Seit der RoHS-Umstellung werden fast alle Bauteile nur noch in bleifreier Legierung gefertigt, was für Unternehmen aus dem Hochzuverlässigkeitssektor ein äußerst kritisches Manko darstellt, da hier nach wie vor bleihaltig gefertigt wird.
Ein wesentlicher Grund hierfür liegt darin, das Entstehen von leitfähigen, metallischen Haarkristallen (Whiskern) zu verhindern. Diese schädlichen Haarkristalle wachsen unter ähnlichen Bedingungen wie Dendriten. Dendriten und Whisker sind Kristallstrukturen in verschiedensten Formen und Größen, die zu Kurzschlüssen zwischen benachbarten Lötstellen führen. Dendriten bilden sich hauptsächlich auf spannungsführenden Zinnoberflächen in Verbindung mit anderen chemischen Komponenten, wie Salzen aus der Reaktion von Flussmittelresten mit anderen umgebenden Elementen, die bei der Reaktion als Elektrolyt fungieren. Sie bilden vornehmlich 2-dimensionale Strukturen auf den Baismaterialien. Whisker hingegen wachsen als feine Härchen in 3-dimensionalen Strukturen, und benötigen keine elektrischen Spannungspotentiale. Initialauslöser für die Kristallbildung ist in den meisten Fällen mechanischer Stress durch Druck, Stoß oder auch intermetallische Spannungen zwischen Zinnschicht und Basismaterial. Das Anwachsen selbst wird beeinflusst durch Temperatur und Feuchtigkeit und kann über mehrere Tage sehr langsam erfolgen, aber auch rasend schnell innerhalb weniger Sekunden.
Bleifrei Löten
Seit Einführung des bleifreien Lötens traten Fehlfunktionen von Baugruppen aufgrund dieser Haarkristalle verstärkt in Erscheinung, da sich Whisker vornehmlich auf Zinn-, Zink- oder Cadmium-Oberflächen bilden. Das Vorhandensein von Blei in der Lötstelle reduziert die Entstehung von Zinn-Whiskern ganz erheblich.
Bauteilhersteller haben natürlich kaum Interesse Komponenten in kleinen Mengen kundenspezifisch, bleihaltig anzufertigen. Außer für absolute Premium-Abnehmer sind hier nur große Stückzahlen wirtschaftlich rentabel. So bleibt es letztlich Aufgabe des Kunden, seine Bauteile selbst in bleihaltigen Zustand zu konvertieren.
Das größte Problem hierbei besteht jedoch darin, eine Methode für das Umlegieren anzuwenden, die den in diesen Industriebereichen geltenden strengen Vorgaben der Prozesssicherheit gerecht wird, wie z.B. ANSI/GEIA-STD-0006. Insbesondere trifft das auf Bauteile in BGA-Gehäusen zu, wo es bis heute keinen sicheren Prozess gab, der die Anforderungen an diese Hochzuverlässigkeits-Standards voll erfüllte.
Mit der Vorstellung seines komplett neu ausgerichteten „Alloy Conversion Service“ hat das schottische Unternehmen Retronix Ltd. die Prozessanforderungen an das Umlegieren von Bauelementen für hochzuverlässige Industriezweige lückenlos umgesetzt und damit die Versorgungssituation für bleihaltige Bauelemente drastisch verbessert. Im Wesentlichen wird hierbei auf lange Wärmezyklen mit hohen Temperaturen gänzlich verzichtet, um das Innenleben der Bauteile geringstmöglich zu belasten. Ferner sind alle Prozesse vollständig automatisiert. Die Reproduzierbarkeit aller Arbeiten ist damit garantiert und lückenlose Audit-Sicherheit gegeben.
Aufbau der Prozesse
BGAs: Berührungslose Altlotentfernung mittels Turbo-Heißluftgebläse innerhalb weniger Sekunden in vollautomatischem Durchlaufsystem. Ein klar definiertes Temperaturprofil mit Vorwärmung ist hiermit gegeben, ohne jegliche mechanische Beanspruchung der Lötpads wie z.B. bei Verwendung von Entlötlitze oder Entlötkolben.
Sequentielles Aufbringen neuer Lotkugeln (Reballing) mittels vollautomatisch gesteuertem Laser. Die Wärmeeinwirkung des Lasers auf die einzelnen Lötpads beträgt dabei jeweils nur einige Millisekunden. Auch dieser Schritt erfolgt gänzlich berührungslos.
Nur dieser Prozessablauf erfüllt als einziger, die Empfehlungen der IC-Hersteller zur maximalen Anzahl an Reflow-Zyklen für Bauteile.
QFPs, SO-ICs, THTs: Vollautomatisch gesteuertes Fluxing und temperaturüberwachtes Vorwärmen der Bauteile sowie CNC-gesteuertes Benetzen der Anschlüsse in der Mini-Lötwelle. Die programmierten Verfahrwege garantieren exakte, reproduzierbare Eintauchtiefe, -Zeit, und -Winkel für sichere Benetzung und perfekten Lotabriss ohne Brückenbildung und schließen Bedienerfehler aus.
Zweifaches Nachverzinnen („Double Dipping“) bietet hierbei besten Schutz gegen Oxidation und garantiert optimale, dauerhaft zuverlässige Lötanbindung, insbesondere unter sehr rauen Umgebungsbedingungen. Ebenso werden hierdurch die Versprödung von Goldkontakten und das Anwachsen von Zinn-Whiskern nachweislich verhindert.
RETRONIX liegt mit seinen Prozessdefinitionen deutlich über den Anforderungen der IPC.
Der Referent
Thomas Otto ist seit 1985 in der Elektronikindustrie tätig, Mitgesellschafter und technischer Leiter der Factronix GmbH
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