Kritischer Prozeß unter Kontrolle

Alan Rae, Director of Technology,Cookson Electronics

Gravierende Unsicherheit besteht darüber, welche Legierungen sich als Ersatz für die herkömmlichen Blei-Zinn-Formulationen eignen. ITRI (das internationale Zinn-Forschungsinstitut) arbeitet intensiv daran, Legierungen auf Basis von Zinn-Silber-Kupfer zu standardisieren. Diese Anstrengungen sind, sofern erfolgreich, eine große Hilfe für Firmen, die keine eigene Entwicklung vornehmen können. Doch ist diese Standardisierung noch völlig offen, denn während die PCIF (Printed Circuit Interconnection Federation) und ITRI in England die SnAgCu-Legierungen favorisieren, sind Mitglieder der amerikanischen IPC auf Legierungen aus Zinn, Silber und Wismut (SnAgBi) abonniert.

Bei vielen Anwendern herrscht zudem große Unsicherheit in puncto Wettbewerbssituation bei Einsatz der Bleifrei-Fertigung. Doch zeigen Käufer in Industrieländern eine offensichtliche Präferenz für ökologisch verträglichere Produkte. Eine kürzlich von Motorola veröffentlichte Studie zeigt, daß über 75% eher zum „grünen“ Produkt greifen würden, insofern Preis und Leistung vergleichbar sind.

Die bleifreie Fertigung ist bereits Realität: Bleifrei-Pastenlegierungen sind verfügbar und die meisten Prozesse und Maschinen mit dem Bleifrei-Konzept kompatibel. Allerdings sind im Detail durchaus einige wesentliche Modifikationen nötig. Beispielsweise müssen die Anlagenkomponenten von Lötöfen wie Transporteinrichtung deutlich höheren Temperaturen (plus 40K in Relation) widerstehen, die zumLöten bleifreier Legierungen nötig sind. Bei einigen Öfen sind übrigens Probleme mit dem Ausfall von Anlagenkomponenten als Folge höherer Prozeßtemperatu-ren aufgetreten. Doch haben mittlerweile die Anlagenhersteller begonnen, speziell entwickelte Öfen anzubieten, die den höheren Temperaturanforderungen gerecht werden.

Positive Aspekte sind, daß nun sowohl erste bleifreie Lotlegierungen verfügbar als auch die meisten neueren Anlagen in der Lage sind, problemlos mit höheren Temperaturen zu arbeiten. Viele Güter der Konsumelektronik und Telekommunikation werden bereits in bleifreien Prozessen gefertigt, die sich durch hohe Ausbeuten und Zuverlässigkeit auszeichnen.

Zu den ungünstigen Aspekten gehört, daß in allen Studien, die in USA, Europa und Japan zum Thema bleifreies Lot vorgestellt wurden, kein direkter Ersatz für die populäre und vorwiegend eingesetzte Zinn-Blei-Legierung Sn63Pb37 erwähnt ist. So verlangen die Legierungen mit den höchsten Zuverlässigkeitsaussichten auch die höchsten Prozeßtemperaturen. Andererseits sind die Legierungen, die sich bei ähnlichen wie den derzeitigen Temperaturen löten lassen, sehr empfindlich gegenüber Kontaminationen und damit verbundenen Zuverlässigkeitseinbußen. Zudem kann es auch große Probleme bei den Kosten und der Verfügbarkeit der Basismaterialien geben.

Blei ist ein ausgezeichneter Zusatz, der zusammen mit Zinn geeignet ist, zuverlässige Lötstellen herzustellen. Im flüssigen Zustand (Liquidus) reduziert es die Oberflächenspannung des Zinns, um die Benetzung der Anschlüsse von Bauteilen und Leiterplatte zu verbessern. Dabei handelt es sich um eine sehr kostengünstige Legierung, die bei Temperaturen schmilzt, die hoch genug sind, damit die Elektronikbauteile zuverlässig gelötet werden, und dennoch niedrig genug, um diese Komponenten nicht zu schädigen und den Prozeß in einem beherrschbaren Bereich zu halten. Die eindeutig spezifizierte, eutektische Formulierung schmilzt rasch und sauber bei +183°C. Blei-Zinn-Legierungen sind relativ weich und lassen sich einfach zu Lotdrähten, Metallpulver und Spheres (Lotkügelchen) verarbeiten.

Der kritische Punkt zwischen den Prozessen mit und ohne Bleianteilen ist die Temperatur. Die bleifreien Legierungen werden bei Temperaturen verarbeitet, die circa 40K höher liegen. Allerdings bedeuten höherer Prozeßtemperaturen, daß manunter Umständen bisherige Laminate, Bauteile und Leiterplatten nicht mehr verwenden kann. Auch auf die Baugruppe und die Nacharbeit haben Temperaturerhöhungen um 40K erhebliche Auswirkungen.

Die Wahl der Legierung ist von der Art der Baugruppe abhängig. Sehr komplexe und große Baugruppen sowie jene, die mehrere Lötprozeduren durchlaufen müssen, verlangen nach einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt, damit thermische Beschädigungen vermieden werden. In solch einem Fall ist eine Legierung vorzuziehen, die Wismut (Bi) anstatt Zinn-Silber-Kupfer enthält. Umgekehrt: wird der Lötprozeß in einem Durchgang durchgeführt oder sind noch andere Faktoren zu berücksichtigen, ist vermutlich eine höherschmelzende Legierung geeigneter, beispielsweise Zinn-Antimon.

Tatsächlich können in jedem kritischen Prozeßbereich Probleme entstehen: unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten, Bauteil-Zuverlässigkeit, thermische Parameter der Boards und Komponenten, Ofentemperatur und vieles mehr. Die Industrie unternimmt große Anstrengungen, weitere Laminate bzw. Substrate auf deren Eignung zu untersuchen, dennoch wird FR4 in einfacheren Schaltungen weiterhin anzutreffen sein. Board-Laminate werden teilweise unterschiedlichen thermischen Zyklen ausgesetzt, so bei HASL, Wellen- und Reflowlöten sowie in der Nacharbeit, wobei Temperaturen von +260°C und mehr erreicht werden. Die Auswahl von Laminaten mit einem hohen Tg (Glaspunkt) sowie anderen wünschenswerten Eigenschaften für die Verträglichkeit mit höheren Temperaturen ist wesentlich, insbesondere für große und komplexe Baugruppen, die mehrere Temperaturzyklen durchlaufen.

Höhere Prozeßtemperaturen können gravierende Auswirkungen auf Bauteile mit flüchtigen Inhaltsstoffen haben, dazu gehören Elektrolytkondensatoren und mit Polymeren verkapselte Komponenten und die Leiterplatte. Selbst wenn deren Materialien keine flüchtigen Anteile enthalten sollten, so tangieren sieihre maximale Temperaturbe-lastung, beispielsweise im Fal-le von Wickelgütern oder Filmkondensatoren. Zusätzlich kann sein, daß der Wechsel des Temperaturprofils die Zuverlässigkeit von temperaturempfindlichen keramischen Chipkondensatoren (MLCCs) erheblich beeinträchtigt. Auch Fehlanpassung in der thermischen Ausdehnung bei großflächigen Komponenten wie BGAs oder IC-Ausdehnungskoeffizienten, die stark vom Leiterplattenmaterial oder Silizium abweichen, können erhebliche Probleme verursachen.

IC-Gehäuse und Beschichtungen auf Polymerbasis nehmen gewöhnlich etwas Luftfeuchte auf. Selbst wenn sich das Polymer bei den höheren Temperaturen nicht entmischen sollte, führt die rasche Dampfbildung im Material zum sogenannten Popcorn-Effekt. Viele Bauteile enthalten zwangsläufig etwas Blei: beispielsweise die Versiegelung, Wafer-Bumps, Die-Attach oder das Material von Kondensatoren, Thermistoren oder piezolektrischen Elementen. Es ist sehr schwierig, solche Komponenten einfach zu ersetzen. Interessanterweise hat die EU im Entwurf ihrer Abfall-Direktive solche Bauteile bereits ausgenommen.

Für das Die-Attachment auf Silizium weist eine Blei-Zinn-Legierung die nötige Nachgiebigkeit auf, die den wichtigen Abbau von mechanischen Streß erst ermöglicht. Die meisten bleifreien Legierungen hingegen sind wesentlich fester bzw. spröder, sie würden brechen. Aus Legierungen mit Zinn-Wismut-Anteilen lassen sich zum Beispiel keine Lotdrähte herstellen.

Das Einschwimmen der Bauteile auf den Leiterplattenpads (Selbst-Zentrierung) beim Reflowlöten ist ein wesentlicher Vorteil eutektischer Lotpasten. Es gleicht kleinere Toleranzen aus. Die thermischen Profile, Lotpaste und Fluxer, Pick-und-Place-Präzision sowie das Pad-Design müssen weiter optimiert werden, wenn bleifreie, nicht eutektische Pasten verarbeitet werden.

Konsumelektronik und Telekommunikationsgeräte sind oft mit einem typischen Betriebstemperaturbereich von –55 bis +125°C spezifiziert (viele Geräte allerdings von 0 bis + 85°C, Automobilelektronik hingegen sogar bis zu + 200°C). Das heißt in der Praxis, daß niedrigschmelzendes Lötzinn mit Wismut-Anteil durchaus für einige Anwendungen optimal sein kann, doch für andere, höher spezifizierte eben nicht. Auch bei Konsumelektronik gibt es heiße Stellen auf dem Board (Hot Spots), die einen Einsatz von hochschmelzendem Lot bei vielpoligen Verbindungen verlangt. So kann ein heutiger Mikroprozessor mit einer Taktrate von 300 MHz maximal 40W Verlustleistung erzeugen, diese muß jedoch abgeleitet und verteilt werden. Momentan ist noch nicht klar, welche Legierung das 90:10 Blei-Zinn-Lot ersetzen kann, das beim Waferbumping eingesetzt wird. Zinn-Antimon-Legierungen sind mögliche Kandidaten dafür.

Wegen der gröberen Korngrößen weisen viele bleifreie Lote nicht die gleichmäßige und glänzende Oberfläche aus, die eutektische Blei-Zinn-Lote auszeichnet. Oberflächen von bleifreien Loten erscheinen matt und grau. Obwohl es sich um einwandfreie Lötverbindungen handelt, erscheinen sie optisch etwas ungewöhnlich. Die Prozeduren der Qualitätssicherung müssen an dieses andere Erscheinungsbild angepaßt werden.

Bei einigen bleifreien Loten gibt es spezielle Defekterscheinungen, insbesondere betrifft dies Legierungen mit Wismut. Treten hier Verunreinigungen mit Blei auf, bilden sich niedrigschmelzende Phasen (+97°C), die sich auf die Zuverlässigkeit negativ auswirken. Außerdem läßt sich bei Wismut-Legierungen ein Abheben der Lotmenisken um durchkontaktierte Verbindungen beobachten. Fehlstellen an flächigen Kontakten zwischen Kupfer und Lot sind ein anderes Problem. Obwohl in manchen Geräten der Konsumelektronik solche Fehlstellen in einem bestimmten Umfang akzeptabel sind, sind sie in Schaltungen für kritische Applikationen nicht annehmbar. Der Grund für solche Fehlstellen ist bisher noch nicht völlig geklärt, doch scheint das Oberflächenfinish von wesentlicher Bedeutung dafür.

Bleifreies Lot zieht eine große Anzahl von Problemen nach sich: welcher Fluxer soll zusammen mit welcher Legierung verwendet werden? Wird jedoch der Fluxer mit einer anderen Legierung eingesetzt, wie wird die Performance dieses Systems evaluiert? Wie läßt sich eine komplette Fertigungslinie für höhere Ausbeuten optimieren? Zwar lassen sich diese Probleme alle in den Griff bekommen, aber dafür sind sorgfältig geplante und angemessene Maßnahmen notwendig. Die Greenline-Initiative von Cookson Electronics wurde entwickelt, um Anwendern bei der Integration und Optimierung ihrer bleifreien Fertigungsprozesse zu helfen.

Zum Beispiel hat Polyclad hochtemperaturfeste Laminate und bleifreie Leiterplatten-Halbfertigprodukte auf Silberbasis entwickelt. Alpha Metals steuert eine Palette von beifreien Loten und darauf abgestimmte Fluxer bei. Speedline Technologies offeriert eine umfangreiche Palette von Maschinen für bleifreies Dispensen und Drucken, Klebstoff-Dosierung sowie Hochtemperatur-Reflow- und Wellenlöten. Weil Produkte auch einmal das Ende ihrer Nutzung erreichen, arbeitet Alpha-Fry einen Bleifreilot-Rückgewinnungsservice als Ergänzung zu den vorhandenen Programmen für konventionelles Lötzinn und deren Krätze aus. Der kürzliche Erwerb von Enthone-OMI stellt einen Lösungsbeitrag für die Bleifrei-Problematik dar, denn wir offerieren damit organische Beschichtungen (OSP) als kosteneffiziente Technik zum Schutz von blankem Kupfer gegen Oxidation. Dabei werden ideale Oberflächen für bleifreie Applikationen erreicht.

Die Greenline-Initiative bringt die Einzelfirmen in der Cookson Electronics Gruppe so zusammen, daß die Kunden alle Informationen und das benötigte Wissen aus einer Hand erhalten. Durch Greenline steht allen Anwendern, seien es OEMs oder Fertigungsdienstleistern, eine einzige Quelle für Lösungen bei bleifreien Prozessen zur Verfügung. Um es deutlich auszusprechen: Cookson Electronics hat in der Beifrei-Frage keine Präferenzen, verhält sich also grundsätzlich neutral. Doch wie bei vielen unserer Kunden wird auch bei uns jeder Geschäftsablauf wesentlich beeinflußt vom unvermeidlichen Übergang zur bleifreien Produktion.

Cookson Electronics gibt nicht vor, daß jetzt zu jeder erdenklichen Frage bereits erschöpfende Antworten gegeben werden können. Weil jedoch die Entwicklungsprojekte in der Firmengruppe sehr eng koordiniert sind, verfügen wir über eine große Tiefe von ineinandergreifenden Lösungsmöglichkeiten. Sie ermöglichen uns die Konzentration auf die Anforderungen jedes einzelnen Kunden, seien es spezielle Prozesse oder die Konzeption kompletter Linien.

Wir haben ausführliche Modellstudien durchgeführt und zu unserem Erstaunen herausgefunden, daß trotz der höheren Prozeßtemperaturen die höhere Energie- und Materialkosten von untergeordneter Bedeutung sind. Ausbeute, Durchsatz und die Engineeringkosten für den Projektstart sind die größten Kostenfaktoren, deren Höhe ist von der Vorbereitung eines Herstellers und der Komplexität der Schaltungen abhängig.

Zur Analyse der Kostensituation entwickelten wir den SPACE-Simulator, mit dem wir die potentiellen Kostentreiber detailliert untersuchten. Unser „Standardprodukt“ war ein Modem, dessen Herstellung 104 Dollar kostet und das für 110 Dollar verkauft wird. Diese Bruttogewinnspanne von etwa 6% ist typisch in der Industrie, eventuell etwas zu hoch gegriffen. Unsere Untersuchungen ergaben, daß die höheren Materialkosten das Endprodukt nur unwesentlich belasten. Die Gesamtkosten bei bleifreiem oder auch bleihaltigem Material stellen weniger als 0,1% dar, gleicherweise beträgt der höhere Energiekostenanteil weniger als 0,1%.

Die drei großen Kostenfaktoren sind die Implementation der Bleifreitechnik, Ausbeuteverluste sowie die längeren Zykluszeiten im Prozeß. Die Kosten der Implementation umfassen die Entwicklung und Evaluierung von Prozeß, Test der Zuverlässigkeit sowie das Maschinen-Management. Wegen der großen Unterschiede von einem Unternehmen zum anderen ist dieser Bereich schwierig abzuschätzen. Doch können Firmen hier ihre Kosten reduzieren, wenn sie mit ihren Lieferanten eng zusammenarbeiten. Der Verlust an Ausbeute ist ein wesentliches Kriterium. Bleifreie Legierungen benetzen Kupfer-Pads typischerweise nicht so gut wie herkömmliches Lötzinn. Schlechte Benetzung ist jedoch die Ursache für Lötstellenfehler.

In unserer Untersuchung haben wir im Beispiel vorausgesetzt, daß mit dem Bleifrei-Prozeß eine niedrigere Ausbeute (First-Pass-Yield) erzielt wird: 92% gegenüber den bisherigen 97%. Die Baugruppendefekte, die den Ausbeuteverlust verursachen, sollen sich in beiden Fällen durch Nacharbeit beseitigen lassen. In einem anderen Beispiel haben wir jedoch angenommen, daß sich von der 92%-Ausbeute nur 80% zufriedenstellend nacharbeiten lassen. Die Auswirkungen auf die Kosten sind in diesen beiden Szenarien höchst unterschiedlich: Im Falle der 92%-Ausbeute, die sich voll nacharbeiten läßt, beträgt die Kostensteigerung je gefertigte Einheit 0,52 Dollar. Betrachtet man den Wert des jährlichen Produktionsvolumens, stellt dies eine Minimierung des möglichen Gewinns von sage und schreibe 350.000 Dollar dar.

Auch längere Zykluszeiten sind erhebliche Kostentreiber. Die Legierung SnAg4Cu0,5 schmilzt bei 217°C, das eutektische Lötzinn SnPb bei 183°C. Dieser Temperaturunterschied verlangt, daß Reflowöfen für den Prozeß wesentlich höhere Temperaturen bereitstellen. Zur Reduzierung von Risiken durch thermische Komponentenschäden änderten Anwender ihren Prozeß: der Reflowofen für die Bleifrei-Bauguppen wird mit niedrigerer Temperatur gefahren, wobei man die Transportgeschwindigkeit reduziert. Der langsamere Durchlauf kann sich in einer längeren Taktzeit der gesamten Linie auswirken.

Sicher ist, daß die Verbannung von Blei aus Baugruppen nich über Nacht erfolgen kann. Für den Bleifei-Übergang ist mehr Zeit nötig. In dieser Zeit können OEMs und Fertigungsdienstleister ihre Prozesse optimieren, die Bauelementehersteller hingegen können ihre Produkte ändern, um die Anforderungen der Bleifreitechnik zu erfüllen. Das Hauptproblem ist die höhere Prozeßtemperatur, die erhebliche Auswirkungen auf Materialien, Maschinen und Prozesse hat. Im einen oder anderen Fall gibt es direkten Ersatz von Material, Prozeßtechnik oder Komponenten für laufende Fertigungen.

Viele Fragen zum Material und den Prozessen bleiben dennoch offen. CooksonElectronics bietet seinen Kunden kompetente Hilfe bei der Suche nach Antworten. Wir offerieren einen Service, der den Übergang zur bleifreien Löttechnik erleichtert und dabei auch Kosten sowie Ausfallzeiten minimiert. Dabei wird die Produkt-Zuverlässigkeit und die Ausbeute von Fertigungslinien erhöht.

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