Endoberflächen für beifreies Löten - Vorteile und Limitationen
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Dieter Walz, Mustafa Oezkoek, Günter Heinz, Sven Lamprecht, Atotech Deutschland GmbH (Vortrag auf der 15.FED-Konferenz in Bremen)
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Kurzfassung
Die Endoberfläche von Leiterplatten hat seit der Einführung der bleifreien Elektronik, getrieben durch die RoHS-Direktive der Europäischen Union, noch mehr an Bedeutung gewonnen, denn der Wechsel zu bleifreien Loten hat signifikante Auswirkungen auf die Lötprozesse. Nicht nur die um ca. 30-40°C höhere Löttemperatur, sondern auch die längeren Benetzungszeiten haben Konsequenzen für das ein-gesetzte Finish [1] [2].
Die Ausführungen beschreiben neueste Untersuchungen über die Eigenschaften und Anwendungsbe-reiche der Endoberflächen chemisch Nickel Gold, chemisch Silber, chemisch Zinn, Hot Air Leveling und organische Cu-Passivierung im Zusammenhang mit bleifreien Loten.
Kenntnisse der Vor- und Nachteile der Finishes im Zusammenhang mit der Bleifrei-Technologie sind sowohl für den Leiterplattenhersteller als auch für den Bestücker von besonderer Wichtigkeit.
Einleitung
In der Elektronik ist das Löten die verbreiteste Verbindungstechnologie und wurde über Jahrzehnte op-timiert und erfolgreich in Millionen von Baugruppen eingesetzt. Alle Leiterplattenmaterialien wurden hierauf abgestimmt.
Das Bleiverbot das durch die EU Direktive RoHS zum 1.7.2006 wirksam wurde, stellt sowohl für die aktiven wie auch passiven Bauelemente eine Herausforderung im Zusammenhang mit der bleifreien Löttechnologie dar. Die Restriktionen betreffen mehr die Löttechnologie als die Leiterplattenmaterialien selbst. Entsprechend der Definition waren diese immer schon bleifrei, aber nicht unbedingt kompatibel zu bleifreien Lötprofilen. Als bleifreier Standard, mit einem Anteil von ca. 2/3 beim Reflow- löten, scheint sich das so genannte SAC-Lot (Zinn, Silber und Kupfer) durchzusetzen. Die meisten dieser Lote zeigen nur geringe Unterschiede in der Zusammensetzung (meist patentrechtliche Gründe) und haben einen Schmelzpunkt von ca. 215 bis 220°C. Eine Variante mit niedrigerem Schmelzpunkt stellen die SACB-Lote dar (Zinn, Silber, Kupfer und Wismut), die jedoch im Falle von Pb-Verunreinigungen durch z. B. SnPb-haltige Komponenten zu verminderter Zuverlässigkeit neigen. Speziell für das Wel-lenlöten, aber auch für das Reflowlöten stellt die Familie der SnCu-Lote (dotiert mit Ni und /oder Ge) eine zuverlässige Alternative mit Schmelzpunkten um die 227 °C dar.
Bei der Diskussion über Endoberflächen sind neben der Mehrfachlötbarkeit auch Themen wie steigen-de Komplexität der Leiterplatte, Cu-Auflösung beim Löten und Kompatibilität mit neuen Basismateria-lien von großer Wichtigkeit und bedürfen näherer Betrachtung.
Endoberflächen zwischen Design und Bestückung
Die ständige Erhöhung der Integrationsdichte führt zwangsweise zu anspruchsvolleren Designrules, deren Umsetzung in der Fertigung oft problematischer ist, als dies der Designer vermutet. Die Leiter-plattenkonstruktionen oder auch nur Teile davon lassen sich mit ein paar Mausklicks problemlos ver-ändern, für die Fertigung hat dies aber oftmals signifikante Konsequenzen. Ein Beispiel dazu sind die teilweise (oft unkontrolliert) verschlossenen Durchgangsbohrungen, die das Spülen der Bohrungen sehr erschweren, bzw. teilweise unmöglich machen.
Links, teilweise mit Lötstopplack verschlosenen Bohrung, die sehr schlecht spülbar ist.Rechts ist die Bohrung durch einen Lötstopplackpfopf verstopft und spültechnisch ebenfalls problematisch
Die schlechte Spülbarkeit der nur teilweise oder einseitig verschlossenen Bohrungen ist unabhängig von der verwendeten Endoberfläche. Nahezu immer werden Chemiereste nicht vollständig aus den quasi Sacklöchern gespült und führen dann letztendlich zu Korrosion oder Anlaufschichten, verbunden mit einer verschlechterten Lötbarkeit. Anlagentechnisch ist diese Spülproblematik selbst mit großem Aufwand nur bedingt in den Griff zu bekommen.
Eingeschlossene Chemierückstände führen während der Lagerung oder des Bestückungsprozesses zu massiven Anlauf-/Korrosionsstellen.
Ein weiteres Thema, das die Endoberflächen generell betrifft, sind die Basismaterialien. Neben dem für die Endoberfläche unproblematischen FR4 gibt es eine Reihe von Sondermaterialien, speziell HF- Ma-terialien, die Füllstoffe oder Kleber enthalten (Acrylatkleber, Antimontrioxyd etc.) die teilweise inkompa-tibel mit verschiedenen Endoberflächen sind. Dieser Punkt sollte nicht unterschätzt werden und ggf. durch Qualifikationen der Basismaterialien geprüft werden.
Endoberflächen im Überblick
Durch den Wechsel zur bleifreien Elektronik haben die Endoberflächen größere Aufmerksamkeit er-langt und es galt nun auszuloten, wo die Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren in Bezug auf Fer-tigungsprozesse wie auch Bestückung liegen.
Bleifrei HAL
Hot Air Solder Leveling ist seit Jahren als Endoberfläche bekannt und als zuverlässige Lötverbindung geschätzt. Die Probleme die systembedingt mit diesem Oberflächenschutz auftreten, verschärfen sich allerdings mit dem bleifreien Löten. Ein Hauptproblem stellt neben der Sn-Brückenbildung bei Fine-Pitch die verstärkte Cu-Auflösung, bedingt durch die um 30-40 °C höhere Prozesstemperatur, dar. Die-ses Cu-Ablegieren führt an exponierten Stellen bis zu 10 µm Verlust an Cu-Schichtdicke und zu einer Anreicherung von Cu im Lötbad. Der enorme thermische Stress auf die Leiterplatte kann zu verstärktem Verzug und zu thermischer Vorschädigung führen.
Vorteile
- Lagerzeit 12 Monate
- Vollständige Benetzung der Kupfer-Oberfläche
- Pb-frei lötfähig
- Bekanntes Verfahren
- Optische Inspektion und E-Test möglich
Risiken & Einschränkungen
- SMT-Anwendungen, ungenügende Planarität stellt oft Problem dar
- Fine Line-Strukturen < 100 µm nur mit hohem Aufwand möglich, wenn überhaupt
- Vorhandene HASL-Anlagen müssen umgerüstet werden
- Erhöhter Temperaturstress
- Kupferauflösung ca. 3 x so hoch wie bei Pb-haltigem HAL
- Nicht drahtbondfähig
- Abriebfestigkeit, Schaltkontakten
- Einschränkung bei dünnen/dicken Leiterplatten
OSP (Organischer Oberflächen Schutz)
Neben den bisher bekannten Einschränkungen bei Mehrfachlöten mit bleihaltigen Loten verringert sich mit der Einführung der bleifreien Löttechnologie weiterhin das Arbeitsfenster bzw. Anwendungsbe-reich. Bei Einfachlötung kann mit Normalatmosphäre gearbeitet werden, bei Mehrfachlötungen ist Stickstoff als Schutzgas von deutlichem Vorteil.
- Typisch sind Derivate von Benzotriazole, Imidazole oder Benzimidazole
- Ab Anfang 1990 Verschiebung von HASL zu OSP (Ständiges Wachstum von SMT)
- reagiert selektiv mit Kupfer
- Schutz gegen Oxidation und Anlaufen
- Muss durch Flux entfernt werden, um die Lötverbindung auszubilden
- Frühere Versionen waren limitiert für nur einen Reflow
Heute
- Kann Anforderungen für Pb-freies Löten erfüllen
- Entwicklung von Hoch-Temperatur OSPs (Zersetzung)
- Eingesetzt für Unterhaltungs-Elektronik, Telekommunikation
- Teilweise für automotive Elektronik
Schichteigenschaften
- Schichtdicke 0.2- 0.5μm
- Zersetzungstemperatur für Pb-freie Versionen 290°C (vs. 260°C)
- Bildung einer dickeren IMC bei Pb-frei-Reflow-Temperaturen
- Höhere Kupferauflösung ins Lot
Vorteile
- Einfaches Verfahren
- Horizontal anwendbar
- Geeignet für Pb-freies Löten
- Gute Planarität
- Lagerzeit 6-12 Monate (kontrollierte Lagerbedingungen)
- Relativ einfach nachzuarbeiten
- Geeignet für Mix-Technologien (z.B., ENIG)
- Low-cost Verfahren
Risiken & Einschränkungen
- Thermische Belastung (limitierte Standzeit zwischen 1. und 2. RF)
- Compliant pin (press-fit)
- Visuelle Inspektion (schwacher Farbkontrast)
- E-Test, Pseudo-Fehler
- Nicht drahtbondfähig
- Abwaschen von Pastefehldrucken kann die OSP-Schicht entfernen
Immersion Silber
- Immersion / Austauschreaktion (Kupfer wird ersetzt durch Silber)
- Das Silber wird in der Lötverbindung gelöst
- Haftung / IMC-Bildung erfolgt direkt mit dem Kupfer
- Anlaufen der Oberfläche ( S-Verbindungen)
Aktuelle Themen
- Focus auf 'champagne voids' bzw. planare 'micro voids'
- "Etch-Effekt" verursacht Leiterzugreduzierung unter der LSM
Diese Micro Voids treten direkt unter der abgeschiedenen Silberschicht auf und sind vermutlich das Resultat von Lochkorrosion, die durch die Silberabscheidung lokal stattfindet. Micro Voids / Cham-pagne Voids führen, da sie in einer Ebene liegen, zwangsweise zu verminderter Zuverlässigkeit von insbesondere BGA-Lötstellen. Diese äußerst problematischen Fehlstellen sind meistens durch die auf-plattierte Silberschicht „gedeckelt“ und somit nicht, oder nur sehr schwer im Vorfeld zu erkennen.
Ein weiteres Korrosionsphänomen tritt am Übergang von Lötstoppmaske zu exponiertem Kupfer auf. Dieser massive Korrosionsangriff entsteht während der Silberabscheidung unterhalb der Lötstoppmas-ke und ist deshalb nur schwer zu erfassen. Obige Bilder zeigen diesen Defekt nach dem Strippen der Lötstoppmaske und die signifikante Schwächung des Leiterzugquerschnitts.
Sowohl die Voids wie auch die Korrosion am Übergang zur Lötstoppmaske sind vom Mechanismus her noch nicht vollständig verstanden. Allerdings gibt es bereits Lösungsansätze um diese Problematik deutlich zu entschärfen.
Schicht-Eigenschaften
- Abhängig von Verfahren
- Schichtdicke 0.10 - 0.40μm
- Mitabgeschiedene Organik oder Organikfrei
- Bildung einer dickeren IMC bei Pb-frei Reflow-Temperaturen
- Höhere Kupferauflösung ins Lot
Vorteile
- Einfaches Verfahren
- Geeignet für Pb-freies Löten
- Gute Planarität
- Lagerzeit 12 Monate (kontrollierte Lagerbedingungen)
- Geeignet für Fine Line-Anwendungen
- Relativ preisgünstiges Verfahren
Risiken & Einschränkungen
- Anlaufen oder Fleckenbildung –verursacht durch Reaktion mit Sauerstoff, Chlorid oder Schwefel aus der Luft)
- Kontrollierte Lagerbedingungen notwendig, um Lötfähigkeit zu erhalten
- Micro-Voids in der Lötverbindung
- Potential für Elektromigration an freiliegenden Silberpads
- Potential einer galvanischen Reaktion mit Kupfer unter LSM, die zur Schwächung des Leiterzugs führt
- Hohe Kupferauflösung ins Lot
Immersion Zinn
- Immersion / Austausch-Reaktion (Kupfer wird ersetzt durch Zinn)
- Haftung / IMC-Bildung erfolgt direkt mit dem Kupfer
- Lötanwendungen, Press Fit-Verbindungen
Aktuelle Themen
- Whisker-Bildung (Thema bei Stannatech gelöst)
- Kupfer-Diffusion in/durch die Zinnschicht (bildet Cu3Sn and Cu6Sn5) beeinträchtigt Lagerzeit und Lötqualität
- Ionische Kontamination bei Automotive-Anwendungen
- Pb-freies Löten in Luft-Atmosphäre
Schicht-Eigenschaften
- Abhängig von der aufgebrachten Schichtdicke
- Schichtdicke 0.80- 1.20μm, abhängig von Applikation und Lötzyklen
- Mit oder ohne Whisker-hemmende Additive
- Bildung einer dickeren IMC bei Pb-freien Reflow-Temperaturen
- Hohe Kupferauflösung ins Lot
Vorteile
- Horizontal und vertikal anwendbar
- Geeignet für Pb-freies Löten
- Lagerzeit 12 Monate (Lötfähigkeit) 6 Monate (Whisker hemmend) (Kontrollierte Lagerbedingungen und entsprechender Schichtdicke vorausgesetzt)
- Gute Planartät für SMT
- Geeignet für Fine-Line
- Geeignet für compliant pin (press-fit) Verbindungen
- Relativ preisgünstiges Verfahren
Risiken & Einschränkungen
- Kontrolle Zinn-Whisker-Wachstum
- IMC-Wachstum und Effekt auf Zinn-Schichtdicke
- Lötstopmasken-Kompatibilität
- Nicht geeignet für Kontaktschalter
- Hohe Kupferauflösung ins Lot
Chemisch Nickel-Gold
- Legierungsoberfläche (Nickel/Phosphor & Gold)
- Seit Anfang 1990 eine der vielseitigsten Oberflächen
- Diffusionssperre (Nickel) zwischen Kupfer und Lotlegierung
- Das Gold wird in die Lötverbindung gelöst
- Haftung / IMC-Bildung erfolgt mit der Nickelschicht
- Benötigt eine Kupferaktivierung, um die Nickelabscheidung zu starten
- Die Nickelschicht verstärkt mechanisch Durchkontaktierungen und Vias
- Höhere Abriebfestigkeit durch Nickelhärte
Aktuelle Themen
- Als beständige Endoberfläche in korrosivem Umfeld
- Pb-freies Löten in Luftatmosphäre
Schicht-Eigenschaften
- low / medium / high P systems (<7;7-10;>10%P)
- Schichtdicke 3- 6μm NiP and 0.05- 0.12μm Au
- Autokatalytische Nickelabscheidung
- Gold schützt Nickel vor Oxidation
- Zuverlässige multifunktionale Oberfläche
- für Al-Drahtbonden geeignet
- Wachstum der Nickel-Phosphor-Schicht auf aktiviertem Kupfer
Vorteile
- Geeignet für Mehrfach-Pb-freies Löten
- Planarität für SMT
- Diffusionssperre (Nickel), verhindert die Lösung von Kupfer im Lot
- Lange Lagerzeit (12 Monate), hervorragende Alterungsbeständigkeit
- E-Test-kompatibel
- Geeignet für Kontaktschalter
- Gute Beständigkeit in korrosivem Umfeld
- Geeignet für AL-Drahtbonden
- Geeignet für high aspect ratio boards
Risiken & Einschränkungen
- Edelmetalkosten
- Nickel-Zinn-IMC ist spröder wie Kupfer-Zinn-IMC
- Risiko für “black pad”, falls Prozess außer Spezifikation gefahren wird
- Relativ aufwändige Prozesskontrolle
- Höherer Betreuungsaufwand
Zusammenfassung
Die Einführung der bleifreien Löttechnologie, die in erster Linie bedingt durch die RoHS zum 1.7.2006 in Kraft trat, stellt für die gesamte Elektronikindustrie eine gewaltige technische und logistische Heraus-forderung dar [9]. Für die Lötprozesse bedeutet dies unter anderem eine deutliche Zunahme an unter-schiedlichen Loten mit ebenfalls unterschiedlichen Eigenschaften. Die Verarbeitungstemperaturen lie-gen ca. 30 °C höher. Trotzdem ist das Benetzungsverhalten ungünstiger, denn sowohl die Benet-zungszeiten wie auch die Benetzungswinkel sind meist deutlich größer. D.h. das Prozessfenster beim Löten wird kleiner und die Aufwendungen (z. Bsp. Stickstoff, Lagerhaltung Lötpasten, Equipment) hö-her. Der Auswahl der Endoberfläche kommt entscheidende Bedeutung zu. Jede derzeit erhältliche Endoberfläche hat Vorteile und auch Nachteile, die es gegeneinander abzuwägen gilt. Es wurden die grundlegenden Eigenschaften der Endoberflächen speziell für bleifreie Lote vorgestellt. Die endgültige Auswahl der Endoberfläche sollte idealerweise der OEM zusammen mit dem Bestücker und Leiterplattenhersteller entsprechend der Applikationen treffen. Das Wissen über bleifreies Löten ist noch unvollständig und wird fortlaufend durch umfangreiche Untersuchungen der OEM, Bestücker und Prozesslieferanten komplettiert. In den meisten Fällen konnten die Schwierigkeiten, die bei der Einfüh-rung der bleifreien Löttechnologie im Zusammenhang mit Endoberflächen erwartet wurden, durch eine intensive Zusammenarbeit der OEM, Leiterplattenhersteller und Prozesslieferanten auf ein Minimum beschränkt werden.
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Referenzen
Einleitung
[1] Lead free soldering: Materials, Components, Processes; Technological Assessment of the Change-Over Scenario; ZVEI Series of Publications, ProTechnik, Manuals for electrical indus-trial production, April 2000
[2] Lead-free implementation forecast, Prismark Partners LLC, March 2004
Endoberflächen
[3] S. Lamprecht, J. I Why, Investigation of the recommended immersion Tin thickness for lead free soldering, Frankfurt, JEDEC (2003)
[4] D. Walz, Chemisch Zinn – mehr als nur eine Alternative zur Heißverzinnung, VTE 15, Heft 2, 2003
[5] K. S. Kim, S. H. Huh, K. Suganuma: Effects of intermetallic compounds on properties of Sn-Ag-Cu lead-free solder joints. J. Alloys Compounds 352 (2003) 226-236
[6] K. Johal, H. Roberts, S. Lamprecht, Dr. H.-J. Schreier, Impacts of Bulk Phosphorous Content of Electroless Nickel Layers to Solder Joint Integrity and their Use as Gold- and Aluminum-Wire Bond Surfaces, Pan Pacific (2004)
[7] S. Lamprecht, K. Johal, H. Roberts, Phosphorous in Electroless Nickel Layers – Curse or Blessing?, IPC EXPO-APEX (2004)
[8] H. Roberts, K. Johal, S. Lamprecht, Electroless Nickel / Electroless Palladium / Immersion Gold Process For Multi-Purpose Assembly Technology, SMTA International (2004)
[9] D. Walz, Bleifreies Löten eine Herausforderung für die Endoberfläche von Leiterplatten, Pro-ductronica, 2003
[10] Atotech Deutschland GmbH, BTT SF, unveröffentlichte Untersuchungen zu bleifreien Lötbar-keitsuntersuchungen (2005)
[11] D. Walz, S. Lamprecht, Endoberflächen von Leiterplatten für die Bleifrei Technologie, PLUS 10/2006
Weitere Informationen
Sie Projektgruppe "Design" im FED hat ihre Ergebnisse in dem Artikel Oberflächen von Leiterplatten veröffentlicht.
In der PLUS-Ausgabe Nr.11/Jahrgang 2009 sind unter der Überschrift
- Groß und flach - neuartiger Zinnelektrolyt für minimales Whiskerrisiko bei bester Lötbarkeit auf den Seite 2499 und folgende
- Nanobeschichtung für die Elektronik der Zukunft - OrmeSTAR TM Ultra Nanofinish® auf den Seiten 2545 und folgende Artikel über neue Oberflächentechnologien nachzulesen.
- Bericht der FED-Regionalgruppe Berlin vom 01.02.2010über chem Silber-Oberfläche
