Qualitätssteigerung in der Elektronikproduktion durch Optimierung der Prozeßführung beim Löten komplexer Baugruppen
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Diss. Reihe Fertigungstechnik, Band 78
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Abstract
Due to the increasing product and process complexity in electronics manufacturing, the mastery of manufacturing technologies is becoming an increasingly important competitive factor in order to guarantee cost-effective production of electronic assemblies with a high level of quality. The connection technology represents a central process step in the production chain. The aim of the work was to contribute to increasing quality in electronics production based on a holistic analysis of the soldered connection system, including the materials, systems and processes involved. One focus was on the technology of spatial, injection-molded circuit carriers (3-D MID), which place new demands on the connection technology due to the use of thermoplastic substrate materials and the three-dimensional characteristics of the base part. In the first part of this work, technology studies on the area of solder joint formation were presented. These focused on component positioning on the pads during the reflow process and on the internal structure of the solder joints. With the help of the visualization of the soldering process, preventive quality assurance measures to promote the self-centering effect as well as strategies to avoid twisting errors in SMT components were shown. The use of X-ray technology for process monitoring made it possible to detect the influence of various material and process parameters on pore formation and to derive measures for optimizing the process control. In this way, important foundations for increasing the solder joint quality have been developed. For the increasing variety of variants, a temperature-controlled infrared soldering system was set up in the area of system technology and its suitability for soldering different circuit carrier geometries was verified. Since the knowledge of the possible uses of conventional connection technology for MID technology is still very low, systematic process qualification of thermoplastic substrate materials was carried out for the first time. For this purpose, a multi-stage procedure was developed, which included an analysis of the entire composite system plastic-metal layer-component connection. The various investigations into the thermal load-bearing capacity of the substrates, the adhesion of the metal layers and the characterization of the soldering quality have demonstrated the suitability of different material and process combinations for SMD technology. The effects of various influencing factors in the production chain of the MID assemblies on the soldering result were also determined experimentally and processing instructions for the user of the MID technology were suggested. Due to the limited heat resistance of plastics, various solutions for expanding the processable spectrum of thermoplastics as a substrate material for electrical circuits were analyzed. The use of low-melting solder pastes and the use of selective soldering processes have proven to be suitable for reducing the temperature load on the plastics. As the investigations on soldering quality confirmed, these methods provide alternatives to the standard soldering techniques for MID technology. In addition to the processing properties, long-term reliability is a decisive criterion for the use of MID modules in the various areas of application. For this purpose, accelerated aging tests were carried out, which gave important insights into the failure rate and the failure mechanisms on thermoplastic circuit carriers. From this, measures to improve the long-term behavior by selecting fiber-reinforced plastics and by changing the circuit layout were developed and experimentally checked. On a MID product selected on the basis of these findings, it was possible to demonstrate the practical usability of the circuit carrier structure for the required operating conditions. The spatial design of the MID assemblies also poses a new challenge for the soldering systems. Based on various geometrical forms of three-dimensional circuit boards, an evaluation of the various heating methods and system concepts for reflow soldering of spatial circuit boards could be carried out on the basis of numerous studies. The possibilities of MID technology to arrange SMD components on inclined process levels places increased demands on process control due to the additional influence of gravity. From the results of extensive test series, criteria for the constructive design of the plastic carrier were developed and the requirements for the joining partners involved were defined. The knowledge gained from all investigations in the field of connection technology for spatial circuit carriers was finally summarized in guidelines for future users of MID technology. In addition, the use of MID technology through the injection molding of the circuit carriers still offers considerable rationalization potential in assembly, for example by realizing new contacting options, which are also discussed and to be tested in further work.
Abstract
Auf Grund der zunehmenden Produkt- und Prozeßkomplexität in der Elektronikfertigung wird die sichere Beherrschung der Fertigungstechnologien ein immer wichtig werdender Wettbewerbsfaktor, um eine kostengünstige Herstellung der elektronischen Baugruppen bei einem hohen Qualitätsniveau zu garantieren. Die Verbindungstechnik stellt dabei einen zentralen Verfahrensschritt in der Produktionskette dar. Ziel der Arbeit war, aufbauend auf eine gesamtheitliche Analyse des Systems Lötverbindung unter Einbeziehung der beteiligten Materialien, Anlagen und Prozesse, einen Beitrag zur Qualitätssteigerung in der Elektronikproduktion zu leisten. Ein Schwerpunkt lag dabei auf der Technologie der räumlichen, spritzgegossenen Schaltungsträger (3-D MID), die auf Grund des Einsatzes thermoplastischer Substratmaterialien und der dreidimensionalen Ausprägungen des Basisteils neue Anforderungen an die Verbindungstechnik stellen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden Technologieuntersuchungen zum Bereich der Lötstellenausbildung vorgestellt. Diese konzentrierten sich auf die Bauteilpositionierung auf den Anschlußflächen während des Reflowprozesses und auf die innere Struktur der Lötverbindungen. Mit Hilfe der Visualisierung des Lötprozesses konnten einerseits präventive Qualitätssicherungsmaßnahmen zur Förderung des Selbstzentriereffektes als auch Strategien zur Vermeidung von Verdrehfehlern bei SMT-Bauteilen aufgezeigt werden. Der Einsatz der Röntgentechnik zur Prozeßüberwachung ermöglichte den Einfluß verschiedener Material- und Prozeßparameter auf die Porenbildung zu detektieren und daraus Maßnahmen zur Optimierung der Prozeßführung abzuleiten. Damit sind wichtige Grundlagen zur Erhöhung der Lötstellenqualität erarbeitet worden. Für die zunehmende Variantenvielfalt wurde im Bereich der Anlagentechnik ein temperaturgeregeltes Infrarotlötsystem aufgebaut und dessen Eignung für das Verlöten unterschiedlicher Schaltungsträgergeometrien verifiziert. Da das Wissen über die Einsatzmöglichkeiten der konventionellen Verbindungstechnik für die MID-Technik noch sehr gering ist, wurde erstmals eine systematische Prozeßqualifizierung thermoplastischer Substratmaterialien durchgeführt. Hierzu wurde eine mehrstufige Vorgehensweise entwickelt, die eine Analyse des gesamten Verbundsystems Kunststoff-Metallschicht-Bauelementverbindung beinhaltete. Durch die verschiedenen Untersuchungen zur thermischen Belastbarkeit der Substrate, zur Haftung der Metallschichten und zur Charakterisierung der Lötqualität wurde die Einsatzfähigkeit unterschiedlicher Material- und Verfahrenskombinationen für die SMD-Technik nachgewiesen. Dabei wurden auch die Auswirkungen verschiedener Einflußgrößen in der Produktionskette der MID-Baugruppen auf das Lötergebnis experimentell bestimmt und daraus Verarbeitungshinweise für den Anwender der MID-Technologie vorgeschlagen. Auf Grund der begrenzten Warmformbeständigkeit von Kunststoffen wurden verschiedene Lösungen zur Erweiterung des verarbeitbaren Spektrums an Thermoplasten als Substratmaterial für elektrische Schaltungen analysiert. So hat sich die Verwendung niederschmelzender Lotpasten sowie der Einsatz selektiver Lötverfahren als geeignet erwiesen, die Temperaturbelastung für die Kunstoffe abzusenken. Wie die Untersuchungen zur Lötqualität bestätigten, stehen mit diesen Verfahren Alternativen zu den Standardlöttechniken für die MID-Technologie zur Verfügung. Neben den Verarbeitungseigenschaften stellt die Langzeitzuverlässigkeit ein entscheidendes Kriterium für den Einsatz von MID-Baugruppen in den verschiedenen Anwendungsgebieten dar. Hierzu wurden beschleunigte Alterungstests durchgeführt, die erste wichtige Erkenntnisse zur Ausfallrate und zu den Ausfallmechanismen auf thermoplastischen Schaltungsträgern ergaben. Daraus wurden Maßnahmen zur Verbesserung des Langzeitverhaltens durch Auswahl faserverstärkter Kunststoffe sowie durch Änderungen des Schaltungslayouts entwickelt und experimentell überprüft. An einem auf der Basis dieser Erkenntnisse ausgewählten MID- Produkt konnte der Nachweis der praktischen Einsatzfähigkeit des Schaltungsträgeraufbaus für die geforderten Einsatzbedingungen erbracht werden. Die räumliche Gestaltung der MID-Baugruppen stellt auch für die Lötsysteme eine neue Herausforderung dar. Anhand unterschiedlicher, geometrischer Ausprägungen von dreidimensionalen Schaltungsträgern konnte auf der Basis zahlreicher Untersuchungen eine Bewertung der verschiedenen Erwärmungsmethoden und Anlagenkonzepte für das Reflowlöten von räumlichen Schaltungsträgern durchgeführt werden. Die Möglichkeiten der MID-Technik SMD-Bauteile auf geneigten Prozeßebenen anzuordnen, stellt auf Grund des zusätzlichen Einflusses der Gravitation erhöhte Anforderungen an die Prozeßführung. Aus den Ergebnissen umfangreicher Testreihen wurden Kriterien für die konstruktive Gestaltung des Kunststoffträgers entwickelt sowie die Anforderungen an die beteiligten Fügepartner definiert. Die aus sämtlichen Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse im Bereich der Verbindungstechnik für räumliche Schaltungsträger wurden für zukünftige Anwender der MID-Technologie in Richtlinien abschließend zusammengefaßt. Darüberhinaus bietet der Einsatz der MID-Technik durch die spritzgußtechnische Herstellung der Schaltungsträger noch erhebliche Rationalisierungspotentiale in der Montage beispielsweise durch Realisierung neuer Kontaktierungsmöglichkeiten, die ergänzend diskutiert werden und in weiterführenden Arbeiten zu erproben sind.