Produkte von W. C. Heraeus verrichten ihre Arbeit nahezu unsichtbar, ob unter der Motorhaube oder unter der Gehäusedecke von elektrischen Geräten. Mobiltelefone, Mikrochips, Herzschrittmacher, aber auch Airbags, Zündkerzen oder Katalysatoren würden ohne Materialien des Unternehmens nicht funktionieren. Um technologische Spitzenprodukte auch im Elektronikbereich zu gewährleisten, betreibt der Konzernbereich W. C. Heraeus in Hanau ein SMT-Technologie-Center, das Materialien für die Aufbau- und Verbindungstechnik entwickelt, produziert und vertreibt. Dort wird anhand verschiedener Tests, unter anderem mit dem Röntgeninspektionssystem X8008 von Viscom, eine umfassende Qualitätsprüfung durchgeführt. Denn komplex aufgebaute elektronische Komponenten bestehen aus einer Vielzahl von Einzelteilen, die einer zuverlässigen Materialprüfung unterzogen werden müssen. Die Bauteile müssen sehr gut verarbeitet sein und eine hohe Qualität bezüglich Sicherheit und Langlebigkeit aufweisen.
Als der Apotheker und Chemiker Wilhelm Carl Heraeus im Jahr 1856 erstmals Platin in industriell interessanten Mengen schmolz, legte er damit den Grundstock für den heutigen Heraeus-Konzern. Heute ist der weltweit tätige Edelmetall- und Technologiekonzern mit Sitz in Hanau Markt- und Technologieführer in den Bereichen Edelmetalle, Sensoren, Dental- und Medizinprodukte, Quarzglas und Speziallichtquellen. Der Name Heraeus steht für Werkstoffkompetenz, ein vielseitiges Produktportfolio, Innovation und Kundennähe. Zur breiten Produktpalette im Bereich Verbindungstechnik gehören zum Beispiel Bonddrähte, Lotpasten, Silberleitkleber und Dickfilmpasten für die Herstellung beziehungsweise die Kontaktierung von elektronischen Bauelementen.
Mit 76 Produktionsstätten und 25 eigenen Entwicklungszentren ist Heraeus weltweit präsent. Insgesamt ist das Familienunternehmen an über 116 Standorten vertreten. Im Jahr 2006 erwirtschaftete das Unternehmen mit über 11.000 Mitarbeitern in mehr als 100 Tochter- und Beteiligungsgesellschaften einen Umsatz von über 10 Mrd. Euro.
Warum ist es wichtig, Lotpasten zu qualifizieren?
Kosten senken, Qualität verbessern und Ressourcen schonen ist ohne entsprechende Forschung und Entwicklung nicht möglich. Das SMT-Technologie-Center in Hanau bildet mit seiner Maschinenausstattung den kompletten SMT-Fertigungsprozess ab und befasst sich mit der Untersuchung von materialspezifischen Aufgabenstellungen. Hier werden Materialien für die Aufbau- und Verbindungstechnik zur Befestigung von elektrischen Bauelementen entwickelt, produziert und vertrieben. Dazu gehören Lotpasten, Flussmittel, Leitkleber sowie Dickfilmpasten und keramische Folien. Allein bei der Herstellung von Materialien für die Oberflächenmontage von Bauteilen, speziell für die Automobilindustrie, kann W. C. Heraeus mehr als 15 Jahre Erfahrung aufweisen. Die Aufträge an das interne Technologie-Center stammen aus der Entwicklung, Fertigung und Qualitätssicherung des eigenen Hauses und von externen Kunden. Die langjährige Erfahrung in der Materialprüfung sowie der enge Kontakt zu internationalen Forschungsinstituten ermöglichen die sorgfältige Durchführung und Auswertung der Untersuchungen. Hier finden unter anderem auch die Qualifizierung und das Benchmarking von Lotpasten mit dem Viscom-Röntgensystem X8008 statt.
Lotpastenfehler treten meistens bei der Anwendung der Pasten beim Kunden und nicht bei der Produktion der Lotpasten auf. Insbesondere bei der Einführung neuer Produkte sowie bei Material- und Verfahrensumstellungen kommt es zu Yield-Verlusten durch Fehler in Lötstellen. „Deshalb betreibt Heraeus gemeinsam mit dem Kunden eine optimale und proaktive Fehleranalyse im eigenen SMT-Technologie-Center, um die Fehlerquote beim Kunden zu eliminieren oder zumindest zu reduzieren. „In Zusammenarbeit mit dem Kunden und seinen Anwendungen arbeitet Heraeus systematisch an der Verringerung der Fehlerraten und gleichzeitig an der Verbesserung seiner Produkte“, erläutert Jürgen Ehmes, Geschäftsbereich Anwendungstechnik Surface Mount, W. C. Heraeus.
„Der Hauptanteil an Lötfehlern ist auf den Lotpastendruck zurückzuführen – bis zu 60% der Fehler werden von der Industrie bestätigt. Deshalb sind die Auswahl einer geeigneten Lotpaste und die Prüfung der Druckqualität in Form von Volumen, Höhe, Fläche, Versatz und Brückenbildung von enormer Wichtigkeit. Nur so ist es möglich, die Defektraten zu senken und letztendlich den Druckprozess optimal einzustellen. Außerdem können Fehler so frühzeitig gefunden werden, sodass die Nacharbeitskosten reduziert werden“, so Jürgen Ehmes. Die derzeitigen Anforderungen an den Druckprozess beim Einsatz von bleifreien Lotpasten lauten: 0201-Bauteile, Micro-BGA, CSP, FlipChip, Null-Fehler-Strategie, Reduzierung der Fehlerkosten usw. Diese Fehler können mit einer Röntgenanlage sicher detektiert werden.
Aus diesem Grund wurde im Jahre 2002 das SMT-Technologie-Center mit dem Viscom-Röntgeninspektionssystem X8008 ausgestattet. Die Entscheidung für Viscom fiel damals aus zwei Gründen. „Zum einen ist es bei gemeinsamen Kunden von Vorteil, wenn das gleiche System genutzt wird, da Erfahrungen besser ausgetauscht werden können. Zum anderen ist Viscom Marktführer in diesem Bereich“, so Jürgen Ehmes. In einem Qualitätstest werden nun alle elektronischen Baugruppen nach dem Reflowlöten einer AOI- und AXI-Prüfung unterzogen. Dabei werden folgende Bewertungskriterien zu Grunde gelegt: Benetzung, Hot Slump (Auslaufverhalten), Spread, Solderballing auf Lötstopplack, Tombstones, Voids u. v. m. So werden Lötfehler im Vorfeld sicher erkannt und Lotpasten spezifiziert. Werden fehlerhafte Lötstellen gefunden, zum Beispiel zu viel oder zu wenig Lot, mangelhafte Benetzung, Lunker etc., kommt der Prozess praktisch zum Stillstand, denn das Produkt wird nachgearbeitet und reiht sich danach wieder vorne in den Prozess ein. Laut Jürgen Ehmes „befindet sich die X8008 im Dauereinsatz und es werden kontinuierlich neue Tests, auch von anderen Abteilungen, entwickelt. Im Augenblick werden nur die fertigen Leiterplatten geprüft, aber eine Röntgenprüfung in einem früheren Fertigungsstadium ist geplant.“
Qualifizierung von verdeckten Lötstellen
„Ein sehr wichtiges Kriterium bei der Qualifizierung von Lotpasten ist das Auffinden von kalten Lötstellen und von Lunkern (Voids), welche mit Hilfe eines optischen Inspektionssystems nicht detektiert werden können“, so Jürgen Ehmes.
Das Röntgensystem X8008 bietet ein großes Angebot an Viscom-eigenen Analyse-Algorithmen für Ball Grid Arrays (BGAs) und Flip-Chips, für Flächenlötungen oder -klebungen (Voiding Calcula-tion) sowie zur Wire-Sweep-Analyse. Bei der BGA-Inspektion wird eine große Anzahl von Lötpunkt-Eigenschaften (Anzahl der Balls/Nummerierung, Ball-Durchmesser, Rundheit, Entfernungen, Void-Anteil, Größe, Lotmenge, Pad-Benetzung usw.) vollautomatisch vermessen. Lötfehler wie die Brückenbildung, Lotmengen-Überschuss, Voids in der Lotmenge, Versatz und das Fehlen von Balls müssen dabei erkannt werden.
Die Qualifizierung von verdeckten Lötstellen mit der X8008 von Viscom erfolgt in vier Schritten:
- Erzeugung eines Übersichtsbildes: Darin sind fehlende „Balls“, Lotbrücken und grobe Unregelmäßigkeiten erkennbar. Hier kann ein BGA auf Verdrehung und Versatz untersucht werden. Teilansicht durch Vergrößerung: Hier finden jetzt die Verifizierung von suspekten „Balls“, ein Vergleich von Strukturdetails und die Aufspürung von Voids statt.
- Erzeugung von Schrägansichten durch Kippen: Hier werden die Ober- und Unterseite einer Leiterplatte getrennt sowie die Ball-Ausformung in der dritten (Höhen-)Dimension dargestellt.
- Vergrößerte Ansichten im Detail: Hier kann nun die Benetzung der „Balls“ auf den Leiterplatten-Pads erkannt werden.
„Die X8008 verfügt über ein sehr, sehr gutes Tool zur Void-Analyse“, lobt Jürgen Ehmes. Mit diesem Tool wird zunächst die Fläche der Lötung berechnet, das heißt, wie groß der Anteil des Voids im Vergleich zum Ball ist. Die Voidbildung ist von äußerster Wichtigkeit bei der Zuverlässigkeit von elektronischen Schaltungen.
Im Röntgenbild erscheinen Voids als hellere Flächen innerhalb des dunklen Kreises, der den Lötpunkt oder Ball darstellt. Ein üblicher Grenzwert für eine Voidfläche ist 5%, das heißt, dass der Anteil an Lunkern innerhalb einer vordefinierten Fläche (hier wird zumeist der gesamte BGA gewählt) 5% nicht überschreiten darf. Das Vorkommen von Lunkern im BGA beziehungsweise in einem einzelnen Ball muss nicht notwendigerweise Funktionsstörungen zur Folge haben. Aber das Überschreiten eines bestimmten Prozentsatzes von Voids im gesamten BGA verringert die Funktionsgarantie, die ein Hersteller von Qualitätsprodukten für seine Ware geben kann. Das Gleiche gilt für einzelne Lötpunkte. Das Verhältnis von Voids zum Ball in Bezug auf Größe oder Masse ist entscheidend für die spätere Funktionszuverlässigkeit. Nach IPC-A- 610 Revision D sind < ø 25% Voids in der Lotkugel akzeptabel. Ist die Voidkonzentration in der Lotkugel > ø 25%, ist dies als Defekt zu werten. Sehr häufig ist es auch nur wichtig zu wissen, dass es Voids gibt und wo sie sich befinden. Außerdem ist die Qualitätsprüfung eine wichtige Prozesskontrolle in der Fertigung, d. h. , bei Materialausfällen lässt sich hinterher feststellen, ob der Grund für die Voidbildung wirklich die Lotpaste war oder die Leiterplatte, anderes Material usw..Als Ergebnis kann festgehalten werden, dass, je nachdem welche bleifreie Paste verwendet wird, mal mehr oder mal weniger Voids vorkommen. Aber auch verschiedene Oberflächen bei gleicher Paste haben Auswirkungen auf die Void-Bildung. Gut ist die Verwendung von bleifreier Lotpaste und bleifreien BGAs, da hier kaum Voids entstehen. Werden dagegen aber bleihaltige BGAs und bleifreie Lotpasten benutzt, entstehen extreme Blasen. Die Umstellung auf bleifreie Lotpasten sorgt aber nicht nur für höhere Qualität und damit auch für eine höhere Kundenzufriedenheit, sondern hilft auch der Umwelt.
Trends und Anforderungen der Zukunft
Für W. C. Heraeus liegen die zukünftigen Trends in der Miniaturisierung der Bauteile, die zu kleineren Chipfeldern und zu komplexeren Aufbauten bei häufigem Einsatz von BGAs führen. Außerdem sieht das Unternehmen eine wachsende Konkurrenz aus Asien. „Derzeit hat Europa immer noch einen guten Namen hinsichtlich Zuverlässigkeit und Qualität. Ein stark wachsendes Segment, in dem Europa eine führende Position hat, ist die Leistungselektronik (DCB = Direct Copper Bonding). Doch Europa wird mehr in die Entwicklung neuer Produkte und Technologien investieren müssen, um seine Position in diesem Markt zu behalten“, prognostiziert Jürgen Ehmes. Er sieht es auch als sicher an, dass es immer wichtiger wird, auch vor dem Einbau in die Endgeräte die elektronischen Baugruppen mit AOI und AXI zu prüfen, da sich zukünftig Unternehmen nicht mehr blind auf die Qualität des Ausgangsmaterials verlassen könnten. Auf diese Weise ließe sich die Fehlerquote noch deutlicher verringern.
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Die 3D-Messung und Inspektion des Lotpastendrucks ist ein wichtiges Qualitätswerkzeug. Dieses funktioniert nur mit den richtigen Toleranzen und Eingriffsgrenzen.
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