Bauteile und deren Endoberflächen

A. Rahn, Rahn-tec Consultants, Montreal & R. Diehm, SEHO, Kreuzwertheim

Hintergrund: Am 19. Mai 1998 funktionierten etwa 40 Millionen „pagers“ in Nordamerika plötzlich nicht mehr. Die Ursache war der Ausfall von Galaxy 4, einem 250 Millionen Dollar Satelliten. Die Analyse des Ausfalls hat die Ursache dem Wachsen eines Monokristalls zugeschrieben. Obgleich die Raumfahrt nicht unter die RoHS Richtlinie fällt, befürchten Wissenschaftler, dass auch hochzuverlässige Elektronik unter dem derzeitigen Preisdruck Bauteile der Konsumelektronik verwenden wird, oder gar dass Bauteilhersteller bleihaltige Bauteile auslaufen lassen werden, und somit die bleifreien Bauteile notgedrungenermaßen ihren Weg auch in derartige Produkte finden. Da viele Bauteilhersteller sich bei bleifreien Bauteilen für Reinzinnbeschichtungen entschieden haben, ist die Befürchtung durchaus gerechtfertigt.

Die Konsumerelektronik sieht die Whisker-Problematik weniger dramatisch. Meist reicht ein kleiner Schlag auf das Gerät, um dieses Kristall zwischen den Kontakten zu deplatzieren, oder aber der Strom, der bei einem Kurzschluss durch das Kristall läuft verdampft es, und das Gerät funktioniert wieder. Aber im Raum ist es schwer, dem Satelliten „einen aufs Dach zu geben“.

Dementsprechend findet man sowohl in den MIL Spezifikationen wie auch bei der NASA die Forderung, dass mindestens 3% Blei in der Beschichtung der Anschlüsse vorhanden sei, um eben dieses Wachstum der Monokristalle weitgehend zu verhindern. Einen Widerspruch zur RoHS kann man nicht sehen, denn genau diese Bereiche werden ja von der Richtlinie nicht abgedeckt.

Jedoch nicht nur Zinn neigt zu Whisker-Bildung, sondern auch andere Metalle bilden diese Monokristalle unter gewissen Bedingungen [1].

Dabei gibt es keine allgemein anerkannte Testmethode für die Neigung zu Whisker.

In Vorträgen und der Literatur findet man häufig Hinweise darauf, dass für gewisse bleifreie Lote eine „geringe“ Verunreinigung durch Blei keine nennenswerten Folgen habe, womit suggeriert werden soll, dass die Lebenserwartung derartiger Lötstellen durch „minimale“ Bleianteile nicht verringert werde. Dabei fehlt meist eine Definition von „gering“ oder „minmal“. Solche Aussagen sollen Anwender eventuell von billigeren bleifreien Lösungen abbringen, wie etwa der Verwendung von wismuthaltigen Legierungen, da diese bekannterweise äußerst empfindlich auf Bleiverunreinigungen reagieren.

Karl Seelig und David Suraski weisen aber in einer ihrer Veröffentlichungen darauf hin [2], dass selbst bei dem vielgepriesenen SnAg4,0Cu0,5 Lot, Blei durchaus nicht unproblematisch ist. Unter Verwendung eines Standardtestverfahrens [ASTM E606] ergaben sich folgende Resultate, wobei 10.000 Zyklen „Test bestanden“ bedeutet.

Man kann natürlich der Meinung sein, dass 1000 Zyklen für viele der Geräte durchaus ausreichend sind, und damit derartige Mengen Blei wirklich vernachlässigbar wären. Andererseits gibt es sicherlich Firmen, die lieber 13.400 Zyklen für ihre Produkte sähen, als 3252.

Somit haben wir erst einmal zwei Richtungen identifiziert, die eine, die kein Blei an den Terminierungen der Bauteile sehen möchte, die andere, die unbedingt Blei an der Terminierung wünscht.

Aber die Problematik der Bauteile hört hier nicht auf. Man muss ganz klar zwischen der „Bleifreiheit“ der Bauteile, einer RoHS Entsprechung und der Prozessfähigkeit bei hochschmelzenden bleifreien Legierungen unterscheiden.

Obgleich schon seit einigen Jahren Anstrengungen in der Bauteilindustrie unternommen werden, sowohl bleifreie wie auch RoHS entsprechende Bauteile zu entwickeln, sind weltweit noch etwa 40% der Bauteilhersteller nicht in der Lage, den Anforderungen ihrer Kunden diesbezüglich zu genügen.

Beim Reflowlöten werden die meisten Prozesse Peaktemperaturen im Bereich von 240°C bis 260°C anwenden. Obgleich solche Werte in deutschen Zirkeln weitgehend als tabu gehandelt werden, gehen Firmen wie AVX von derartigen Annahmen aus. Um solche Maximalwerte überstehen zu können, müssen viele der Bauteile völlig neu entworfen werden. Ansonsten würden sie die Belastung, die durch den thermischen Stress im Innern aufgebaut wird, nicht unbeschadet überstehen.

Zuerst sieht eine Änderung der Endmetallisierung bei Bauteilanschlüssen recht simpel aus. Es scheint sich nur um die Benetzbarkeit oder den Schutz der Lötbarkeit zu handeln. Aber da im Lötprozess auch diese Schichten zumindest anlegiert werden, ist das Endergebnis etwas komplizierter.

Was einem sofort einfällt, sind all die verschiedenen Patente, die inzwischen angemeldet und so formuliert wurden, dass auch die letztendlich entstandene Lötstelle patentlich geschützt ist. Aber ob sich ein Richter finden lässt, der einen Schuldspruch aussprechen wird, nur weil ein oder zwei Lötstellen einer Baugruppe ein Patent verletzen, steht noch dahin.

Viel wichtiger sind wohl Überlegungen, die auf die Zuverlässigkeit der Verbindung abzielen. Die Auflösegeschwindigkeit von Metallen ist z.B. bei eutektischem SnAg Lot höher, als bei eutektischem SnPb Lot. Man hat nachgewiesen, dass ablegierte Metalle während des Reflowprozesses durch die gesamte Lötstelle diffundieren. Dadurch verändern sie die Reaktionen auf der anderen Seite der Lötstelle. Eine Beeinflussung der Zuverlässigkeit kann nicht ausgeschlossen werden. Wird die Zuverlässigkeit einer Verbindung beurteilt, so sollte der Einfluss der beiden Beschichtungen (Bauteil/ Leiterplatte) nicht vernachlässigt werden, falls diese unterschiedlich sind [4].

Die meistverwendete Beschichtung war bisher eine Zinn/Blei Legierung mit 80 bis 90% Zinnanteil. Die heißesten Kandidaten für die neue Beschichtung sind natürlich die populären Sn/Ag und Sn/Cu Legierungen. Es stellen sich jedoch zwei Hindernisse ein: einerseits besteht in den derzeitigen Herstellungsprozessen ein Kompatibilitätsproblem mit diesen Metallen, und andererseits gibt es keine kommerziellen Beschichtungsanlagen für die Spinne („lead-frame“), die diese Beschichtungen „en masse“ produzieren können. Bleibt also noch die Reinverzinnung, die zwar mit bleifreien Prozessen im Einklang steht, jedoch die Problematik mit Whisker aufweist.

Texas Instrument führte im Jahre 1989 eine Ni/Pd-Beschichtung bei ICs ein. Obgleich bis September 2000 mehr als 35 Milliarden IC Bauteile mit Ni/Pd-Oberfläche verkauft wurden, hat sich auch diese Endoberfläche nicht wirklich durchsetzen können.

Etwa sieben Jahre später wurde dann aus Japan Ni/Pd/Au vorgestellt, eine Beschichtung, die eine verbesserte Benetzung bei Tests mit der Benetzungswaage aufwies. In Japan werden diese beiden Oberflächen gerne verwendet, aber ohne den Trend zur bleifreien Technologie hätten Nordamerika und Europa kaum größeres Interesse für sie gezeigt.

Weil Reinzinn potenzielle Probleme aufwerfen könnte, sind es gewisse Zugaben, die in Erwägung gezogen, und zum Teil bereits eingesetzt werden. Kleine Mengen Bi oder Cu oder Ag sind im Rennen, da Gold und Indium zu teuer sind. Legierungen mit drei Metallen haben bei den Beschichtungsverfahren Schwierigkeiten gemacht, und viele Hersteller haben davon Abstand genommen. In Japan (z.B. Seiko Epson Gruppe) verwendet man viel die SnBi Beschichtungen, die auch bei einigen Firmen in Europa inzwischen favorisiert werden.

Einige angebotene Beschichtungen sind:

Beim Wellenlöten gehen viele Bauteilhersteller davon aus, dass sich Sn0,7Cu (Gewichtsprozente) durchsetzen wird. Formt sich die durchkontaktierte Lötstelle gut aus, zeigen sich viele Bauteilhersteller und Anwender „unbesorgt“. Was gewisses Kopfzerbrechen bereitet, ist die Benetzung der Beinchen sowie das Füllen der Durchkontaktierung. Beides ist bei den Temperaturen, die derzeit angestrebt werden, nicht optimal.

Die Kugeln an BGAs muss man separat betrachten, denn bei ihnen stellt die Kugel noch immer den Hauptanteil des Materials in der Verbindungsstelle. Wird eine Pb-freie Lotpaste mit höherem Schmelzpunkt auf der Leiterplatte verwendet, so würde die Sn/Pb Lotkugel am BGA im Prozess vor der Paste schmelzen. Das niedrigschmelzende Sn/Pb legierte sich mit der zinnreichen Paste, und eine undefinierte nicht-eutektische Legierung entstünde, die vor dem Schmelzen der Paste schon wieder kristallisierte. Das entspräche etwa einer „kalten“ Lötstelle, und solche Verbindungen haben bekannterweise eine sehr geringe Festigkeit bezüglich Ermüdung. Beim Einsatz von bleifreien Pasten sieht die Industrie deswegen eine zwingende Notwendigkeit, die bleihaltigen Kugeln an BGAs zu ersetzen. Natürlich können diese Kügelchen aus beinahe jeder Legierung gefertigt werden, die wünschenswert wäre. Wenn aber die Kugeln ersetzt werden, dann wird die gesamte Verbindungsstruktur zwischen Kugel und BGA beeinflusst, und spezifisch deren Verhalten bei Stressbelastungen. Ohne ein besseres Verständnis dieser Verbindung, wie auch der Verbindung zur Leiterplatte, kann man Neuentwicklungen nur von Fall zu Fall austesten.

Beim kleineren Bruder der BGAs liegt die Problematik ziemlich ähnlich. Chip Scale Packages (CSP) leiden auch unter Problemen der Zuverlässigkeit, und es wurde viel Anstrengung in die Struktur dieser Bauteile gesteckt, um dem entgegen zu wirken. Weil auch hier die Bleifreiheit als Ziel gesetzt wurde, hat man Sn/Ag/X Lote (wobei X entweder für In, Cu oder Bi steht) sowie Sn-9Zn-1Bi-5In Kugeln bezüglich ihrer Schmelzverhalten, Phasen und Lötstellenqualität klassifiziert. Sowohl Sn3,5Ag8,5In wie auch Sn3Ag1,0In1,0Cu wurden bei Temperaturzyklen angegriffen. Dennoch zeigten Zyklen (von – 65°C auf + 150ºC) von Lötverbindungen mit bleifreien Loten bessere Zuverlässigkeit, als selbst Sn36Pb2Ag [3].

Auch bei FlipChip Anwendungen (wobei immer noch gehofft wird, dass die C4-Technologie ausgenommen wird) sucht man nach Lösungen. Da ein Schmelzen oder sogar teilweises Erweichen der Bumps während des Lötens nicht wünschenswert ist – es kann die Zuverlässigkeit der Verbindung negativ beeinflussen – werden Legierungen mit einem Solidus unter 260ºC nicht in die Betrachtung einbezogen. Auch hier wirkt sich eine Änderung der Kugellegierung auf die gesamte Struktur des Bauteils aus, wobei wir nur kurz die Metallisierung der Diffusionssperre erwähnen wollen.

Blei wird nicht nur in den Endbeschichtungen der Anschlüsse gefunden, sondern ist auch in temporären Verbindungen, Crimpverbindungen und IDC Steckern nachzuweisen. In Kunststoffen dient es bei PVC als Wärmestabilisator und Farbgeber (Bleichromat und Bleioxid).

Die RoHS fordert keine Kennzeichnung der Bauteile.

Jede Menge Vereinigungen sind hier jedoch tätig geworden (JEITA, IPC/NEMI/JEDEC, Soldertec..), und haben Bezeichnungen entwickelt. Da zwischen diesen Verbänden und den Bauteilherstellern keine Koordination zustande kam, ist das Wirrwar dementsprechend. Zudem haben sich eine Reihe Bauteilhersteller für ihre eigene entschieden, und verwenden wiederum völlig andere Bezeichnungen. Viele der Bezeichnungen werden derzeit auf den Verpackungen angebracht, und sind somit nach dem Öffnen verloren. Da obendrein die Definitionen nicht klar sind – handelt es sich um reine Pb-Freiheit oder um RoHS Konformität oder gar Prozesssicherheit – wird es wohl noch eine Weile dauern, bis sich hier etwas mehr Klarheit einstellt.

Der Lieferer hat die in der EU RoHS Richtlinie und die im deutschen ElektroG festgelegten Anforderungen betreffs der Liefergegenstände einzuhalten, es kann aber nicht schaden, wenn man dies sich obendrein schriftlich bestätigen lässt.

Ob Terminierungen Blei enthalten oder nicht, kann man im Einzelfall verhältnismäßig leicht nachweisen. Mit einem handgehaltenen Röntgenfluoreszenz (XRF) Analysator bekommt man schnelle Resultate (etwa innerhalb 60 Sekunden). Solche Geräte sind leicht zu gebrauchen, und haben eine Empfindlichkeit von etwa 0,01% für Blei in einer Zinnmatrix. Damit sind also Stichproben in den Bereich des Möglichen gerückt, eine Einzelscannung für alle Bauteile bei Bestückungsraten weit unter einer Sekunde natürlich völlig unrealistisch.

Inzwischen findet man im Angebot bereits eine ganze Menge Bauteile, die „bleifrei“ sind. Etwas seltener sind Bauteile, die der RoHS genügen, also auch die anderen Gefahrenstoffe bereits beseitigt haben. Leider sind die Probleme mit prozessgerechten Bauteilen, die auch die RoHS Bedingungen erfüllen, noch nicht zu weit verbreitet. Man kann nur anraten, dass der Einkauf viel enger mit dem Ingenieur- und Entwurfsbüro sowie der Produktion zusammenarbeitet, als bisher. Typische Probleme, die bei der Beschaffung auftreten können, sind solche Ärgernisse wie „single-source“, d.h. es gibt nur einen Hersteller für ein bestimmtes Bauteil. Andererseits findet man vielleicht ein Bauteil, das eigentlich akzeptabel wäre, wenn es nur in einigen Details anders wäre, wie z.B. der Größe. Eine Verlängerung der Lieferfrist wird wohl häufiger auftreten, und ein Aufpreis für das gewünschte RoHS konforme Bauteil ist leider recht häufig. Auch die Tatsache, dass gewisse Bauteile mit den gewünschten Eigenschaften überhaupt nicht im Markt gehandelt werden, wird wohl den Einkauf zwingen, auch näher an den Hersteller heran zu rücken. Ob in diesen Fällen eine RoHS Ausnahme zu erhalten ist, hängt wohl noch in der Luft. Eine Änderung im Produktlayout oder Design ist häufig möglich, jedoch nicht gerne gesehen.

Die meisten Bauteilhersteller, die auf „whisker“-Bildung prüfen, verwenden folgende Methode:

Beschichtete Teile werden verbogen, und dann einem Alterungsprozess unterworfen für:

Die Teile werden dann mittels SEM auf „Whiskerwachstum“ untersucht.

Der Test gilt als bestanden, wenn keine Whisker länger als 50 µm nachgewiesen werden.

Wegen der Dauer des Tests handelt es sich um eine Qualifizierung des Verfahrens, nicht um eine Qualifizierung des einzelnen Produkts.

EPP 415

Ni/Pd

Ni/Pd/Au

Sn/Bi

Sn

Sn/Cu

Sn/Ag

Au

Ag/Pt

[1] Bella H. Chudnovsky; Degradation of Power Contacts in Industrial Atmosphere: Silver Corrosion and Whiskers; Proceedings of the Forty-Eighth IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, 2002

[2] Karl Seelig und David Suraski; Lead-Contamination in Lead-Free Electronics Assembly; info@aimsolder.com

[3] Seung Wook Yoon, Chang Jun Park, Sung Hak Hong, Jong Tae Moon, Ik Seong Park, und Heung Sup Chun; Interfacial Reaction and Solder Joint Reliability of Pb-Free Solders in Lead Frame Chip Scale Packages (LF-CSP); Joournal of Electronics Materials Vo. 29, No . 10, 2000

[4] Kejun Zeng; Influence of Solder Reaction Across Solder Joints; 6th TRC Oct. 27–28, 2003 Austin, TX

[5] Patrick Roubaud, Greg Henshall, Ronald Bulwith, Swaminath Prasad, Flynn Carson und Sundar Kamath; Thermal Fatigue Resistance of Pb-Free Second Level Interconnect; SMTAI-2001

[6] Gregory Henshall, Patrick Roubaud, Geary Chew, Swaminath Prasad, Flynn Carson, Eamon O’Keeffe und Ronald Bulwith; Impact of Component Terminal Finish on the Reliability of Pb-Free Solder Joints; SMTAI-2002