Dampfphasen-Vakuum- technik gegen Lunker - ASSCON ...

MIKROMONTAGE<br />

<strong>Lunker</strong>bildung im Weichlötprozess<br />

<strong>Dampfphasen</strong>-<strong>Vakuum</strong><strong>technik</strong><br />

<strong>gegen</strong> <strong>Lunker</strong><br />

<strong>Lunker</strong> in Lötstellen werden dank etablierter Röntgenkontroll<strong>technik</strong> immer einfacher sichtbar und immer mehr<br />

Anwender sehen sich gezwungen, sich mit den Auswirkungen von <strong>Lunker</strong>n auf Funktionalität und Lebensdauer von<br />

Baugruppen auseinander zu setzen. Hinzu kommt die Umstellung der Produktion auf RoHS-konforme Produkte und<br />

Prozesse, die ebenfalls Auswirkungen auf die <strong>Lunker</strong>bildung hat. Die <strong>Dampfphasen</strong>-Technologie und speziell der Einsatz<br />

des <strong>Vakuum</strong>lötprozesses bietet optimale Lösungen zur größtmöglichen Reduzierung der <strong>Lunker</strong>bildung.<br />

Sucht man nach den Ursachen, die zur<br />

<strong>Lunker</strong>bildung beim Lötprozess führen,<br />

zeigen sich verschiedenste Phänomene<br />

wie<br />

˘ kristalline Einschlüsse von Flussmittel,<br />

˘ Blasen durch Ausgasungsprozesse von<br />

Lösemitteln und eingelagerter Feuchte<br />

aus Baugruppen- und Baulelemente-Materialien,<br />

˘ Ausgasungen von nicht polymerisierten<br />

Photoresisten aus den Lötstopplacken,<br />

˘ Einschlüsse von Luft unter Bauteilen<br />

als Folge von ungeeignetem Pastendruck<br />

oder Paddesign,<br />

˘ reaktive Gase, die bei der Beseitigung<br />

der Oxydschichten durch Flussmittel<br />

entstehen,<br />

˘ metallische Fehlstellen oder<br />

˘ Wechselwirkungen zwischen unterschiedlichen<br />

Materialien und deren<br />

Diffusionseigenschaften.<br />

Je nach Größe der <strong>Lunker</strong> unterscheidet<br />

man in der Literatur dabei zwischen Micro-<br />

(viele kleine und kleinste Bläschen)<br />

und Macro-Voids (größere homogene<br />

Blasen). Unabhängig von der konkreten<br />

Erscheinungsform ist aber festzustellen,<br />

dass eine <strong>Lunker</strong>bildung regelmäßig<br />

durch das Zusammentreffen mehrerer<br />

der oben genannten Phänomene verursacht<br />

wird.<br />

˘<br />

AUTOR<br />

Claus Zabel, Asscon System<strong>technik</strong><br />

Elektronik GmbH in Königsbrunn<br />

Bild 1: Röntgenaufnahme eines BGAs und eines<br />

Leistungstransistors mit mittlerer <strong>Lunker</strong>rate<br />

(Macro Voids)<br />

Bild 2: Einsatzbedingungen mit höchsten Anforderungen<br />

an die Elektronik<br />

Bleifrei forciert <strong>Lunker</strong>bildung<br />

Warum entstehen in bleifreien Lötprozessen<br />

mehr <strong>Lunker</strong> als bisher?<br />

Auffällig ist, dass im Bleifrei-Prozess mehr<br />

<strong>Lunker</strong> entstehen, als dies zuvor in der Produktion<br />

im bleihaltigen Prozess. Hier hat<br />

eine produktionsbegleitende Auswertung<br />

der Beobachtungen und Erfahrungen von<br />

Anwendern,die den Produktionsprozess von<br />

bleihaltig auf bleifrei umgestellt haben,Ursachen-<br />

und Erklärungsansätze geliefert.<br />

˘ Die im Bleifreiprozess zwingend auftretenden<br />

höheren Temperaturen und<br />

Verweilzeiten führen zu einem deutlich<br />

größeren Ausgasungsvolumen von<br />

Feuchte und Lösemitteln.<br />

˘ Chemische Bestandteile bei der Herstellung<br />

von Baugruppen und Bauteilen<br />

müssen zur Erreichung höherer<br />

Temperaturbeständigkeiten verändert<br />

werden.<br />

˘ Durch das deutlich höhere Oxydaufkommen<br />

entstehen mehr reaktive Gase<br />

beim Aktivieren der Flussmittel.<br />

˘ Die an die höheren Temperaturen angepasste<br />

Pastenchemie kann im Einzelfall<br />

ebenfalls höhere <strong>Lunker</strong>raten<br />

verursachen.<br />

Welche negativen Einflüsse haben <strong>Lunker</strong><br />

auf die Produktqualität?<br />

Die zu beobachtende Zunahme der <strong>Lunker</strong>bildung<br />

im Bleifrei-Prozess wirft die<br />

Frage auf, ob es sich bei der <strong>Lunker</strong>bildung<br />

um ein vernachlässigbares Phänomen<br />

oder einen ernst zu nehmenden Produktionsfehler<br />

handelt. Um diese Frage<br />

beantworten zu können, müssen zunächst<br />

die grundsätzlichen Einflüsse der<br />

<strong>Lunker</strong>bildung auf die Produktqualität<br />

betrachtet werden. Als wesentlichste negative<br />

Einflüsse lassen sich dabei feststellen:<br />

˘ Eingeschränkte Entwärmung von Bauteilen<br />

oder Strukturen,<br />

˘ reduzierte Festigkeit von Lötstellen,<br />

˘ Einschränkungen der Leistungsfähigkeit<br />

der Bauteile und Baugruppen im Hochfrequenzbereich,<br />

˘ reduzierte Vibrationsfestigkeit,<br />

˘ reduzierte Belastbarkeit von Bauteilen<br />

(z. B. Powermodule),<br />

˘ erhöhte Lötfehlerbildung (Brücken, Lotspritzer<br />

z. B. bei Micro BGAs).<br />

88 productronic 5 - 2006

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Bild 3: Prinzip eines <strong>Dampfphasen</strong>-<strong>Vakuum</strong>lötsystems<br />

Lötfehler sind auf konventionelle Art nur<br />

noch sehr eingeschränkt nachweisbar. Die<br />

Baugruppen werden mittlerweile häufig<br />

geröntgt. Und trotz gleicher <strong>Lunker</strong>rate<br />

kann das Schädigungspotenzial je nach<br />

<strong>Lunker</strong>typ (Micro oder Macro) unterschiedlich<br />

sein (Bild 1).<br />

Die bisherigen Erfahrungen haben gezeigt,<br />

dass die <strong>Lunker</strong>bildung im konventionellen<br />

Bereich mit bleihaltigen<br />

Loten bis auf Leistungselemente in den<br />

meisten Fällen noch akzeptable Dimensionen<br />

aufweist.<br />

Der vermehrte Einsatz von Leistungsbauteilen<br />

und der Zwang zu weiterer Miniaturisierung<br />

kann jedoch eine Neubewertung<br />

der Situation notwendig machen.<br />

Zudem führen geänderte Rahmenbedingungen<br />

in RoHS-konformen Produktionsketten<br />

zu anderen Ergebnissen als bisher<br />

gewohnt. Die steigenden Anforderungen<br />

der Kunden an die lückenlose Nachverfolgung<br />

der Produktionsschritte sowie entsprechendes<br />

Krisenmanagement im Fehlerfall<br />

machen es notwendig, genauer denn<br />

je Fehlermechanismen zu verstehen und<br />

Schlüsse daraus zu ziehen. Ein weiterer<br />

Aspekt sind gestiegene Anforderungen<br />

an die Leistungsfähigkeit heutiger Produkte<br />

und z. B. deren Einsatz in kritischen<br />

Bereichen wie etwa motornahe Elektronik<br />

im Automotiv-Bereich (Bild 2).<br />

Bedingt durch die physikalischen Gesetzmäßigkeiten,<br />

die dem <strong>Dampfphasen</strong>löten<br />

mit gesättigtem Dampf zugrunde liegen,<br />

ergeben sich in Kombination mit der <strong>Vakuum</strong>technologie<br />

äußerst stabile Verhältnisse<br />

beim Löten ohne <strong>Lunker</strong>.<br />

Akzeptabel oder nicht?<br />

Wann ist die <strong>Lunker</strong>bildung nicht mehr<br />

akzeptabel und wann besteht Handlungsbedarf?<br />

Es müssen Kriterien gefunden werden, die<br />

bei der Entscheidung helfen, ob ein bestimmter<br />

Grad an <strong>Lunker</strong>bildung noch akzeptiert<br />

werden kann oder ob Maßnahmen<br />

zur Reduzierung der <strong>Lunker</strong>bildung<br />

eingeleitet werden müssen. Vereinfacht<br />

bestehen folgende drei Ansätze für die<br />

Prüfung eines Handlungsbedarfs: ˘<br />

productronic 5 - 2006 89<br />

˙<br />

KOMPAKT

---

Bild 4: <strong>Lunker</strong>freier Leistungs-Chip, Leistungstransistor<br />

und BGA nach Lötung in einem Asscon-<br />

<strong>Dampfphasen</strong>-<strong>Vakuum</strong>-Lötsystem<br />

˘ Die <strong>Lunker</strong>bildung verursacht direkt<br />

Produktionsfehler oder führt in kürzester<br />

Zeit im Feld zu Ausfällen.<br />

˘ Der Kunde verlangt ein Endprodukt,<br />

das klar definierten Normen entsprechen<br />

muss. Häufig sind dort maximal<br />

zulässige <strong>Lunker</strong>raten vorgegeben (z. B.<br />

IPC-610 max. 25 %).<br />

˘ Schon bei der Konzeption eines neuen<br />

Produktes sind die Anforderungen an<br />

die <strong>Lunker</strong>rate höher, als mit klassischen<br />

Prozessen stabil realisierbar.<br />

Maßnahmen bei über 15 % <strong>Lunker</strong><br />

Falls die Abwägung aller Umstände zu der<br />

Notwendigkeit führt, die <strong>Lunker</strong>bildung<br />

zu reduzieren und auf einem bestimmten<br />

Level sicher zu halten, müssen bestehende<br />

Prozesse optimiert werden. Es können<br />

Wechsel von Materialien und Hilfsstoffen<br />

erforderlich werden, die auch einen Wechsel<br />

von Lieferanten oder Bauteilherstellern<br />

notwendig machen können. Die wichtigsten<br />

Maßnahmen hierbei sind:<br />

˘ Einsatz speziell optimierter Lotpasten,<br />

˘ Verwendung spezieller Geometrien im<br />

Pastendruck (Bewährt haben sich z. B.<br />

Stern- oder Kreuzgeometrien, die auch<br />

als Drainagedruck bekannt sind. Negativ<br />

müssen etwa flächige, rasteroder<br />

punktförmige Geometrien bewertet<br />

werden.),<br />

˘ exakte Anpassung des Lotvolumens an<br />

die Anschlussgeometrie,<br />

˘ Reduktion der Prozesstemperaturen<br />

und Lötzeiten,<br />

˘ Tempern von Baugruppen und Bauteilen<br />

sowie<br />

˘ Sicherstellen einer vollständigen<br />

Polymerisation des Lötstopplackes.<br />

Bild 5: Das VP 6000 <strong>Vakuum</strong>-Lötsystem von<br />

Asscon<br />

<strong>Lunker</strong>raten unter 15 % erreichen<br />

Sollen da<strong>gegen</strong> qualitativ hochwertige Lötstellen<br />

mit <strong>Lunker</strong>raten von weniger als 15 %<br />

erreicht werden,muss am Lötprozess selbst<br />

angesetzt werden. Solche Anforderungen<br />

können nur noch durch den Einsatz von <strong>Vakuum</strong><br />

während oder nach dem Löten erreicht<br />

werden.Bisher angewandte Verfahren<br />

sind hier das <strong>Vakuum</strong>löten mittels IR-Strahlern<br />

oder Kontaktwärmeplatten. Die heute<br />

geltenden Vorschriften an den Lötprozess<br />

(z. B. J-STD-020C), machen aber einen <strong>Vakuum</strong>lötprozess<br />

mit niedrigen <strong>Lunker</strong>raten<br />

mit Strahlung oder Kontaktwärme in bleifreien<br />

Lötprozessen nahezu unmöglich. Ein<br />

regelkonformer SMD-Weichlötprozess mit<br />

niedrigen <strong>Lunker</strong>raten ist heute im Grunde<br />

nur noch durch die Kombination des <strong>Dampfphasen</strong>lötens<br />

mit nachgeschaltetem <strong>Vakuum</strong>prozess<br />

sicherzustellen.<br />

Das <strong>Dampfphasen</strong>-<br />

<strong>Vakuum</strong>lötverfahren<br />

Das <strong>Vakuum</strong>löten in der Dampfphase wurde<br />

im Rahmen eines Kooperationsprojekts 1997<br />

von der Asscon GmbH zusammen mit Semikron<br />

entwickelt und patentiert. Kernpunkt<br />

dieses Verfahrens ist die Kombination eines<br />

völlig variablen <strong>Dampfphasen</strong>-Lötprozesses<br />

mit gesättigtem Dampf und einer nachgeschalteten<br />

<strong>Vakuum</strong>kammer (Bild 3). Hierdurch<br />

werden die bekannten Vorteile des<br />

<strong>Dampfphasen</strong>-Lötens, nämlich das schonende,oxydfreie<br />

und mit Hilfe der variablen<br />

Temperaturgradientensteuerung (TGC) optimale<br />

Aufwärmen des Lötgutes kombiniert<br />

mit der herausragenden Qualität einer vakuum-behandelten<br />

Lötverbindung.<br />

In der <strong>Vakuum</strong>kammer werden unmittelbar<br />

nach dem Löten vorhandene <strong>Lunker</strong><br />

aus der noch flüssigen Schmelze entfernt.<br />

Je nach Anforderungen des Lötgutes kann<br />

in den <strong>Dampfphasen</strong>-<strong>Vakuum</strong>-Lötanlagen<br />

eine klassische <strong>Vakuum</strong>kennlinie oder<br />

ein in Stufen programmierbares <strong>Vakuum</strong><br />

erzeugt werden. Durch die räumlich getrennte<br />

Auslegung der Funktionen Löten<br />

und <strong>Vakuum</strong> ist ein effektiver Ablauf beider<br />

Prozesse möglich.<br />

Prozesssicherheit<br />

Bedingt durch die physikalischen Gesetzmäßigkeiten,<br />

die dem <strong>Dampfphasen</strong>löten<br />

mit gesättigtem Dampf zugrunde liegen,<br />

ergeben sich in Kombination mit der Va-<br />

Bild 6: Das VP 2000 <strong>Vakuum</strong>-Lötsystem von<br />

Asscon<br />

kuumtechnologie äußerst stabile Verhältnisse.<br />

Die Hauptvorteile lassen sich im<br />

Wesentlichen wie folgt zusammenfassen:<br />

˘ <strong>Lunker</strong>raten unter 1 % sind in der laufenden<br />

Produktion realisierbar (Bild4).<br />

˘ Überhitzungen, Bauelementeschäden<br />

und Delaminationen können bei richtigem<br />

Einsatz der Bauelemente aufgrund<br />

der physikalischen Gesetzmäßigkeiten<br />

nicht auftreten.<br />

˘ Es findet eine zu 100 % sauerstofffreie<br />

Lötung statt bei<br />

˘ einer äußerst homogenen Energieverteilung<br />

auf der Baugruppe.<br />

˘ Dreidimensionale Produkte sind problemlos<br />

zu verarbeiten.<br />

˘ Niedrigster Energiebedarf wird durch<br />

hohen Wirkungsgrad erzielt.<br />

˘ Es ergeben sich kürzestmögliche Prozesszeiten,<br />

da durch die homogene<br />

Durchwärmung ein einstellbarer konstanter<br />

Gradient ohne Haltezeiten gewählt<br />

werden kann. Dies bietet gerade<br />

bei empfindlichen Bauelementen und<br />

bleifreien Produkten erhebliche Vorteile.<br />

Der <strong>Vakuum</strong>schritt verlängert die<br />

Prozesszeit nur unwesentlich.<br />

Ausblick<br />

Mit gezielter Analyse der Ursachen und<br />

Wirkungsweisen der <strong>Lunker</strong>bildung kann<br />

schon durch Prozessoptimierung und gezielte<br />

Auswahl der verwendeten Materialien<br />

das Auftreten von <strong>Lunker</strong>n in vielen Fällen<br />

verringert werden.Eine optimale Lösung<br />

zur Reduzierung der <strong>Lunker</strong>bildung bietet die<br />

<strong>Dampfphasen</strong>-Technologie kombiniert mit<br />

dem Einsatz des <strong>Vakuum</strong>prozesses. Asscon<br />

setzt das von ihr in Kooperation mit Semikron<br />

entwickelte und patentierte <strong>Dampfphasen</strong>-<br />

<strong>Vakuum</strong>lötverfahren in manuell beladbaren<br />

Batchanlagen,semiautomatische Anlagen<br />

und Inline-Anlagen ein, je nach vom<br />

Anwender gewünschter Fertigungsmenge<br />

und Automatisierungsgrad.<br />

infoDIRECT 422pr0506<br />

www.all-electronics.de<br />

˘ Link zu Asscon<br />

90 productronic 5 - 2006<br />

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