E-Car: Lötstopplack sorgt für niedriges Belastungsmodul

Das wachsende gesellschaftliche Bewusstsein für den Klimawandel beschleunigt das Umdenken in der Automobilindustrie mehr und mehr. Ausgelöst durch die Fridays-for-Futures-Bewegung und die starke mediale Präsenz des Klima-Themas, manifestiert sich aktuell ein Strategiewechsel in der Branche. Elektro- und Hybridfahrzeuge rücken verstärkt in den Fokus der Automobilindustrie.

Der Paradigmenwechsel unter den Automobilherstellern bezieht sich sowohl auf die CO₂-Emissionen und den Stickoxidausstoß, als auch auf deren direkte verkehrspolitischen und wirtschaftlichen Folgen. In beiden Fällen gilt es, eine schnelle und signifikante Reduktion zu erreichen. Aus der eher abstrakten treibenden Kraft der Elektromobilität für die Zukunft ist nun eine reale praktische Herausforderung geworden. In allen Bereichen müssen technologische Lösungen am Markt angeboten werden. Zusammen mit Entwicklungen zum autonomen Fahren und einem Mehr an Sicherheitstechnik und Entertainment führt die E-Mobilität zu einer Zunahme der Anzahl der elektronischen Komponenten im Automobil; die Anzahl der pro Fahrzeug montierten Leiterplatten nimmt damit ebenso zu.

Stromkreise wirkungsvoll schützen

Das typische, breite Anwendungsspektrum in vielfältigen Umgebungen führt zu hohen und unterschiedlichen Belastungen der Komponenten und Leiterplatten. Je nach Einsatzort und Zweck unterscheiden sich die Belastungen einer Komponente des Infotainmentsystems von der eines Leistungsbausteins für Hochströme durch Hitze, Staub oder Chemikalien stark. Da viele ECUs und Stellglieder im oder in der Nähe des heißen Motorraums installiert sind, müssen sie hohen Temperaturen widerstehen können. Alle eingesetzten Materialien müssen gegenüber diesen Anforderungen gewappnet sein. Daher forscht und entwickelt die Tamura Corporation, ein japanischer Hersteller von Elektronikkomponenten, und ihre deutsche Tochter Tamura Elsold sowohl an höchstzuverlässigen Lotlegierungen und Lotpasten als auch an neuen Lösungen wie das TLPS (= Transient Liquid Phase Soldering).

Bild 1: Bei thermischer Belastung entstehen an den Ecken der Lötstoppmaske Risse. Tamura Elsold

Neben dem Lotmaterial wird in der japanischen Konzernzentrale auch an einem weiteren Materialthema, dem Lötstopplack, geforscht. Auch hier gelten an die Materialien ähnliche Anforderungen wie bei Lotpasten und Lotlegierungen. Auf Leiterplatten dient Lötstopplack dem Schutz der Leiterbahnen. Er wird auf die Oberfläche der Leiterplatte aufgebracht, um zu verhindern, dass Lot an überschüssigen Teilen haftet. Er verbleibt auf der Substratoberfläche und schützt die Stromkreise. Dazu sollte der Lack verschiedene Eigenschaften wie Hitzebeständigkeit, chemische Beständigkeit, eine gute Haftung und elektrische Isolierung mitbringen. Lötstopplack, der für Leiterplatten im Automobil verwendet wird, muss über einen längeren Zeitraum höchst zuverlässig sein – anders als bei allgemeinen Verbraucher- und Industrieanwendungen. Für den Automobilbereich muss also ein komplett neues Designkonzept geschaffen werden. Nur unter Berücksichtigung der genannten Einflussfaktoren kann der Lack unter den extremen Einflüssen im Automobil seine Aufgaben erfüllen. Neben der Hitzebeständigkeit muss die Lötstoppmaske rissbeständig und haftfähig sein, nach der Prüfung von Temperaturzyklen und bei hohen Temperaturen (Bild 1).

Wenn ein Wärmezyklus auf die Lötstoppmaske angewendet wird, entstehen im Allgemeinen Risse an den Ecken der Öffnung. Die Forscher bei Tamura gingen davon aus, dass Dehnungen und Kompressionen durch die Temperaturänderung der Lötstoppmaske und des Basismaterials zustande kommen. Sie vermuteten des Weiteren, dass Spannungen durch den Miss-Match zwischen dem WAK des Basismaterials und der Lötstoppmaske auftreten. Entsprechend müsste der Riss an der Ecke der Lötstoppöffnung konzentriert sein. Diese Annahme bestätigte eine CAE-Analyse. Der beschriebene Effekt trat auch in der Simulation auf (Bild 2).

Bild 2: Schematische Darstellung der Spannungsanalyse. Die thermische Simulation bestätigt die Auswirkung des Wärmezyklus. Tamura Elsold

Rissfestigkeit des Lötstopplacks

Aus diesen Betrachtungen ergeben sich Schlussfolgerungen, deren Beachtung die Rissbeständigkeit des Lacks verbessern kann:

1.    Das Elastizitätsmodul des Lötstopplacks sollte möglichst niedrig sein.

2.    Die Bruchdehnung der Lötmaske hingegen sollte erhöht werden.

3.    Die thermo-chemische Degradation der mechanischen Eigenschaftsänderung sollte unterdrückt werden.

4.    Die chemische Affinität zu verschiedenen organischen und anorganischen Substanzen sollte modifiziert werden.

Ein niedrigeres Elastizitätsmodul (Punkt 1) des Lötstopplackes reduziert die Spannung, die beim Ausdehnen und Zusammenziehen des Lötstopplackes entsteht. Die Erhöhung der Bruchdehnung des Lötstopplackes (Punkt 2) erschwert das Versagen aufgrund von Verformungen durch thermische Ausdehnung und Kompression. Diese Erkenntnisse flossen in die Entwicklung der neuen Lötstopplacke der Serie Findel DSR-2200ACR ein: Um ein niedrigeres Elastizitätsmodul und eine hohe Bruchdehnung zu erreichen, wählte das Tamura-Team für die Harzzusammensetzung ein hochflexibles Harz aus.

Der Vergleich der Spannungs-Dehnungs-Kurven eines aktuellen, konventionellen Produkts und des neu entwickelten Lötstopplackes zeigt deutliche Unterschiede. Beide Male wurde bei einer Raumtemperatur von 25 °C gemessen. Das Elastizitätsmodul wurde gegenüber dem aktuellen Produkt um etwa 50 Prozent reduziert, was zu einem Lötstopplack mit einer etwa dreifachen Bruchdehnung führte (Bild 3).

Bild 3: Spannungsdehnungsdiagramm, vor und nach einer Wärmebehandlung: Vergleich konventioneller Lötstopplack und Findel DSR2200ACR-11. Tamura Elsold

Darüber hinaus konnten durch die Unterdrückung des Harzabbaus bei langzeitigem Wärmeeinfluss die physikalischen Eigenschaften des Lötstopplackes auch nach der Einwirkung der hohen Temperatur beibehalten werden (Punkt 3). Dadurch war es möglich, die Rissbildung zu unterdrücken, was ein Langzeittest bestätigte. Ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm zeigt die Wirkung auf das Produkt DSR2200ACR-11, nachdem es 100 h lang einer Temperatur von 150 °C ausgesetzt war: Während das konventionelle Produkt stark versprödet und nicht mehr gemessen werden kann, behält die Neuentwicklung eine geringere Elastizität und höhere Dehnung.

Kein Abblättern bei Hitzebelastung

Tabelle 1: Haftfestigkeit nach Wärmebehandlung (Cross-Cut-Adhäsionstest, gemäß JIS K 5400). Auch eine langandauernde Wärmebelastung führt zu keiner Veränderung der Haftfestigkeit. Ein herkömmliches Produkt hingegen weist Abblätterungen auf (r.). Tamura Elsold

Die Entwickler unterzogen den Lötstopplack einer Haftfestigkeitsprüfung nach einer Wärmebehandlung von 150 °C für 1000 h. Der neue Lötstopplack zeigt auch nach längerer thermischer Belastung kein Abblättern (Tabelle 1). Eine weitere Ursache für das Auftreten von Rissen ist die Spannungskonzentration an den inneren Grenzflächen zwischen den Bestandteilen des Lötstopplacks. Ein Lötstopplack stellt eine Dispersion verschiedener organischer und anorganischer Substanzen dar. Fehlstellen der daraus gebildeten Mikrosturktur führen somit zu lokalen Spannungsspitzen und Rissen. Um solche Fehlstellen und deren Folgen zu vermeiden (Punkt 4), wurde die Kompatibilität verschiedener organischer und anorganischer Substanzen durch die Verwendung eines chemisch modifizierten Füllstoffs und eine Modifikation der chemischen Affinität des Harzes eingestellt.

Bild 4: Lötstopplacke im Querschnitt: Die REM-Analyse zeigt die Homogenität der Harzverteilung. Tamura Elsold

Eine Analyse mit dem Raster-Elektronen-Mikroskop (REM) zeigt den Querschnitt verschiedener Lötstopplacke (Bild 4). In dem neuen Lötstopplack DSR-2200ACR-11 wurde die Homogenität und Stabilität der Dispersion des hochflexiblen Harzes durch Kontrolle der chemischen Affinität modifiziert. In Folge konnten keine Agglomerationen beobachtet werden. Im Thermowechseltest treten bei der herkömmlichen Lötstoppmaske innerhalb von 100 bis 200 Zyklen Risse auf, während der neue Lötstopplack über einen Zeitraum von 2500 bis 3000 Zyklen rissfrei blieb (Bild 5).

Bild 5: Zuverlässigkeit von konventionellem Lötstopplack im Vergleich zu DSR2200ACR-11. Konventionelle Lacke weisen wesentlich häufiger Risse auf. Tamura Elsold

Wichtige Faktoren des Lötstopplackdesigns

Für eine weitere Optimierung der Rissbeständigkeit ist neben den physikalischen Eigenschaften des Lötstopplackes auch die Querschnittsform nach der Entwicklung der Lötstoppmaske relevant, ebenso wie das Öffnungsdesign, die Schichtdicke sowie die Art des verwendeten Substrats. Somit standen nicht nur die thermische und elektrische Zuverlässigkeit im Fokus der Entwicklung. Der photostrukturierbare Lötstopplack muss eine hohe Lichtempfindlichkeit und hohe Genauigkeit und damit eine gute Verarbeitbarkeit im Fotoexpositionsprozess bieten. Zudem strebte Tamura eine Reduktion der Gasbildung in den thermischen Aushärtungsprozessen an. Daher mussten die Werkstoffentwickler verschiedene Faktoren des Lötstopplackdesigns (organische Harzstruktur, anorganisches Füllstoffdesign und chemische Affinitätskontrolle aller Substanzen) anpassen, um den potenziellen Marktanforderungen gerecht zu werden.

Tabelle 2: Übersicht der chemischen und optischen Eigenschaften der Lötstopplack-Serie Findel DSR-2200ACR gegenüber konventionellen Lösungen. Tamura Elsold

Tabelle 2 zeigt die Eigenschaften der Serie Findel DSR-2200ACR: Aussehen und Eigenschaften der Lacke der neuen Serie variieren. So ist beispielsweise Findel DSR-2200ACR-11 glänzend, und Findel DSR-2200ACR-17M halbmatt. Die ACR-Serie erreichte nach der Hochtemperaturbehandlung eine gute Haftung auf Kupfer und hält den hohen Isolationswiderstand bei hohen Temperaturen und hohen Luftfeuchtigkeiten nach der Sn-Beschichtung aufrecht.

Productronica 2019: Halle A4, Stand 341

(sp)