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Einpresstechnik in Cu/OSP-Oberflächen –eine Variante mit ZukunftT. Schmidt (Hella KGaA Hueck &Co.)Dr. Tranitz (Continental AG),Dr. Jaeckle (Robert Bosch GmbH), T. Gottwald (Schweizer Electronic AG), H. Woldt (Diehl Metal Applications GmbH), H. Eicher (ept GmbH), W. Neef (AVX GmbH), R. Vodiunig (BMW AG), U. Pape (Volkswagen AG)

Mallorca, März 2016

Einpresstechnik in OSP-Oberflächen – eine Variante m it ZukunftTechnologiebeschreibung

Die Einpresstechnologie ist eine etablierte Verbindungstechnik in allen Automotive-Einbauorten mit über 10 Jahren Felderfahrung

IAK Einpresstechnik in OSP | Torsten Schmidt | Hell a KGaA Hueck & Co. | Mallorca, März 20162 Confidential ISO 16016

PCB-DK PinNiSn

FIB-Schnittin Einpresszone

Technologiekennzeichen:• Verwendung flexibler Einpresspins• Robuste Verbindung zum Stecker

und zur Leiterplatte (PCB)• Fügevorgang rein mechanisch• Einfache Prozessführung• PCB-Oberfläche chem. Sn• Drei grundsätzliche Geometrien

PinPCB

Restring

Durchkon-taktierung

Querschliff mit Focused Ion Beam-Analyse der Verbindungstechnik:

Einpresstechnik in OSP-Oberflächen – eine Variante m it ZukunftMotivation und Arbeitskreis

Basierend auf der bestehenden Technologie ist eine kostenoptimierte Leiterplattenober-fläche in einem breiten Anwendungsspektrum der Automobilindustrie zu prüfen:

• Untersuchungen von ausgewählten Materialien

• Konsolidierung von Freigabeanforderungen und Bewertungskriterien

• Ziel: Technologiefreigabe der Werkstoffkombination Einpresstechnik in OSP (Organic Surface Passivation)

Umsetzung durch Bildung eines Industriearbeitskreies (IAK) „Einpresstechnik in OSP“ bestehend aus:

• Automobilhersteller (OEM)

• Automobilzulieferer (Tier 1)

• Einpresskontakthersteller und Leiterplattenhersteller (Tier 2)


Einpresstechnik in OSP-Oberflächen – eine Variante m it ZukunftEingesetzte Materialien und Untersuchungsprogramm

Leiterplatten-Spezifikation• 2 OSP Varianten (90% Marktanteil), chem. Sn (Referenz)

• 3 OSP-Schichtdicken

• 2 Basismaterialien (medium Tg, low CTE)

• Grenzwertbetrachtung Lochdurchmesser (0,97-1,1 mm)

Pin-Spezifikation• 3 Pingeometrien (EoN, SpS, CrZ)

• 2 Basismaterialien (CuSn6, CuNiSi)

• 3 Oberflächenvarianten (Sn, AgSn, In)

Untersuchungsprogramm• 3 unterschiedliche Versuchsprogramme

• 2 Umwelterprobungen auf Basis der OEM-Anforderungen


Einpressen

Initialprüfungen

Temp.-Schock-40/125°C300 Zyklen

Zwischenmessung

SchwingungsprüfungMotoranbauprofil

nur Z-Achse

Feuchte-Wärme konstant85°C/85% rel. F.

504 Std.

Feuchte-Wärme zyklisch-10/65°C / 93% rel. F.

240 Std.

Feuchte-Wärme konstant85°C/85% rel. F.

504 Std.

Zwischenmessung

SchadgasDIN EN 60068-2-60 M4

21 Tage TR / 75% rel. F.

Abschlussprüfung Abschlussprüfung

Dokumentation

Einpresstechnik in OSP-Oberflächen – eine Variante m it ZukunftPrüfungen und Bewertungskriterien

Die Bewertung der Einpresstechnologie erfolgte mit folgenden Prüfungen und Kriterien:

1. Optische Analyse auf Basis der IPC-A-610E und IEC 60352-5• Deformationen und Weißfärbung des Basismaterials • Abhebungen und Risse des Restrings• Risse im Lötstopplack• Späne am Rand der LP-DK • Risse im Kontakt-Basismaterial

2. Elektrische Prüfung auf Basis der IEC 60352-5• Übergangswiderstand <1 mΩ• nach Umwelterprobung <0,5 mΩ Änderung

3. Mechanische Prüfung• Maximum des Kraft-Weg-Verlaufs• Einpresskraft: <160 N• Haltekraft: >30 N initial und >20 N nach Umwelterprobung mit Cpk >1,66

4. Metallografische Analyse auf Basis der IEC 60352-5• Restkupferstärke im Längs- und Querschliff (a, d) >8µm• Hülsendeformation (b) >70µm• den Düseneffekt (c) <50µm• Rissbildung im angrenzenden LP-Basismaterial


Einpresstechnik in OSP-Oberflächen – eine Variante m it ZukunftUntersuchungsergebnisse Einpresskraft

Im Rahmen der Untersuchungsprogramme wurden fast 20.000 Pins einzeln oder mit einem Mehrfachwerkzeug eingepresst.

Die Ergebnisse sind wie folgt zusammenzufassen:

• Alle Einpresskräfte (Maximalkraft) liegen unterhalb des Bewertungskriteriums

• OSP-Varianten haben geringere Einpresskräfte als chem. Sn

• Kraftverlauf (Einpresskurve) und Maximalkraft auch von der Pingeomertie und Lochdurchmesser abhängig

• Streuung von Sn-Pinoberfläche geringer als AgSn und In

• Glasfaserorientierung in der Leiterplatte (Kett-/Schuss-Richtung) zeigt keinen Einfluss

• Die ermittelten Ergebnisse im Einzelwerkzeug konnten mit dem Mehrfachwerkzeug bestätigt werden

Fazit: Keine Auffälligkeiten oder Abweichungen beim Einpressen in OSP gegenüber chem. Sn


Vergleich der Einpresskraft in Abhängigkeit des Durchmessers der Durchkontaktierungen für alle drei Einpresszonen

Kraft-Weg-Verlauf beim Einpressen, Kontakt mit Sn-Oberfläche und verschiedenen LP-Oberflächen

Einpresstechnik in OSP-Oberflächen – eine Variante m it ZukunftUntersuchungsergebnisse Mikroskopie und elektr. Messung

Alle Einpressverbindungen wurden optisch inspiziert

Ergebnisse:

• Alle geforderten Qualitätsmerkmale wurden erfüllt

• Keine Unterschiede im Initialzustand und nach Umweltbelastung

• Vereinzelt wurden die Fehlermerkmale Spanbildung, Weißfärbung und Restringaufwölbung beobachtet

• Cu-Färbungen an der Austrittsseite des Pins konnten als unkritische Abriebspuren des PCB-Cu detektiert werden

Des Weiteren wurde der Übergangswiderstand aller Einpressverbindungen mittels Vier-Punkt-Messung überprüft

Ergebnisse:

• Alle Messwerte befanden sich deutlich unterhalb des Akzeptanzkriteriums von 1 mΩ

• Nach der Umweltprüfung konnte in keinem Fall eine Erhöhung des Messwertes ermittelt werden

• Der Mittelwert aller Varianten liegt unter 100 µΩ


Spanbildung (o.l.) Weißfärbung (o.r.)Padabheber (u. l.) Cu-Färbung (u.r.)

Übergangswiderstand beim Nominaldurchmesser

Einpresstechnik in OSP-Oberflächen – eine Variante m it ZukunftUntersuchungsergebnisse mechanische Festigkeit

Die Festigkeit ist durch die Haltekraft gekennzeichnet und wurde im Initialzustand und nach Umwelterprobung ermittelt

Ergebnisse:

• Im Initialzustand zeigten beide OSP-Varianten gleichwertige Ergebnisse

• Der Kraft-Weg-Kurvenverlaufe der „CrZ“ zeigte einen abrupten Kraftabfall nach Erreichen der Maximalkraft. Bei den anderen ist der Übergang nach dem Maximum fließend, insbesondere beim maximalen Lochdurchmesser

• Die Kräfte bei Sn sind vergleichbar mit der chem. Sn-LP-Oberfläche und deutlich oberhalb der Minimalgrenze von 30N

• Die anderen Kontaktoberflächen zeigten sichtbare Unterschiede. Unabhängig von der Kontaktgeometrie sind die Auspresskräfte bei In am höchsten und bei AgSn am geringsten

• Die OSP-Schichtdicken zeigt einen signifikanten Einfluss auf die gemessenen Kräfte. Eine OSP-Schichtdicke von 0,2µm bis 0,5µm scheint am geeignetsten


Typischer Kraft-Weg-Verlauf beim Auspressen im Vergleich zu den Mittelwerten der Auspresskraft

Einpresstechnik in OSP-Oberflächen – eine Variante m it ZukunftUntersuchungsergebnisse mechanische Festigkeit

Ergebnisse nach Umwelterprobung:

• Die Auspresskräfte nach Alterung lagen weitestgehend über der Spezifikationsgrenze von 20 N

• Die „EoN“-Geometrie hält nahezu ihre initiale Auspresskraft, wohingegen die anderen Zonen von einem höheren Ausgangsniveau abfallen

• Nach den Versuchsprogrammen befinden sich alle drei Geometrien auf einem ähnlichen Kraftniveau

• Für die Kontaktoberflächen Sn, In und AgSn wurde bei den Mittelwerten die gleiche Reihenfolge wie im Initial-Zustand beobachtet

• Initial liegen die Werte bei Sn und In deutlich oberhalb, bei AgSn nahe an der Spezifikationsgrenze. Nach den Umwelterprobungen sind die Auspresskräfte bei allen Oberflächen zumeist deutlich oberhalb der Spezifikationsgrenze

• Über alle Auspresskräfte betrachtet sind die Werte der OSP-Oberflächen etwas schwächer als mit chem. Sn


Einpresstechnik in OSP-Oberflächen – eine Variante m it ZukunftUntersuchungsergebnisse metallografische Analyse

Die metallografische Kontrolle der Einpressverbindung erfolgte in der Ebene der maximalen Deformation.

Ergebnisse:

• Kein signifikanter Unterschied zwischen dem Initialzustand und Umwelterprobung.

• Auch zwischen den zwei OSP-Varianten waren keine systematischen Unterschiede erkennbar.

• Die erlaubte Hülsendeformation von 70 µm wurde nicht überschritten. Analog chem. Sn-LP-Oberfläche.

• Beim Düseneffekt wurde der zulässige Wert von 50 µm in den meisten Kombinationen überschritten

• Bei den Restkupferdicken wurde die geforderte Restkupferdicke von 8 µm bei allen Varianten lokal unterschritten -> Bewertung Bereich ± 30µm: Mittelwert >8µm-> kein Risswachstum nach thermomechanischer Belastung

• Bei beiden OSP-Varianten sind die Ergebnisse der Kontaktoberfläche AgSn vergleichbar zu Sn, während In größere Deformationen aufweist


Einpresstechnik in OSP-Oberflächen – eine Variante m it ZukunftZusammenfassung Untersuchungsergebnisse

Hauptergebnisse im Rahmen der untersuchten Materialkombinationen:

• Umweltuntersuchungen basierend auf den OEM-Anforderungen bestanden

• Pin-Oberfläche zeigt signifikanten Einfluss auf die Einpresskraft

• Keine Auffälligkeiten oder neue Fehlerbilder bei der optischen Inspektion

• Im Vergleich zu chemisch Sn (Stand der Technik) größere Leiterplattendeformationen und geringere Haltekräfte

• Ausreichende Zuverlässigkeit nach Umwelterprobungen dargestellt, trotz der in Querschliffen vereinzelter lokaler Kupferdicken <8µm

• Beide untersuchten OSP-Typen sind für die Einpresstechnik gleicher-maßen geeignet (empfohlene Schichtdicke für diese Varianten 0,2–0,5µm)


Einpresstechnik in OSP-Oberflächen – eine Variante m it ZukunftZusammenfassung und Ausblick

Weitgehend vergleichbare Ergebnisse gegenüber chemisch Zinn-Leiterplattenoberflächen

Die Einflussfaktoren für Einpressen in OSP-Leiterplatte sind ausreichend untersucht und bekannt.

Die Technologie ist für die untersuchten Materialkombinationen beherrschbar.

Die vorhandenen Prozesse können eingesetzt werden.

OSP-Oberflächen können nach projekt- oder applikationsspezifischer Verifikation in Pilotprojekten genutzt werden.

Die Basis für einen zukünftigen Serieneinsatz der Leiterplattenober-fläche OSP in Verbindung mit der Einpresstechnik ist geschaffen


Einpresstechnik in OSP-Oberflächen – eine Variante m it ZukunftFragen


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