Wie beeinflussen Flussmittelmischungen das Migrationsverhalten auf elektronischen Baugruppen bei Reparaturlötprozessen? Dieser Frage haben sich Experten der Forschungsvereinigung GfKORR – Gesellschaft für Korrosionsschutz und des Fraunhofer ISIT im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördertem Forschungsprojekts gestellt. Im Rahmen des IGF-Vorhabens Nr. 17960N „Untersuchung des Einflusses der elektrochemischen Korrosion auf die Zuverlässigkeit von reparierten elektronischen Baugruppen unter Verwendung bleifreier Lote und No-Clean-Flussmittelmischungen“ wurde das Risikopotenzial für elektrochemische Migration (ECM) im Reparaturfall elektronischer Baugruppen unter Berücksichtigung des Einsatzes von Lötwerkstoffen mit unterschiedlichen chemischen Flussmittelzusammensetzungen systematisch untersucht.

Beispiel für elektrochemische Migration und Dendritenbildung, REM-Aufnahme. Fraunhofer ISIT

Bild 1: Beispiel für elektrochemische Migration und Dendritenbildung, REM-Aufnahme. Fraunhofer ISIT

 

Während des bleifreien selektiven Nacharbeitslötprozesses stellt sich eine unterschiedliche zeitliche, aber vor allem auch räumliche Temperaturverteilung auf der Baugruppe ein. Hinzu kommt, dass oftmals andere Flussmittel als in den Erstlötprozessen zum Einsatz kommen. Somit verbleiben Flussmittelreste und Mischungen unbekannter chemischer Zusammensetzung, die ein nicht kalkulierbares Risiko für elektrochemische Migration darstellen (Bild 1). Mittels Oberflächenisolationswiderstandsmessungen (Surface Insulation Resistance, SIR) wurde nachgewiesen, dass im Reparaturfall elektronischer Baugruppen ein Risikopotenzial für elektrochemische Migration besteht. Durch fertigungsrelevante Prozessvariationen wurden potenziell kritische Materialkombinationen und Lötprozessparameter aufgezeigt.

 

Wie durch eine qualifizierte Lötprofiloptimierung, die richtige Material- und Prozesswahl sowie das Einhalten der vom Materiallieferanten vorgegebenen Prozesstemperaturen und -zeiten ein akzeptables Lötergebnis bei gleichzeitig weitgehendem Verbrauch (beispielsweise Deaktivierung) aktiver Flussmittelbestandteile erreicht werden kann, wird im Beitrag dargestellt. Dadurch kann bei Folge- und/oder Nacharbeitslötprozessen die Grundlage für die Herstellung zuverlässiger Elektronik mit minimiertem Risikopotential für elektrochemische Migration geschaffen werden.

 

Entstehungsmechanismen für die elektrochemische Migration

Die typische Korrosionserscheinung in der Mikroelektronik, die elektrochemische Migration zeichnet sich in den folgenden drei Schritten ab (Bild 2, [1], [2]): anodische Metallauflösung, Wanderung der Metallionen und Metallionenabscheiung. Voraussetzung für das Brückenwachstum bei der elektrochemischen Migration ist die Anwesenheit von Feuchte, eine Potenzialdifferenz zwischen benachbarten stromführenden Leitern und ein zur Migration neigender Metallisierungswerkstoff.

Bild 2: Wie entsteht ECM? Schematische Darstellung der Auflösung, Ionenwanderung und -abscheidung: a) Anodische Metallauflösung, b) Wanderung der Metallionen, c) Metallionenabscheidung.

Bild 2: Wie entsteht ECM? Schematische Darstellung der Auflösung, Ionenwanderung und -abscheidung: a) Anodische Metallauflösung, b) Wanderung der Metallionen, c) Metallionenabscheidung. Fraunhofer ISIT

  • Anodische Metallauflösung Aufgrund der angelegten äußeren Potenziale (nicht der Eigenpotenziale der Elemente gemäß der Spannungsreihe) werden alle beteiligten metallischen Werkstoffe derart stark polarisiert, dass sie sich in Form von Ionen aus dem Metallverbund herauslösen können. Verunreinigungen auf der Leiterplatte, insbesondere Chlorid, erhöhen die Wahrscheinlichkeit der Brückenbildung.
  • Wanderung der Metallionen Es findet eine Wanderung der gelösten Metallionen statt. Dabei ist die Leitfähigkeit des Elektrolyten die entscheidende Triebkraft. Die Driftrichtung der Ionen hängt entweder vom Konzentrationsgradienten oder vom Potenzialgradienten des Elektrolyts ab, je nachdem welcher von diesen dominierend ist. Bei großer Verunreinigung kann somit auch eine Diffusion der Ionen entgegen des elektrischen Feldes erfolgen.
  • Metallionenabscheidung Die Abscheidung findet bevorzugt an Orten großer Feldstärken statt, also etwa an Spitzen oder Kanten. Dies führt zum Ausbau von oberflächlichen Gitterstörungen, zu Mikrorauheiten und über Pyramidenwachstum zur Ausbildung dendritischer Strukturen (siehe Bild 1). Sobald eine leitfähige Verbindung zwischen Anode und Kathode hergestellt ist, kommt es zum Kurzschluss und damit zum Funktionsausfall des Systems.

 

Systematische Untersuchung mit No-Clean-Flussmitteln

Aufgabe war die systematische Untersuchung des Einflusses von No-Clean-Flussmitteln auf das Korrosionsverhalten (insbesondere elektrochemische Migration [2]) von reparierten elektronischen Baugruppen. Hierzu wurden vier Lotpasten mit zwei Legierungsvarianten, SAC305 sowie SnCu0.7 mit Mikrolegierungsanteilen, mit den Flussmittelformulierungen ROL0 beziehungsweise REL0 untersucht. Flussmittel für Wellen- und Selektivlöten sowie Röhrenlot zum Handlöten wurden als RO- respektive RE-Variante mit einer Aktivierung L0 respektive M0 und M1 eingesetzt, siehe Tabelle 1. An verschiedenen Kombinationen von Lötprozessen wurden die elektrochemische Migration auf elektronischen Baugruppen und der Einfluss von Flussmittelmischungen auf die Zuverlässigkeit untersucht.

Tabelle 1: Lotmaterialien und Klassifizierung

Tabelle 1: Lotmaterialien und Klassifizierung Fraunhofer ISIT

 

Bild 3: Lötprofil Wellenlöten: „Welle an“, max. Temperatur: Lötwelle 260°C, LP Bot 216°C, LP Top 171°C.

Bild 3: Lötprofil Wellenlöten: „Welle an“, max. Temperatur: Lötwelle 260°C, LP Bot 216°C, LP Top 171°C. Fraunhofer ISIT

 

 

Für den Inline-Konvektions-Lötprozess wurde für die SAC-Legierung eine Einstellung gewählt, die nach Datenblatt mittig im Lötprozessfenster der Lotpasten liegt. Dies entspricht dem typischen Anwendungsfall beim Baugruppenfertiger. Mit dem Wellenlötprozess wurden zwei Zustände abgebildet. Zum einen der Normalzustand: Durchlaufen der Lötwelle mit einem Temperatur-Zeitverlauf, wie er einer typischen SAC-Lötung entspricht (Bild 3). Der zweite Wellenlötzustand entspricht dem Prozessverlauf, wie er entsteht, wenn Flussmittel auf die Oberseite der Leiterplatte gelangt (Bild 4). Dies kann zum Beispiel beim Flussmittelauftrag durch nicht abgedeckte Bohrungen geschehen. Das oben liegende Flussmittel sieht während des Wellenlötens eine Temperatur, die deutlich unter der Lötwellentemperatur liegt. Auch fehlt der direkte Kontakt zur Lötwelle. Möglicherweise vorhandenes, überschüssiges Flussmittel wird somit nicht abgewaschen.

Bild 4: Lötprofil Wellenlöten: „Welle aus“, max. Temperatur: LP Bot 153°C, LP Top 142°C.

Bild 4: Lötprofil Wellenlöten: „Welle aus“, max. Temperatur: LP Bot 153°C, LP Top 142°C. Fraunhofer ISIT

Beim maschinengestützten Nacharbeitslöten (Rework) erfolgt der Wärmeeintrag mit einer 40 mm x 40 mm großen Heißgasdüse. Um auch hier den Einfluss von Flussmittelrückständen, die nicht der Arbeitstemperatur ausgesetzt werden, zu untersuchen, wurden Lötprofile mit Maximaltemperaturen von 150 °C, 215 °C und 230 °C eingefahren. Dazu wurde ein Lötprofil mit einer Zieltemperatur von 245 °C eingemessen (Bild 5).

 

Untersucht wurde das Risikopotenzial für elektrochemische Migration durch Oberflächenisolationswiderstandsmessungen (SIR-Testanalyse). Durchgeführt wurden die SIR-Tests in Anlehnung an IPC-J-STD-004 [4, 5] mit folgenden Versuchsbedingungen:

Bild 5: Lötprofil Rework, Zieltemperatur 245°C, max. Temperatur: Top Mitte 244,6°C, Top oben links 234,8°C, Top oben rechts 235,4°C, Top unten links 238,1°C, Top unten rechts 234,5°C.

Bild 5: Lötprofil Rework, Zieltemperatur 245°C, max. Temperatur: Top Mitte 244,6°C, Top oben links 234,8°C, Top oben rechts 235,4°C, Top unten links 238,1°C, Top unten rechts 234,5°C. Fraunhofer ISIT

  • Lötwärmebelastung der Testboards mit den eingefahrenen Lötprofilen und Flussmittelkombination
  • Testspannung 100V, Messspannung 100V, Messung alle 20 Minuten,
  • Feuchte: 85% r. F., Temperatur: 85 °C, Testdauer: 168h,
  • Stabilisierungsperiode vor Feuchtebeaufschlagung: 2h,
  • Prüfstruktur: IPC-B-24: 400 μm Linienbreite, 500 μm Spacing,
    IPC-B-52: 200 μm Linienbreite, 200 μm Spacing,
  • Oberfläche: Cu und chem. NiAu.
  • Pro Einzeltest wurden vier Einzelstrukturen geprüft.
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