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Hamburger Lötzirkel 16. Juni 2005

TA Bleifreies Handlöten 1

© T. Ahrens, Fraunhofer ISIT 2005

Bleifreies HandlötenBleifreies Handlöten

Seher Seher KurnazKurnaz, Thomas Ahrens, Thomas AhrensFraunhofer ISIT, D-25524 ItzehoeFraunhofer ISIT, D-25524 Itzehoe

Fraunhoferstraße 1, Tel. 04821 17-4605, Fax -4251Fraunhoferstraße 1, Tel. 04821 17-4605, Fax -4251e-maile-mail [email protected]@isit.fraunhofer.de

T. Ahrens, CIT, Mastertrainer für FED, BerlinT. Ahrens, CIT, Mastertrainer für FED, Berlin

Hamburger LötzirkelHamburger LötzirkelTreffen am 14. Juni 2005Treffen am 14. Juni 2005im Fraunhofer ISIT, Itzehoeim Fraunhofer ISIT, Itzehoe


ÜbersichtÜbersicht

ll Metallurgie des HandlötensMetallurgie des Handlötens

ll Probleme mit „bleifrei“Probleme mit „bleifrei“

ll Bewertungskriterien zur ProzessoptimierungBewertungskriterien zur Prozessoptimierung

ll Erfassung des ProzessfenstersErfassung des Prozessfensters

ll Lotlegierungen im VergleichLotlegierungen im Vergleich

ll SchlussfolgerungenSchlussfolgerungen

ll LiteraturLiteratur




Bildung der Lötverbindung beim KolbenlötenBildung der Lötverbindung beim Kolbenlöten

Quelle:DKIQuelle:DKI Lehrmittel Lehrmittel

A: Oxidschicht

B: „kochendes“Flussmittel

C: freiliegendeMetalloberfläche

D: Lot reagiert mitdem Grundmetall

E: wachsendeLegierungsschicht(intermetallischePhase)

F: Grundmetall

Bewegungsrichtung

Kolbenspitze (Kupfer)

Oxidschicht

Flussmittel

Legierungsschicht

Lot

Grundmetall

Eisenschicht: benetzt,löst sich nur langsam


Metallurgie (3):Metallurgie (3):Die Grenzschichtreaktion Kupfer-ZinnDie Grenzschichtreaktion Kupfer-Zinn

Bei der Benetzung löst sich

Kupfer im flüssigen Zinn.

Bei Löttemperatur

entstehen an der

Grenzfläche stabile Keime

der intermetallischen

Phasen ε (Cu3Sn) und

η (Cu6Sn5). Blei nimmt an

der Reaktion nicht teil.

ε

η

Lot

Cu

ηηεε

227°C




Bleifrei Handlöten – Empfehlungen einesBleifrei Handlöten – Empfehlungen einesBauelementeherstellers (1)Bauelementeherstellers (1)

Quelle: Murata Cat.No.C02E-9Chip Monolithic Ceramic Capacitors


Folgen erhöhter Arbeitstemperatur / T-GradientenFolgen erhöhter Arbeitstemperatur / T-Gradienten Bauteilschädigung




Grundregeln für das Löten von HandGrundregeln für das Löten von Hand

l Stelle einen guten Wärmekontakt zwischen der Lötspitze und der Lötstelleher. Dieser gute Kontakt kann nur über das flüssige Lot erzielt werden.

l Lass das Flussmittel seine Wirkung an den entsprechenden Stellenverrichten.Das Flussmittel muss frei auf die zu lötende Stelle kommen.Flussmittel fördert den Wärmeübergang.

l Erhalte den Kontakt zwischen Lötkolben und zu lötender Stelle so langeaufrecht, bis das Lot gut verlaufen ist.

l Verwende nur soviel Lot wie notwendig.Bei bedrahteten Anschlüssen sollte die Kontur der Drähte sichtbar bleiben.

l Die Bauteile dürfen sich während der Erstarrung nicht bewegen.

Quelle: Klein Quelle: Klein WassinkWassink“Weichlöten in der Elektronik”“Weichlöten in der Elektronik”Leuze-VerlagLeuze-Verlag (1992) (1992)

Reichen diese Regeln schon aus für einen beherrschten Prozess?


Ergebnisse einer NPL-UmfrageErgebnisse einer NPL-Umfragebei 65 UK-Elektronikfertigernbei 65 UK-Elektronikfertigern

ReworkRework mit schnell nachheizenden Lötspitzen mit schnell nachheizenden Lötspitzen

Quelle: Quelle: WickhamWickham, , HuntHunt;;SolderingSoldering & SMT (1999) & SMT (1999)NPL = National NPL = National PhysicalPhysicalLaboratory, Laboratory, TeddingtonTeddington, UK, UK

a) Lötspitzentemperatura) Lötspitzentemperatur

THTTHT SMTSMT

b) Anzahl Lötvorgängeb) Anzahl Lötvorgänge c) zulässige Lötzeitc) zulässige Lötzeit

SMTSMT SMTSMT




EUJapan

Framework of International Lead-free Soldering RoadmapFramework of International Lead-free Soldering RoadmapDecember 2002December 2002

HANDSOLDERS

Welche Legierung wird bevorzugt?Welche Legierung wird bevorzugt?Studie von Studie von SoldertecSoldertec 2002 2002


bleifreie Wellenlötung , SnAg3,5/265°C, Schutzgasbleifreie Wellenlötung , SnAg3,5/265°C, SchutzgasSMD (Lötseite)SMD (Lötseite)

R0805QFP44

0,8 mmRaster

Stromschiene guter Durchstieg bei 265°C

hohe Temperatur: á besserer Durchstieg

á mehr Ablegierung

10 µm Ablegierung bei 265°C




Ablegierverhalten von LitzendrähtenAblegierverhalten von Litzendrähtennach 3x5s Lötzeitnach 3x5s Lötzeit

Litzendrähte verdrilltSnPbAg SnAgCu0,5 SnAgCu1,3

250°C

280°C


Ablegierverhalten von LitzendrähtenAblegierverhalten von Litzendrähten260°C, 3x5s260°C, 3x5s

SnPbAg SnAgCu0,5 SnAgCu1,3




Beispiel für Lötspitzen-KorrosionBeispiel für Lötspitzen-Korrosion

Quelle: ZAVTQuelle: ZAVT


Quantifizierung der vorhandenenQuantifizierung der vorhandenenLötfertigkeiten: Lötfertigkeiten: DasDas Scoring Scoring Modell Modelll Das Scoring-Modell ist ein Punktwertverfahren, das eine

systematische Auswahl von Alternativen(Objekten) ermöglicht

l Objekte haben Merkmale, die je nach ihrer Bedeutungunterschiedlich gewichtet werden. Jedem Merkmal pro Objektwird je nach Erfüllungsgrad ein Nutzwert zugeordnet

l Die Summe der gewichteten Nutzwerte aller Merkmale proObjekt ergibt den Summenwert des Objektes.

l Das Objekt mit dem höchsten Summenwert ist der Favorit




ScoringScoring ist eine Gruppenaufgabe; ist eine Gruppenaufgabe;Ermittlung und Gewichtung der Merkmale wird durchErmittlung und Gewichtung der Merkmale wird durch

eine heterogene Gruppe objektivierteine heterogene Gruppe objektiviert

Der Prozess kann in sechs Stufen unterteilt werden:l Definition der Bewertungsgruppe – z. B. Lötergebnisl Auswahl der Bewertungskriterien (Merkmale)l Gewichtung der Bewertungskriterien

(Merkmalsgewichtung) – alle gemeinsam;intuitiv (ausdiskutieren), korrelativ (objektiviert)

l Durchführung der Bewertung - jeder für sich alleinl Auswertung (Mittelwertbildung der Summenwerte)l Sensitivitätsanalyse


visuelle Kriterien* zur Bewertung durchvisuelle Kriterien* zur Bewertung durchdas Fertigungspersonaldas Fertigungspersonal

l Die Lötstellenoberfläche soll gleichmäßig und glatt sein

(Glanz ist nicht erforderlich).

l Das Lot soll von den zu fügenden Teilen aus dünn auslaufen

(kleiner Kontaktwinkel).

l Die Lötstellenoberfläche soll nicht unterbrochen sein.

l Die Konturen der gelöteten Teile sollen in der Lötstelle

erkennbar sein.

l Die Lötstelle muss ausreichend Lot enthalten.

*IPC-A-610 Abnahmekriterien fürelektronische Baugruppen




ScoringScoring Modell, 2 Beispiele für Modell, 2 Beispiele fürquantifizierbare Merkmalequantifizierbare Merkmale

90,4 > s0,8 > s > 0,4s > 0,8Abweichungin der Lötzeit

172 > t > 13 > t > 2t > 3Lötzeit [s]

Gewichtunggi [%]21

Nutzwert0

Merkmal i


ScoringScoring:: Vor- und Nachteile Vor- und Nachteile

l Der Nachteil des Scoring Modells liegt in derSubjektivität der Auswahl und in der Gewichtung derMerkmale.

l Der Vorteil ist die Einfachheit des Modells, derfachliche Austausch zwischen den ScoringTeilnehmern und die verursachte Diskussionzwischen den Mitgliedern verschiedenerHierarchiestufen.




Ermittlung des ProzessfenstersErmittlung des Prozessfenstersll Löttemperaturen 300°C, 325°C, 350°C und 375°C.Löttemperaturen 300°C, 325°C, 350°C und 375°C.ll Lötzeiten werden aus Videoaufnahmen ermittelt.Lötzeiten werden aus Videoaufnahmen ermittelt.

ll Untergrenze des LötprozessfenstersUntergrenze des Lötprozessfensters::Zeitdauer bis zur vollständigen Zeitdauer bis zur vollständigen Pad-Pad- Benetzung Benetzung(100% mit Lot benetzt)(100% mit Lot benetzt)

ll Obergrenze des Lötprozessfensters:Obergrenze des Lötprozessfensters:Zeitdauer bis zur Fleckenbildung („Zeitdauer bis zur Fleckenbildung („MeaslingMeasling“, d. h., bis“, d. h., bissich eine weiße Verfärbung auf der Leiterplatte zeigt).sich eine weiße Verfärbung auf der Leiterplatte zeigt).


Verwendete LotdrähteVerwendete Lotdrähte

LotlegierungMerkmale

Sn-Ag-Cu Sn-Cu-NiNi<0,1%

Sn-Cu Sn-Pb

Zusammensetzung SnAg3.0Cu0.5 Sn99.3Cu0.7Ni Sn99Cu1 Sn60Pb40

Schmelztemperatur [°C] 217(eutektisch)

227(eutektisch)

227(eutektisch)

183(eutektisch)

Drahtdurchmesser [mm] 0,6 0,5 0,7 0,5

Flussmittelanteil[Gewichts%]

3,4 3,5 1,5 2,5

Fluxtyp Alle no-clean halogenfrei

SAC SnCuNi




Untergrenze des LötprozessfenstersUntergrenze des Lötprozessfensters

300 325 350 3750,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

Lötspitzentemperatur in [°C]

Zei

t in

[s]

Sn-Ag-Cu Sn-Cu-Ni Sn-Cu Sn-Pb

5

2

4

1

300 375


300 325 350 3750,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

Zei

t in

[s]


Sn-Ag-Cu Sn-Cu-Ni Sn-Cu Sn-Pb

Streuung der Lötzeiten

Untergrenze des LötprozessfenstersUntergrenze des Lötprozessfensters- Streuung der Lötzeiten- Streuung der Lötzeiten

0,3300 375

1,1

0,9

0,5




300 325 350 3750

5

10

15

20

25

Zeit

in [s

]


durchschnittliche Lötzeit unterer Grenzwert oberer Grenzwert Standardabweichung

Grenzwerte der Fleckenbildung

Obergrenze des LötprozessfenstersObergrenze des Lötprozessfensters

25

10

20

5

300 375


325 350 375

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Zei

t in

[s]


durchschnittliche Durchstiegszeit Standardabweichung Untergrenze der Durchstiegszeit Obergrenze der Durchstiegszeit

DurchstiegszeitenDurchstiegszeiten

4

3

1

300 375

THT




Prozessfenster im Vergleich nachProzessfenster im Vergleich nachBenetzung = Prozessfenster IBenetzung = Prozessfenster I

300 325 350 3750

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Zei

t in

[s]

Kurve A Kurve B

TL=183°C

Sn-Pb

300 325 350 3750

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Zei

t in

[s]

Kurve A Kurve B

TL=227°C

Sn-Cu-Ni

300 325 350 375

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Zeit

in [

s]

Kurve A Kurve B

TL=217°C

Sn-Ag-Cu

300 325 350 3750

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Zei

t in

[s]

Kurve A Kurve B

TL=227°C

Sn-Cu


Auswirkung auf das InnenlebenAuswirkung auf das Innenleben

300°C SAC SnCuNi SnPb

SnCuNi375°C

SnCu375°C

SnCu300°C

SAC 350°C




ScoringScoring Modell - Merkmale - Modell - Merkmale -M e r k m a l i P u n k t w e r t N K ü r z e l G e w i c h t u n g

0 1 2 g i [ % ]

B e n e t z u n g s - γ > 9 0 ° 90°< γ > 4 5 ° γ <=45° für A 1 7

winke l min.1 Lötste l len alle Lötstel len

Lötze i t t > 3 s 3 < t > 2 s 2 < t > 1 B 1 7

A b w e i c h u n g σ>0 ,8 0,8< σ> 0 , 4 σ<0 ,4 C 9

in der Lötzei t

Durchs t ieg unter 80% min . 80% 1 0 0 % D 1 7

Löt tempera tu r [ °C ] T = > 3 7 5 3 5 0 < = T > 3 2 5 3 2 5 < = T E 1 7

FM- Spr i t ze r s tark mi t te l k a u m F 4

zusä tz l i che ja - nein G 1 2

F M - V e r w e n d u n g

P o r e n viele w e n i g k a u m H 7

Tabel le 1 : Scor ing Ι Ι , M e r k m a l e A - H , P u n k t w e r t e u n d G e w i c h t u n g e n


ScoringScoring Modell Modell- Ergebnisse -- Ergebnisse -

Löttemperatur=325°CLöttemperatur=325°C

Summenwert

Objekt k des Objektes

SnPb 1,72

SnCu 0,81

SnAgCu 1,16

SnCuNi 1,06

Summenwert

Objekt k des Objektes

SnPb 1,72

SnCu 1,15

SnAgCu 1,33

SnCuNi 1,32

Löttemperatur=350°CLöttemperatur=350°C




Prozessfenster im Vergleich nachProzessfenster im Vergleich nachSchliffen = Prozessfenster IISchliffen = Prozessfenster II

300 325 350 3750

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Zei

t in

[s]

Kurve A Kurve B

TL=183°C

Sn-Pb

300 325 350 3750

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Zei

t in

[s]

Kurve A Kurve B

TL=227°C

Sn-Cu-Ni

300 325 350 375

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Zeit

in [

s]

Kurve A Kurve B

TL=217°C

Sn-Ag-Cu

300 325 350 3750

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Zei

t in

[s]

Kurve A Kurve B

TL=227°C

Sn-Cu


Bleifrei Handlöten – Merksätze:Bleifrei Handlöten – Merksätze:

l Die Grundregeln werden wichtiger denn je!

l Die Spitzentemperatur muss angehoben werden (+25°C)

l Die Obergrenze darf nicht angehoben werden, sonst erfolgen Delaminationder Leiterplatte oder thermische Beschädigung der Bauelemente!

l D. h. das Prozessfenster wird enger!

l Das bleifreie Lot fließt langsamer - erwarte 50-100% längere Lötzeit!

l Vermeide Ausübung von Druck beim Löten - die Spitzen werden sonst zuAngelhaken!

l Das bleifreie Lot ist aggressiver, d. h. erhöhter Spitzenverschleiß -Lötstationen abschalten, wenn nicht in Gebrauch!

l Schnell nachheizende Lötspitzen sind schnell wieder betriebsfähig!




Bleifrei Handlöten – bekomme ich genügend WärmeBleifrei Handlöten – bekomme ich genügend Wärmein meine in meine FügestelleFügestelle??


GrundlagenGrundlagenzurzur

SimulationSimulation




ThermographiemessungThermographiemessungzum Vergleichzum Vergleich


Vergleichl Pad an Leiterbahnl Pad in Kupferfläche

ThermographieThermographie




SimulationSimulation

Vergleichl Pad an Leiterbahnl Pad in Kupferfläche


Bleifrei Handlöten – Empfehlungen einesBleifrei Handlöten – Empfehlungen einesBauelementeherstellers (2)Bauelementeherstellers (2)

l Früher hieß es:Kinder betet, Vater lötet*

l Heute heißt es:Löten auf eigene Gefahr!

Grafik: Murata Cat.No.C02E-9Chip Monolithic CeramicCapacitors

* Zitat: Dr. H. Bell, rehm Anlagenbau




Zusammenfassung:Zusammenfassung: Bei Verwendung bleifreier Lote sindBei Verwendung bleifreier Lote sind

l die Lötzeiten länger,

l die Ergebnisse ungleichmäßiger

l und die Arbeitstemperaturen höher

Schimpfen Sie daher nicht auf Ihre Werker/innen*,

sondern „scoren“ Sie gemeinsam auf der Suche

nach dem Optimum an Material und Prozess

*wenn‘s mal wieder länger dauert…


LiteraturLiteratur

l DKI Lehrhilfe Werkstofftechnik Herstellungsverfahrenl Klein Wassink ”Weichlöten in der Elektronik” Leuze-Verlag (1992)l IPC-A-610C Abnahmekriterien für elektronische Baugruppenl ESA PSS-01-708 : The manual soldering of high reliability electrical

connections; March 1985l IPC 7711/7721: Rework of Electronic Assemblies & Repair and

Modification of Printed Boards and Electronic Assembliesl Seher Kurnaz, Diplomarbeit Fachhochschule Wedell Scoring-Prozess: www.resource-people.de/home/praktik/pr_scoring.php

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