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Der diesjährige Fokus von ‚Wir gehen in die Tiefe 2013‘ war „Die Grenzen des Machbaren in der Elektronikfertigung ausloten“.
Einige der Referenten (v.l.n.r.): H. Schimanski, T. Schmidthausen, T. Lauer, D. Buße, Prof. Nowottnick, D. Doser, Dr. Keil, J. Trodler, H. Gumm und M. Kasper.
Die Veranstaltung bot mit vielen kurzen Pausen allerlei Möglichkeiten zum Wissenstransfer.
Die diesjährige Branchenveranstaltung „Wir gehen in die Tiefe“ lockte mehr als 160 Teilnehmer nach Dresden.
Auf dem Weg zur Null-Fehler-Strategie sind noch viele Fragen zu klären.
Zum achten Mal fand die Technologietagung statt, zum fünften Mal in Dresden und ausgebucht war sie wie immer.
Regen Andrang erfuhren die Table-Top-Aussteller während der Pausen.
Der nachempfundene Casinoabend in Radeberg Gelegenheit für intensiveres Networking.

Die Referenten legten gezielt den Finger in die Wunde: Auf dem Weg zur vielbeschworenen Null-Fehler-Strategie sind einige Hürden zu nehmen. Ob es je eine absolut fehlerfreie Fertigungsstrategie geben wird, wagten sie indes zu bezweifeln: „Der Fehler Mensch ist nicht ganz unerheblich“, brachte es Thomas Lauer von Cassidian Electronics EADS Deutschland auf den Punkt. Diese Aussage unterstreicht gleichzeitig, welche Anstrengungen zu unternehmen sind, um eine zumindest weitestgehend fehlerfreie Fertigung hinzubekommen. Ganz klar existieren mittlerweile viele Tools, die den Fertigungsprozess perfektionieren helfen sollen und sämtliche Hersteller entlang der Wertschöpfungskette mühen sich, Anwendern eine zuverlässigere und effizientere Fertigung zu ermöglichen.

„Denjenigen, der die Null-Fehlerstrategie geschafft hat, habe ich noch nicht kennengelernt“, pflichtet Patrick von Unold, Entwicklungsleiter von TQ-Systems, seinem Vorredner Thomas Lauer bei. Er betont dabei, dass, um Fehler zu minimieren, der Prozess gesteuert werden muss, was nichts anderes als die ständige Kontrolle gepaart mit Verbesserung nach sich ziehe. Dafür seien Regelkreise notwendig, die reichlich Daten benötigen. Jedoch unterliegen technische Prozesse immer statistischen Schwankungen. „Ziel für stabile Fertigungsprozesse ist ein Cpk-Wert von mindestens 1,33, oder 1,67“, erklärt von Unold. Transferiert in Sigma-Werte entspricht dies 4 oder 5σ, wobei bereits bei 4σ etwa 99,99 Prozent aller Messwerte in der Toleranz sind. Auf dem Weg zu höherer Prozessstabilität ist vor allem das Design entscheidend: „Strukturen bei Bauteilen und Leiterplatte sollten nur so fein sein wie nötig“, rät von Unold. Wichtig sei neben einem ausgewogenen Layout (Auswahl und Spezifikation von geeignetem Leiterplattenmaterial, für AOI geeignete Bauteilposition und Pads, etc.) auch die richtige Bauteilauswahl: So sollen sehr feuchteempfindliche Bauteile genauso vermieden werden, wie kritische – also lötempfindliche – Komponenten. Auch sollten Materialien wie etwa die Lotpasten vor dem Einsatz qualifiziert werden. Die Abnahme und Qualifizierung neuer Maschinen ist ebenfalls vorzunehmen, genauso wie die systematische Abnahme und Qualifizierung neuer Prozesse, beispielsweise mit dem Reflowprofil. Schließlich gelte es, Prozessfehler durch exakte Analyse zu minimieren.

Einen Vergleich (Vor- und Nachteile) sowie physikalische Eigenschaften und Handling von Heißgas- und Infrarot-Reworksystemen, wagte Dirk Doser, ebenfalls von Cassidian Electronics EADS Deutschland. Er stellte Degolding und Lotabsaugung in Kombination mit Reballing zusammen mit Rework und Lötprofilierung als Gesamtkonzept zur Steigerung der Zuverlässigkeit vor. Dabei können so genannte Hard Barrier Coatings durchaus die Whiskermitigation minimieren. Er hat die Erfahrung gemacht, dass sich mit Rework-Spezialdüsen die Heat-Affected-Zone signifikant reduzieren lässt.

Ad-hoc-Arbeitskreis R&R

Dennoch: Wenngleich eine stabile Prozesssicherung ihre Berechtigung hat und der Linienprozess ausreichend beschrieben ist, so liegen der Konflikt und gleichzeitig die Herausforderung in der großen Bauteile-Varianz auf der Platine. So können beispielsweise nicht eindeutig definierte Bauelementzustände (RASH oder fehlende Konformität zu Standards, etc.) zu sporadischen Nicht-Linientauglichkeiten von Bauelementen führen. Auch die Unklarheiten zu Stoffverträglichkeiten (speziell von Flussmittelsystemen) in Abhängigkeit von Stoff und Verfahren, können zu fehlerhaften Baugruppen führen. Am Ende steht dann häufig genug Rework & Repair. Doch wie zuverlässig sind reparierte Verbindungen?

Für den ZVEI war dieser Aspekt wohl Anlass genug, einen ad-hoc-Arbeitskreis Repair & Rework (R&R) zu gründen. Ziel ist es, eine Branchenempfehlung über qualifiziertes R+R zu erarbeiten, die im Sinne einer Selbstverpflichtung der Branchenteilnehmer beziehungsweise der Hersteller elektronischer Baugruppen dazu führen soll, dass die Kunden bei Erfüllung der definierten Rahmenbedingungen und Kriterien das R&R akzeptieren. Die Basis zur Umsetzung einer globalen R&R-Empfehlung bilden dabei etablierte Standards, innerhalb derer bereits (in Anlehnung an Massenlötverfahren wie Reflowlöten, Wellenlöten, etc.) zulässige Verfahrenswirkbereiche und Prozessgrenzen klar definiert sind. Der primäre Fokus widmet sich dabei den Lötprozessen, deren Verträglichkeit untereinander sowie einer adäquaten Vorbehandlung der Baugruppe.

Was ist was?

Nacharbeit (Rework):
Die erneute Bearbeitung von Teilen, die nicht den Anforderungen entsprechen, im Original-Prozess oder in alternativen gleichartigen Prozessen in einer Weise, dass anschließend die Teile die maßgebenden Zeichnungen und Normen erfüllen (zum Beispiel das Nachlöten von Lötverbindungen).

Modifikation (Modification):
Die Revision einer funktionellen Produkt-Befähigung, um neue Annahme-Kriterien zu erfüllen (zum Beispiel: Veränderung der Schaltung, Drahtbrücke).

Reparatur (Repair):
Das Wiederherstellen der Funktionstüchtigkeit eines defekten Teils in der Weise, dass das Teil anschließend wieder den Zeichnungen und Normen entspricht (zum Beispiel: Tausch einer Komponente).

Löttechnologien für die Leistungselektronik

Waren Leistungshalbleiter von jeher notwendig, so erleben sie mit eMobility einen wahren Siegeszug. Jedoch:. „In den nächsten 5 bis 10 Jahren sind Temperaturen oberhalb 200 °C zu erwarten“, prognostiziert Prof. Dr. Thomas Zerna von der Technischen Universität Dresden, der auch gleich das Forschungsprojekt HotPowCon vorstellte. Das BMBF-geförderte Projekt sieht vor, Fügewerkstoff-, Verfahrens- und Anlagenentwicklung zum Aufbau neuer elektronischer Leistungsbaugruppen für elektrische Antriebs- und Energiemanagementkonzepte mit Betriebsspitzentemperaturen bis 300 °C für Elektrofahrzeuge zu erforschen. Dass sich die Temperaturspirale unaufhaltsam nach oben dreht, lässt sich am Beispiel des IGBTs anschaulich darlegen. Kamen Anfang der 1990er Jahre IGBTs mit einer Leistungsdichte von rund 30 kW/cm² mit einer Junction-Temperatur von 125 °C aus, so weist die siebte, bereits auf SiC basierende Generation bereits eine Leistungsdichte von 250 kW/cm² und eine Junction-Temperatur von 200 °C auf.

Daraus ergeben sich Einschränkungen von Weichlötverbindungen: Die erhöhte Temperaturbeanspruchung der Die-to-substrate-Verbindung macht eine deutlich verbesserte Wärmespreizung notwendig. Gleichzeitig gilt es, Module resistent gegen höhere Temperaturen machen. Dafür sind allerdings neuartige Technologien erforderlich. Neben der Ein-Pasten-Lösung, die auf der Perkolationstheorie basiert, wurde auch das Prinzip des Zweipastendrucks vorgestellt. Ziel dabei ist es, die Flächen- und Dickenverhältnisse von Kupfer- und Lotpastendepot so einzustellen, dass sich der Lotspalt komplett mit Lot füllen lässt. Zweifelsohne tragen modifizierte Lötverfahren zur Void-Reduktion, besonders in Flächenlötungen, bei. „Zu beachten sind die veränderten mechanischen Eigenschaften der Verbindungsstellen. Daher sind neue Schadensbilder und -orte zu erwarten“, prognostiziert Prof. Dr. Zerna.

Prüftechnik im Visier

Denkt man an Bestückautomaten, dann verbindet man damit in erster Linie ein extrem flottes Bestücken von Bauelementen und sperrigen Komponenten. Dass sich da noch mehr dahinter verbirgt, zeigte Dr. Mathias Keil von Cetaq in seinem Referat zu „Messung und Beurteilung von Bestückkräften in der SMD-Fertigung“. Zufällige und systematische Einflüsse wirken sich auf die Qualität aus. Während zufällige Einflüsse von der Genauigkeit von Maschine, Material und sozusagen normalen Prozesseigenschaften abhängen, sind unter systematischen Einflüssen eher verstellte Maschinen, Materialfehler und Bedienfehler zu verstehen. Faktoren also, die sich verändern lassen. „Ein messtechnisch überwachter Prozess erhöht nicht nur die Fertigungsqualität, er vereinfacht auch den Reparaturprozess“, erläutert Keil, der eine umfangreiche Versuchsreihe mit verschiedenen Chip-Shootern vorstellte.

Die qualifizierte Messtechnik lässt sich indes auch zur Optimierung des Reflowprofils einsetzen. Das stellte Helge Schimanski vom Fraunhofer ISIT in Itzehoe unter Beweis. Er stellte Versuchsreihen vor und zeigte anschaulich, was passiert, wenn Lötverbindungen nicht korrekt ausgeführt werden. Dabei kommt er zu dem Schluß: „Die Voraussetzung für die Herstellung zuverlässiger Baugruppen ist eine qualifizierte Prozessoptimierung. Dabei entscheidet die richtige Anbringung der Thermoelemente über die Qualität der Messung. Es gilt also, den Messaufbau nach der Messung zu prüfen, um systematische Messfehler auszuschließen.“ Die Vorgaben für das Lötprozessfenster sind in Normen respektive Standards festgelegt. Darüber hinaus sind Materialdaten der Hersteller zu beachten. Eine Simulationsrechnung unterstützt und verringert den Messaufwand. Schließlich gelte es auch, die Plausibilität der Messergebnisse zu prüfen. Die anschließende Verifikation der Qualität – sei es optisch, durch Röntgen oder gegebenenfalls durch eine Querschliffanalyse bei grenzwertigen Prozessparametern – sei unbedingt notwendig, resümiert er.

Um „Alternative Prüfmethoden für Lötverbindungen hochbeanspruchter Baugruppen“ ging es im letzten Vortrag, den Prof. Mathias Nowottnick von der Universität Rostock bestritt. In Zusammenarbeit mit XYZTEC wurde eine Versuchsreihe aufgebaut, um den Einfluss der Schergeschwindigkeit auf die Scherkräfte zu analysieren. Auf dem Testboard befanden sich CR1206-Chipwiderstände, gelötet mit SnAgCu. Auch wurden die Ergebnisse eines extrem langsamen Kriechtests auf einer Testleiterplatte mit CR1206-Chipwiderständen vorgestellt. Nach der Versuchsreihe kam man zu dem Schluss, dass die Schergeschwindigkeit einen wesentlichen Einfluss hat und höhere Temperaturen die Festigkeit respektive die Scherkraft reduzieren. Prof. Mathias Nowottnick übernahm an beiden Tagen kenntnisreich die Moderation.

Aktuelle Trends in der AVT

Der erste Tag stand im Zeichen der Löttechnik. Neueste Erkenntnisse rund um stabile Prozesse und zuverlässiges Rework & Repair fanden genauso großes Gehör wie die Reinigungsempfehlungen von Kaspar und Christian Koenen. Auch der Erfahrungsbericht von BMK über die Herausforderungen bei der Schutzlackierung von elektronischen Baugruppen stieß auf rege Nachfrage. Der zweite Tag fokussierte auf die Prüftechnik zur Qualitätssicherung. Ins Eingemachte gingen dabei Dirk Buße von Budatec, der den Einfluss von Atmosphäre auf das Lötergebnis vorstellte und Jörg Trodler von Heraeus Materials Technology. Jener tauchte in das weite Feld der AVT-Materialien für die Hochtemperaturanwendung ein. Die Veranstaltung bot mit vielen kurzen Pausen allerlei Möglichkeiten zum Wissenstransfer und mit einem nachempfundenen Casinoabend in Radeberg Gelegenheit für intensiveres Networking.

Unterstützt wurde die Veranstaltung durch die Sponsoren Asys Group, Christian Koenen, Heraeus, Vliesstoff Kasper, Rehm Thermal Systems, ASM Assembly Systems und Zevac, die auch mit einer Table-Top-Ausstellung präsent waren. Überdies stellte erstmals Balver Zinn aus und auch Zestron Europe war als Table-Top-Aussteller präsent.