„Qualifizierung und Zuverlässigkeit von Lötverbindungen“ · die Erfahrungen reichen nicht aus...

Arden-Verfahrenstechnik GmbH

Workshop „Photovoltaik-Modultechnik“, Köln, 11.11.2014

„Qualifizierung und Zuverlässigkeit von Lötverbindungen“

Workshop „Photovoltaik-Modultechnik“ 11.Nov. 2014 Referent: Wolfgang Grönig 1 von 29

Abbildung 2Abbildung 1


Einleitung

„Das Weichlöten ist nach wie

vor aufgrund geringer Kosten

und robuster Fertigungsprozesse

ein sehr wichtiges Fügeverfahren!“

[ZVEI:

DE - Produktionsvolumen 2012 Elektro- und

Elektronikfertigung ~ 170 Millard. €] [Quelle: Jochem Wolters, „Zur Geschichte der Löttechnik“ DEGUSSA]

„Photovoltaik-Modultechnik“ 11. Nov. 2014 2 von 29

Abbildung 3


Richtlinie 2011/65/EU,

aktuelle Version ab dem 22. Juli 2014 in Kraft

Auszug aus der Richtlinie 2011/65/EU des Europäischen Parlamentes und

des Rates vom 08. Juni 2011 zur Beschränkung der Verwendung bestimmter

gefährlicher Stoffe in

Elektro – und Elektronikgeräten.

Artikel 1: Gegenstand

Diese Richtlinie legt Bestimmungen für die Beschränkung der Verwendung

von gefährlichen Stoffen in Elektro – und Elektronikgeräten fest, um einen

Beitrag zum Schutz der menschlichen Gesundheit und der Umwelt

einschließlich der umweltgerechten Verwertung und Beseitigung von

Elektro – und Elektrotechnik – Altgeräten zu leisten.


z.B. bleihaltiger Lotwerkstoff


Artikel 2: Geltungsbereich - Ausnahmeregelung für:

„Photovoltaikmodule, die in einem System verwendet werden

sollen, das zum ständigen Betrieb an einem bestimmten Ort zur

Energieerzeugung aus Sonnenlicht für öffentliche, kommerzielle,

industrielle und private Anwendungen von Fachpersonal

entworfen, zusammengesetzt und installiert wurde“.



Produktdesign

Für die zuverlässige elektrische Funktion von elektronischen

Komponenten, wie die Wechselrichter von PV – Anlagen, wird in der

Praxis als Richtwert eine Verfügbarkeit über 15 – 20 Betriebsjahre

kalkuliert.

Basierend auf Praxisdaten besteht bei dieser Verfügbarkeit aber eine

deutliche Diskrepanz mit den lebensdauerkritischen Bauelementen, die

erfahrungsgemäß deutlich früher ausfallen können,

wie beispielweise bestimmte Elektrolyt - oder Folienkondensatoren.



Ursache / Wirkung

Bei der Fertigung von elektronischen Komponenten mit

bleifreien Lotwerkstoffen sind i. d. R. 15 – 20 Kelvin höhere

Prozesstemperaturen erforderlich als beim Einsatz von

bleihaltigen Lotwerkstoffen.

Das hat den Effekt, dass diese thermisch kritischen Bauelemente mit

progressiver Vorschädigung, wie z.B. Verlust an Elektrolyt oder mit einer

Foliendegradation, in den Betrieb gehen können.

Hinsichtlich der gesetzeskonformen Weiterverwendung der bleihaltigen

Lotwerkstoffe kristallisiert sich somit ein prozess- und

anwendungstechnischer Vorteil heraus.



Die Produzenten

Es sind Produzenten im Photovoltaikmarkt tätig, die entgegen dieser Ausnahmeregelung

die Grenzwerte der EU – Richtlinie einhalten wollen, bzw. auch Teillösungen anstreben.

Der bleihaltige Lotwerkstoff wird durch bleifreie Lote vollständig oder entsprechend der

Machbarkeit für definierte Baugruppentechnologien substituiert:

Leistungselektronik thermisch kritische

Komponenten mit SnPb - Lot

Kommunikationselektronik thermisch

robuste Komponenten mit SnAgCu – Lot


Abbildung 4 Abbildung 5


Qualifizierung von Lötverbindungen

Anforderungen der Lötverbindungen

Bei der Bildung von Lötverbindungen sind metallurgische

Prozesse die grundlegenden Mechanismen, das heißt

Interdiffusion und Phasenbildung an der Grenzfläche

zwischen dem Grundwerkstoff und dem Lot.

Folgende wesentliche Anforderungen sind zu erfüllen:

• Bildung stoffschlüssiger Verbindungen

• geringer thermischer/elektrisch. Widerstand

• geringe Spannungen, um die

Langzeitstabilität der Mikrofügeverbindung

unter den Betriebsbedingungen zu sichern.


Abbildung 7

Pad - Kupfer

SAC - Lot

Lötstopp-maske

Abbildung 6

SAC - Lot

Sn/Pb - Lot


Lötprozesse

In der Elektronikfertigung werden im Allgemeinen folgende Lötverfahren eingesetzt:

* Wellen -und Selektivlöten (N2 - Atmosphäre)

* Reflowlöten (N2 - Atmosphäre)

* Dampfphasenlöten

* Nacharbeit mit Handlötwerkzeugen und Reparaturanlagen

Die Qualität und Eigenschaft der Lötverbindungen werden wie folgt bestimmt:

• der eingesetzte Lotwerkstoffe hat Gültigkeit für bleihaltige- oder bleifreie Lote

• Basismaterialien der Leiterplatten und der Bauelemente

• Lötverfahren mit den angepassten Prozessparametern

Bei den Lötprozessen ist – als Voraussetzung für zuverlässige Lötverbindungen -

die benetzungssichere Prozesseinstellung (Temperatur und Zeit) sorgfältig

zu ermitteln und sicherzustellen.



Physikalische Daten von typischen Lotwerkstoffen

Lotwerkstoff Schmelzpunkt Prozesstemp.Lötwelle °C

Dichtein g/cm3

Oberfläch. Spannung mN/m

Scherfestigkeit [1]

bei 20° C 7 bei 100° CKriechfestigkeit [2]

bei 20° C /b bei 100° C

Sn-37Pb 183 °C 230 – 255°C 8,42417@235°C

464@235°C/N2

2314

3,31

Sn-3.8Ag-0.7Cu 217 °C 255 - 270°C 7,5 ------2717

135

Sn-3.5Ag 221 °C 255 – 270°C 7,42431@235°C

493@235°C/N2

2717

13,75

Sn-0.7Cu 227 °C 255 – 270°C 7,32491@235°C

461@235°C/N2

2316

8,62,1

1.] Scherfestigkeit: dynam. Belastung; N/mm2 2.] Kriechfestigkeit: Kriechverhalten unter Dauerlast; N/mm2

Thermisch kritische Bauelemente: Elektrolytkondensator SMD -Elektrolyt Kondensator Folienkondensator


Abbildung 10 Abbildung 11Abbildung 9Abbildung 8


Qualifizierung

Die Verbindungsqualität von Lötstellen erfolgt i.d.R. durch visuelle Beurteilung nach

definierten Benetzungskriterien im synoptischen Vergleich; also Praxiserfahrungen die

„ mittels Auge“ oder automatisierter AOI – Systeme bewertet werden. Bewertungskriterien:

Lotvolumen (min./max.) Benetzungswinkel und die Benetzungshöhe

Ausrichtung von BE - Anschluss zum Pad

Lagenversatz sowie die Grenzflächenbetrachtung

Abnahmekriterien nach den folgenden Standards von J-STD-001, IPC-A-610 oder

DIN EN 61 191. Diese empirischen Daten aus dem langjährigem Sn/Pb-Zeitalter sind

übertragbar auf bleifreie Lote.


Abbildung 13Abbildung 12Abbildung 14 Abbildung 15


Fortsetzung Qualifizierungsmethoden der Lötverbindungen:

➢ Röntgenanalytik

Lotfüllung

Porosität im Lotdepot,

Lagenversatz von Anschluss/Lötfläche

➢ Metallographische Charakterisierung (Querschliffanalysen)

Gefügesituation

Ausscheidungen

intermetallische Phasen zwischen Fügepartnern und Interfaces

querschnitttragende Flächen etc.

➢ Abscherversuche



Beispiele zur Sichtprüfung und Röntgenanalyse

SichtprüfungKriterien im synoptischen Vergleich

RöntgenanalysePorosität im Lotdepot

Aufsicht

Sichtprüfung:

akzeptabel

Röntgenbild

Röntgenaufnahme:

Porosität ca. 20 %


Abbildung 17


Abbildung 16



Beispiele zur metallographischen Untersuchung

Fehlererkennung

Sichtprüfung nein

Röntgenanalyse ja

Metallographie ja

- bedingt (Randlage)

- nein

- ja

- bedingt

- nein

- ja

Sn/Pb - Lot

bleifrei Lot Sn/Pb - Lot



Abbildung 22


Zuverlässigkeit von Lötstellen

• Für die klassischen Weichlötverbindungen führt die in vielen

Einsatzfällen auftretende typische Beanspruchungsform der

Thermo - Ermüdung zu Schäden in den Lotdepots und kann über die

Größen wie der plastischen (Kriech-) Dehnung bzw. der dissipierten

Energie bewertet werden.

• Eine Voraussetzung dafür sind die Kenntnisse des Kriechverhaltens des

betreffenden Lotwerkstoffes.

• Durch entsprechend standardisierte Stress - Tests soll der reale

Belastungsfall widergespiegelt werden und dabei soll möglichst ein

starker Zeitraffer einen Lebenszyklus durchlaufen.



Zuverlässigkeit von Lötstellen

• Thermische Belastung für beschleunigte Zuverlässigkeitstests:

Temperaturauslagerung 150°C / 165°C / 180°C

Temperaturwechsel z.B.:

- 20°C / 85°C oder - 40°C / 125°C oder - 40°C / 150°C

# langsame Wechsel: 5°K/min Rampe Ein - Kammerschrank

# Schockwechsel: Umlagerung < 10 s Zwei - Kammerschrank

• Je nach Technologie werden als etablierte Prüfbelastungen

1000, 2000 bis 3000 Zyklen durchgeführt und der Fortschritt der

Degradation ermittelt.



Jede Stressart bewirkt in den Lötverbindungen den Ablauf:

Deformation

elastisch und inelastisch

Degradation

Gefüge-Lücken→Anrisse→Bruch

Ausfall

Verlust der Integrität

Stressarten:

1. Temperaturwechselbeanspruchung2. Temperaturschock3. Schwingung (Vibration)4. Stoß (mech.) Schock bzw. Fallprüfung5. Kombinierter Stress

Bei den diversen

Stressarten ergeben sich

prinzipielle Unterschiede

in den Degradations-

mechanismen!


Abbildung 25 Abbildung 26Abbildung 27


Durchführung

Ein Temperaturwechsel - Zyklus kann in der Regel mit den folgenden sechs Größen beschrieben werden:

1. obere Haltetemperatur To

2. untere Haltetemperatur Tu

3. Übergangszeitspanne für Tu – To tuo

4. Übergangszeitspanne für To – Tu tou

5. Haltedauer oben to

6. Haltedauer unten tu

Erfahrungs- und Plausibilitätssätze:

Maßgeblich für die Lebensdauer der Lötverbindungen sind die Größen Tu + To.

Die Größen Tu und To bestimmen die maximal mögliche Verformung der

Lötverbindungen im gegebenen Zyklus. Dabei erreicht die reale Verformung nur einen

Teil dieses Verformungswertes. Die Kriechverformung hat den ganz überwiegenden

Anteil an der Verformung. Die Haltedauer to bestimmt, welche Kriechverformung sich bei

der gegebenen Kriechgeschwindigkeit (Temperatur, Kriechspannung) einstellt.

Da die Kriechfreudigkeit der bleifreien Lote unterschiedlich ist, im Allgemeinen

geringer als die von Sn37Pb, folgen daraus entsprechende unterschiedliche

Mindestwerte für die Haltedauer bis zum Erreichen eines gewünschten hohen

Prozentsatzes des max. möglichen Verformungswertes in der Validationsphase.


Abbildung 29

Abbildung 28


Degradation der Lötverbindungen–Grundvorstellung gS = Globale Scherung

Beispiel: Zweipoliges keramische SMT – Bauelement

Lotspalt typisch

20 – 50µm

Keramikvielschicht-KondensatorTCE = 8ppm/KAnschlussmetallisierung

LotlegierungTCE zwischen15 und 23 ppm/K

Cu - LandeflächeTCE zwischen(Teil des Leiterbildes)

Leiterplatte / BasismaterialFR4 - TCE = 15...20 ppm/K

In erster Näherung die Lebensdauer bestimmende Größe für

SMT – Lötverbindungen bei Temperaturzykel – Alterung:

gS = (TCES - TCEC) * (TH - TL) * l0 / h

Es gilt die im Zyklus real erreichte Scherung!

TCES: TCE substratTCECS: TCE ComponentTH = obere

ZyklustemperaturTCE = Temp. Coeff.

Expansionl0 = Bezugslängeh = LötspaltweitegS = globale Scherung


Abbildung 30

Lo


Basis-Stress - Temperaturwechsel Degradation der Lötverbindungen – Grundvorstellung 2

(**) X = (αs − αc) ∗ (ϑH−ϑL) ∗ l0 / h / A Dimension: [1 /mm²] oder [% /mm²]

freie globale ScherungX: Ist die freie Scherung, bezogen auf den tragenden Querschnitt der Lotfüllung.

(Diese Definition von X berücksichtigt nicht den lokalen Mismatch!)

αs: TCE (Thermal Coefficient of Expansion) der Leiterplatte

αc: TCE des Bauelementes

ϑH: Obere Zykeltemperatur

ϑL: Untere Zykeltemperatur

l0: Größte Distanz 'neutraler Punkt – Lötverbindung' des SMD (DNP)

h: Lotspaltdicke

A: Schwächster Querschnitt der Lotfüllung, gegeben durch die Bruchfläche bei der Ermüdung

BGA - Solderball

schwächster

Querschnitt

zum Interposer -

Rissinitiierung




Aspekte der Rissinitiierung

Die real erreichte

inelastische

Verformung der

Lotdepots ist im

Wesentlichen eine

Kriechverformung.

SnPb

ist kriechfreudiger

als alle heute

relevanten

bleifreien Lote.


Abbildung 37

Sn37Pb - Lot SAC - bleifrei Lot

Abbildung 33 Abbildung 34Abbildung 35

Abbildung 36

Abbildung 38


Lebensdaueraussagen

• Im Zuge der RoHS - Umsetzung sind für die Auswahl der geeigneten

bleifreien Lotwerkstoffe eine Vielzahl an Basisuntersuchungen

durchgeführt worden.

• Der bleihaltige Lotwerkstoff Sn37Pb und Variationen wurden i.d.R. als

Referenzwerkstoffe mit in die Untersuchungen einbezogen und so

existieren umfangreiche Datensätze.

• Das Verständnis für die Alterungsmechanismen, die Testmethodik und

die daraus ableitbaren Prognostikdaten haben einen immensen

Kenntniszuwachs erfahren.



Fortsetzung

• Der Vergleich zweier Lote stößt aber auf Schwierigkeiten.

Es müssen alle Einflussgrößen auf die Lebensdauer einbezogen

werden.

• Das Ranking von Lotwerkstoffen im Vergleich kann je nach Typ des

Bauelementes, der Zykluseinstellung sowie Art der Auswertung im

Ergebnis recht unterschiedlich ausfallen.

• Der Vergleich wird schwieriger, wenn weitere Stressarten zum

Temperaturwechsel hinzukommen.



„Wenn der Markt bleifreie Produkte fordert“

1. Man definiere zuerst immer die eigenen Anforderungen, weil hiervon ganz

maßgeblich Konzept, Vorgehensweise und Aufwand bestimmt werden.

Abgleich mit den eigenen Ressourcen.

2. Will man die eigenen Produkte hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit validieren

oder optimieren:

Man wird hierzu bereits existierende Untersuchungen heranziehen mit

möglichst vielen Übereinstimmungen mit den eigenen Produkten

(Lote, Lötverfahren, Bauelemente, Leiterplatte, Leiterplattenoberfläche)

und mit den eigenen Untersuchungsverfahren abgleichen

(Stressart, Stresszyklus, Ausfallkriterium, Auswertungsverfahren).



3. Nach dem derzeitigen Stand des Wissens müssen Qualifikationen

praktisch durchgeführt werden,

die Erfahrungen reichen nicht aus für „Inter- und Extrapolationen“.

In dieser Phase sind „Einsparungen“ nicht ratsam.



Ausblick

Die Anforderungen an die Leistungsdaten der Elektronikkomponenten

werden weiter steigen:

• Das bedeutet zunehmend größere Massen

in der Leiterplattentechnologie durch

hochlagige Multilayer

• Leiter mit Dickkupfer und elektrisch

leistungsstarke Bauelemente,

sowie angepasste Anschlussstrukturen

• Zunahme der Selektivlötverfahren.


Abbildung 39


Fortsetzung

• Erfordernis der Erhöhung der Temperaturniveaus in den Lötprozessen

• Der Vorteil des niedrigeren Schmelzpunktes von Sn37Pb geht verloren

durch zunehmende thermische Belastung der verbauten Komponenten, -

dadurch wieder die Gefahr der thermischen Vorschädigung!



Abbildung 42


Zum Schluss

Stress- und Degradation sind nicht vermeidbar, aber hinausschiebbar!

In der Realität gilt die Regel, basierend auf Erfahrungswerten:

Die Belastbarkeit der Lötverbindungen ist im Allgemeinen

deutlich größer

als die reale Belastung der Lötverbindungen im Feld.



Ich machte mich auf den Weg,

der Sache auf den Grund zu gehen,

...seitdem bin ich noch immer unterwegs !

[Ben Witter]

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!


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