MSL-Klassifizierung für RoHS-konforme Bauteile gegen Popkorn-Effekt
Aus FED-Wiki
von Eckard Schöller microtec GmbH ∙ testlab for opto + microelectronics, Stuttgart ( Vortrag auf der 15.FED-Konferenz 2007 in Bremen )
Zusammenfassung
Lötprofilqualifikationen an aktiven und passiven Bauteilen, Leiterplatten und Baugruppen sind dringend zu empfehlen, um Ausfällen und anderen Problemen während der Baugruppenfertigung vorzubeugen. Werden Bauelement-Änderungen wie Neudesign oder Redesign z.B. für andere Märkte durchgeführt oder sind Qualifikationsuntersuchungen geplant, sind die erhöhten Anforderungen an Temperatur und Haltezeit gegenüber dem Herstellprozess unbedingt zu beachten.
Durch die Umstellung der Halbleiter verarbeitenden Industrie auf die Oberflächenmontage wird bei der Baugruppenherstellung das gesamte Bauelement im Reflowlötprozess dem Lötstress ausgesetzt. Da der zum Verkapseln verwendete Kunststoff bis zu 0,5 Gewichtsprozent Feuchtigkeit aus der Umgebung aufnimmt, kann es beim Lötprozess zum sogenannten „Popcorn-Effekt“ kommen: Vornehmlich an den Grenzflächen zwischen Umhüllmasse und den internen Strukturen (IC bzw. Anschlüsse) lagert sich Feuchte an. Beim Lötprozess verdampft diese Feuchte schlagartig und kann Delaminationen und Risse verursachen.
Im vergangenen Jahr ist die Nachfrage nach einem modifizierten Qualifikationslötprofil speziell für Automotive aufgekommen. Dieses so genannte „Automotive“-Qualifizierungslötprofil stellt eine Verschärfung zum J-STD-020C Qualifizierungslötprofil dar. Zudem gilt es nicht nur für aktive sondern auch für passive Bauelemente.
Deutlich sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den dargestellten Lötprofilen um Qualifikations- bzw. Testlötprofile handelt. Diese Profile sind also keinesfalls als Richtlinie für ein Fertigungslötprofil zu verstehen! Hier sollten besser Lötprofile wie z.B. im Standard IEC 61760-1 Ed. 2.0 (2006-04) dargestellt, verwendet werden. Die hier gezeigten und diskutierten Qualifikationslötkurven sollten die absolute Temperaturobergrenze sein und an keiner Stelle durch ein Fertigungslötprofil übertroffen werden.
Kurzbiografie
Eckard Schöller (52) studierte Feinwerktechnik an der Fachhochschule in Esslingen und hat 25 Jahre Erfahrung auf dem Gebiet der Herstellung (Industrial Engineering) und Qualifizierung elektronischer Bauteilen und Baugruppen bei der Alcatel SEL AG. In 2004 wechselte er zur microtec GmbH testlab for opto+microelectronics in Stuttgart und ist dort als Leiter Qualifikation und Aufbau- und Verbindungstechnik tätig.
Einleitung
Durch die Umstellung der Halbleiter verarbeitenden Industrie auf die Oberflächenmontage kann es vermehrt zum sogenannten „Popcorn-Effekt“ kommen:
Vornehmlich an den Grenzflächen zwischen Umhüllmasse und den internen Strukturen (IC bzw. Anschlüsse) lagert sich Feuchte an. Beim Lötprozess verdampft diese Feuchte schlagartig und kann Delaminationen und Risse verursachen (s. Abb. 1).
Zur Vermeidung des Popcorn-Effekts helfen generell folgende Maßnahmen:
- Trocknen der feuchte-reflow-empfindlichen Bauelemente im speziellen Ofen bei 125 °C/24 h oder 40 °C/192 h
- Lagerung bei relativer Feuchte von < 5 %
- Anlieferung im Moisture Barrier Bag bzw. Dry-Pack
- Verarbeitung innerhalb des Zeitraums, der auf dem Dry-Pack angegeben ist
Durch die erhöhten Anforderungen der Bleifrei – bzw. der RoHS konformen Bauelementverarbeitung (durchschnittlich +25 °C ) ist auf die Feuchteempfindlichkeit verstärkt zu achten. Die Halbleiterindustrie antwortete mit modifizierten Umhüllmaterialien und Trägermetallisierungen. Zusätzliche Forderungen der Automobilindustrie (z.B. Verdopplung der Verweildauer im Spitzenbereich) stellen eine neue Verschärfung dar, die bei der Auswahl und Planung der Qualifizierung beachtet werden muss.
Der Moisture Sensitivity Test nach J-STD-020C
Um den Zeitraum zur Weiterverarbeitung festlegen zu können, muss zuerst die Feuchte-Empfindlichkeit („moisture sensitivity“) der einzelnen Bauteile ermittelt werden. Mittels „Moisture Sensitivity Test“ werden Komponenten den unterschiedlichen Feuchteklassen zugewiesen.
| Feuchte-Klasse | maximaler Zeitraum bis zur Verarbeitung (Lötprozess) | Feuchtelagerung (°C/%RH) |
|---|---|---|
| 1 | unbegrenzt bei ≥ 85%RH | (85/85) 168h |
| 2 | 1 Jahr bei ≥ 30°C/60%RH | (85/60) 168h |
| 2a | 4 Wochen bei ≥ 30°C/60%RH | (30/60) 696h |
| 3 | 1 Woche bei ≥ 30°C/60%RH | (30/60) 192h |
| 4 | 3 Tage bei ≥ 30°C/60%RH | (30/60) 96h |
| 5 | 2 Tage bei ≥ 30°C/60%RH | (30/60) 72h |
| 5a | 1 bzw. 2 Tage bei ≥ 30°C/60%RH | (30/60) 48h |
| 6 | Time on Label bei ≥ 30°C/60%RH | (30/60) 6h |
Abb 2: Im J-STD 020C-Standard vorgegebene Feuchteklassen und -lagerungen
Seit mehr als 10 Jahren wird die Klassifizierung nach einem IPC/JEDEC Standard durchgeführt, in der letzten gültigen Ausgabe J-STD-020C (7/04). Der Klassifizierungstest in die Klassen 1 (= nicht feuchteempfindlich) bis 6 (= höchst feuchtesensitiv) lt. Abb. 2 findet nach folgendem Ablauf statt:
- Eingangsuntersuchung der Bauelemente mit Ultraschallmikroskopie („SAM“: Scanning Acoustic Microscopy)
- Trocknen der Bauelemente bei 125 °C/24 h oder 40 °C/192 h, je nach Klasse (s. Abb. 2)
- für eine einheitliche Ausgangsbasis aller Bauelemente
- Temperatur-/ Feuchtelagerung je nach Klasse (s. Abb. 2).
- Maximal 4 Stunden nach der Temperatur- und Feuchtelagerung muss eine dreimalige Reflow-Lötsimulation innerhalb einer Stunde, inclusive Abkühlphasen zwischen den einzelnen Lötsimulationen, durchgeführt werden. Die Spitzentemperatur und die Verweildauer sind im o.g. Standard für drei verschiedene Gehäusetypen beschrieben. Zusätzlich wird zwischen SnPb-Loten und bleifreien Lotlegierungen unterschieden:
- für SnPb Lötprozesse bei Spitzentemperaturen von 225 – 240 °C und Mindestverweilzeiten von 10 bis 30 Sekunden
- für bleifreie Lötprozesse bei Spitzentemperaturen 245 – 260 °C und Mindestverweilzeiten von 20 bis 40 Sekunden
- Abschließende Untersuchung auf Delamination und Risse mit Ultraschallmikroskopie (SAM)
Optional kann zusätzlich ein Lebensdauer- und Zuverlässigkeitstest an den gestressten Bauelementen durchgeführt werden, z.B. beschleunigte Alterung durch zusätzliche Temperaturzyklen und Feuchte-/ Wärmelagerung sowie ein Korrosions-Check.
Anspruchsvolleres Lötprofil für Einsatz im Automotive-Bereich
Das so genannte „Automotive“-Qualifizierungslötprofil (Abb. 4) stellt eine Verschärfung zum J-STD-020C Qualifizierungslötprofil dar. Es gilt es außerdem nicht nur für aktive, sondern auch für passive Bauelemente.
Für die Bleifrei-Lötprozesse wird beim Automotive-Lötprofil die Spitzentemperatur, je nach Bauelementdicke bzw. -volumen, zwischen 245 und 260 °C bei einer Verweildauer von 30 bis 40 Sekunden angegeben. Zusätzlich sind die Temperatur-Toleranzen so definiert, dass z.B. für kleine Bauelemente die Spitzentemperatur von 260°C auf jeden Fall erreicht werden muss. (s. Abb. 5).
| Volumen / Dicke des Bauelements | Klein < 350 mm³ | Mittel 350 - 2000 mm³ | Groß > 2000 mm³ |
|---|---|---|---|
| < 1,6mm | 260 (0 ... +5)°C | 260 (0 ... +5)°C | 260 (0 ... +5)°C |
| 1,6 - 2,5 mm | 260 (0 ... +5)°C | 250 (0 ... +5)°C | 250 (0 ... +5)°C |
| > 2,5 mm | 250 (0 ... +5)°C | 250 (0 ... +5)°C | 245 (0 ... +5)°C |
Abb. 5: Spitzentemperatur beim Automotive-Profil in Abhängigkeit von Bauelementvolumen und -dicke
Weiter wurde beim Automotive-Lötprofil die Verweildauer im 5 Kelvin-Bereich unterhalb der Spitzentemperatur von 20 auf 40 Sekunden verdoppelt. Im Bereich der Vorheizung ist der Temperaturwert auf 190 bis 200 °C angehoben und die Verweildauer mit mindestens 110 Sekunden definiert (s. Abb. 6). Im Gegensatz zum J-STD 020C sind der Temperaturanstieg und -abfall in Anstieg- und Kühlzone so definiert, dass über einen Zeitraum von 10 Sekunden mehr als 30 Kelvin Temperaturdifferenz erreicht werden muss. Für sehr kleine Bauelemente muss die Temperaturdifferenz sogar bis zu 60 Kelvin in der Abkühlzone betragen.
Beispiel Bauelement-Dicke < 1,6 mm (kleines Bauelement)
| IPC/JEDEC J-STD-020C | IPC/JEDEC J-STD-020C | Automotive Profil | |
|---|---|---|---|
| Kriterien | Verbleit | Bleifrei | Bleifrei |
| Anstiegsgradient in der Aufheizzone | < 3K/s | < 3K/s | ≥ 3K/s, mind. 10 s |
| Temperatur in Vorheizzone und Haltezeit | 100°C - 150°C | 150°C - 200°C | 190°C - 200°C |
| 60 - 120 s | 60 -180 s | > 115 s | |
| Haltebereich oberhalb Schmelztemperatur Lot | 60 - 150 s | 60 - 150 s | > 90 s |
| > 183°C | > 217°C | > 217°C | |
| max. Spitzentemperatur | 240 °C | 260 °C | 260 °C |
| Toleranz | 0°C... -5°C | 0°C... -5°C | 0°C... +5°C |
| Haltezeit | 10 - 30 s | 20 - 40 s | ≥ 40 s |
| Zeit bis zur Spitzentemperatur | < 6 min | < 8 min | > 5 min |
| Abfallgradient in der Kühlzone | < 6K/s | < 6K/s | ≥ 6K/s, mind. 10 s |
Abb. 6: Vergleich kritischer Parameter der verschiedenen Qualifizierungslötprofile am Beispiel eines Bauelements < 1,6 mm
Zusammenfassung der wesentlichen Verschärfungen des Automotive-Lötprofils gegenüber dem Standard-Lötprofil nach J-STD-020C
- Steigerung der Mindest-Temperatur im Vorheizbereich von 150°C auf 190°C
- Steigerung der Mindest-Verweilzeit im Vorheizbereich von 60 auf 115 Sekunden
- Steigerung der Mindest-Verweilzeit über Schmelztemperatur des Lotes von 60 auf 90 Sekunden
- Spitzentemperatur ist nicht mehr Höchstwert, sondern Mindestanforderung
- Mindest-Verweilzeit im Bereich von 5 K unterhalb der Spitzentemperatur ist von 20 auf 40 Sekunden verdoppelt
Das Automotive-Qualifizierungslötprofil lässt sich nur mit Reflow-Öfen der neuesten Bauart verwirklichen, da die Anforderungen sehr hoch sind:
- Mindestens 4, idealerweise 5 Vorheizzonen
- Mindestens 2, idealerweise 3 Peakzonen
- Mindestens 2, idealerweise 3 Kühlzonen
Durchführung der Lötprofil-Qualifikation
Die entsprechenden Parameter der Lötkurve müssen vorab für jeden zu prüfenden Bauelementtyp individuell am Lötofen eingestellt werden, da die Werte der Kurve je nach Dicke und Volumen des Bauteils variieren. Ohne Anpassung der Parameter an den jeweiligen Bauteiltyp kommt es zu einer verfälschten Lötstress-Belastung der Bauelemente (zu hohe oder zu niedrige Temperaturen) und damit zu falschen Ergebnissen.
Abbildung 10 zeigt ein Beispiel von Lötprofilkurven von SOIC16-Bauteilen aus der Testpraxis.
Eine detaillierte Beschreibung der wesentlichen Punkte an einem Beispiel aus der Testpraxis folgt in den vorgetragenen Folien.
Schlussfolgerung
Die Qualifikation ist erfolgreich abgeschlossen, wenn die Bauteile die hohen Temperaturen unbeschadet überstanden haben. Mittels hochauflösender Ultraschallmikroskopie wird überprüft, dass keine Risse oder Delaminationen („Popcorn-Effekt“) aufgetreten sind.
Werden Bauelement-Änderungen wie Neudesign oder Redesign z.B. für andere Märkte durchgeführt, sind erhöhte Anforderungen an Temperatur und Haltezeit bei der Qualifikation gegenüber dem Herstellprozess unbedingt zu beachten.
