Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten alternativer Elektroniklote in der Oberflächenmontage (SMT)
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Diss. Reihe Fertigungstechnik, Band 113
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Abstract
The production of electronic products and devices has a key role in the economic network of all developed economies. The world electronics market, which is forecast to grow by more than seven percent annually until 2005, is characterized by the highest level of development dynamism and innovative ability in products and processes. With rapidly changing technological boundary conditions, especially through the developments in semiconductor technology (increasing the functional density, reducing the size) and increasing requirements with regard to the complexity of the products, quality and price, the reliable mastery of appropriate manufacturing technologies has proven to be the basis for the company's success. The construction and connection technology for electronic products (AVT) plays an important role in this context, since it has a strong influence on product properties and quality. It is it that ultimately determines the size of the product, performance, reliability, price and environmental compatibility. The present work originated in the context of various research projects which were influenced by the current discussion on alternative solder materials or which were confronted with this question due to international developments during the processing phase. The aim was therefore to systematically and fundamentally investigate the use of alternative, lead-free solder materials as a universal replacement for the tried-and-tested technology of soldering with tin-lead solders and to evaluate the potential use of these solder materials for surface mounting. In a first step, potential alternatives to the cohesive connection technology based on lead-containing solder materials in the manufacture of flat assemblies were evaluated in a comparative manner from a technological, economic and ecological point of view. As a result, it can be summarized that although there are a number of possible substitution technologies, on the other hand, only the use of lead-free solder materials represents a promising perspective from the point of view of universal use for surface mounting, availability and environmental compatibility. Based on these findings, a systematic qualification methodology for alternative solder materials was developed, with the help of which suitable materials could be selected and comprehensively technologically qualified. From the abundance of lead-free solder materials that are now available, six different alloys were selected for further investigations. By determining technologically relevant properties such as the wetting behavior on different circuit board surfaces as well as by producing and testing reflow solder connections, the selected solder materials could be qualified and their application potential demonstrated. Extensive experimental analyzes have shown that the selected alternative solders achieve the high level of previous solder connections based on tin-lead solders with regard to the processing properties in different reflow processes and the mechanical solder joint functionality, and in some cases even significantly exceed them. From the point of view of long-term behavior, similar reliability properties were determined for the six alternative alloys examined and the standard solder used as a reference. While ternary lead-free alloys based on Sn, Ag and Cu can already be used in combination with lead-containing connection metallizations and are on an equal footing with the standard alloy, the investigated bismuth-containing solder materials have significantly better long-term properties in completely lead-free configurations. In these cases, considerable lifespan advantages could be demonstrated even under extreme loads. According to the available results, zinc-containing solder materials, which could only be considered marginally in this work, also promise good application possibilities. As an exemplary application for the group of low-melting lead-free solder materials, their use as a connection medium for electronic components on rigid and flexible thermoplastic circuit carriers was also examined. It was demonstrated that low-melting solders without any loss of quality with regard to the quality of the solder joint can achieve considerable economic advantages by using substrate materials that were not suitable for reflow soldering. This means that alternatives are available that enable a further spread of innovative circuit carrier concepts at significantly reduced overall costs. A complementary approach to the use of thermoplastic base materials with low heat resistance as a circuit substrate is the use of selective soldering processes. For this application, a non-contact 3D-capable selective soldering system was set up and fundamentally technologically qualified. In combination with low-melting solders, the process window for selective reflow processes for the selected standard plastic ABS could be determined. The conclusion of the investigations carried out was the implementation of a continuous process chain for processing unhoused flip-chip components using an exemplary lead-free alloy. Results of extensive test series on processing (stencil printing, reflow process) and long-term behavior also demonstrate the advantages of alternative solders that can be achieved with optimized process management. As part of the work carried out, the application potential of different alternative solders for various electronic applications under laboratory conditions could be demonstrated. Taking into account the legislative and economic constraints, the manufacturing basics for introducing lead-free reflow soldering processes into the series production of electronic assemblies have thus been created.
Abstract
Die Produktion elektronischer Erzeugnisse und Geräte hat eine Schlüsselrolle im wirtschaftlichen Netzwerk aller entwickelten Volkswirtschaften inne. Der Weltelektronikmark, dem bis zum Jahr 2005 Wachstumsraten von jährlich mehr als sieben Prozent prognostiziert werden, ist durch höchste Entwicklungsdynamik und Innovationsfähigkeit bei Produkten und Prozessen gekennzeichnet. Bei sich stark ändernden technologischen Randbedingungen speziell durch die Entwicklungen der Halbleitertechnologie (Erhöhung der Funktionsdichte, Reduzierung der Baugröße) und steigenden Anforderungen hinsichtlich Komplexität der Produkte, Qualität und Preis erweist sich die sichere Beherrschung entsprechender Fertigungstechnologien als Grundlage für den Unternehmenserfolg. Eine bedeutende Rolle kommt in diesem Zusammenhang der Aufbau- und Verbindungstechnologie für elektronische Produkte (AVT) zu, da sie starken Einfluß auf Produkteigenschaften und Qualität nimmt. Sie ist es, die letztendlich die Größe des Produktes, die Leistungsfähigkeit, die Zuverlässigkeit sowie Preis und auch Umweltverträglichkeit maßgeblich mitbestimmt. Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte, die unter dem Eindruck der aktuellen Diskussion zum Thema alternative Lotwerkstoffe standen oder während der Bearbeitungsphase mit dieser Fragestellung infolge der internationalen Entwicklungen konfrontiert wurden. Ziel war es deshalb, den Einsatz alternativer, bleifreier Lotwerkstoffe als universeller Ersatz für die altbewährte Technologie des Lötens mit ZinnBlei-Loten systematisch und grundlegend zu untersuchen sowie das Einsatzpotential dieser Lotwerkstoffe für die Oberflächenmontage zu bewerten. In einem ersten Schritt wurden potentielle Alternativen zur stoffschlüssigen Verbindungstechnik auf Basis bleihaltiger Lotwerkstoffe in der Flachbaugruppenfertigungn unter technologischen, wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten vergleichend bewertet. Als Ergebnis läßt sich zusammenfassen, daß es zwar eine Reihe möglicher Substitutionstechnologien gibt, andereseits unter den Gesichtspunkten des universellen Einsatzes für die Oberflächenmontage, der Verfügbarkeit und der Umweltverträglichkeit letztlich nur der Einsatz bleifreier Lotwerkstoffe eine aussichtsreiche Perspektive darstellt. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurde eine systematische Qualifizierungsmethodik für alternative Lotwerkstoffe entwickelt, mit deren Hilfe geeignete Werkstoffe ausgewählt und umfassend technologisch qualifiziert werden konnten. So wurden aus der Fülle der mittlerweile verfügbaren bleifreien Lotwerkstoffe sechs verschiedene Legierungen für weitergehende Untersuchungen ausgewählt. Durch Ermittlung technologisch relevanter Eigenschaften wie des Benetzungsverhaltens auf unterschiedlichen Leiterplattenoberflächen sowie durch Herstellungen und Prüfung von Reflowlötverbindungen konnte eine Qualifizierung der ausgewählten Lotwerkstoffe vorgenommen und das Einsatzpotential aufgezeigt werden. In umfangreichen experimentellen Analysen konnte nachgewiesen werden, daß die ausgewählten Alternativlote hinsichtlich der Verarbeitungseigenschaften in unterschiedlichen Reflowprozessen sowie der mechanischen Lötstellenfunktionalität das hohe Niveau bisheriger Lötverbindungen auf Basis von Zinn-Blei-Loten erreichen und teilweise sogar deutlich übertreffen. Unter dem Gesichtspunkt des Langzeitverhaltens wurden für die sechs untersuchten Alternativlegierungen und das als Referenz herangezogene Standardlot insgesamt ähnliche Zuverlässigkeitseigenschaften ermittelt. Während ternäre bleifreie Legierungen auf der Basis von Sn, Ag und Cu im Kombination mit bleihaltigen Anschlußmetallisierungen schon heute eingesetzt werden können und sich dabei ebenbürtig zur Standardlegierung verhalten, besitzen die untersuchten wismuthaltigen Lotwerkstoffe bei komplett bleifreien Konfigurationen deutlich bessere Langzeiteigenschaften. In diesen Fällen konnten erhebliche Lebensdauervorteile auch unter extremen Belastungen nachgewiesen werden. Zinkhaltige Lotwerkstoffe, die im Rahmen dieser Arbeit nur am Rande berücksichtigt werden konnten, versprechen nach den vorliegenden Ergebnissen ebenfalls gute Einsatzmöglichkeiten. Als exemplarischer Anwendungsfall für die Gruppe der niedrigschmelzenden bleifreien Lotwerkstoffe wurde im weiteren deren Einsatz als Verbindungsmedium für elektronische Bauteile auf starren und flexiblen thermoplastischen Schaltungsträgern untersucht. Dabei wurde belegt, daß durch niedrigschmelzende Lote ohne Qualitätseinbußen im Hinblick auf die Lötstellenqualität erhebliche wirtschaftliche Vorteile durch Nutzung bisher nicht reflowlöttauglicher Substratwerkstoffe erzielt werden können. Damit stehen Alternativen zur Verfügung, die eine weitere Verbreitung innovativer Schaltungsträgerkonzepte bei deutlich reduzierten Gesamtkosten ermöglichen. Einen ergänzenden Ansatz zur Nutzung thermoplastischer Basismaterialien mit geringer Warmformbeständigkeit als Schaltungsträgersubstrat stellt der Einsatz selektiver Lötverfahren dar. Für diesen Anwendungsfall wurde ein berührungslos arbeitendes 3D-fähiges Selektivlötsystem aufgebaut sowie grundsätzlich technologisch qualifiziert. In Kombination mit niedrigschmelzenden Loten konnte das Prozeßfenster für selektive Refiowprozesse für den beispielhaft ausgewählten Standardkunststoff ABS ermittelt werden. Abschluß der durchgeführten Untersuchungen bildete die Realisierung einer durchgängigen Prozeßkette zur Verarbeitung ungehäuster Flip-Chip-Bauteile unter Verwendungen einer exemplarisch ausgewählten bleifreien Legierung. Ergebnisse umfangreicher Testreihen zu Verarbeitung (Schablonendruck, Reflowprozeß) und Langzeitverhalten belegen auch hier die bei optimierter Prozeßführung erzielbaren Vorteile alternativer Lote. Im Rahmen der durchgeführten Arbeit konnte das Einsatzpotential unterschiedlicher Alternativlote für verschiedenste elektronische Applikationen unter Laborbedingungen nachgewiesen werden. Unter Berücksichtigung der legislativen und wirtschaftlichen Randbedingungen sind damit die fertigungstechnischen Grundlagen für eine Einführung bleifreier Reflowlötprozesse in die Serienfertigung elektronischer Baugruppen geschaffen worden.