SB_12.843N_Leseprobe

2003
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Werkstoffauswahl und
Prozessgestaltung zur
Herstellung von porenarmen
Weichlötverbindungen

Werkstoffauswahl und
Prozessgestaltung zur
Herstellung von porenarmen
Weichlötverbindungen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 12.843 N
DVS-Nr.: 07.034
Fraunhofer Institut Zuverlässigkeit und
Mikrointegration
Fraunhofer Institut Siliziumtechnologie
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 12.843 N / DVS-Nr.: 07.034 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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unter: http://dnb.dnb.de
© 2009 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 30
Bestell-Nr.: 170139
ISBN: 978-3-96870-029-8
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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AiF 12.843 N / DVS 7.034 Porenarme Weichlötverbindungen 2
Inhaltsverzeichnis
1 PROBLEMSTELLUNG..................................................................................................4
2 ZIELSETZUNG .............................................................................................................7
3 VERSUCHSVORBEREITUNG UND -DURCHFÜHRUNG...................................................8
3.1 WERKSTOFFE UND MATERIALIEN..........................................................................8
3.1.1 Lotwerkstoffe...............................................................................................8
3.1.2 Leiterplatten und deren Oberflächen ..........................................................8
3.1.3 Bauelemente .............................................................................................10
3.2 AUSWAHL UND BESCHREIBUNG DER LÖTVERFAHREN .........................................11
3.2.1 Auswahl der Verfahren und der Lötparameter .........................................11
3.2.2 Angewandte Lötverfahren.........................................................................12
3.3 FESTLEGUNG EINER VERSUCHSMATRIX..............................................................15
3.4 AUSWAHL UND BESCHREIBUNG DER ANALYSEVERFAHREN .................................16
3.4.1 Visuelle Inspektion ....................................................................................16
3.4.2 Röntgenanalyse während und nach dem Lötprozess..............................16
3.4.3 Metallographische Analyse.......................................................................17
3.4.4 Auswertung der Porenanteile in den Lötverbindungen ............................18
4 UNTERSUCHUNGSERGEBNISSE.............................................................................. 21
4.1 ERKENNTNISSE AUS LOTPASTENDRUCK UND BESTÜCKUNG................................21
4.2 TEMPERATURPROFILE BEI DEN LÖTPROZESSEN..................................................23
4.2.1 Temperaturprofile beim Reflowlöten unter Dampfatmosphäre................23
4.2.2 Temperaturprofile beim Konvektionslöten................................................24
4.2.3 Temperaturprofile beim Strahlungslöten unter Vakuum...........................26
4.2.4 Temperaturprofil beim Kontaktlöten unter Vakuum..................................28
4.3 ERGEBNISSE NACH DEM LÖTEN ..........................................................................28
4.3.1 Ergebnisse des Reflowlötens mittels Dampfphase..................................28
4.3.2 Ergebnisse des Reflowlötens im Konvektionsofen...................................29
4.3.3 Ergebnisse des Reflowlötens durch Strahlung mit Vakuum ....................30
4.3.4 Ergebnisse des Kontaktlötens unter Röntgenbeobachtung.....................31
4.4 ERGEBNISSE DER VISUELLEN INSPEKTION ..........................................................31
4.4.1 Visuelle Inspektion nach dem des Reflowlöten mittels Dampfphase.......31
4.4.2 Visuelle Inspektion nach dem Reflowlöten im Konvektionsofen..............32
4.4.3 Visuelle Inspektion nach dem Reflowlöten durch Strahlung mit Vakuum35
4.4.4 Visuelle Inspektion nach dem Kontaktlöten unter Röntgenbeobachtung 36

AiF 12.843 N / DVS 7.034 Porenarme Weichlötverbindungen 3
4.5 ERGEBNISSE DER RÖNTGENANALYSE.................................................................37
4.5.1 Röntgenanalyse nach Lötung ohne Bauelemente ...................................37
4.5.2 Röntgenanalyse nach dem Reflowlöten mittels Dampfphase..................38
4.5.3 Röntgenanalyse nach dem Reflowlöten im Konvektionsofen..................41
4.5.4 Röntgenanalyse nach dem Reflowlöten durch Strahlung mit Vakuum....44
4.5.5 Röntgenanalyse nach dem Kontaktlöten unter Röntgenbeobachtung ....44
4.6 ZUSAMMENFASSENDE BEWERTUNG DER RÖNTGENERGEBNISSE.........................46
4.7 ERGEBNISSE DER METALLOGRAPHISCHEN ANALYSE ...........................................63
4.8 METALLURGISCHE BESONDERHEITEN BEI MISCHVERBINDUNGEN........................67
5 DISKUSSION DER ERGEBNISSE............................................................................... 69
6 ZUSAMMENFASSUNG UND SCHLUSSFOLGERUNGEN ............................................. 71
7 LITERATURVERZEICHNIS......................................................................................... 73
8 ABBILDUNGSVERZEICHNIS...................................................................................... 75
9 ANHANG .................................................................................................................. 78

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1 Problemstellung
Die Entwicklung der Weichlöttechnik in der Elektronik wird maßgeblich durch die Miniaturisierung
der Bauteilgeometrien sowie durch die steigenden Anforderungen an die
Einsatzbedingungen und die Zuverlässigkeit der gelöteten Baugruppen bestimmt. Dabei
ist durch die Erhöhung der Funktionalität integrierter Schaltungen auch eine steigende
Anzahl der Anschlüsse (I/O's) zu verzeichnen [IPC-97]. Verbunden mit dem
Trend zu einer weiteren Verkleinerung der Bauteile, ergibt sich daraus zwangsläufig
eine Verringerung der Anschluss-Abstände sowie die Entwicklung neuer Lösungskonzepte.
Um bei der Verwendung hochintegrierten Bauteile, wie FC und CSP die erforderlichen
Anschlüsse auf der Leiterplatte realisieren zu können sind gravierende Veränderungen
im Leiterplattenaufbau und -layout erforderlich. Eine Möglichkeit der Umsetzung
sind MicroVias, mit denen auf der Leiterplatte etwa 15 % Platz gespart und die
Anschlussdichte um etwa 50-60 % gesteigert werden kann [LIND-97].
Die Herstellung der elektrischen Verbindungen beim Einsatz hochintegrierter Bauteile
kann nur unter Verwendung von Reflowlötprozessen erfolgen. Beim Reflowprozess
treten abhängig von den Prozessparametern und der Lotpastenqualität immer wieder
Poren innerhalb der Lötverbindungen auf. Liegen diese Poren an ungünstigen Stellen,
d.h. an Stellen an denen unter Betriebsbelastung die höchsten Spannungen auftreten,
tritt in diesen Bereichen verstärkt Rissbildung auf [AUER-96].
Bei SMD-Bauteilen herkömmlicher Größe ist die Problematik der Beeinträchtigung der
Zuverlässigkeit durch Poren mit einer Größe zwischen 50-130 µm eher von untergeordneter
Bedeutung. Ein beträchtlicher Teil des Verbindungsquerschnittes nehmen
Poren der beschriebenen Dimensionen bei den in der fine-pitch-Oberflächenmontage
verwendeten Rastermaßen von 0,65 mm bzw. 0,5 mm ein. Durch die MicroVia-Technik
wird das Problem der Poren in Lötstellen zusätzlich verschärft, da MicroVias häufig in
der Lötstelle als Initialpunkt und Fixierung von Gasblasen und Flussmitteleinschlüssen
wirken (Bild 1). Einerseits wird bereits beim Lotpastendruck in den durch die MicroVias
entstehenden Hohlräume Luft eingeschlossen, die dann beim Aufschmelzen der Lotpaste
nicht entweichen kann und so eine Pore bildet. Anderseits werden durch die Kapillarkräfte
auch bevorzugt Lösemittel und andere flüssige Pastenbestandteile aufgesogen,
die dann beim Erhitzen im Lötprozess verdampfen und ebenfalls Poren und
Einschlüsse verursachen. Insbesondere die Zuverlässigkeit der Lötverbindungen von
Array-Bauformen kann durch Poren signifikant beeinträchtigt werden.

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Bild 1
Poren in CSP-Lötverbindungen auf einer Leiterplatte mit MicroVias
Die Relevanz für die Zuverlässigkeit der Lötverbindungen wird verdeutlicht, wenn man
sich die Entwicklung der Rastermaße und Bohrungsdurchmesser in Relation zu den
häufigsten Porendurchmessern betrachtet (Bild 2). Schon heute sind die Rastermaße
von µBGA’s und CSP-Bauformen in der gleichen Größenordnung wie die durch die
MicroVias hervorgerufenen Poren in den Lötstellen. Dadurch begründet sich der erhebliche
Einfluss auf die Lötverbindung und deren Zuverlässigkeit bei Verwendung der
neuen Bauformen.
Bild 2
Entwicklung von BE-Rastermaßen und LP-Bohrungsdurchmessern in Relation
zu Porengrößen

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Verschiedene Untersuchungen [LIUS-94], [CHIU-98], [KREU-98] haben gezeigt, dass
die Bildung von Poren, insbesondere die Zuverlässigkeit der Lötverbindungen von Array-Bauformen
(BGA, µBGA, CSP, FC) signifikant beeinträchtigt, aber auch durch eine
geeignete Wahl der Prozessparameter und Werkstoffe beeinflusst werden kann. Dies
bedeutet, dass die systematische Minimierung von Poren sowohl die Optimierung der
Geometrie, der verwendeten Werkstoffe als auch die Anpassung der Prozesse einschließen
muss. Flussmittel und Temperaturprofil sollten optimal aufeinander abgestimmt
sein, damit flüchtige Bestandteile der Paste weitestgehend vor dem Aufschmelzen
des Lotes entweichen können, die Aktivatoren sich aber noch nicht thermisch zersetzen
können. Es hat sich gezeigt, dass spezielle konstruktive Anordnungen, wie z.B.
die versetzten Lotdepots [NOWO-97], die Anzahl der Poren und Einschlüsse vermindern
können. Die Erkenntnisse über die Einflussparameter der Porenbildung in den
Lötverbindungen bei herkömmlichen SMD-Bauformen lassen sich jedoch nicht auf Array-Bauformen
in Verbindung mit der Microviatechnik übertragen.
Derzeit existieren keine gesicherten systematischen Erkenntnisse, welche Prozess-
Parametervariationen erforderlich sind, um die Porenbildung zu vermeiden bzw. zu
minimieren. Da also keine eindeutigen Prozessvorgaben vorhanden sind, kommt es
abhängig von der Prozesswahl des jeweiligen Anwenders zu einer hohen Schwankung
der Qualität der Lötverbindungen. Eine Beurteilung der Poren ist nur durch aufwändige
Verfahren wie Röntgen- oder Ultraschallanalyse möglich.
Da in elektronischen Schaltungen der Anteil an Array-Bauformen auf Microvia-
Leiterplatten in den nächsten Jahren erheblich zunehmen wird, ist die gezielte Erarbeitung
der Einflussparameter auf die Qualität solcher Verbindungen von großer Bedeutung.