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Bauteile in Gefahr

Betrachtungen über die Erzeugung und Kontrolle der Kühlraten in Reflowöfen
Bauteile in Gefahr

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Die Verwendung von bleifreiem Lot zwingt dazu, alle Aspekte des Reflowprofils sehr genau zu untersuchen. Ein Abschnitt des Profils, dem zunehmende Aufmerksamkeit gilt, ist die Abkühlrate. Studien zeigen, dass die Scherfestigkeit von Lotlegierungen aus SAC (Zinn, Silber und Kupfer) etwas geringer ist, als von eutektischem, bleihaltigem Lot. Mit kleineren Kristalliten im erkalteten Lot, erzeugt durch schnellere Abkühlraten, lässt sich dies durchaus ausgleichen. Andererseits ist es nötig, Baugruppen mit großen BGAs unter Anwendung niedriger Raten abzukühlen, um Schereffekte an den Anschluss-Lotkügelchen zu verhindern.

Fred Dimock & Rob DiMatteo, BTU International, North Billerica, MA (USA)

Als Auswirkungen dieser Studien kann man heute zusätzlichen Stress bei den Prozessingenieuren feststellen, denn sie sollen Reflow-Temperaturprofile bereitstellen, die nahe oder sogar über die physikalischen Möglichkeiten mancher Öfen reichen. Wir behandeln deshalb in diesem Beitrag sowohl die Änderungen, die sich an Reflowöfen durchführen lassen, als auch die nötigen Einstellungen der Parameter, um die Auswirkungen von höheren als auch niedrigeren Abkühlraten genauer zu untersuchen.
Konsumelektronik aller Art darf bekanntlich in Europa – und mittlerweile auch in China – aus Umweltschutzgründen nur noch mit beifreiem Lot hergestellt werden (WEEE-Direktive der EU). Deswegen werden seit einiger Zeit als Ersatz für die eutektischen, bleihaltigen Lote andere Materialien verwendet. Solche alternativen Lotlegierungen müssen mit den Materialen der meisten Bauelemente kompatibel sein. Dabei müssen sie nach wie vor ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit und hohe Festigkeit aufweisen, sowie beste Fließeigenschaften beim Löten und auch hohe Zuverlässigkeit der Lötstellen sicherstellen. Eine wichtige Anforderung ist auch, dass der Liquidus (Flüssigpunkt) so nahe wie möglich an dem der früher verwendeten Zinn-Blei-Legierung mit 183 °C liegen soll. Das Ergebnis vieler eingehender Untersuchungen einer Reihe weltweit tätiger Industriegruppen ist die Empfehlung, Legierungen aus Zinn-Silber-Kupfer (SAC, Sn/Zinn, Argentum/Silber, Cu/Kupfer) mit einer Liquidus-Temperatur von 217 °C zu verwenden.
Wie soll der Lötprozess aussehen?
Zur Zeit der ersten Studien über die SAC-Legierungen fokussierten die Forscher ihre Bemühungen auf Zuverlässigkeitsprobleme im Zusammenhang mit den Parametern Verweilzeit über Liquidus (TAL, Time above Liquidus), Peak-Temperaturen beim Löten, Lötatmosphäre (Lötgas) sowie die Lötfähigkeit des Materials. Diese Untersuchungspunkte gehen zum Großteil darauf zurück, dass die Spitzentemperatur beim Reflowlöten von vorher 225 °C mit SAC-Legierungen auf circa 240 °C zu erhöhen ist. Diese Temperaturanhebung reicht gefährlich nahe an die maximale Temperatur heran, welche die meisten Komponenten gerade noch vertragen. Eine äußerst exakte Temperaturkontrolle des Reflowofens ist deshalb sehr wichtig. Zudem zeigen sich auf der Oberfläche von gelöteten SAC-Legierungen die Tendenzen zur Oxidbildung. Solche Oxidationseffekte sind bei bleihaltigen Loten das Zeichen von schlechten Lötstellen.
Wegen dieser fragwürdigen optischen Erscheinung bzw. Qualität, deren längerfristige Auswirkung man noch nicht kannte, zirkulierte die Diskussion über das verwendete Lötgas (Luftsauerstoff oder Stickstoff) um Fragen der Zuverlässigkeit der Lötstellen, Benetzung mit Lot, der Lötstellen-„Kosmetik“ sowie den Prozesskosten. Zu Beginn verwendeten viele Reflow-Spezialisten den inerten Stickstoff beim Löten von SAC-Legierungen, um Oxidation zu verhindern. Doch die Hersteller von Unterhaltungselektronik sowie Handys wollten wegen der höheren Kosten keinen Stickstoff einsetzen und forcierten die Suche nach preiswerteren Lösungen. Allerdings entwickelten die Hersteller von Lotmaterial neue, angepasste Formulierungen für Flussmittel. Außerdem stellte sich dann auch noch heraus, dass die matten, nichtglänzenden Lötstellen aus SAC-Legierungen ebenfalls hohe Werte der Zuverlässigkeit erreichen. In der Folge werden die meisten Produkte der Konsumelektronik jetzt unter Luftatmosphäre gelötet. Die wesentlichen Ausnahmen sind in erster Linie wertvolle Hochleistungselektronik, professionelle und medizinische Geräte sowie der Bereich, den man unter Luft- und Raumfahrt sowie Militärelektronik zusammenfassen kann.
Untersuchung der Bleifrei-Lote
Die ersten Temperaturprofile für Bleifrei-Pasten bestanden einfach aus einer schlichten Rampe bis zur Spitzentemperatur. Ziel war es dabei, das Flussmittel zu schonen und die Aufheizrate zu beschränken. Später wurde dann auch noch eine geringe Verweilzeit hinzugefügt, damit konnte man im Peak-Bereich die Temperaturdifferenz (Delta-T) quer über die Komponenten auf einem Board minimieren. Damit ergibt sich dann auch etwas mehr Zeit für die chemischen Reinigungsreaktionen des Flussmittels an den Bauteilanschlüssen.
Die neuen Bleifrei-Lote vom SAC-Typ zeigten klar, dass einige ältere oder sehr kostengünstige Lötanlagen den heutigen Aufgaben damit nicht mehr gewachsen waren. Bei Reflowöfen ist das bekanntlich die Möglichkeit, höhere Löttemperaturen bereitzustellen, zudem die Gleichmäßigkeit der Temperaturübertragung, die Prozess-Wiederholbarkeit sowie das Management der Flussmittelrückstände. Einige der Temperaturproblematiken beeinflussten sogar die Entwicklung der thermischen Schutz-Barrieren der Temperaturmessgeräte, die Befestigungsmethoden der Thermoelemente auf dem Board, sowie deren Isolierung.
So wurden mithin die meisten Problematiken gelöst, welche die Verwendung von SAC-Legierungen mit sich brachten. Doch einige der Zuverlässigkeitsstudien zeigten, dass die Scherfestigkeit der Lötstellen aus SAC-Material etwas geringer ist als jene aus eutektischem, bleihaltigem Lot. Aus der Materialforschung weiß man, dass Metalle mit größeren Kristalliten im Materialgefüge üblicherweise eine reduzierte Festigkeit aufweisen, dies insbesondere wenn es sich um multi-modale oder anisotropische Materialien handelt. Bekannt ist auch, dass hohe Abkühlraten kleinere Kristallite zur Folge haben. Aus diesem Grund haben sich viele Anwender überlegt, ob sie mit hohen Abkühlraten in Reflowöfen die Größe der Kristallite in SAC-Legierungen minimieren können. An dieser Stelle möchten wir in Erinnerung rufen, dass die derzeitig gültige Norm IPC-JEDEC-J-STD-020D und die vorgeschlagene 020E die Abkühlrate auf 6 °C/Sekunde begrenzt. Dabei sollte man jedoch nicht übersehen, dass Anwender, die große BGA-Bausteine verarbeiten, niedrigere Abkühlraten befürworten. Man glaubt, dass die Zahl der abgescherten Lotkügelchen bei BGAs mit der Verwendung von SAC-Legierungen zugenommen hat. Dies insbesondere wegen der geringeren Festigkeit (höhere Brüchigkeit) des bleifreien Lots. Die Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Materialien von Leiterplatte und BGA führen zu mechanischem Stress während der Abkühlphase. Minimiert man die Abkühlrate, so lässt sich dieser thermisch verursachte Stress reduzieren.
Abkühlrate im Visier
Auf den ersten Blick erscheinen Messung, Kontrolle und Nachweis der Abkühlrate als einfach. Allerdings wird daraus schnell ein sehr komplexer Vorgang, so es sich um BGAs und inhomogene Baugruppen mit sehr unterschiedlichen Massenverteilungen handelt. In den meisten Reflow-Applikationen ist eine präzise Temperaturerfassung nicht einfach. Gründe dafür sind die große Temperaturverteilung über die Boardfläche (Delta-T), die Größe und Platzierung der Sensoren, die Art der Befestigung am Board, die Genauigkeit sowie die Reaktion der Messwertaufnehmer. Zudem sollte man nicht übersehen, dass die Abkühlrate zwischen der Mitte und den Kanten eines großen BGA-Bausteins erheblich variieren kann.
Damit stehen die Anwender vor folgendem Dilemma: hohe Abkühlraten für Lötstellen mit theoretisch größerer Festigkeit, niedrige Kühlraten zur Minimierung von mechanischem Stress und hinzu kommt die Frage, wie lässt sich die Temperatur exakt messen? Die Antwort erbringt eine hohe Erfahrung in der Fertigung und ein guter Schuss technischer Vernunft in der Applikation. Also: schnelle Abkühlung, wenn es sich um kleine Komponenten handelt, langsame Abkühlung bei großen Bauteilen – und unbedingt auf Basis aller Erfahrung und Kenntnis die zuverlässig passende Messtechnik und Messanordnung auswählen.
Bei dem Abkühlen ebenso wie dem Aufheizen geht es um die Übertragung von Wärmeenergie zwischen verschiedenen Medien oder Materialien auf eine exakt kontrollierte Weise. In vereinfachter Form entspricht dies folgender Gleichung:
Q = h x A x t x DT
Die Formelzeichen stehen hier für folgende Parameter:
Q = übertragene Wärmeenergie
(positiv für Heizen/negativ für Abkühlen)
h = Wärmekapazität des Materials
(das Vermögen des Materials, Wärme zu absorbieren oder abzugeben)
A = Oberflächenbereich des Produkts
t = Zeit
DT = Temperaturdifferenz zwischen dem Material und der Wärmequelle
Beim Reflowlöten hat man nur wenig Einfluss auf die Wärmekapazität der Baugruppe und Bauteile oder gar den Oberflächenbereich des Produkts. Nachdem wir auf Kühl- oder Heizraten achten, ist der Faktor Zeit damit ja bereits definiert. Deswegen ist hier vorrangig die Temperaturdifferenz zwischen dem Produkt und dem Prozessgas (Luft) der entscheidende Faktor: große Temperaturunterschiede führen zu hohen Abkühlraten, geringe Differenzen hingegen zu niedrigen Kühlraten.
Der erste Blick gilt an dieser Stelle der Situation mit den hohen Abkühlraten. In Bezug auf das Equipment bedeuten höhere Kühlraten auch höhere Konvektionsraten, bessere Wärmebarrieren, gezielte Kühlluftströme (Cooling Jets), höhere Transportgeschwindigkeiten im Ofen sowie kühleres Wasser im Kühlsystem.
Auch die Hardware muss berücksichtigt werden
Bei Reflowöfen mit einem effizienten Kühlsystem wird die Temperatur des Kühlwassers durch eine Kühlanlage reduziert, und damit auch die Temperatur des Prozessgases verringert – und somit die Kühlrate erhöht. Höhere Konvektionsraten bzw. intensivere Gasströmungen sind wichtig, denn sie ermöglichen eine Auffrischung des verbrauchten Gases an der Baugruppen-Oberfläche und damit ein Beibehalten der maximalen Temperaturdifferenz dort, wo der Prozess erfolgt. Das lässt sich im Effekt vergleichen mit dem Blasen von Luft über die Oberfläche einer Kaffeetasse, um das Getränk abzukühlen. Hochwirksame Wärmedämmungen zwischen der Zone mit der Spitzentemperatur und der Kühlung trennen die heißen und kalten Bereiche und ermöglichen deshalb dazwischen größere Temperaturunterschiede. Höhere Transportgeschwindigkeiten im Ofen führen die Baugruppe schneller durch den Heiß-Kalt-Übergang, und reduzieren damit die Zeit, in der die Baugruppe hoher Temperatur ausgesetzt ist. Schließlich können noch gezielt geführte Kühlluftströme eine zusätzliche Verstärkung der Board-Kühlung bewirken.
Neueste Ergebnisse zeigten, dass man die Abkühlrate eines 780 g schweren Boards von 2,7°C/s auf 5,9°C/s verdoppeln konnte, indem man die Konvektion erhöhte und spezielle Kühlluftströme angewendet hat. Die erreichbare Abkühlrate war bei Baugruppen mit weniger Masse bzw. Gewicht noch weitaus höher.
Es liegt auf der Hand: für niedrige Abkühlraten ist das Gegenteil von dem nötig, was man für hohe Abkühlraten empfiehlt. Das heißt also, man muss die Konvektionsrate reduzieren, die Wassertemperatur im Kühlsystem erhöhen, die Boardtransportgeschwindigkeit minimieren – und im Falle besonderer Anforderungen sogar noch im Kühlsystem heizen. Einige Anwender mussten spezielle Maßnahmen treffen und haben die Spitze des Temperaturprofils eine oder zwei Ofenzonen entfernt vom Kühlbereich gelegt, damit können sie dann die letzten Heizzonen im Reflowofen als geheizte Kühlzonen verwenden. Die Verlegung der Peakzone wirkt sich üblicherweise ungünstig auf die Taktzeit aus, denn damit verkürzt man den Bereich der realen Heizzonen, weil einige davon bereits als Zonen für ein langsames Abkühlen Verwendung finden.
Die Minimierung der Konvektionsrate im Kühlbereich ist bei Öfen mit einer guten Steuerung der Konvektion ziemlich einfach. Sollte allerdings die Konvektion sehr niedrig eingestellt werden müssen, sind einige Vorkehrungen im Bereich der Lüfterauslässe nötig, damit die Motoren der Lüfter nicht völlig stehen bleiben.
Eine zusätzliche Heizung (im Kühlbereich) ist ausgezeichnet geeignet, um die Abkühlrate zu begrenzen. Dabei sind niedrige Kühlraten bis herunter auf 0,5°C/s erreichbar. Doch kann hier die eventuell immer noch hohe Temperatur der Baugruppe am Ofenauslass zum Problem werden. Üblicherweise löst man diese Aufgabe dann mit einem längeren Kühlbereich des Ofens.
In einigen extremen Anwendungsfällen entscheiden sich Anwender für Öfen mit längeren Heiz- und Kühlbereichen (mehr Zonen), die ursprünglich für höhere Fertigungsdurchsätze konzipiert sind. Diese Nutzer aber verwenden die Öfen mit reduziertem Durchsatz. Dabei setzen sie die letzten Heizzonen bereits für das langsame Abkühlen ein und damit steht mehr Zeit zur Verfügung, die Baugruppen zu der gewünschten Temperatur abzukühlen.
Ausblick
Unabhängig davon, ob hohe oder niedrige Abkühlraten der Baugruppen nötig sind, es gibt zahlreiche Lösungen dafür. In einigen Fällen lässt sich die benötigte Kühlrate mit einer anderen Konvektionsrate oder Temperaturänderungen im Kühlsystem erreichen. Sollte das noch nicht genügen, dann gibt es außerdem eine ganze Zahl neuer Ansätze, damit die Prozesseigenschaften von Reflow- öfen an die äußerst niedrigen Abkühlraten für SAC-Lotlegierungen angepasst werden können.
SMT, Stand 7-208
EPP 442
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