Schadensfälle durch Elektrochemische Migration sind oft nur schwer nachzuweisen.

Schadensfälle durch Elektrochemische Migration sind oft nur schwer nachzuweisen. Zestron Europe

Im ersten Teil dieses Artikels, erschienen in der April-Ausgabe (4/2016) der Productronic, hat der Autor die Voraussetzungen für die Entstehung Elektrochemischer Migration (ECM) erläutert, den Entstehungsmechanismus im Detail betrachtet und die Abgrenzung der ECM zu anderen dendritischen Ausfällen und ihre Folgen dargestellt. Im Teil II dieses Beitrags steht die Frage im Mittelpunkt, wie man der ECM vorbeugen kann, um daraus resultierende Feldausfälle zu vermeiden. Dabei stellen die beiden Autoren des Reinigungsspezialisten Zestron Europe vier unterschiedliche Ansätze vor, die vor ECM schützen können.

1. Ansatz: Werkstoffe & Schaltungsdesign

Bild 1: Quarzgefüllte Lötstoppmaske (l.) im Vergleich zu einer ungefüllten Lötstoppmaske (r.).

Bild 1: Quarzgefüllte Lötstoppmaske (l.) im Vergleich zu einer ungefüllten Lötstoppmaske (r.). Zestron Europe

Wie bereits in Teil I beschrieben, hat der Werkstoff großen Einfluss auf die Entstehung beziehungsweise Begünstigung der ECM. So entscheidend der Hebel der Werkstoffe und des Schaltungsdesigns jedoch erscheint, so gering ist in der Realität die Chance, ein bestehendes Produkt zu ändern. Idealerweise werden die nachfolgend aufgeführten Punkte daher, wenn möglich, bereits bei der Entwicklung, beziehungsweise spätestens in der B-Muster-Phase berücksichtigt.
Um bestmögliche Korrosionsbeständigkeit zu erreichen, ist als erstes auf die Auswahl der Lötstoppmaske zu achten. Eine hydrophobe, eher ungefüllte Lötstoppmaske ist einer gefüllten und daher meist polaren vorzuziehen, da sie den adsorbierten Feuchtefilm minimiert und so den kritischen Feuchtefilm zu höheren relativen Feuchten in Richtung Betauung verschiebt (Bild 1).
Bei der Auswahl der Metallisierung ist eine Variante zu empfehlen, die nur schwer lösliche Komplexe und im alkalischen Bereich idealerweise keine Hydroxide bildet. Dies kann auf der Bare-Board-Seite beziehungsweise bei den Anschlusskontakten eine Nickelgold-Metallisierung wie ENIG (Electroless Nickel Gold) oder ENIPG (Electroless Nickel Palladium Gold) sein. Denn bei Nickel kommt es unter Kondenswasser-Bedingungen nicht zur Migration beziehungsweise Korrosion, während insbesondere Silber, Kupfer, Blei und Zinn migrieren. Dabei folgt die Neigung zur Brückenbildung sehr ausgeprägt den Potenzialen der Spannungsreihe und der Erweiterung des aktiven Werkstoffverhaltens im alkalischen Bereich (Bild 2).
Gerade die schon in dünnen Feuchtefilmen ab 60% RH gut löslichen Silberhydroxide stellen ein besonders hohes Risiko dar und sollten nach Möglichkeit vermieden werden, sodass bei der Auswahl des Lotes Ag-freie oder Ag-arme Lote wie SAC-Legierungen mit maximal 1% Ag günstig wären. Durch die Planung des Layouts und des elektrischen Designs lässt sich nur begrenzt gegen ECM vorbeugen. Dennoch gibt es auch hier grundsätzliche Möglichkeiten, die das Risiko minimieren, unter anderem die Potenzialtrennung im Layout und die Schaffung größtmöglicher Abstände zwischen Spannungsversorgung/VCC und Masse/GND (Bild 3).

Bild 2: Pourbaix-Diagramme von Zinn und Nickel im Vergleich: Zinn (l.) migriert bei Kondenswasserbildung, Nickel (r.) nicht.

Bild 2: Pourbaix-Diagramme von Zinn und Nickel im Vergleich: Zinn (l.) migriert bei Kondenswasserbildung, Nickel (r.) nicht. Zestron Europe

Beim Schaltungsdesign sind kurze Signalzeiten, also kurze, quasi hochfrequente Signale zu empfehlen, weil diese aufgrund der Trägheit der Korrosionsvorgänge das Risiko für ECM reduzieren. Ebenso empfehlenswert sind niederohmige Bauelemente, da sie im Betrieb eine höhere Verlustwärme entwickeln, wodurch eine Selbsttrocknung und damit Eigensicherheit der Schaltung erreicht wird. Zu hohe Verluste sind allerdings gerade bei mobilen, batteriegestützten Systemen aufgrund der begrenzten Batterieleistungen ein Zielkonflikt.
Erfahrungsgemäß hat die Korrosionsbeständigkeit bei der Baugruppenplanung jedoch nicht die höchste Priorität, da in der Regel die Kosten, der Platzbedarf und die EMV-Verträglichkeit klar im Vordergrund und meist auch im Zielkonflikt zur Korrosionsbeständigkeit stehen. Ein häufiger Zielkonflikt ist zum Beispiel die Potenzialtrennung im Layout, die in der Regel den elektromagnetischen Abstrahlungsanforderungen/EMI entgegensteht und daher oft nicht entsprechend umgesetzt wird. Kann die Korrosionsbeständigkeit nicht berücksichtigt werden oder handelt es sich um bereits bestehende Baugruppen, so liegt der Fokus zur Vermeidung von ECM auf den nachfolgenden Ansätzen.

2. Ansatz: Beschichten

Bild 3: Mangelnde Potenzialtrennung bei Steckern (l.) und bei Leitungs-/Kontaktplatzierung (r.)

Bild 3: Mangelnde Potenzialtrennung bei Steckern (l.) und bei Leitungs-/Kontaktplatzierung (r.) Zestron Europe

Elektronische Schaltungen werden häufig beschichtet, um sie vor ECM zu schützen. Für einen wirksamen Schutz müssen verschiedene Anforderungen erfüllt werden. Dabei geht es einerseits wieder um das Schaltungsdesign und die Bauelemente und andererseits um die Baugruppenreinheit.
Vor allem die Abstände zwischen den einzelnen Bauelementen spielen eine zentrale Rolle, da sie für das bevorzugte Lackierverfahren und den gewünschten Lack geeignet sein müssen. Des Weiteren muss sichergestellt werden, dass alle Bauelemente lackierfähig sind. Kritisch sind vor allem Stecker, weil sie unten offen sind und den Lack einziehen, sodass kein elektrischer Kontakt mehr vorhanden ist.
In solchen Fällen können struktur-thixotrope Lacke oder Mycrocoatings eine Lösung sein. Struktur-thixotrope Lacke haben keine Kapillargängigkeit, sodass Stecker problemlos mitlackiert werden können, während Mycrocoatings mechanisch nicht beständig sind, sodass sie beim Stecken der Kontakte zur Seite geschoben werden. Bei beiden Varianten ist es jedoch meist unumgänglich, auf einer Baugruppe verschiedene Lacke zu verwenden. So muss der Selektivbeschichtungsprozess zwingend auf mindestens zwei Lacke ausgelegt sein, wodurch das Verfahren im Verhältnis langsamer und teurer wird. Daher kommt es vor, dass eine Beschichtung aufgrund des Schaltungsdesigns, der Bauelemente oder einem Zielkonflikt hinsichtlich der Kosten nicht umgesetzt wird.
Sieht man von diesen Punkten ab, ist es für die Vermeidung von ECM wichtig, die Funktionsweise der Beschichtung genauer zu betrachten. So wird allgemein angenommen, dass Beschichtungen zu 100 Prozent undurchlässig für Feuchte seien. Zwar gilt dies für Wachssysteme, aber nicht für Polyurethan-, Acrylat- oder Silicon-Systeme (Bild 4). Das Problem in dieser Hinsicht liegt bei der Baugruppenreinheit und dem Vernetzungs- beziehungsweise Trocknungsgrad der Beschichtung. Ausgehend von der Hypothese, die Baugruppe sei vor dem Beschichten absolut rein, würde die Beschichtung ihren Zweck trotz Wasserdampfdurchlässigkeit vollständig erfüllen. Feuchtigkeit könnte zwar durch die Beschichtung diffundieren, hätte aber keine Gelegenheit, auf der Baugruppenoberfläche zu kondensieren, sondern würde im Lack verbleiben und daher keinen Schaden anrichten.
Bei Noclean-Prozessen wird jedoch häufig beschichtet, ohne vorher die nötige Oberflächenreinheit sicherzustellen. Stattdessen führt der Sicherheitsgedanke oft zu erhöhten Schichtdicken, frei nach dem altbekannten Motto „Viel hilft viel“. Doch die nach dem Lötprozess auf den Oberflächen verbleibenden Rückstände wie etwa Flussmittel, Aktivatoren und Harze fungieren als Kondensationskeime und Feuchtespeicher und fördern die Bildung von löslichen Metallkomplexen. Dringt Feuchte durch die Beschichtung, kann sie sich an diesen Verunreinigungen niederschlagen und führt letztlich zu ECM unter der Beschichtung. So lange also Verunreinigungen vorhanden sind, ist der Schutz vor ECM durch Beschichtung ein Trugschluss.
Dadurch bleiben an dieser Stelle zwei Möglichkeiten, wie man ECM erfolgreich vorbeugen kann: durch die Kombination aus Reinigung und nachfolgender Beschichtung oder alternativ durch die Kombination aus Reinigung und anschließendem Einbau in eine gut belüftete Umgebung beziehungsweise ein Gehäuse.

3. Ansatz: Reinigen und Beschichten

Bild 4: Wasserdampfdurchlässigkeit von Lacken in Abhängigkeit von der Temperatur.

Bild 4: Wasserdampfdurchlässigkeit von Lacken in Abhängigkeit von der Temperatur. Zestron Europe

Bei der Kombination aus Reinigen und Beschichten kommt es darauf an, einen geeigneten Reinigungsprozess zu finden, der jegliche Flussmittel, Aktivatoren und sonstige Verunreinigungen rückstandsfrei von der elektronischen Baugruppe entfernt, sodass die erforderliche Reinheit gegeben ist, um ECM zu vermeiden. Darüber hinaus sollte der Reinigungsprozess die Oberfläche der Baugruppe optimal auf die nachfolgende Beschichtung vorbereiten. Bei der Auswahl eines Reinigungsprozesses ist es daher wichtig, auf die richtige Kombination aus Reinigungschemie, Reinigungsanlage und Prozessüberwachung zu achten, um einen langfristig stabilen Reinigungsprozess und gleichbleibende Qualität sicherzustellen.
Neben der modernen Baugruppenreinigung in Spritz- oder Tauchprozessen mit Lösemitteln oder wasserbasierenden Reinigungsmedien, die hervorragend zur Flussmittelentfernung geeignet sind, wird auch immer wieder die Plasmabehandlung in Betracht gezogen. Plasma aktiviert zwar die Baugruppenoberfläche und sorgt so für eine bessere Benetzbarkeit. Plasma ist dagegen aber nicht in der Lage, dicke Schichten von Verunreinigungen, wie sie Flussmittel aus dem Lötprozess darstellen, vollständig zu entfernen. Die Plasmabehandlung verbessert also die Haftung der Beschichtung, das heißt der Lack haftet unter Umständen auf den Flussmittelrückständen. Diese haften allerdings nicht an der Oberfläche der Baugruppe, sodass sich lediglich die Bruchzone von der Verbindung Lack/Flussmittel auf die Verbindung Flussmittel/Baugruppenoberfläche verlagert. Letztlich erreicht man daher in einem Umweltstresstest mit plasmabehandelten Baugruppen die gleichen Ausfallraten wie bei völlig unbehandelt lackierten Baugruppen. Ein individuell auf die Anforderungen der Baugruppe abgestimmter Reinigungsprozess ist daher in jedem Fall vorzuziehen.

Zur Qualifizierung des Reinigungsprozesses beziehungsweise zur Reinheitsanalyse gibt es verschiedene Verfahren, die sich gegenseitig ergänzen (Bild 7). Dazu gehört die Messung der Oberflächenspannung, die mehr als 40 mN/m betragen sollte, um eine sehr gute Lackhaftung zu erreichen und die Beschichtungsqualität zu sichern, sowie die Ionische Kontaminationsmessung, bei der ein Wert kleiner als 0,4 µg/cm2 erreicht werden sollte. Die Messung des Ionenäquivalents (zum Beispiel nach J-STD 001F) mittels Contaminometer ist allerdings darauf beschränkt, lösliche und leitfähige Verunreinigungen zu detektieren. Eine Aussage über die lokale Verteilung der Verunreinigungen und daher eine konkrete Einstufung der Gefährdung ist nicht möglich. Ergänzend sind daher Schnelltests zur Detektion von Aktivatoren- und Harzrückständen sinnvoll, die Rückstände durch Farbindikatoren sichtbar machen und Aufschluss über deren lokale Verteilung geben.
Die moderne Baugruppenreinigung hat neben der Entfernung störender Verunreinigungen noch einen weiteren Vorteil: Durch die Erhöhung der Oberflächenspannung wird die Benetzbarkeit der Baugruppe deutlich verbessert. Dies führt an Kanten zu einer besseren Filmbildung bzw. Abdeckung, welche die Reduzierung der Lackschichtdicke ermöglicht, was unter Umständen zu einer erheblichen Kostenreduzierung führen kann.

Bild 7: Verfahren zur Bewertung der Baugruppenreinheit vor der Beschichtung zur Qualifizierung des Reinigungsprozesses.

Bild 7: Verfahren zur Bewertung der Baugruppenreinheit vor der Beschichtung zur Qualifizierung des Reinigungsprozesses. Zestron Europe

Ein Verfahren zur Beschichtungsprüfung ist der Coating-Reliability-Test (Co-Re-Test), bei dem es sich um ein normiertes Qualitätsprüfungsverfahren handelt, das zur Optimierung des Lackierprozesses und insbesondere für die Prozessparametrierung geeignet ist. Als QS-Test gewährleistet der Co-Re-Test unter anderem die Identifikation von Beschichtungsfehlern, Problemen mit der Beschichtungshaftung, korrosionsinduzierten Kriechströmen und ECM, und kann pro Baugruppe in 15 bis 30 Minuten bei Zestron Europe durchgeführt werden. Die beschichtete Baugruppe wird vollständig in entionisiertes Wasser getaucht und dann unter Betriebsspannung in den Stand-by-Modus gesetzt. Während des Tests wird der Betriebsstrom gemessen und über die Messdauer aufgezeichnet (Bild 5).
Auf diese Weise kann zum Beispiel geprüft werden, wie weit die Schichtdicke bei gereinigten Baugruppen ausgereizt, das heißt verringert werden kann, indem nacheinander Baugruppen mit immer geringerer Schichtdicke dem Test unterzogen werden, bis es zum Ausfall kommt.

4. Ansatz: Reinigen und Einbau in ein Gehäuse

Bild 5: Aufbauschema des Coating Reliability Tests: Die Beschichtungsprüfung ermöglicht die Optimierung des Lackierprozesses und die Prozessparametrierung.

Bild 5: Aufbauschema des Coating Reliability Tests: Die Beschichtungsprüfung ermöglicht die Optimierung des Lackierprozesses und die Prozessparametrierung. Zestron Europe

Wie bereits erwähnt gibt es jedoch auch Fälle, in denen das Beschichten aufgrund des Baugruppendesigns und der verwendeten Bauelemente problematisch oder aufgrund von Zielkonflikten, etwa wegen hoher Kosten, unerwünscht ist. Ein weiterer kritischer Punkt ist die Funktion des Lackes als Dielektrikum. Die Lackaushärtung führt bei schwankender Schichtdicke zu streuenden, dielektrischen Eigenschaften des Lackes, worauf vor allem Funk- und HF-Schaltungen sehr empfindlich reagieren.
In solchen Fällen ist der Einbau der Baugruppe in ein gut belüftetes Gehäuse eine Alternative. Das Gehäuse erfüllt hier eine ähnliche Funktion wie die Beschichtung, in dem es die Baugruppe vor Betauung schützt. Dabei ist die konstruktive Gestaltung des Gehäuses besonders kritisch, um die nötige Belüftung zu erreichen. So muss vor allem die korrekte Positionierung und Größe der Membranen, sowie die optimale Einbauposition und -richtung der Baugruppe beachtet werden. Die Autoren empfehlen daher für die Konstruktion der Gehäuse die Hilfe von Fachleuten aus dem Bereich der Membranherstellung.
Die Reinigung spielt dennoch auch bei dieser Lösung eine elementare Rolle, da auch hier sichergestellt werden muss, dass die nötige Reinheit gegeben ist, bevor die Baugruppe in das Gehäuse eingebaut wird, um Kondensationskeime auf der Oberfläche auszuschließen.

Auswahl und Validierung der Schutzmaßnahmen

Jeder der vier Ansätze zur Vermeidung von ECM ist mit unterschiedlich hohen Aufwendungen und Kosten verbunden. Deshalb ist es sinnvoll, für jeden Anwendungsfall individuell zu prüfen, welche Schutzmaßnahme das beste Kosten/Nutzen-Verhältnis bietet. Erfahrungsgemäß wird die erste Auswahl eines Ansatzes gerne auf Basis der Kosten getroffen. Im nächsten Schritt sollten zu dem favorisierten Ansatz drei bis fünf B52-Testbaugruppen aufgebaut und geprüft werden, um die Eignung des Ansatzes sicherzustellen. Die Validierung erfolgt anhand der Akzeptanzkriterien in Kapitel 9 der Norm IPC 9202 (Bild 6).

Bild 6: Akzeptanzkriterien nach IPC 9202 Kapitel 9.

Bild 6: Akzeptanzkriterien nach IPC 9202 Kapitel 9. Zestron Europe

Dabei bezieht sich der Paragraph 9.1 auf die Thematik der Signalintegrität. Erfüllt die Baugruppe den Mindestisolationswiderstand von 10E8 Ohm, so entsprechen das Layout und die verbleibenden Kriechströme den Mindestanforderungen. Paragraph 9.2 befasst sich mit dem Thema Verunreinigungen. Die Ionenchromatographie dient der Analyse von Verbindungen, die auf der Oberfläche aufliegen oder im Laufe des Schaltungsbetriebs aus den Materialien austreten. Die analysierten Verbindungen sind hinsichtlich ihres korrosiven oder ECM-auslösenden Potenzials zu bewerten, wobei die Grenzwerte der IPC als Orientierungshilfe genutzt werden können.
Dieses Validierungsverfahren dient der Absicherung und technischen Auswahl der Schutzmaßnahme. Wenn die Testbaugruppen die Kriterien der IPC 9202 erfüllen, kann der Ansatz auf die eigentliche Baugruppe übertragen werden. Nach der Umsetzung muss die Freigabe der Baugruppen entweder durch Umweltstresstests des Endkunden oder ein Audit sowie einer die IPC 9202-Tests ergänzenden FMEA (Fehler-Möglichkeits-Ereignis-Ausfallanalyse) erfolgen.

Schlussfolgerungen

Ein Baugruppen-Hersteller hat aufgrund der speziellen Gegebenheiten bei der jeweiligen Baugruppe oft keine freie Wahl, nach welchem der vier vorgestellten Ansätze er ECM vermeiden kann. Bei den verschiedenen Ansätzen ist es für ein günstiges Kosten-/Nutzen-Verhältnis wichtiger, die einzelnen Prozessbestandteile – wie beispielsweise Bauteile, Lack und Lackierverfahren – gut aufeinander abzustimmen, anstatt sich nur auf einen der Bestandteile zu fokussieren. Der CoRe-Test nach GfKorr-Leitfaden und die Qualifikation nach IPC 9202 sind geeignete Hilfsmittel, um die verschiedenen Prozessbestandteile für das Schutzverfahren aufeinander abzustimmen.
Für die Suche nach dem richtigen Reinigungsprozess empfehlen die Autoren den Kontakt zu Experten aus dem Bereich der Baugruppenreinigung, die Reinigungsversuche durchführen und deren Ergebnisse direkt im Anschluss nach oben beschriebenen Standards analysieren können. Dabei sollte die Abstimmung des Reinigungsprozesses auf die nachfolgende Beschichtung im Vordergrund stehen. Mit Blick auf die Gesamtkosten empfiehlt sich dann zu prüfen, in wieweit sich gleichzeitig der Beschichtungsprozess optimieren und die Zuverlässigkeit steigern lässt.