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Selektivlöten mit Sn3,9Ag0,6Cu-Lot

Vergleichende Studie zur Prozessentwicklung
Selektivlöten mit Sn3,9Ag0,6Cu-Lot

Beim Selektivlöten werden bedrahtete Komponenten auf der Unterseite einer Baugruppe verlötet. Zum Ausführen dieser Aufgabe mit einem automatischen Lötsystem nimmt eine Robotik-Konfiguration die Baugruppe auf, und führt sie entweder weiter an eine einzelne kleine Lötwelle (Select Wave) heran, oder taucht die Baugruppe in mehrere speziell angeordnete Lötdüsen, die sich auf einer boardspezifischen Düsenplatte befinden.

Ursula G. Marquez, Denis C. Barbini, Richard A. Szymanowski, Vitronics Soltec, Oosterhout (Nl)

Im Gegensatz zum Wellen- und Reflowlötprozess steigen beim Selektivlöten die Temperaturen nur in jenen Baugruppenbereichen an, die in Kontakt mit flüssigem Lot kommen. Die anderen Bereiche und Bauteile bleiben deutlich unter den kritischen Temperaturen. Durch den Selektivprozess entfallen zudem im Fertigungsprozess Klebevorgänge, Palettierung, manuelles Löten – und natürlich werden letztlich die Qualität und Zuverlässigkeit des Produkts optimiert.
Im Selektivprozess werden einige Techniken aus dem Wellenlöten aufgegriffen. Jedoch unterscheiden sich Selektiv- und Wellenlöten in einigen wesentlichen Aspekten sehr, beispielsweise im streng lokalisierten Fluxerauftrag, minimalen Bedarf an Vorheizung sowie dem punktgerichteten, flexiblen Lötvorgang. Alle diese Eigenschaften machen die Löttechnik einzigartig. Diese signifikanten Unterschiede lassen eine Erörterung der selektiven Prozesstechnik im Lichte der Verarbeitung von bleifreiem Lot als überaus notwendig erscheinen.
In den folgenden Ausführungen, denen eine groß angelegte Studie zugrunde liegt, dominiert als Schwerpunkt das Oberflächenfinish der verwendeten Baugruppen. Zudem sind natürlich die Prozessparameter aus dem Selektivlöten wichtig, beispielsweise die Schleppgeschwindigkeit und Temperatur im Lottiegel. Sie alle beeinflussen die Ausbildung und Festigkeit der Lötstellen.
Das Experiment
Selektiv-Lötprozess: Die Prozessentwicklung erfolgte auf einer mySelective 6748 von Vitronics Soltec. Die Prozedur umfasste drei grundlegende Arbeitsschritte, die im Folgenden erläutert sind.
  • 1. Flussmittelauftrag – Das Testboard mit seinen drei bedrahteten Bauteilen wurde an den Lötstellen mit einem Dropjet-Fluxer versorgt. Für den Schlepplöt-Vorgang wurde das Flussmittel mit einem Tropfendurchmesser von etwa 1 mm auf die gesamte Anschlussreihe aufgetragen.
  • 2. Vorheizung – Das Board wurde mit Infrarot-Lampen für 30 s mit einer 60%igen Leistung vorgeheizt, die Unterseite der Baugruppe bei allen Experimenten auf circa 70°C konstant gehalten.
  • 3. Lötvorgang – Die Bauteile wurden mit einer Select Wave gelötet, die mit einer Lötdüse von 8 mm Durchmesser bestückt war. Diese 8-mm-Düse wurde während des Lötens mit 50 l Stickstoff je Minute umspült. Von einem automatischen Gripper-Mechanismus wurde das Board in einem Winkel von 10° gehalten.
Parameter des Experiments: Die spezifizierte Lottemperatur und die Schleppgeschwindigkeit sind wesentlich für typische selektive Lötprozesse in der Fertigung. Insgesamt wurden drei verschiedenen Lottiegel-Temperaturen (280, 300 und 320°C), drei Oberflächenbehandlungen Cu-OSP (Standard Entek 106AX) sowie silberhaltiges Tauchbad (Immersions-Ag) und die vier Schleppgeschwindigkeiten 2,0; 3,5; 5 und 8 mm/s experimentell untersucht.
Materialien: Als Flussmittel wurde ein VOC-freier No-Clean-Fluxer ohne natürliches Kolophonium oder künstliche Harze verwendet. Insgesamt wurden drei Bauteile gelötet (Steckverbinder im Metall und Kunststoffgehäuse mit SnPb-haltigem Pin-Finish sowie ein Shunt mit Gold-Überzug der Anschlüsse). Der vierlagige Multilayer war hergestellt aus Turbo Clad 370 Laminatmaterial mit einer Dicke von circa 2,4 mm (93 mil). Die Lotlegierung bestand aus Sn3,9Ag0,6Cu.
Auszieh-Test: Die Pull-Prüfung wurde an dem 96-poligen Steckverbinder im Kunststoffgehäuse mit einem Instron-Messgerät Modell 550R ausgeführt. Die Crosshead-Geschwindigkeit für den Auszieh-Test wurde mit 2,54 mm/min spezifiziert, die Lastzelle hatte eine maximale Lastkapazität von 5 kN.
Thermische Lastzyklen: Die Baugruppen wurden Lufttemperaturen von – 40 bis + 125°C ausgesetzt. Die Verweilzeit an den beiden Temperaturextremen betrug 10 Minuten, wobei die Rate der Temperaturänderungen zwischen den beiden Endtemperaturen 10 K/min betrug. Die Steckverbinder wurden nach 750, 1200, 200 und 2700 Temperaturzyklen dem Auszieh-Test unterzogen.
Die Ergebnisse
Inspektions-Kriterien: Nach dem Selektivlöten wurden die Baugruppen visuell inspiziert, dabei wurde auf folgende Defekte geachtet:
  • Ungenügende Benetzung der Pads wurde definiert als Überdeckung mit weniger 100% Lot.
  • Ungenügende Lotmeniskus-Ausbildung auf der Oberseite war definiert als die Lotmenge, die den Bauteil-Anschluß benetzt und ungenügende Füllung der Durchkontaktierung mit weniger als 100% Lot in der Hülse umfasst.
  • Lotüberschuss.
  • Oxidationen des Lots.
  • Brückenbildung.
  • Lotperlen-Bildung.
  • Ausgelassene oder offene Lötstellen.
Diese Inspektionstechnik beruht auf einer konservativen Methode für Abnahmekriterien und kollidiert keinesfalls mit IPC-610A für die Ausbildung des oberen Lotmeniskus (Topside Fillet) sowie die Pad-Benetzung. Als Vorgehensweise für die Evaluierung oder Eingruppierung des Lötprozess wurden zu Beginn erstmal die einzelnen Defekte in jeder Fehlercharakteristik (Lotmeniskus, Füllung der Lothülse) erfasst und hochgezählt. Danach wurde jedem Inspektionskriterium eine Gewichtung als Prozentsatz zugeordnet. Nachdem der gewichtete Fehlergrad für jede Charakteristik berechnet war, konnte man die Summe für alle Defektkategorien kalkulieren. Damit die Änderungen in den Ergebnissen sehr deutlich wurden, bildete man von der gesamten Summe der Defekte den Kehrwert. Das heißt also, dass die höheren Zahlenwerte bei den Ergebnissen auch die besseren Resultate darstellen. Klar wurde, dass eine ungenügende Benetzung der Pads insgesamt, der Pad-Oberseite sowie Brückenbildung die wichtigsten Defektkategorien darstellen. Ihre Gewichtung war höher als Fehler wie Lotüberschuss, Lotperlenbildung, ausgelassene Lötstellen oder Oxidreste.
Der Einfluss von Leiterplatten-Oberflächenfinish: Ein Zusammenhang konnte ermittelt werden zwischen der Art des Oberflächenfinish sowie der Art des Bauteils. In Tabelle 1 sind die Ergebnisse bezogen auf das Oberflächenfinish und Bauteiltyp dargestellt. Die Lötparameter waren in all diesen Fällen auf konstant 300°C Tiegeltemperatur sowie einer Schleppgeschwindigkeit von 3,5 mm/s eingestellt. Der in Tabelle 1 zu Tage tretende Trend zeigt, dass die Auswirkungen des Oberflächenfinish in Wechselwirkung zum Bauteiltyp stehen. In dieser Untersuchung zeigt ein minimaler gewichteter Durchschnitt/Mittelwert von 6,00 oder größer an, dass ein spezifischer Prozess einen geringen Fehlergrad aufweist und somit nur minimale Rework-Aufwendungen nach sich zieht. Für Werte unterhalb dieses gewichteten Durchschnitts sind daher deutliche Verbesserungen im Lötprozess erzielbar. Zieht man diese Zahlen für eine Bewertung der Abnahmekriterien heran, wird folgendes deutlich: Kupfer-OSP (organischer Schutz der Oberfläche) zeigt hervorragende Ergebnisse bei der 8-Pin-Steckverbindung mit vergoldeten Lötanschlüssen sowie der 96-poligen Version im Kunststoffgehäuse, während beim 50-poligen Modell im Metallgehäuse das Ergebnis enttäuschend war. Das Finish auf Basis eines silberhaltigen Tauchbads zeigte hervorragende Resultate beim 50-poligen Metall-Steckverbinder, doch bei den beiden anderen Versionen konnte diese nicht bestätigt werden. Es ist jedoch anzufügen, dass mit Immersions-Silber nur diese eine Lötsituation getestet wurde. Deshalb ist es durchaus möglich, den Lötprozess auf einem Oberflächenfinish, das auf silberhaltigem Tauchbad basiert, für alle drei Bauteile entsprechend zu optimieren. Schliffbilder des 50-poligen Steckverbinders im Metallgehäuse sind für jedes einzelne Oberflächenfinish in den Bildern 1, 2 und 3 zu sehen. Wie festzustellen ist, kommen kleine Fehlstellen (Lufteinschlüsse) mit dem silberhaltigen Tauchbad doch häufig vor.
Die Ergebnisse für jedes Board-Finish aus dem Pulltest lagen bei 0,29; 0,33 und 0,30 kN für Kupfer-OSP, ENIG sowie Immersion-Silber. Bei den OSP-Boards konnten generell alle Defekte auf Risse und Fehler in der Lothülse zurückgeführt werden. Allerdings sind bei den Leiterplatten mit ENIG- sowie dem 1-mm-Silber-Finish die Defekte sowohl auf Lot- als auch Hülsen-Fehler zurückzuführen. Als Ergebnis dieser Beobachtungen bleibt nur der Schluss übrig, dass die Lötstelle auf jeden Fall mechanisch fester sein muss, als Lothülse und Leiterplatte.
Auswirkungen der Lottiegel-Temperaturen: Als Löttemperaturen wurden 280, 300 und 320°C ausgewählt. Alle anderen Einflussgrößen wurden bei dieser Untersuchung konstant auf folgende Werte gehalten: die Schleppgeschwindigkeit bei 5,0 mm/s, als Oberflächenfinish wurde Kupfer-OSP verwendet. Die Ergebnisse in Tabelle 2 illustrieren die Trends auf der Basis der verschiedenen Löttemperaturen sowie Komponenten-Ausführungen. Unter Zuhilfenahme dieser Daten sollte die optimale Lottemperatur für das kritischste Bauteil ausgewählt werden – dies war stets der 50-polige Steckverbinder im Metallgehäuse.
Der Einfluss der Löttemperatur auf die Qualität der Lötstellen am 8-Pin-Shunt mit vergoldeten Anschlüssen ist bei allen drei Bedingungen äußerst zufrieden stellend, während bei dem 96-poligen Kunststoff-Steckverbinder gute Resultate nur mit 300 und 320°C erzielt werden. Beim 50-poligen Metallsteckverbinder hingegen ergibt sich bei einer Schleppgeschwindigkeit von 5,0 mm/s mit diesen drei Temperaturen ein sehr unzufrieden stellendes Ergebnis. In diesem Fall wird bei einer Löttemperatur von 280°C eine Prozess-Ausbeute erreicht, die bei zwei von drei Komponenten völlig ungenügend ist. Mit einer Schleppgeschwindigkeit von 5 mm/s bei Kupfer-OSP füllt das Lot die Lothülse bei diesen drei Komponenten völlig aus, aber die Benetzung auf der Pad-Oberseite ist abhängig von der Löttemperatur. Lötstellen, die bei 320°C hergestellt wurden, zeigten eine deutliche Verbesserung der Benetzung auf der Oberseite im Vergleich zu den beiden anderen Lötbedingungen. Die Ergebnisse der Ausziehtests als Funktion der Lottiegel-Temperatur betragen 0,29 kN für 280°C, 0,31 und 0,30 kN für 300 und 320°C. Hier wurde als Schleppgeschwindigkeit kontinuierlich 5 mm/s eingehalten, sowie als Oberflächenfinish Kupfer-OSP verwendet.
Wie durch die Ausziehkraft und durch die dazu korrespondierende Standard-Abweichung deutlich wurden, sind in allen drei Fällen die Ergebnisse statistisch gleichwertig. Anzumerken ist, dass in allen drei Experimenten als Fehlerursachen Defekte und Risse in der Lothülse hervortraten. Dies zeigt klar, dass die Lötstelle mechanisch fester war, unabhängig von der Temperatur im Lottiegel oder der Benetzung auf der Pad-Oberseite. Das gibt Anlass zur Vermutung, dass die Benetzung der Pad-Oberseite für die Qualität der Lötstelle nicht ausschlaggebend ist. Des weiteren ist die Tiegeltemperatur auch unkritisch für den 96-poligen Kunststoffsteckverbinder.
Die Auswirkungen der Schleppgeschwindigkeit: In dieser Studie wurden die Auswirkungen der vier verschiedenen Schleppgeschwindigkeiten mit 2,0; 3,5; 5,0 und 8,0 mm/s untersucht. Wobei ein Kupfer-OSP eingesetzt, sowie die Tiegeltemperatur auf konstant 300°C gehalten wurde. Die Schleppgeschwindigkeit beeinflusst direkt die Kontaktzeit zwischen Welle und Lötstelle. Als Trend lässt sich erkennen, dass durchgängig bei allen drei Komponenten eine konstante Geschwindigkeit von 3,5 mm/s die optimale Lösung ergab. Bei dieser Schleppgeschwindigkeit wurde im Vergleich zu allen anderen Geschwindigkeiten die beste Qualität der Lötstellen erreicht (Tabelle 3).
Bei dem 50-poligen Steckverbinder im Metallgehäuse lag die Defektrate durchgängig auf signifikant hohem Level – im Vergleich zu den beiden anderen Bauteilen. Unter diesen Umständen wird klar, dass man hier für eine angemessene Optimierung andere Einflussgrößen im Lötprozess verändern muss. Die Ergebnisse aus dem Pulltest liegen bei einer Kraft von 0,31 kN für 2,0 mm/s, 0,29 kN für 2,5 mm/s, 0,31 kN für 5,0 mm/s und 0,29 kN für 8,0 mm/s Schleppgeschwindigkeit. Wie bei den Resultaten über die Auswirkungen der verschiedenen Lottiegeltemperaturen hat die Schleppgeschwindigkeit keine erkennbaren Auswirkungen auf die Ausziehkraft sowie die Defektart bei dem 96-poligen Steckverbinder im Kunststoffgehäuse.
Effekte der thermischen Wechselbelastung:
Für diese Untersuchung wurden die Baugruppen den thermischen Zyklen unterworfen – wie am Artikelanfang unter der Definition des Experiments erläutert. Die Analyse beruht in erster Linie auf den Ergebnissen aus dem Pulltest sowie den Querschliffbildern. Wie bereits erwähnt, ergaben die Ergebnisse aus dem Pulltest für den 96-poligen Steckverbinder keine entscheidende Aufschlüsse über die Qualität der selektiven Lötung dieser Baugruppen, denn als Fehlerkategorie traten Risse in der Lothülse auf. Die Bilder 4 und 5 zeigen die Oberfläche und die Entwicklung der Mikrostruktur der Lötstelle sowohl zu Beginn als auch nach 2700 thermischen Wechselbeanspruchungen. Nachdem die Zyklen durchlaufen waren, konnte eine Verschlechterung der Lötstellen beobachtet werden. Lufteinschlüsse, geschrumpfte Lötstellen und Risse nahmen in der Häufigkeit zu, und wurden zudem größer. Jedoch gab es keinen sicheren Anhaltspunkt dafür, dass die Lötstellen vollständig defekt waren. Aufschlussreich ist, dass ein Vergleich des Pulltests mit dem 96-poligen Steckverbinder, der einmal selektiv und zum anderen mit herkömmlicher Welle gelötet worden war, sehr unterschiedliche Ergebnisse zeigte. In Tabelle 4 sind die Pullkräfte für den 96-poligen Steckverbinder im Kunststoffgehäuse auf Board mit Kupfer-OSP aufgelistet. Dabei betrug die Temperatur im Lottiegel 260°C , Verweilzeit 6 s, die Vorheiztemperatur auf der LP-Oberseite betrug 110°C. Verwendet wurde ein Flussmittel auf Basis von organischer Säure, deren Reste zu beseitigen sind (Cleaning). Als vorherrschender Fehlertyp ergab sich bei diesem Experiment die defekte Lothülse, doch ließ auch die Ausziehkraft deutlich über die thermischen Zyklen nach. In Tabelle 5 sind die konstant höheren Werte der Ausziehkraft am 96-poligen Steckverbinder erfasst, der selektiv gelötet wurde.
Ergebnisse
Der Zweck dieser Untersuchung war, die Auswirkungen verschiedener Parameter oder Variablen im selektiven Lötprozess auf die Lötstellenbildung und mögliche Defektarten festzustellen. Eindeutige Fehlertrends ließen sich auf Basis der Schleppgeschwindigkeit, Oberflächenfinish der Leiterplatte sowie Löttemperatur erkennen. Natürlich ist auch der Bauteiltyp von großem Einfluss. Bei diesem Experiment wurden drei verschiedene, bedrahtete Komponenten eingesetzt. Jedes dieser Bauteile unterschied sich im wesentlichen durch ein andere Oberflächenbehandlung der Lötanschlüsse, thermische Eigenschaften sowie der Zahl der Pins. Die Kombination der Parameter von Board, Bauteilen und Prozess führte zu einem Lötprozess, der auf diesen verschiedenen Ebenen optimiert ist. Hohe Flexibilität bei der Automatisierung des selektiven Lötprozess, der in der Schleppgeschwindigkeit, Lötwinkel, Eintauch-Lötvorgängen sowie Löttemperatur variabel ist, führt zu einer optimalen Qualität der Lötstellen. Die Analyse ergibt, dass die Prozess-Entwicklung sowie die Materialauswahl für jede Bauteilart optimiert werden sollte. Anzumerken ist, dass diese Arbeit im Rahmen des NEMI-Projekts „Lead-Free Assembly and Rework“ durchgeführt wurde.
Die Autoren dieser Studie, bedanken sich bei allen, die an dem NEMI-Projekt „Lead-Free Assembly and Rework“ teilgenommen und unterstützt haben.
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