Verbesserte thermische Zyklenbeständigkeit von QFNs

Testergebnisse weisen auf niedrigschmelzende Lotlegierung

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Wegen seiner spezifischen Eigenschaften und Vorteile gewinnt die QFN-Gehäuseform (Quad Flat No Leads) in der Elektronikfertigung an Bedeutung. Das QFN ist in seinen Abmessungen sehr klein mit einem dünnen Profil und geringem Gewicht. Weiterhin kombiniert das Bauteil eine interessante I/O-Verteilung entlang seines Umfangs mit guten thermischen und elektrischen Eigenschaften. Dies bewirkt, dass das QFN eine der beliebtesten derzeitigen Halbleitergehäuseformen auf dem Markt ist.

In der Praxis steht die QFN-Gehäuseform allerdings manchen Herausforderungen entgegen. Im Elektronikfertigungsprozess werden die Lötstellen der QFNs durch den Reflowprozess mit einer Leiterplatte verbunden. Nachdem das QFN jedoch keine Anschlüsse wie ein QFP oder PLCC hat, ergibt sich ein sehr kleiner Abstand zwischen Bauteil und Leiterplatte, so dass das Gefüge oder die Lötstelle klein und sehr dünn ist. Daraus ergibt sich ein geringerer Langzeitwiderstand gegen thermo-mechanischem Stress der Lötstellen im Betrieb.

Thermo-mechanischer Stress wird durch die Unterschiede einer thermischen Ausdehnung der verwendeten Materialien von Leiterplatte und Bauteilen verursacht, nämlich dann, wenn die Elektronikbaugruppe aufheizt und wieder abkühlt (thermische Zyklen). Die Wärme kann im Betrieb sowohl von externen Einflüssen als auch vom Bauteil selbst erzeugt werden.

Dabei besteht die Möglichkeit, dass nach einer gewissen Anzahl thermischer Zyklen die Lötstellen, die die Leiterplatte und Bauteile miteinander verbinden, anfangen zu brechen. Eine gebrochene Lötstelle führt in den meisten Fällen zu einer Fehlfunktion der Elektronikbaugruppe im Betrieb. Neben den Kosten für eine Reparatur kann dies in manchen Fällen auch zu gefährlichen Situationen führen, für diejenigen die die Elektronik benutzen oder davon abhängig sind. Gerade QFN-Lötstellen können bis zu drei Mal schneller brechen, als Lötstellen eines QFP mit normalen ‚Gullwing‘ Anschlüssen.

Es spricht für sich, dass das Hauptmerkmal in dieser Materie die Lötstelle selbst ist. Die mechanischen Eigenschaften einer Lötstelle werden hauptsächlich von der Legierung sowie ihrem Bestandteil bestimmt. Weitere Einflussmerkmale sind die Basismaterialien, die die Lötstelle verbinden, die Bestandteile, die durch die Oberflächenbeschichtung (z. B. Au von NiAu) in die Lötstelle einfließen, der dreidimensionale Aufbau der Lötstelle oder auch das Aufheiz- und Abkühlprofil während dem Reflowprozess. Dennoch kann die Bedeutung des Parameters der Lötlegierung noch nicht vollständig verstanden werden, da zu wenig Testdaten vorhanden sind. Um eine bessere Einsicht zu bekommen, wurde eine Fallstudie entwickelt, die die thermische Zyklenbeständigkeit von drei derzeitigen Legierungen mit verschiedenen QFNs evaluiert.

Versuchsaufbau

Einer der ersichtlichsten Wege zum Test der thermischen Zyklenbeständigkeit ist ein thermischer Zyklentest. Zu diesem Zweck wurde der Industriestandard JEDEC JESD-A104 Condition G gewählt.

Die Testmuster werden eine Stunde einem Temperaturzyklus von –40 °C / +125 °C unterworfen. Die Verweilzeit bei den Extremen liegt bei 10 Minuten, der Anstieg pro Minute beträgt 10 °C. Der Ofen ist von Weiss Typ VTS 7027–10. Beim Leiterplattenbasismaterial handelt es sich um Isola 370HR. Die Leiterplatte hat sechs Schichten und ist 1,6 mm stark. Die Cu-Stärke der Innenschichten ist 25 µm und die Außenschichten haben 35 µm. Die Leiterplattenbeschichtung ist NiAu. Die 0.45 mm thermischen Vialöcher sind metallisiert und gefüllt mit Leitkleber.

Es gibt vier Teilbereiche auf der Leiterplatte, wobei jeder Bereich mit vier QFNs, jeweils 9 mm x 9 mm verschiedenen Typs, bestückt ist. Eine Version mit einer niedrigen CTE-Verkapslung (7 ppm) und eine Version mit einer hohen CTE-Verkapslung (15 ppm) in Kombination mit einer großen und einer kleinen Massefläche (die paddle) wurden gewählt. Dies sollte in den Testergebnissen die Fehler ausgleichen, welche am spezifischen Aufbau des QFNs liegen könnten. Die QFNs sind miteinander verkettet (daisy chained), um ein kontinuierliches Messen zu ermöglichen. Zu diesem Zweck wurde ein Analysis Tech Model 128/256 STD Event Detector benutzt. Registriert wird dann ein Fehler, wenn zehnmal sequentiell ein offener Stromkreis erkennbar ist.

Für die Lotpaste wurden drei aktuelle Legierungen gewählt: Die erste logische Wahl fiel auf SnAg3Cu0,5, da momentan die meist verwendete bleifreie Legierung auf dem Markt und bekannt dafür, dass sie ziemlich schlechte thermische Zyklenbeständigkeit hat.

Hauptsächlich aus Kostengründen besteht eine derzeitige Tendenz den Ag-Gehalt in SnAgCu Legierungen zu reduzieren. Daher wurde SnAg0,8Cu0,7 als zweite Legierung für den Test gewählt.

Weil die Löttemperaturen für SnAgCu Legierungen temperatursensible Bauteile und Leiterplatten beeinträchtigen können, zeigt sich noch eine weitere Tendenz auf dem Markt, welche in Richtung niedrigschmelzender Legierungen geht. Diese Legierungen erlauben niedrigere Löttemperaturen und schonen damit temperatursensible Materialien. Zusätzlich können sie den Energieverbrauch und Fertigungskosten erheblich reduzieren. Bei LMPA-Q, entwickelt von Interflux Electronics, handelt es sich um eine neue niedrigschmelzende Legierung mit verbesserten mechanischen Eigenschaften. Da diese Legierung in vorherigen thermischen Zyklentests sehr gut abgeschnitten hat, wurde sie als dritte Legierung gewählt, um die Testreihe zu vervollständigen.

Jede Testleiterplatte wurde mit einem an der Legierung angepassten Reflowprofil gelötet. Für die SnAg3Cu0,5 und SnAg0,8Cu0,7 Legierungen verwendete man eine gemessene Peaktemperatur von ungefähr 240 °C. Für die LMPA-Q Legierung lag diese Peaktemperatur bei ungefähr 215 °C, was einen reduzierten Energieverbrauch von 20 % im Vergleich zu den beiden anderen Legierungen ergab.

Auswertung der Testergebnisse

  • Die SnAg0,8Cu0,7 Legierung war die erste Legierung, die Fehler zwischen 100 und 200 Zyklen aufwies, schnell kumulierend bis 25 % und später bis 90 % aller QFNs nach 3.000 Zyklen.
  • Die SnAg3Cu0,5 Legierung ergab etwas bessere Ergebnisse. Sie fing an nach 500 Zyklen Fehler zu zeigen, schnell kumulierend bis 25 % und später bis 65 % aller QFNs nach 3.000 Zyklen.
  • Die LMPA-Q Legierung hat am längsten durchgehalten, bevor sie Fehler erkennen ließ. Die ersten Fehler wurden nach 800 Zyklen registriert, kumulierend bis 10 % und später bis 25 % aller QFNs nach 3.000 Zyklen.

Schlussfolgerung

Die Testergebnisse zeigen einen deutlichen Einfluss der benutzten Legierung auf die thermische Zyklenbeständigkeit von QFNs, welche mittels einem Reflowprozess auf einer Leiterplatte gelötet wurden. Die bekannte, ziemlich schwache, thermische Zyklenbeständigkeit von Sn(Ag)Cu Legierungen wurde bestätigt. Jedoch hat SnAg3Cu0,5 bessere thermische Zyklenbeständigkeit als SnAg0,8Cu0,7, was auf den Ag-Gehalt zurückzuführen sein könnte.

Die niedrigschmelzende Legierung LMPA-Q zeigte deutlich bessere thermische Zyklenbeständigkeit als die traditionelle Sn(Ag)Cu Legierungen. Sie kann eine brauchbare Lösung für Anwendungen sein, wo Fehler durch thermo-mechanischen Stress ein Thema sind.

www.lmpa-q.com



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