Basismaterial für Leiterplatten

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Inhaltsverzeichnis

Auswahl von Basismaterialien

Die Schlüsselfaktoren eines Basismateriales sind Prozesssicherheit, elektrische, thermische und mechanische Eigenschaften und letztendlich auch die Verfügbarkeit und der Preis. Die Anforderungen an die Basismaterialien sind durch die höheren Prozesstemperaturen bei der Verwendung von SnAgCu- und SnCu-Loten in der Bleifreitechnologie wesentlich gestiegen. Es ist aber zu beachten, dass für die bleifreie Technologie auch Lotlegierungen ( SnZn- , SnBi- Legierungen mit und ohne In-Beimischungen) mit Schmelzbereichen ähnlich den SnPb-Legierungen auf dem Markt sind (hauptsächliche Anwendung in Fernost), die problemlos mit den gebräuchlichen FR4-Materialien prozessiert werden können. Probleme, wie Delaminierung, Hülsenrissse, Padlifting, stellen sich bei falscher Auswahl der Basismaterialien bei hohen Prozesstemperaturen und mehrmaligen Durchläufen von Lötprozessen ein. Der gebräuchliche Name LEAD-FREE- Material kann zur Auswahl nicht geeigneter Materialen führen, die Basismaterialien sind den Prozesstemperaturen anzupassen.

Kenngrößen

Generell sind folgende Kenngrößen zu beachten:

  • TG-Wert (Glasübergangstemperatur).
  • T260- / T288-Wert. Zeit bis zur Delamination. Mit diesem Wert wird die Zeit bestimmt in der bei entsprechender Temperatur die Delamination eintritt.
  • Td-Wert. Die Zersetzungstemperatur ist die Temperatur, bei der das Basismaterial einen Gewichtsverlust von 5% aufweist.
  • CTEz-Wert. Ausdehnungskoeffizient in Z-Richtung. Diesem Wert ist die größte Aufmerksamkeit zu schenken. CTEz steigt oberhalb des TG auf den 4-5 fachen Wert der Z-Achsenausdehnung unterhalb von TG an. Die Nichtbeachtung kann Delamination, Hülsenrisse oder auch Padlifting zur Folge haben. (CTE = Coefficient of Thermal Expansion, Wärmeausdehnungskoeffizient)

Die TG-Werte und die CTEz-Werte stehen im Zusammenhang miteinander, je höher der TG-Wert, desto geringer der Temperaturbereich, in dem die höhere Z-Achsenausdehnung über TG wirksam werden kann. Die Temperaturbeständigkeit wird durch den Härter und die Füllstoffe der Basismaterialien bestimmt. Es wird zwischen Dicy gehärteten ( Dicyandiamid-Härter ) und Novolack-gehärteten ( Phenol-Novolack-Härter ) Materialien unterschieden.

Die bessere Temperaturbeständigkeit und geringere Z-Achsenausdehnung der phenolisch gehärteten Materialien (Novolac-Systeme) wird durch eine geringere Kupferhaftung gegenüber den Dicy-gehärteten Materialien erkauft.

Der Wechsel auf gefüllte und Novolack-gehärtete Materialien kann einen Einfluss auf das Impedanzverhalten der Baugruppe haben. Daher sind bereits beim Design die Materialien und ihre elektrischen Eigenschaften festzulegen. Für den Herstellungsprozess gilt, dass sich die Standzeit der Bohrer wesentlich verringert, weil das Material insgesamt spröder ist.

Normen

Um einen einwandfreie Qualität der Leiterplatte zu gewährleisten sind dem Leiterplattenhersteller die Kenngrößen für das Basismaterial vorzugeben. Standardwerk für Leiterplattenmaterialien ist die IPC 4101B und die IEC 61249-xx Reihe. Weitere Normen sind DIN/EN123 000 bis DINEN 123 800, die als Gesamtheit in dem FED-Dokument FED-26-03.1 aufgeführt sind. Die Normen selbst sind beim Beuth-Verlag erhältlich.

Engelmaier-Report

Werner Engelmaier hat zur Auswahl eines geeigneten Materiales in Bezug auf TG, Td und CTEz eine Faustformel entwickelt ( Solder Temperature Impact Index ). Der Artikel mit der Entwicklung der Formel ist hier einzusehen. An dieser Stelle sei auch auf ein White Paper Report von Engelmaier hingewiesen.

Feuchtigkeitsaufnahme und Trocknung von Leiterplatten

Grundsätzliche Beachtungen

Alle Basismaterialien sind hygroskopisch, unterschiedlich nach Materialart ( Hoch-TG- und halogenfreies FR4-Material hat eine höhere Feuchtigkeitsaufnahme ), und damit eine wesentliche Ausfallursache von Leiterplatten im Herstellungsprozess mit höheren Prozesstemperaturen. Mit steigenden Temperaturen während des Prozesses steigt der Dampfdruck exponential im Material und führt zu Fehlern, wie bei einer großen Z-Achsenausdehnung beschrieben.

Über die Leiterplattenoberfläche werden Wassermoleküle aus der Umgebung aufgenommen, die dann anschließend in das Basismaterial diffundieren. Bereits nach 1 Tag Lagerung bei 40°C und 92% Luftfeuchte ist die kritische Schwelle, 0,2% Gewichtprozente Feuchtigkeitsaufnahme erreicht. Die Kurve steigt dann asymptotisch, nach 25 Tagen 0,5% und nach 150 Tagen 0,6%.

Aus einer Diskussion unter Fachleuten hat sich ergeben, dass in der Regel bereits die Leiterplatten mit 1/3 der Feuchtigkeitsaufnahme angeliefert werden, das 2. Drittel dann sehr schnell hinzukommt und der Rest dann in einem längeren Zeitraum erreicht wird.

Eine Trocknung ist für die Verwendung in Prozessen mit höheren Temperaturen, wie beim Einsatz von SAC- und SnCu-Loten zu empfehlen. Das gilt besonders für Multilayerschaltungen. Nach dem Trocknungsprozess ist ein schneller Übergang in den Fertigungsprozess notwendig, da bereits nach wenigen Tagen die Feuchtigkeitsaufnahme wieder den alten Stand erreicht hat.

Beim Trocknungsvorgang ist darauf zu achten, dass die Bottom- und Top-Seite der Baugruppe nicht mit flächigem Kupfer bedeckt ist. Die Feuchtigkeit kann nicht zur Leiterplattenoberfläche gelangen und damit entweichen. Eine Aufrasterung der Fläche ist zu empfehlen.

Informationen zur Feuchtigkeitsaufnahme und Trocknung

Zum Thema Trocknung sind von Solectron in einem Projekt „PCB materials behaviour towards humidity and baking impact on wettability“ Untersuchungen zur Benetzungsfähigkeit nach Feuchtigkeitsaufnahme und Trocknung durchgeführt worden. Als Fazit wurde festgestellt, dass bei einer Trocknung von 1 Stunde bei 120°C die gleichen Ergebnise erzielt wurden wie bei Trocknungen mit 1,6 h bei 110°C, 2,1h bei 100°C, 3,1h bei 90°C und 5,6h bei 80°C. 4 Stunden Trocknung wurden benötigt, um die Feuchtigkeit, die sich bei einer Lagerung von 50%RH in 2 Monaten eingelagert hat, zu entfernen. Nach dem Trocknen, bzw. Lieferung in einer guten Verpackung, besteht kein Risiko der Feuchtigkeitsaufnahme bei einer Lagerung in einem Schrank mit kleiner 5%RH.

Eine Studie in gleicher Richtung wurde vom Institut de Soudure und der European Space Agency mit dem Titel "Moisture Pick-Up and Minimum Drying Condition of Epoxy and Polyimide-Glass Printed Circuit Boards“ durchgeführt. Die Studie war angelegt, um die minimalen Trocknungskonditionen festzustellen um die Feuchtigkeit zu entfernen und die Schädigung vom Basismaterial beim Löten zu vermeiden. Zwei Temperaturbereiche wurden getestet, 105°C und 120°C. Es zeigte sich, dass die Trocknung bei 120°C effektiver ist als bei 105°C bei gleichen Versuchsbedingungen in Bezug auf die Feuchtigkeit ( 12h bei 120°C und 48h bei 105°C ). So sind 120°C für die Trocknung vor dem Löten favorisiert worden. Betreffend der Länge der Trocknungszeit kann gesagt werden, dass 6 h bei 120°C, bzw. bei 105°C für einen signifikanten Feuchtigkeitsverlust ausreicht, ganz sicher die Feuchtigkeit aber bei 24h Trocknungszeit entfernt worden ist. Bei diesen Trocknungszeiten ist aber die Metallurgie der Leiterplattenoberflächen zu beachten.

Auf dem 37.IZM-AK-Zuverläsigkeit wurde von Herrn Schilpp, Firma Würth-Elektronik, über "Wechselwirkungen zwischen Trocknungsprozessen und Oberflächeneigenschaften von Flex- unsd Starrflex-Substraten" referiert. Die informativen Vortragsfolien und der zugehörige Text wurden dem FED freundlicherweise zur Veröffentlichung zur Verfügung gestellt.

Probleme und Lösungen beim Bearbeiten von Baugruppen

In diesem Abschnitt wird eine Diskussion im FED-Forum, nachzulesen auch im Forums-Archiv, zusammengefasst.

Eine Delamination des Leiterplattenmateriales beim Rework mehrere Monate nach der Fertigstellung der Baugruppe kann auf die aufgenommene Feuchtigkeit in dieser Zeit zurückgeführt werden. Als Gegenmaßnahme wird die Trocknung auch vor dem Rework-Prozess vorgeschlagen. Es ist nicht ausreichend, nur den TG-Wert zu betrachten, sondern die Ausdehnung in der Z-Achse ist ein wesentlicher Faktor. Traditionelle Dicy-gehärtete Materialien mit einem hohen TG-Wert nehmen die Feuchtigkeit schneller auf ( siehe auch oben ). An anderer Stelle wird darauf hingewiesen, dass bei Nacharbeiten mit Handlötkolben ein Material mit höherem TG-Wert zu empfehlen ist, da mit dem Handlötkolben sehr hohe Temperaturen an die Lötstelle gebracht werden.

Die Verpackung von Leiterplatten für eine längere Lagerung ist für viele kleinere Unternehmen ein wichtiger Faktor. Hierbei ist darauf zu achten, dass bei verschweißbaren Tüten die Dampfdichtigkeit gewährleiste ist. Beim Einschweißen und Evakuieren dürfen die Kanten nicht die Umhüllung zerstören. Eine gute luftdichte und evakuierte Verpackung kann zusätzlich die Oxydation der Leiterplattenoberfläche verhindern, das Wachstum der intermetallischen Phase jedoch nicht. Um eine Taubildung zu verhindern müssen die Leiterplatten vor allen Dingen im trocknen Zustand verpackt werden. Die Zulieferungen der Hersteller sind ganz unterschiedlich je nach der Leiterplattenoberfläche verpackt, Lieferungen aus Fernost werden vakuumverpackt mit und ohne Trockenbeutel angeliefert.

Hilft Vakuum beim Trocknen der Leiterplatten? Diese Frage wurde in einem amerikanischen Forum unter Bezug auf physikalische Gegebenheiten negativ beantwortet. Die Entfeuchtung der Leiterplatten geschieht in zwei Schritten: die Feuchtigkeit diffundiert von Innen an die Leiterplattenoberfläche und wird dann an die Umgebung abgegeben. Die Konzentration der Wassermoleküle an der Oberfläche ist von der Temperatur und der Luftfeuchte der umgebenden Atmosphäre abhängig. Die Luftfeuchte in einem normalen Trockenofen mit 120°C beträgt ca. 1%. Ein Vakuum kann diese Luftfeuchte nicht mehr wesentlich reduzieren. So ist es ausreichend einen ordinären Trockenofen zu verwenden, mit einer Trockentemperatur, die die Bauelemente nicht schädigt. Die einzige Möglichkeit Vakuum zu verwenden besteht darin , dass in einem anschließenden Prozess, Zugang durch eine Schleuse in eine Vakuumkammer, noch Feuchtigkeit aus dem Inneren des Basismateriales herausgezogen werden kann.

Weitere Informationen

In der PLUS-Ausgabe Nr.11/Jahrgang 2009 sind unter der Überschrift

  • Strategie und Technik flexibler und starrflexibler Leiterplatten auf den Seite 2521 und folgende Ausführungen über Kennwerte und Eigenschaften von Basismaterialien und unter
  • Robuste Laminate - Anforderungen an heutige Basismaterialien auf den Seiten 2529 und folgende Auswahlkriterien für Basismaterialien nachzulesen.
  • Der Artikel Trocknen von Leiterplatten kann hier nachgelesen und heruntergeladen werden.
Von „http://wiki.fed.de/index.php/Basismaterial_f%C3%BCr_Leiterplatten“
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