bleifrei ssigkeit bleifrei gelgel ööteter Baugruppenteter Baugruppen
Fraunhofer InstitutSiliziumtechnologie
Dienstleistungsangebot Dienstleistungsangebot SchulungSchulung
LLöötfachausbildung:tfachausbildung:Professionelle WeiterbildungProfessionelle Weiterbildung
DVS = Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V., Düsseldorf
AufbaustufenAufbaustufen ZertifizierungZertifizierung
RichtlinieRichtlinie StartStart StufeStufe ErgebnisErgebnis
DVS 2620: Anlernkraft DVS 2620: Anlernkraft „„HandlHandlöött-- �������� Facharbeiter/inFacharbeiter/in1 Woche1 Woche ArbeitskraftArbeitskraft““
DVS 2621: Fachpersonal DVS 2621: Fachpersonal „„LLöött--FachkraftFachkraft““ �������� LinienfLinienfüührer/in, hrer/in, 3 Wochen 3 Wochen
DVS 2622: Ingenieur/in DVS 2622: Ingenieur/in „„LLöött--FachingFaching..““ �������� TechnologieTechnologieca. 2 Monateca. 2 Monate
T1
Folie 6
T1 KommentarTA; 19.10.2009
Training in Theorie & PraxisTraining in Theorie & Praxis
�� Prozesse / Baugruppenfertigung Prozesse / Baugruppenfertigung
�� QualitQualitäätsbewertung / IPCtsbewertung / IPC
�� HandlHandlööten zentral & ten zentral & inin--househouse
�� Manufaktur / MaterialverhaltenManufaktur / Materialverhalten
�� Automatische FertigungsschritteAutomatische Fertigungsschritte
DurchfDurchfüührung vor Ort & in Lippstadthrung vor Ort & in Lippstadt
�� 2009: 10 Perform2009: 10 Perform--Kurse mit 119 TeilnehmernKurse mit 119 Teilnehmern
�� PrPrüüfung in Theorie und Praxis: alle bestandenfung in Theorie und Praxis: alle bestanden
�� Vor Ort:Vor Ort: 2x Hamm, 2x Laichingen, 1x Laupheim, 2x Hamm, 2x Laichingen, 1x Laupheim, 2x L2x Lüüneburg, 1x Dietzenbachneburg, 1x Dietzenbach
�� Trainalytics: Trainalytics: 2x Lippstadt2x Lippstadt
�� Andere Seminare: 43 Teilnehmer (Stand 10. Nov. 09)Andere Seminare: 43 Teilnehmer (Stand 10. Nov. 09)
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
„„LEADLESSLEADLESS““ (ohne Beinchen)(ohne Beinchen) BGA (Ball Grid Array)BGA (Ball Grid Array)�� MLCC, C1206MLCC, C1206 �� BGA256BGA256
SMDSMD--GrundbauformenGrundbauformen
JJ--LEADS (JLEADS (J--AnschlAnschlüüsse)sse) GullGull WingWing ((GullGull WingWing))�� SOJ, PLCC68SOJ, PLCC68 �� SO28, TQFP44SO28, TQFP44
Quelle: M. Krause;Quelle: M. Krause;TrainalyticsTrainalytics 20092009
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
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
Nachdruck fNachdruck füür INERTEC Lr INERTEC Lööttechnik, Kreuzwertheim, 1998ttechnik, Kreuzwertheim, 1998
Reine Durchsteckmontagetechnik, Reine Durchsteckmontagetechnik, einseitige Leiterplatteeinseitige Leiterplatte
THT = THT = ThroughThrough Hole TechnologyHole Technology
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
http://www.ikz.de/ikzhttp://www.ikz.de/ikz--praxis/p0004/000404.phppraxis/p0004/000404.php
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
Nachdruck fNachdruck füür INERTEC Lr INERTEC Lööttechnik, Kreuzwertheim, 1998ttechnik, Kreuzwertheim, 1998
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
erstarrten Geferstarrten Gefüüge (Legierung Sn60 Pb)ge (Legierung Sn60 Pb)
PP
Metallurgie (2):Metallurgie (2):Die Grenzschichtreaktion KupferDie Grenzschichtreaktion Kupfer--ZinnZinn
Bei der Benetzung lBei der Benetzung lööst sich st sich
Kupfer im flKupfer im flüüssigen Zinn. ssigen Zinn.
Bei LBei Lööttemperatur ttemperatur
entstehen an der entstehen an der
GrenzflGrenzflääche stabile Keime che stabile Keime
der intermetallischen der intermetallischen
Phasen Phasen εε (Cu(Cu33Sn) und Sn) und
ηη (Cu(Cu66SnSn55). Blei nimmt an ). Blei nimmt an
der Reaktion nicht teil.der Reaktion nicht teil.
ε
η
Lot
Cu
ηη
εε
415°C
676°C
LotgefLotgefüügegeη
ε
CuCu
2020µµmm
Benetzung erkennbar Benetzung erkennbar am flachen Winkel am flachen Winkel ΘΘ
ΘΘΘΘΘΘΘΘ
GefGefüüge einer bleihaltigen SMDge einer bleihaltigen SMD--LLöötverbindung:tverbindung:SnSn--PbPb--Ag, Ag, PeaktemperaturPeaktemperatur 210210°°CC
AA eutektischeseutektisches SnSn--PbPb--GefGefüügege
BB intermetallische Phasenintermetallische Phasen--Grenzschicht Grenzschicht (Legierungsschicht)(Legierungsschicht)
CC Grundmetall Grundmetall (Leiterplattenkupfer, (Leiterplattenkupfer, angeangeäätzt)tzt)
CC
BBAA
IP-Reflow_HAL.jpg 20 20 µµmm
Fehler: Schlechte stoffschlFehler: Schlechte stoffschlüüssige Bindungssige Bindungeutektischeseutektisches SnSn--PbPb--LotgefLotgefüüge:ge:
AA PbPb--reichereiche Phase (hell)Phase (hell)
BB SnSn--reichereiche Phase (dunkel)Phase (dunkel)
CC Spalt = unvollstSpalt = unvollstäändige Bindungndige Bindung
CuCu--Oxidschicht wurde vor der Oxidschicht wurde vor der
galvanischen Sngalvanischen Sn--Plattierung Plattierung
nicht ordentlich entferntnicht ordentlich entfernt
DD einzelne intermetallische einzelne intermetallische PhasenteilchenPhasenteilchen
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
LegierungLegierung SchmelztemperaturSchmelztemperatur
SnSn--CuCu SnCu0,7 (<0,1Ni + x)SnCu0,7 (<0,1Ni + x) 227 (227 (eutektischeutektisch)*)*
SnSn--AgAg SnAg3,5SnAg3,5 221 (221 (eutektischeutektisch)*)*
„„SACSAC““ SnAg3,0Cu0,7SnAg3,0Cu0,7 217 (217 (eutektischeutektisch)*)*
SnSn--AgAg--BiBi SnAg3,5Bi3SnAg3,5Bi3 206...213**206...213**
SnSn--AgAg--InIn--Bi SnAg3,5In8Bi0,5Bi SnAg3,5In8Bi0,5 207** 207**
(Sn(Sn--BiBi--CuCu SnBi10Cu0,5SnBi10Cu0,5 190...200)190...200)
SnSn--ZnZn SnZn9(Bi, Al)SnZn9(Bi, Al) 198,5 (198,5 (eutekteutekt.)**.)**
SnSn--Pb Pb SnPb37(Ag1)SnPb37(Ag1) 179179--183 (183 (eutekteutekt.).)
SnSn--BiBi SnBi58SnBi58 138 (138 (eutektischeutektisch))##
SnSn--InIn SnIn52SnIn52 118 (118 (eutektischeutektisch))##
240
230
220
210
200
190
180
170
* EU, USA
**Japan#Spezialanwendungen
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!
GefGefüüge einer bleifreien SMDge einer bleifreien SMD--LLöötverbindung, tverbindung, PeaktemperaturPeaktemperatur 245245°°CC
20 µm
AA LLöötanschluss (Bauelement) mit tanschluss (Bauelement) mit
NiNi--SperrSperr-- und intermetallischer und intermetallischer
PhasenPhasen--GrenzschichtGrenzschicht
BB CuCu66SnSn55--/Ag/Ag33SnSn--PhasenteilchenPhasenteilchen
CC PrimPrimäärdendrit (zinnreich)rdendrit (zinnreich)
DD eutektischeeutektische RestschmelzeRestschmelze
EE intermetallische Phasenintermetallische Phasen--Grenzschicht Grenzschicht (Legierungsschicht)(Legierungsschicht)
FF Grundmetall Grundmetall (Leiterplattenkupfer)(Leiterplattenkupfer)
DDCC
BB
FF
EE
AA
2000-limi_001976
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
bei 25°C bei 100°C .Zinn 40 [2] 0,12 0,16 7,3 [2]
SnPb40 17 [4] 0,17 0,32 8,5 [2]
SnAg4Cu0,5 15 [4] 0,1-0,15 7,5 [4]
Blei 30 [2] 0,21 0,27 11,3 [2]
Kupfer 400...1.100 [2] 0,017 0,02 8,9 [2]
ε (Cu3Sn) 4.900 [1] 0,20 0,22η(Cu6Sn5) 5.100 [1] 0,12 0,16 8,3 [5]
Stahl (Werkzeug & intermetallische Phasen tauchen im bleifreien Lot ab) 7,85 [2]
[1]Klein Wassink 1992, Tab. 4.6[3] --´´-- , Tab. 4.10[2] Stoffhütte 1967, S. 1008ff. [4] G. Poupon 2003[5] J.D. Bernal 1928
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
Typische SMT Typische SMT –– AnschlussgeometrienAnschlussgeometrien
ChipChip--Bauteil mit 3 Bauteil mit 3 AnschlussflAnschlussfläächenchen
ChipChip--Bauteil mit 5 Bauteil mit 5 AnschlussflAnschlussfläächenchen
ArrayArray--BauformBauform
AnschlussflAnschlussfläächen von zylinderfchen von zylinderföörmigen rmigen und rechteckigen Bauelementformen und rechteckigen Bauelementformen
CCCCCC = Chip = Chip CeramicCeramic CapacitanceCapacitance
Quelle Philips HalbleiterQuelle Philips Halbleiter
Mittels WellenlMittels Wellenlöötung auf FR4 montiert;tung auf FR4 montiert;
Bauform C1206Bauform C1206
Metallisierung an 5 FlMetallisierung an 5 Fläächen chen
an jedem Ende an jedem Ende
Passive Bauelemente:Passive Bauelemente:SMDSMD--Kondensator Kondensator
„„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
SMDSMD--ReflowlReflowlöötungtung: : GuteGute BenetzungBenetzungAusschnittAusschnitt: : GrenzschichtGrenzschicht intermetintermet. . PhasenPhasen
2020µµmm
1mm1mm20042004--limi_02637limi_02637
20022002--macro_001575macro_001575
PLCC 44PLCC 44WellenlWellenlöötungtung
20042004--macro_01205macro_01205
PLCC 44PLCC 44ReflowlReflowlöötungtung
Neue Entwicklungen:Neue Entwicklungen:� Für mittlere Anschlusszahlen: < 100 pins
� Leadframe-basiert: low cost
� Meist eine Reihe Anschlüsseumlaufend am Rand
Anwendungen:
Voll integrierte analoge Power Management Lösungen für mobile Geräte
QFN = Quad Flat No Leads (Infineon)MLF = Micro Leadframe (Texas Instr.)LLP = Leadframe based Leadless Package
(National Semiconductor)
Infineon: VQFNInfineon: VQFN= = VeryVery ThinThin QuadQuad FlatFlat Pack No Pack No LeadsLeads
Quelle: Infineon Technologies 2000Quelle: Infineon Technologies 2000
�� LeadframeLeadframe--basiertebasierte TechnologieTechnologie((LeadframeLeadframe = Leiter= Leiter--AnschlussAnschluss--Rahmen)Rahmen)
�� GGüünstige Fertigungnstige Fertigung
�� pitchpitch 0.5 mm0.5 mm
�� Pin Anzahl 16...48 Pin Anzahl 16...48
(bis zu 60 und mehr)(bis zu 60 und mehr)
�� 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
SnNiSnNiMurataMurata
SnAgCuSnAgCuMatte SnMatte SnInfineonInfineon
SnAgCuSnAgCuSnBiSnBiMatsushitaMatsushita
SnAgCuSnAgCuSnBiSnBiLSILSI
Matte SnMatte SnLinearLinear
SnAgCuSnAgCuMatte SnMatte SnIntelIntel
SnAgCuSnAgCuMatte SnMatte SnIBMIBM
SnAgCuSnAgCuSnBiSnBiNiPdAuNiPdAu
HitachiHitachi
SnAgCuSnAgCu
SnBiAgSnBiAg
SnBiSnBiFujitsuFujitsu
SnAgCuSnAgCuMatte SnMatte SnAnalog DevicesAnalog Devices
SnAgCuSnAgCuMatte SnMatte SnAgilentAgilent
SnAgCuSnAgCuMatte SnMatte SnAgereAgere
SnAgCuSnAgCuMatte SnMatte SnAMDAMD
BGABGALeadedLeadedCompanyCompany
SnAgCuSnAgCuMatte Sn, Matte Sn, NiPdAuNiPdAu
ST ST MicroelectronicsMicroelectronics
SnAgCuSnAgCuMatte SnMatte SnTycoTyco
SnBiSnBiToyotaToyota
SnAgCuSnAgCuSnAgPdSnAgPd, , SnBiSnBiToshibaToshiba
SnAgCuSnAgCuNiPdAuNiPdAu, Matte Sn, Matte SnTexas InstrumentsTexas Instruments
SnAgCuSnAgCuSnBiSnBiSamsungSamsung
SnAgCuSnAgCuNiPdAuNiPdAu, , SnBiSnBiSony Sony SemiconductorSemiconductor
SnAgCuSnAgCuSnBiSnBi, Pd, PdSharpSharp
Pd, Pd, SnBiSnBi, , AuAuPanasonicPanasonic
SnAgCuSnAgCuMatte Sn, Matte Sn, NiPdAuNiPdAuPhilipsPhilips
SnAgCuSnAgCuSnBiSnBiNECNEC
SnAgCuSnAgCuMatte SnMatte SnNational National SemiconductorSemiconductor
SnAgCuSnAgCuMatte SnMatte Sn
NiPdAuNiPdAu
MotorolaMotorola
BGABGALeadedLeadedCompanyCompany
Quelle: MotorolaQuelle: Motorola
VertrVerträäglichkeitglichkeit
OK, wenn LOK, wenn Löötstelle >230tstelle >230°°C C bei bei ArrayArray--PackagesPackages
StandardprozessStandardprozess
BleifreiBleifrei--ProzessProzess
Quelle: MotorolaQuelle: Motorola
PbPb--freiesfreies--BEBE--FinishFinish
SnPbSnPb--BEBE--FinishFinish
PbPb--haltigerhaltigerFertigungsprozessFertigungsprozess
PbPb--freier freier FertigungsprozessFertigungsprozess
OK, bei TemperaturbestOK, bei Temperaturbestäändigkeit ndigkeit und und MSLMSL--ÜÜbereinstimmungbereinstimmung
Benetzungskraftmessung + VideoBenetzungskraftmessung + Video
DV-Rechner IBM 486 SX
MS-DOS V6.21
Videorecorder
CCD-Kamera
Speicher; Meßverstärker;
phasenselektiver Gleichrichter
Kraft-Mess-einrichtung
(LVDT)Halter
A/D -Wandler
Monitor Tastatur Drucker
X-Y-Z-Tisch
LKB/LB*
Probe
*LKB/LB: Lotkugelblock/Lotbad
ISITISIT--specialspecial::
Quelle: Colin Lea - A Scientific Guide to Surface Mount Technology. Fig. 10.31 Electrochemical Publications Ltd., 1988
BenetzungskraftBenetzungskraft--ZeitZeit--KurveKurve
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
bleifreie Wellenlbleifreie Wellenlöötung , SnAg3,5/265tung , SnAg3,5/265°°C, Schutzgas C, Schutzgas SMD (LSMD (Löötseite)tseite)
R0805R0805
QFP44 QFP44 0,8 mm 0,8 mm Raster Raster
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)
2004-limi_05268tn642004-limi_05269tn64
2004-macro_01313tn64
Oberfläche: OSP chem. SnFlussmittel: Alkoholbasis, 14% Feststoff Wasserbasis, 2,5 %
Quelle: Teleste/ERSA
Anforderungen an den Wellenlötprozess
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
11 2211
22
3311 KeramikKeramik
22 Ag(PdAg(Pd) ) KontaktKontakt
33 NiNi--SperrschichtSperrschicht
44 SnSn--Ag PhasenAg Phasen
44
Folgen thermomechanischer BeanspruchungFolgen thermomechanischer Beanspruchung
500 Zyklen -55°C - 125°C, 30´
Aufdecken von Schwachstellen: fehlende Nickel-Diffusionsbarriere, Bildung spröder intermetallischer Phasen, Haftungsprobleme zum Keramikkörper
ErlErlääuterung der Luterung der Lööttechnologienttechnologien
Themenschwerpunkte:Themenschwerpunkte:
�� Metallurgie der LotwerkstoffeMetallurgie der Lotwerkstoffe
�� Metallurgie der BauelementanschlMetallurgie der Bauelementanschlüüssesse
�� Leiterplatte: Basismaterial, OberflLeiterplatte: Basismaterial, Oberfläächenchen--MetallurgieMetallurgie
�� 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
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!
Leiterplattenprobleme Leiterplattenprobleme nach bleifreinach bleifrei--LLöötenten
� Delamination
� Hülsenrisse
� Ablegiereffekte
� trocknen
� Materialauswahl
� Prozessführung
Vermeidung der Vermeidung der Leiterplattenprobleme Leiterplattenprobleme vor bleifreivor bleifrei--LLöötenten
HHüülsenlsen--RissRissBruch Bruch imim
KnieKnie InnenlagenInnenlagen--AbrissAbriss
Wichtige Wichtige Parameter fParameter füürr BasBasisismaterialmaterial
� 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
�� TTGG: Glas: Glasüübergangstemperatur bergangstemperatur
�� ist ist nichtnicht der wesentliche Wert fder wesentliche Wert füür die Degradationr die Degradation
�� ttDD: : „„Time to Time to DelaminationDelamination““ ist ist wichtigerwichtiger
�� (Welle: (Welle: „„Solder FloatSolder Float““, Pr, Prüüfanforderungfanforderung: 10s bei : 10s bei 288288°°C)C)
�� BestBestäändigkeit gegen 3 x ndigkeit gegen 3 x ReflowReflow
�� PolycladPolyclad ((seit 24. Apr. 06 seit 24. Apr. 06 �� isolaisola) )
–– „„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
©Isola AG
Delaminierung
Aufheizphase(TMA Kurve)
T260
���� 10- 15 min für Standard FR4höhere Werte für Novolak oder
Halogenfreie Systeme
Difunktionales / MultifunktionalesEpoxidharz
Dicyandiamid-oder Novolak-
Härtung
““Time to Time to DelaminationDelamination””
ThermogravimetrieThermogravimetrie5% Gewichtsabnahme = T5% Gewichtsabnahme = TDD
(engl. (engl. DecompositionDecomposition, d. h. Zersetzung), d. h. Zersetzung)TTDD
��typtyp. ~310. ~310--320320°°C fC füür Standard FR4r Standard FR4
MaterialeigenschaftenMaterialeigenschaften
©©IsolaIsola AGAG
Bild: Dr. L. WeitzelBild: Dr. L. Weitzel
LLöötwtwäärmebestrmebestäändigkeit / Kombination:ndigkeit / Kombination:STII=STII= „„SolderSolder TemperatureTemperature Impact IndexImpact Index““
� Vorschlag W. Engelmaier
(schreibt die Leitlinien für Zuverlässigkeit in IPC-Standards)
STII = (TG + TD)/2 - (%thermal expansion 50°C...260°C) x 10
� Anforderung STII ≥ 215
� STII ist kein beschreibendes Modell, sondern ein Richtwert zur
Einschätzung der Eignung eines ausgewählten Materials anhand
des Materialdatenblatts
TG: Glasübergangstemperatur
TD: Zersetzungstemperatur (Decomposition Temperature)
bei bei PeaktemperaturPeaktemperatur
bei Raumtemperaturbei Raumtemperatur
LLöötprozesstprozessZugspannungenZugspannungenauf die Cu Hauf die Cu HüülselseLLöötauge wird nachtauge wird nach
auaußßen gebogenen gebogen
0
10
20
30
40
50
60
70
25 50 75 100 125 150 175 200 225 250
T [°C]
z-A
chen
ausd
ehnu
ng [µ
m]
Standard-FR4 z-Achse Cu
LeiterplatteneigenschaftenLeiterplatteneigenschaften
PadliftingPadlifting
Bild: Dr. L. WeitzelBild: Dr. L. Weitzel
© Polar Instruments 2003www.polarinstruments.com
PWB’s IST Systemwww.pwbcorp.com
PWB TESTING HIERARCHY
THERMAL OVEN
I.S.T.
SOLDER FLOAT
MICROSECTION
ELECTRICAL
A.O.I.
Estimated % of Products
<0.1%
<1%
<1%
<1%
100%
100% Visual Inspection
Continuity
Mechanical Compliance
Shock
Accelerated Stress
Accelerated Stress
Capability Requirement
Customer Compliance
AssemblySimulation
Physical Examination
Customer Compliance
DefectReduction
Product/ProcessIntegrity
I.S.T. = Internal Stress Test���� Testcoupon mit Heiz- und Sensorkreis in spezifischer Produkttechnologie
© Polar Instruments 2003www.polarinstruments.com
PWB’s IST Systemwww.pwbcorp.com
IST Principles / Methodology
© Polar Instruments 2003www.polarinstruments.com
PWB’s IST Systemwww.pwbcorp.com
IST Coupon Design
© Polar Instruments 2003www.polarinstruments.com
PWB’s IST Systemwww.pwbcorp.com
History of IST Technology
200252+ IST Systems in the Field
2001IPC TR486 Completed (R & R Study on IST Vs Thermal Shock)
2002Generic Design/Testing/Reporting Strategy Implemented
2000IST Service Capacity Increased to Meet High Demands
2000IPC – TM650 Approval Received (2.6.26)
1998Systems Installed into Asia / Europe
1996First Revenue Generating System Installed
1995PWB Interconnect Solutions Incorporated
1994Patents awarded for Methodology / Coupon Design
1993Deployed Beta Systems (Viasystems Canada)
1989Initiated Development Activities at DEC
GegenGegenüüberstellung berstellung -- LLöötoberfltoberfläächen auf Leiterplattenchen auf LeiterplattenEigenschaften HAL NiAu OSP Chem. Ag Chem. Sn
Fine-pitch-Eignung Bedingt Ja Ja Ja Ja
Pb-frei Eignung Ja* Ja Ja Ja Ja
Beschichtungs-Kosten Mittel Hoch Niedrig Mittel Mittel
Schichtdicke ≥≥≥≥ 500 nm ≥≥≥≥ 10 µm
4-6 µm NiP 100-200 nm Au
0,5-1 µm ca. 300 nm ≥≥≥≥ 800 nm PB ≥≥≥≥ 1.000 nmLF
Mehrfachlötbarkeit Ja Ja Bedingt Ja ja
Lagerfähigkeit Gut Gut Mittel Mittel Mittel
Einpresstechnik Bedingt Nein Bedingt Ja ja
Kontaktanwendung Nein Ja Nein Bedingt Nein
Drahtbondbarkeit Nein Ja Nein Nein Nein
Verträglichkeit LSM** Gut Kritisch Gut Gut Kritisch
Wartungsaufwand Hoch Mittel Niedrig Niedrig Mittel
Prozeßaufwand Mittel Hoch Niedrig Niedrig Niedrig
Arbeitssicherheit, Umwelt Schlecht Gut Gut Gut Gut
Temperaturstress Hoch Niedrig Niedrig Niedrig Niedrig
* SnCuNi ** LSM = Lötstoppmaske
PB ���� bleihaltigLF ���� bleifrei
Was sind Was sind BromineBromine/Halogene?/Halogene?
Die Bromverbindungen im FR4 sind:
• chemisch gebunden in einer Polymer-Matrix
• weder Brom noch deren Verbindung werden hier frei
• kein negativer gesundheitlicher Effekt bekannt
• nach der RoHS nicht auf der Verbotsliste
Quelle: . Lehnberger, Andus; L. Oberender, Häusermann
Bleihaltige EndoberflBleihaltige Endoberfläächeche am Beispiel der am Beispiel der HeiHeißßluftverzinnungluftverzinnung
Die Bedeutung der Endoberflächen am Beipiel HAL:
• Verhinderung der Oxidation der Cu-Oberfläche
• Gute Benetzung der Oberfläche beim Löten
• Verlängerung der Lagerzeit bis zur Weiterverarbeitung
HAL (Hot-Air-Leveling): 70 % (↓) aller LP´s bei Andus (2004)
• Tauchen in flüssiges SnPb
• anschließendes Evakuieren der LP und Entfernen der Übermenge SnPb von den Cu-Oberflächen und den Cu-Hülsen
Quelle: . Lehnberger, Andus; L. Oberender, Häusermann
BleifreiBleifrei LeiterplattenoberflLeiterplattenoberfläächenchen
OSP = Organische
Passivierung
HAL
ChemischZinn
Gold
ChemischSilber
LP
Quelle: . Lehnberger, Andus; L. Oberender, Häusermann
HAL
BleiBlei--freifrei LeiterplattenoberflLeiterplattenoberfläächenchen
Blei-frei HAL: Ersetzen von SnPb durch SnCu(Ni)
Vorteile:
• bekannter Prozess• bekannte Oberfläche• gute Lötbarkeit• gute Einpresseigensch.• preiswert• lange Lagerzeit
Nachteile:
• nicht bondbar• therm. Stress der LP und der Vias• schlechte Koplanarität (µBGA, ..)• weniger geeignet für Feinpitch
Quelle: . Lehnberger, Andus; L. Oberender, Häusermann
ChemischZinn
BleiBlei--freifrei LeiterplattenoberflLeiterplattenoberfläächenchen
Vorteile:
• bekannter Prozess• koplanare Oberfläche• gute Lötbarkeit• gute Einpresseigensch.• preiswert
Nachteile:
• nicht bondbar• Cu-Sn-Diffusion
Sn2+ + Cu � Sn + Cu2+
� SnCu
Quelle: . Lehnberger, Andus; L. Oberender, Häusermann
t, T�
SnCu6Sn5Cu3SnCu
SnCu
Sn-Cu-Diffusion
@ 330@ 330°°C C ( Handl( Handlööten!)ten!)
1 1 µµm / Sekundem / Sekunde
@ 260@ 260°°CC1 1 µµm / Minutem / Minute
@ 190@ 190°°CC1 1 µµm / Stundem / Stunde
@ 140@ 140°°CC1 1 µµm / Tagm / Tag
@ 80@ 80°°CC1 1 µµm / Monatm / Monat
@ 40@ 40°°CC1 1 µµm / Jahrm / Jahr
@ 20@ 20°°CC1 1 µµm in 2.5 Jahrem in 2.5 Jahre
BleiBlei--freifrei LeiterplattenoberflLeiterplattenoberfläächenchen
���� Dicke der chem. Sn-Schicht ≥ 0.8 µm !
Quelle: . Lehnberger, Andus; L. Oberender, Häusermann
Gold
BleiBlei--freifrei LeiterplattenoberflLeiterplattenoberfläächenchen
Die unterschiedlichen Bezeichnungenchem. Ni/AuElectroless Nickel / Immersion Gold ENIG
Ni dient als Diffusionssperre
70..120 nm Au4-6 µm Ni
Vorteile:• bekannter Prozess• Koplanare Oberfläche• Al-Draht bondbar• gute Lötbarkeit• lange Lagerzeit
Nachteile:• Preis• geringere Benetzbarkeit alsHAL und chem. Sn
• Ni-Sprödigkeit (nicht für Flex-LP)• Reduzierte Zuverlässigkeit derLötstellen (bei erhöhtem thermo-mechanischen Stress)
Quelle: . Lehnberger, Andus; L. Oberender, Häusermann
Electrolyt.Soft-Gold
BleiBlei--freifrei LeiterplattenoberflLeiterplattenoberfläächenchen400..600 nm Au4-6 µm Ni► für Au-Wire-US-Bonden► spröde Sn-Au-Phases► Preis, wenig verfügbar
ReductionGold
400..600 nm Au (99.9%), galv.4-6 µm Ni► wenig verfügbar► Anbindung der Pads erforderlich
0,8 ..5 µm Au-Co (0.5%), galv.4-6 µm Ni► Kontakte, Schleifer,
Stecker (PCI-Slot),...
Electrolyt.Hard-Gold
Alternative: Carbon-Lack
Quelle: . Lehnberger, Andus; L. Oberender, Häusermann
ChemischSilber
BleiBlei--freifrei LeiterplattenoberflLeiterplattenoberfläächenchen
► kaum verfügbar in Europa► bedingt bondbar► Lötbarkeit eingeschränkt► Lagerzeit eingeschränkt
Organic Coating100-200 nm Ag
Quelle: . Lehnberger, Andus; L. Oberender, Häusermann
OrganischePassivierung
BleiBlei--freifrei LeiterplattenoberflLeiterplattenoberfläächenchen
200 – 600nm
OSP - Organic Solderability Preservative
Marken-Namen: ENTEK+, Glycoat
Dünne Schutzbeschichtung (Luftsauerstoff)
Vorwiegend für Konsumgüterprodukte
Vorteile:► Preis► koplanare Oberfläche
Nachteile:► Mehrfachlöten ist problematisch►elektrischer Test vor OSP-Prozess
Quelle: . Lehnberger, Andus; L. Oberender, Häusermann
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
Bildung der LBildung der Löötverbindung beim Kolbenltverbindung beim Kolbenlöötenten
Quelle: DKI Lehrhilfe Quelle: DKI Lehrhilfe Werkstofftechnik Werkstofftechnik HerstellungsverfahrenHerstellungsverfahren
A: Oxidschicht
B: „kochendes“Flussmittel
C: freiliegende Metalloberfläche
D: Lot reagiert mit dem Grundmetall
E: wachsende Legierungsschicht (intermetallische Phase)
F: Grundmetall
Bewegungsrichtung
Kolbenspitze (Kupfer)
Oxidschicht
Flussmittel
Legierungsschicht
Lot
Grundmetall
Eisenschicht: benetzt, löst sich nur langsam
Bildung der LBildung der Löötverbindung beim Kolbenltverbindung beim Kolbenlöötenten
Quelle: DKI Lehrhilfe Quelle: DKI Lehrhilfe Werkstofftechnik Werkstofftechnik HerstellungsverfahrenHerstellungsverfahren& FED& FED--Video Video „„HandlHandlöötenten““
A: Oxidschicht
B: „kochendes“Flussmittel
C: freiliegende Metalloberfläche
D: Lot reagiert mit dem Grundmetall
E: wachsende Legierungsschicht (intermetallische Phase)
F: Grundmetall
Bewegungsrichtung
Kolbenspitze (Kupfer)
Oxidschicht
Flussmittel
Legierungsschicht
Lot
Grundmetall
Eisenschicht: benetzt, löst sich nur langsam
THT HandlTHT Handlöötung, Durchstieg dokumentierttung, Durchstieg dokumentiert
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
Quelle: ZAVTQuelle: ZAVT
Folgen erhFolgen erhööhter Arbeitstemperatur / Thter Arbeitstemperatur / T--GradientenGradientenBauteilschädigung
Folgen erhFolgen erhööhter Arbeitstemperatur / Thter Arbeitstemperatur / T--GradientenGradientenBauteilschädigung
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
4: D4: Düüsen fsen füür Heir Heißßgasgriffelgasgriffel
Quelle: Quelle: 1 SUNKO / MBR ELECTRONICS1 SUNKO / MBR ELECTRONICS2 HAKKO / TBK2 HAKKO / TBK3 3 zephyrtroniczephyrtronic
11
22
33 44
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
BEST BEST IncInc September 2005September 2005
Bleianteil mittels ICPBleianteil mittels ICP--AES AES gemessengemessen
�� bleifreies Lot: 0,079% Pbbleifreies Lot: 0,079% Pb
�� Lot von der Spitze: 0,10% PbLot von der Spitze: 0,10% Pbnach dem 3. Spnach dem 3. Spüülvorganglvorgang
Zusammenfassung:Zusammenfassung:
Bei Verwendung bleifreier Lote sind:Bei Verwendung bleifreier Lote sind:
� die Lötzeiten länger
� die Ergebnisse ungleichmäßiger
� die Arbeitstemperaturen höher
� die Flussmittelrückstände & Lötspitzenkorrosion verstärkt.
Deshalb:
�Schulungsaktivitäten mit Prozessfähigkeitsanalysen verbinden
�Oxidation mit Einsatz von Schutzgas reduzieren
�neue Werkzeuge evaluieren
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
EE--Baugruppe: HerstellungsqualitBaugruppe: HerstellungsqualitäättInspektion, hier TOPInspektion, hier TOP--Seite = PrimSeite = Primäärseiterseite
99h2-macro_001286
3 mm3 mm
Bleifreie LBleifreie Löötstellen (SAC)tstellen (SAC)
TOP: TOP: SMDSMD--ReflowlReflowlöötungtungSMDSMD--SteckverbinderSteckverbinder, ,
LEDLEDTHTTHT--StiftleisteStiftleiste
SOD80SOD80
C0603C0603
tn88_P1060283tn88_P1060283
EE--Baugruppe: HerstellungsqualitBaugruppe: HerstellungsqualitäättInspektion, hier TOPInspektion, hier TOP--Seite = PrimSeite = Primäärseiterseite
99h2-macro_001286
3 mm3 mm
Bleifreie LBleifreie Löötstellen (SAC)tstellen (SAC)
TOP: TOP: SMDSMD--ReflowlReflowlöötungtungSMDSMD--SteckverbinderSteckverbinder, ,
LEDLEDTHTTHT--StiftleisteStiftleiste
SOD80SOD80
C0603C0603
tn88_P1060283tn88_P1060283
EE--Baugruppe, HerstellungsqualitBaugruppe, Herstellungsqualitäät:t:LLöötstellenform und Ltstellenform und Löötstellengeftstellengefüügege
Grenzschicht Lot/AnschlussbeinGrenzschicht Lot/Anschlussbein
20042004--limi_02637limi_02637
1mm1mm
Bleifreie LBleifreie Löötstellen; SAC3807tstellen; SAC3807
20042004--macro_01116macro_01116
SMDSMD--ReflowlReflowlöötungtung: Gute Benetzung: Gute Benetzung
2020µµmm
2004-limi_02638
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
Vermittlung der Abnahmekriterien: IPC Application Specialist Trainingdurch Certified IPC Trainer (CIT)
Bleifreie Bleifreie LLöötstelletstelle
�� Fachbegriffe und Normen zur BaugruppenfertigungFachbegriffe und Normen zur Baugruppenfertigung
�� Handhabung elektronischer BaugruppenHandhabung elektronischer Baugruppen
�� MontageMontage-- und Befestigungsteileund Befestigungsteile
�� LLöötstellentstellen
�� AnschlAnschlüüssesse
�� DurchsteckmontageDurchsteckmontage--TechnologieTechnologie
�� OberflOberfläächenmontierte Baugruppenchenmontierte Baugruppen
�� BauteilbeschBauteilbeschäädigungendigungen
�� LeiterplattenLeiterplatten
�� EinzelverdrahtungenEinzelverdrahtungen
�� HochspannungHochspannung
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.
Quelle: Quelle: IPCIPC--AA--610D Kapitel 5 610D Kapitel 5 „„LLöötstellentstellen““
BildBild 55--3535
Unzulässig- Klasse 1,2,3
UnzulUnzuläässig Klasse 2, 3,ssig Klasse 2, 3,zulzuläässig Klasse 1ssig Klasse 1
Fehlende Benetzung am
Anschluss
Durchstieg < 75%
UnzulUnzuläässig Klasse 1, 2, 3ssig Klasse 1, 2, 3
Lotbrücke
offene Lötstellen
Bauteile verschoben
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
BCB-Passivierung
CSPCSP = Chip = Chip SizeSize PackagePackage: : GehGehääuse use = Chipfl= ChipfläächecheBCBBCB = = BenzuCycloButeneBenzuCycloButene(fotostrukturierbares (fotostrukturierbares DielektrikumDielektrikum))
Quelle: Fraunhofer ISIT, Dr. W. Reinert
Aktuelle Bauformen:Aktuelle Bauformen:
� Für mittlere Anschlusszahlen: < 100< 100 pinspins
� Leadframe-basiert: low cost
� Meist eine Reihe Anschlüsse umlaufend am Rand
Anwendungen:
Voll integrierte analoge Power Management Lösungen für mobile Geräte
QFN = QFN = QuadQuad FlatFlat No No LeadsLeads (Infineon)(Infineon)
MLF = Micro MLF = Micro LeadframeLeadframe (Texas Instr.)(Texas Instr.)
LLP = LLP = LeadframeLeadframe basedbased LeadlessLeadless PackagePackage (National (National SemiconductorSemiconductor))
MLFMLF--Benetzung an der StanzkanteBenetzung an der Stanzkante
MLF = Micro MLF = Micro LeadframeLeadframe
PadgestaltungPadgestaltung: Bitte vereinheitlichen!: Bitte vereinheitlichen!
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
NSMDNSMD--PadsPads SMDSMD--PadPad
Feldbeispiel: Feldbeispiel: Fehler mittels AOI ausgesondert Fehler mittels AOI ausgesondert automatische automatische →→ KlassifizierungKlassifizierung
AOIAOI--Bilder mit PrBilder mit Prüüffensterffenster
DiffuslichtDiffuslicht AuflichtAuflicht PinendePinende (Stanzkante)(Stanzkante)
GehGehääusekante, Pinaustritt usekante, Pinaustritt
InspektionsmikroskopInspektionsmikroskop
PadvorsprungPadvorsprung
SeitenmeniskusSeitenmeniskus
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
�� Maschinelles bleifreies WellenlMaschinelles bleifreies Wellenlöötenten
�� SMDSMD--ReflowlReflowlööten bleifreiten bleifrei
�� Einige essentielle DesignEinige essentielle Design--Hinweise und Hinweise und --QuellenQuellen
Richtwerte fRichtwerte füür Verunreinigungen im Lotbadr Verunreinigungen im Lotbad
Quelle: Stannol
Liste der verbotenen Stoffe / RoHSListe der verbotenen Stoffe / RoHSzulzuläässige Grenzwertessige Grenzwerte1)1) gemgemäßäß
„„COUNCIL DECISION COUNCIL DECISION amendingamending DirectiveDirective 2002/95/EC2002/95/EC““, Aug.05, Aug.05
�� PbPb Blei Blei 0,1%0,1%
(mit (mit AusnahmenAusnahmen seit 25.10.05)seit 25.10.05)
�� HgHg QuecksilberQuecksilber 0,1%0,1%
�� CdCd CadmiumCadmium 0,01%0,01%
�� CrCr+6+6 sechswertiges Chromsechswertiges Chrom 0,1%0,1%
�� PBBPBB ** polybromiertepolybromierte BiphenyleBiphenyle 0,1%0,1%
�� PBDE *PBDE * polybromiertepolybromierte DiphenyletherDiphenylether 0,1%0,1%
* flammhemmende Zus* flammhemmende Zusäätzetze
1)1) Gewichtsprozente imGewichtsprozente imhomogenen Materialhomogenen Material
Was ist Was ist „„Homogenes MaterialHomogenes Material““? ?
Quelle: EC Quelle: EC draftdraft guidelinesguidelines
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
BleiBlei--BasisBasis--Lot)Lot)
6. Plastik6. Plastik--VergussmasseVergussmasse4. 4. LeadframeLeadframe
(Cu)(Cu)
Bauelemente wie Kondensatoren, Transistoren und Halbleitergehäusesind kein “Material“ im Sinne von „Werkstoff“, sondern bestehen aus mehreren verschiedenen Substanzen (1-6 im Schemabild)
http://uk.farnell.com/static/en/rohs/highlights/rohs-faq-page.htm
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
EinfEinfüührung bleifreier (hrung bleifreier (RoHSRoHS--konformerkonformer) Produkte) Produkte
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
11. turbulente . turbulente „„ChipChip““--Welle (SMD)Welle (SMD)
22. ruhige, . ruhige, laminarelaminare Formwelle (THD)Formwelle (THD)
WellenlWellenlöötprofiltprofil
Zeichnungen nach R. J. Klein Zeichnungen nach R. J. Klein WassinkWassink
„„WeichlWeichlööten in der Elektronikten in der Elektronik““ (1992)(1992)
1 2
THD: Through Hole Device(bedrahtete Bauelemente)SMD: Surface Mounted Device(Bauelemente für Oberflächenmontage)
Lot-TiegelVorheizung
Fluxer
Abluft Abluft
Ladestation
Entlade-station
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
11. turbulente . turbulente „„ChipChip““--Welle (SMD)Welle (SMD)
22. ruhige, . ruhige, laminarelaminare Formwelle (THD)Formwelle (THD)
WellenlWellenlöötprofiltprofil
Zeichnungen nach R. J. Klein Zeichnungen nach R. J. Klein WassinkWassink
„„WeichlWeichlööten in der Elektronikten in der Elektronik““ (1992)(1992)
1 2
THD: Through Hole Device(bedrahtete Bauelemente)SMD: Surface Mounted Device(Bauelemente für Oberflächenmontage)
Lot-TiegelVorheizung
Fluxer
Abluft Abluft
Ladestation
Entlade-station
WellenlWellenlööten: ten: SchaumfluxerSchaumfluxer,, SchemaSchema
WellenlWellenlööten:ten:Schemadarstellung Schemadarstellung SprSprüühfluxerhfluxer
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
Quelle: ERSA LQuelle: ERSA Lööttechnik GmbHttechnik GmbH
SprSprüühfluxerhfluxer
SprSprüühfluxerhfluxer
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
bleifreie Wellenlbleifreie Wellenlöötung R0605, Lotbad 265tung R0605, Lotbad 265°°CC
Luft: BrLuft: Brüücken cken Schutzgas:Schutzgas: gutgut
Schutzgas: Stickstoff (NSchutzgas: Stickstoff (N22))
Quelle: ERSA LQuelle: ERSA Lööttechnik GmbHttechnik GmbH
LLööten von ICten von IC--Bauelementen mit einer Doppelwelle: Bauelementen mit einer Doppelwelle: Wellenabriss beim Austauchen aus der WelleWellenabriss beim Austauchen aus der Welle
Quelle: ERSA LQuelle: ERSA Lööttechnik GmbHttechnik GmbH
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
JESD22A111 Table 1 Wave solder Simulation ConditionsTest Conditions Reflow Method
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
Simulation Second Wave: 10 +/- 1 s
Werner.kruppa@stannol.de Mai 2009STANNOL GmbH 147
Ablegierung statisch von Cu - Draht
T
Ablegierversuch an Drahtproben
Lotbad
KupferdrahtThermometer
Werner.kruppa@stannol.de Mai 2009STANNOL GmbH 148
NEMI Wave board
•Cu THICKNESS AFTER 1STPASS WAVE
•Cu THICKNESS AFTER 11sec•REMOVE +REPLACE PROCESS•(1 STEP)
Cu THICKNESS AFTER REMOVE +SITE DRESS PROCESS
Cu THICKNESSAFTER REMOVE +SITE DRESS + REPLACE PROCESS (3 STEP)
SnAgCu 1stpass wave followed by SnAgCu minipot rework on 60mil thick
bleifreie Wellenlbleifreie Wellenlöötung , SnAg3,5/265tung , SnAg3,5/265°°C, Schutzgas C, Schutzgas SMD (LSMD (Löötseite)tseite)
R0805R0805
QFP44 QFP44 0,8 mm 0,8 mm Raster Raster
StromschieneStromschieneguter Durchstieg guter Durchstieg bei 265bei 265°°CC10 µm Ablegierung bei 265°C
300
200
100
00 60 120 180 240
Zeit [s]0 60 120 180 240
Zeit [s]
Quelle: DIN EN 61760Quelle: DIN EN 61760--11OberflOberfläächenmontagetechnikchenmontagetechnik
Tem
pera
tur
[°C]
180°C
Vorheizung Vorheizu
ng
180°C
LLöötprofile tprofile -- TemperaturTemperatur--ZeitZeit--DiagrammDiagrammDoppelwellenlDoppelwellenlöötenten ReflowlReflowlöötenten
Infrarot, KonvektionInfrarot, Konvektion
220°C 220°C
300
200
100
0
0 60 120 180 240Zeit [s]
Quelle: DIN EN 61760Quelle: DIN EN 61760--11OberflOberfläächenmontagetechnikchenmontagetechnik
Tem
pera
tur
[°C]
Vorheizung Vorheizu
ng
180°C
LLöötprofile tprofile -- TemperaturTemperatur--ZeitZeit--DiagrammDiagrammDoppelwellenlDoppelwellenlöötenten ReflowlReflowlöötenten
SnPbSnPb--LotLot Infrarot, KonvektionInfrarot, Konvektion
220°C
0 60 120 180 240Zeit [s]
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Zeit [s]0 60 120 180 240
Zeit [s]
Quelle: DIN EN 61760Quelle: DIN EN 61760--11OberflOberfläächenmontagetechnikchenmontagetechnik
Tem
pera
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180°C
Vorheizung Vorheizu
ng
180°C
LLöötprofile tprofile -- TemperaturTemperatur--ZeitZeit--DiagrammDiagrammDoppelwellenlDoppelwellenlöötenten ReflowlReflowlöötenten
Infrarot, KonvektionInfrarot, Konvektion
220°C 220°C
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Quelle: DIN EN 61760Quelle: DIN EN 61760--11OberflOberfläächenmontagetechnikchenmontagetechnik
Tem
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Vorheizung Vorheizu
ng
180°C
LLöötprofile tprofile -- TemperaturTemperatur--ZeitZeit--DiagrammDiagrammDoppelwellenlDoppelwellenlöötenten ReflowlReflowlöötenten
SnPbSnPb--LotLot Infrarot, KonvektionInfrarot, Konvektion
220°C
0 60 120 180 240Zeit [s]
180°C
220°C
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
SMD auf Leiterplatte gelSMD auf Leiterplatte gelöötet (tet (ReflowReflow))
SMT = SMT = SurfaceSurface Mount TechnologyMount TechnologySMD = SMD = SurfaceSurface Mount Mount DeviceDevice
SMDSMD--Montage mittels Welle bzw. Montage mittels Welle bzw. ReflowReflow
Lea, Colin: A Scientific Guide to Surface Mount Technology. Electrochemical Publications (1988).
Flussmittelauftrag, VorwFlussmittelauftrag, Vorwäärmenrmen
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.
Siedende Flüssigkeit zur Erzeugung der Dampfdecke
Dampfzone mit 200°C
Quelle: IBL-Löttechnik GmbH /www.ibl-loettechnik.de/
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.
Quelle: IBL-Löttechnik GmbH /www.ibl-loettechnik.de/
DampfphasenlDampfphasenlöötenten
164
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)
(Welle)
Flussmittel-auftrag
Auftrag desSMD-Klebers
Auftrag derLotpaste
Vorrat
Vorrat
Vorrat
Zeit, Temperatur, AtmosphZeit, Temperatur, Atmosph äärere
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)
GasumwGasumwäälzung: 700 m3/h (100%)lzung: 700 m3/h (100%)
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.
Quelle: Quelle: VitronicsVitronics SoltecSoltec BVBV
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
T-Profil MSL-Test small components
VxVx: : VerbesserteVerbesserte WWäärmermeüübertragungbertragung
0
50
100
150
200
250
0 100 200 300 400 500
Zeit [s]
Tem
pera
tur
[°C]
Pea
k 2
Pea
k 1
217°C
dT = 19,5 K
0
50
100
150
200
250
0 100 200 300 400 500
Zeit [s]
Tem
pera
tur
[°C]
Pea
k 1
Pea
k 2
Pea
k 3
217°C
dT = 9,5 K
V8 2-Zonen-Peak Vx 3-Zonen-Peak
�� 3 3 PeakzonenPeakzonen
�� Geringer Abstand DGeringer Abstand Düüsenfelder / Transportebenesenfelder / Transportebene
�� VollstVollstäändige Unterheizungndige Unterheizung
Quelle: Dr. Hans Bell, rehm thermal Systems GmbH
MSLMSL--BelastungsprofilBelastungsprofilGrenzbelastung 260Grenzbelastung 260°°C* auf dem BauelementC* auf dem Bauelement
* konform mit JEDEC 020D
6:30 min.
Beispiel fBeispiel füür ein Lr ein Löötprofil:tprofil:Empfehlung eines LotpastenherstellersEmpfehlung eines Lotpastenherstellers
Empfohlenes, min. Reflow Profil für Cobar No-Clean bleifreie Lotpasten
0
50
100
150
200
250
0 50 100 150 200 250
Zeit (sek.)
Tem
pera
tur
130 sek.
20-140 °C1 °C/sek.
40 sek.
140-160 °C0.5 °C/sek.
35 sek.
160-225 °C2 °C/sek.
Verweilzeit min. 30 sek., max. 60 sek.
Kühlste Stelle min. 225 °Cfür 5 sek.
240
170
150
20
Quelle: Cobar Europe BV
ReflowReflow: Nichtbenetzung / Non : Nichtbenetzung / Non WettingWettingVapourVapour Phase, T=200Phase, T=200°°C, FeC, Fe--Ni Ni LeadLead Frame (Frame (AlloyAlloy 42)42)
1 non fusedpretinning
2 fused pretinning3 fused solder paste
11
22
33
1mm1mm
33
11
99H2-limi_000260
99H2-rem_000036
1. nicht umgeschmolzene Vorverzinnung2. umgeschmolzene Vorverzinnung3. umgeschmolzenes Lotdepot
182
LLöötergebnis einwandfrei tergebnis einwandfrei –– ist das Zielist das Ziel
�� Eine Modellrechnung Eine Modellrechnung soll die Messung nicht soll die Messung nicht ersetzen, sondern ersetzen, sondern ergergäänzen!nzen!
�� z.B. Auswirkung von z.B. Auswirkung von ParametervariationenParametervariationen
�� ISIT ISIT TestboardTestboard, f, füür r die Profildie Profil--Messung Messung „„verdrahtetverdrahtet““ mit mit ThermoelementenThermoelementen
Einstellung der berechneten Einstellung der berechneten MaschinenparameterMaschinenparameter
Abmessungen der AnlageAbmessungen der Anlage
Zonenaufteilung Zonenaufteilung
RehmRehm Compact Compact NitroNitro 2100/802100/80--400400
Einstellwerte:Einstellwerte:Zone 1: 140Zone 1: 140°°CCZone 2: 170Zone 2: 170°°CCZone 3: 190Zone 3: 190°°CCZone 4: 235Zone 4: 235°°CCPeak oben: 255Peak oben: 255°°CCPeak unten: 255Peak unten: 255°°CCTransport: 550mm/minTransport: 550mm/min
Vergleich der Modellrechnung Vergleich der Modellrechnung mit der Temperaturprofilmessung mit der Temperaturprofilmessung
Ergebnis einer Ergebnis einer Modellrechnung fModellrechnung füür die r die KonvektionsKonvektions--LLöötanlage tanlage
RehmRehm Compact Compact NitroNitro 2100/802100/80--400 400
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
ISITISIT--TestleiterplatteTestleiterplatte „„ReworkboardReworkboard““ Rev. 7Rev. 7
Flussmittel bewirkt Flussmittel bewirkt BenetzbarkeitBenetzbarkeit
�� Entfernung der Oxidschichten auf den LEntfernung der Oxidschichten auf den Löötoberfltoberfläächen chen und dem Lotund dem Lot
�� Schutz von LSchutz von Löötoberfltoberfläächen und Lot vor Oxidation chen und Lot vor Oxidation bei Lbei Lööttemperaturttemperatur
�� Traditionell Verwendung von Baumharz (Kolophonium): Traditionell Verwendung von Baumharz (Kolophonium): Hauptbestandteil Hauptbestandteil AbietinsAbietinsääureure ((CC1919HH2929COOHCOOH), ), schmilzt bei 172schmilzt bei 172°°CC
Strukturformel:Strukturformel:
CH3
CH3
CH3 COOH
FlussmittelFlussmittel--WirksamkeitWirksamkeitEinfluss von Temperatur und Zeit (schematisch)Einfluss von Temperatur und Zeit (schematisch)
Tem
pera
tur
Zeit
Obere Wirktemperatur � Zersetzung beginnt
Untere Wirktemperatur Untere Wirktemperatur �� Flussmittel wird aktivFlussmittel wird aktiv
LLöötprozessfenster tprozessfenster
des Flussmittelsdes Flussmittels Temperaturstufen verschiedener
Aktivatorzusätze
Quelle: DIN 8505Quelle: DIN 8505
Reaktion & Oxidation des FlussmittelsReaktion & Oxidation des Flussmittels
Aufschmelzen mild aktivierter Aufschmelzen mild aktivierter LotpasteLotpaste
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
spspäätt
Bauelemente Bauelemente Footprints/LayoutsFootprints/Layouts
definiertdefiniertVerdrahtung und Verdrahtung und
endgendgüültige Stltige Stüückck--liste definiertliste definiert
Prototypenbau fertigPrototypenbau fertig
••BestBestüückplan: Feineinstellung fckplan: Feineinstellung füür Inspektion, Reparaturr Inspektion, Reparatur••BoardgrBoardgröössesse minimerenminimeren
••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
••Design Design üüberprberprüüfenfen••SystemtestSystemtest--Ausbeute Ausbeute
optimierenoptimieren
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
�� Bauelementspezifisches Bauelementspezifisches PadlayoutPadlayout (BE(BE--Kataloge)Kataloge)
�� Problemzonen: Problemzonen: SMDSMD--Kleber, LKleber, Löötschatten, Nutzentrennen tschatten, Nutzentrennen
�� Praktikum fPraktikum füür Entwickler in der Fertigungr Entwickler in der Fertigung
DfMDfM (Design (Design forfor ManufacturingManufacturing):):LayoutLayout--Empfehlungen (akademische TrEmpfehlungen (akademische Trääume?)ume?)
WIRTSCHAFTLICHKEITWIRTSCHAFTLICHKEIT
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
Quelle: Quelle: (links) IPC(links) IPC--SMSM--782782(rechts) SMT(rechts) SMT--Magazine 2000Magazine 2000
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.
Layout Layout WellenlWellenlöötenten: :
QFPQFP
Quelle:J. Friedrich,
bleifreie Wellenlbleifreie Wellenlöötung , Schutzgas tung , Schutzgas SMD (LSMD (Löötseite)tseite)
QFP44 0,8 mm Raster QFP44 0,8 mm Raster ,,Lotbad 265Lotbad 265°°C C SnAg3,5SnAg3,5
SOT23: Lotbad 245SOT23: Lotbad 245°°C;C;grogroßße & kleine e & kleine PadsPads
SnAg3,8Cu0,7SnAg3,8Cu0,7
Bleifreies WellenlBleifreies Wellenlööten; Lot: SN100C (Snten; Lot: SN100C (Sn--CuCu--Ni)Ni)bei 255bei 255°°CC
2002-macro_002234.jpg2002-macro_002235.jpg
ohne Wohne Wäärmefallenrmefallen mit Wmit Wäärmefallenrmefallen
2002-limi__001864tn64 2002-limi__002014tn64
Quelle: Hamburger LQuelle: Hamburger Löötzirkel tzirkel bleifrei Welle 2bleifrei Welle 2
Layout: MasseanbindungLayout: Masseanbindung
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
0402 = 1.000 0402 = 1.000 µµmm
B = C = 500 B = C = 500 µµmm
D = 500 D = 500 µµmm
A = 1.500 A = 1.500 µµmm
Tombstoning =Tombstoning = GrabsteineffektGrabsteineffekt
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
LotpastendruckLotpastendruckteils schlechte Auslteils schlechte Auslöösung, sung, 250250µµm grom großße (kleine) Fenstere (kleine) Fensterööffnungffnung
Druckschablone nach DruckvorgangDruckschablone nach Druckvorgangmit Lotpastenrestenmit Lotpastenresten
MicroviaMicrovia--LeiterplatteLeiterplatte; ; hier: hier: SolderSolder MaskMask DefinedDefined PadsPads (SMD)(SMD)
Schemabild: Schemabild: die SMD die SMD PadsPads nehmen mehr Lotpaste aufnehmen mehr Lotpaste auf
NSMDNSMD--PadsPads SMD SMD PadsPads
AiFAiF--Projekt:Projekt:„„VolumeneffekteVolumeneffekte““
Schablonen Schablonen -- Design: AuslDesign: Auslööseverhaltenseverhalten
Aspect Ratio: W / T > 1,5
Area Ratio: (L x W) / 2 x (L + W) x T > 0,66
W
L
T
Quelle: Quelle: IPC 7525IPC 7525
�� Bilder aus einer Studie des Fraunhoferinstituts Bilder aus einer Studie des Fraunhoferinstituts üüber ber dasdas Elektropolierverfahren bei Fa. Christian KoenenElektropolierverfahren bei Fa. Christian Koenen
ElektropolierverfahrenElektropolierverfahren
PoliertUnpoliert
Auftrag unterschiedlicherAuftrag unterschiedlicherPastenhPastenhööhenhen
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
Quelle: Quelle: Chip Chip MonolithicMonolithic CeramicCeramic CapacitorsCapacitors
MurataMurata CatalogCatalog No. C02ENo. C02E--99
Chip parallel zur Chip parallel zur BiegeBiege--Achse Achse anordnenanordnen
ChipChip--Anordnung: Anordnung: A: A: üübelstbelstC: kaum besserC: kaum besserB, D: am bestenB, D: am besten
Quelle: Quelle: TDK Multilayer Ceramic Chip TDK Multilayer Ceramic Chip Capacitors; Application ManualCapacitors; Application Manual
PadPad Design fDesign füür r ChipChip--
kondensatorenkondensatoren (2)(2)
Quelle: Quelle: TDK Multilayer Ceramic Chip TDK Multilayer Ceramic Chip Capacitors; Application ManualCapacitors; Application Manual
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!
Quelle: Quelle: IPCIPC--SMSM--782782
PreisPreisBAUGRUPPEBAUGRUPPE
KostenKosten
MENSCHMENSCHMASCHINEMASCHINE BedienungBedienung,, TolerToleranzenanzen, , AuswahlAuswahl MATERIALMATERIAL
METHODEMETHODE MITWELTMITWELT
LayoutLayout SubstrateSubstrate
LotauftragLotauftrag Lot, FlussmittelLot, Flussmittel
PlatzierungPlatzierung Anschlüsse
AtmosphäreLLöötprofiltprofil
Reinigung, Reinigung, TestTest
Rückstände SchutzlackAnforderungenAnforderungen
ZUVERLZUVERLÄÄSSIGKEITSSIGKEITLeistungLeistung
LLÖÖTSTELLENTSTELLEN
KleberKleber--AuftragAuftrag
WellenWellen--ParameterParameter
SMDSMD--KleberKleber
KrKräätzetze--BildungBildung
LotbadLotbad--AnreicherungAnreicherung
ZusammenfassungZusammenfassung
�� 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).
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JJ--STDSTD--005005 RequirementsRequirements forfor SolderingSoldering PastePaste�� DINDIN--Taschenbuch 196Taschenbuch 196 LLööten ten –– HartlHartlööten, Weichlten, Weichlööten, gedruckte Schaltungen. ten, gedruckte Schaltungen. BeuthBeuth Verlag (1989)Verlag (1989)�� DIN IEC 68 Teil 2DIN IEC 68 Teil 2--2020 Grundlegende UmweltprGrundlegende Umweltprüüfverfahren, Prfverfahren, Prüüfung T: Lfung T: Lööten (1991)ten (1991)�� DIN IEC 68 Teil 2DIN IEC 68 Teil 2--5454 Grundlegende UmweltprGrundlegende Umweltprüüfverfahren Ta: Prfverfahren Ta: Prüüfung der Lfung der Löötbarkeit mit der Benetzungswaage tbarkeit mit der Benetzungswaage
(1988)(1988)