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

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

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.

FraunhoferISIT 02-web_ECM-Schema

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

Tabelle 1: Lotmaterialien und Klassifizierung Fraunhofer ISIT

 

FraunhoferISIT 03-ECM-Lötprofil Wellenlöten_an

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.

FraunhoferISIT 04-ECM-Lötprofil Wellenlöten_aus

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:

FraunhoferISIT 05-ECM-Lötprofil Rework

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.

Ergebnisse der verschiedenen Lötprozesse

Bild 6 zeigt die Ergebnisse des kombinierten Lötprozesses „Reflowlöten mit anschließendem Wellenlöten“ für eine Lotpasten-Flussmittel-Kombination. Wird in diesem Beispiel die Welle ordnungsgemäß durchlaufen, so sind keine Auffälligkeiten zu erkennen, weder in der optischen Inspektion noch in der elektrischen Messung. Ist die Welle hingegen ausgeschaltet, so führt dies in der Zuverlässigkeitsprüfung mittels SIR-Test zu einem Ausfall durch Dendritenwachstum. Hierbei wurden sowohl der geforderte Mindestwiderstand von 100 MOhm unterschritten als auch in der abschließenden optischen Kontrolle sichtbare Kurzschlüsse durch Dendritenwachstum nachgewiesen.

FraunhoferISIT 06a-ECM-Fluxkombination

Bild 6 a+b: Fluxkombination aus Reflow-Lotpaste A und Wellen-Flussmittel B. Bild a: Welle an, keine Auffälligkeiten. Fraunhofer ISIT

Bei der Untersuchung des maschinellen Konvektions-Reflowlöten in Kombination mit maschinellem Stickstoff-Wellenlöten (Tabelle 2) wurde festgestellt, dass alle untersuchten Wellenlötflussmittel (A, B, D) sowie das Selektivlötflussmittel C nach vollständig durchlaufenem bleifreiem Wellenlötprozess bei allen untersuchten Flussmittel-Lotpasten-Kombinationen den SIR-Test bestanden haben. In der nächsten Stufe wurden die Proben einem unvollständigen bleifreien Wellenlötprozess unterzogen, wobei die Erwärmung auf nur 150 °C und ohne Wellenkontakt erfolgte. Das Flussmittel D bestand in Kombination mit allen untersuchten Lotpasten (A, B, C, D) den SIR-Test. Auch das Flussmittel A bestand den SIR-Test in Kombination mit allen untersuchten Lotpasten (A, B, C). Jedoch weist es aber in Kombination mit Lotpaste B zu Beginn der SIR-Test-Auslagerung einen Widerstandswert von <1,0E08 Ohm auf. Durch den SIR-Test fiel das Flussmittel G in Kombination mit Lotpaste D. Schließlich konnte das Flussmittel B überhaupt nicht punkten: Es fiel in Kombination mit allen untersuchten Lotpasten (A, B, C) beim SIR-Test durch.

FraunhoferISIT 06b-ECM-Fluxkombination

Bild 6 a+b:, Bild b: Fluxkombination aus Reflow-Lotpaste A und Wellen-Flussmittel B. Welle aus, Dendritenwachstum Feld C. Fraunhofer ISIT

Lotpaste            Kombiniert mit Flussmittel

A                          A, B, C, D, G

B                          A, B, C, D, G

C                         A, B, C, D, G

D                         D, G

Tabelle 2: Materialkombinationen „Konvektions-Reflowlöten in Kombination mit Stickstoff-Wellenlöten“.

 

Dem gegenübergestellt wurde die Untersuchung des maschinellen Konvektions-Reflowlöten in Kombination mit maschinellem Reworkprozess (Tabelle 3). Den SIR-Test in allen untersuchten Parameter- und Material-Variationen bestanden hat das Flussmittel J. Positiv fiel auch das Flussmittel K auf: Es bestand in allen untersuchten Parameter- und Material-Variationen den SIR-Test, wies jedoch zu Beginn der SIR-Test-Auslagerung teilweise einen Widerstandswert <1,0E08 Ohm auf. Hingegen fiel das Flussmittel H sowohl allein als auch in Kombination mit jeder Lotpaste bei Maximaltemperaturen <230 °C durch.

 

Lotpaste            Kombiniert mit Flussmittel

A                          H, J, K

B                          H, J, K

C                         H, J, K

D                         H, J, K

Tabelle 3: Materialkombinationen „Konvektions-Reflowlöten in Kombination mit Reworkprozess“.

 

FraunhoferISIT 06-web_ECM-Fluxkombination

Fluxkombination aus Reflow-Lotpaste A und Wellen-Flussmittel B. Fraunhofer ISIT

In einer weiteren Testreihe wurden die Auswirkungen des maschinellen Konvektions-Reflowlöten in Kombination mit maschinellem Reworkprozess nach Reinigung (Tabelle 4) untersucht. Hierbei bestanden die Flussmittel J und K in allen untersuchten Parameter- und Material-Variationen den SIR-Test. Hingegen bestand das Flussmittel H zwar in allen untersuchten Parameter- und Material-Variationen den SIR-Test, wies jedoch zu Beginn der SIR-Test-Auslagerung teilweise einen Widerstandswert <1,0E08 Ohm auf. Erfreulich: Nach der Reinigung waren keine Rückstände mehr auf den Leiterplatten sichtbar.

 

Lotpaste            Kombiniert mit Flussmittel

A                          H, J, K

B                          H, J, K

C                         H, J, K

D                         H, J, K

Tabelle 4: Materialkombinationen „Konvektions-Reflowlöten in Kombination mit Reworkprozess nach Reinigung“.

 

 

Schlussfolgerungen zu den Testreihen

Durch die systematische Untersuchung fertigungsrelevanter Prozessvariationen wurde nachgewiesen, dass es Flussmittelkombinationen gibt, die bei unzureichender Lötwärmezufuhr während des Lötprozesses ein Gefahrenpotenzial bergen. Da der Anwender keine Informationen über die Zusammensetzung der Flussmittel hat (und diese Information auch nicht frei verfügbar ist), kann er die Gefahr nicht einschätzen. Insbesondere der oftmals manuell durchgeführte Flussmittelauftrag in den Folge- oder Nacharbeitslötprozessen nach dem Inline-Reflowlöten erfolgt oft großzügig und unkontrolliert (groß)flächig. Dies birgt Gefahren für eine Schädigung durch elektrochemische Korrosion. Abhilfe kann hier ein Reinigungsprozess schaffen. Allerdings ist hierfür unbedingt auf eine qualifizierte automatische Reinigung zu achten. Manuelle oder nur partielle Reinigung (mit ungeeigneten Reinigungsprozessen) bewirkt das Gegenteil. Die aktiven Flussmittelbestandteile werden verteilt und freigelegt, wodurch eine große Gefahr für eine Baugruppenschädigung durch elektrochemische Migration besteht.

ECM-Risikopotenztiale erkennen

Mittels SIR-Testanalyse wurde nachgewiesen, dass im Reparaturfall elektronischer Baugruppen ein Risikopotential auf elektrochemische Migration besteht. Durch fertigungsrelevante Prozessvariationen wurden potentiell kritische Materialkombinationen und Lötprozessparameter ermittelt. In diesem Beitrag wurden ausgewählte Ergebnisse dargestellt, weitere Ergebnisse sind im Abschlussbericht des IGFVorhabens Nr. 17960N zu finden. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das maschinelle Konvektions-Reflowlöten erscheint (bei den untersuchten Lotpasten) separat betrachtet hinsichtlich elektrochemischer Korrosion unkritisch. Die Kombination von maschinellem Konvektions-Reflowlöten mit maschinellem Stickstoff-Wellenlöten erscheint (bei den untersuchten Wellenlötflussmitteln) nach vollständig durchlaufenem bleifreiem Wellenlötprozess hinsichtlich elektrochemischer Korrosion unkritisch. Voraussetzung hier ist jedoch der Wellenkontakt, Abwaschen von Überschussmaterial und die Umsetzung von Aktivatoren durch Wärmeeintrag. Bei nicht vollständiger Umsetzung im Lötprozess – also zu niedrige Temperatur, fehlender Wellenkontakt und zum Beispiel Flussmittel auf der Leiterplattenoberseite – sowohl alleine als auch in Kombination mit Lotpasten – bieten Wellenlöt-Flussmittel ein Korrosionspotenzial.

 

Im manuellen Kolbenlötprozess erscheinen Handlötflussmittel kritisch hinsichtlich elektrochemischer Korrosion, wenn diese einer Temperatur von lediglich 100 °C ausgesetzt sind. Bei Temperaturen oberhalb von etwa 100 °C aber unter 250 °C erscheinen Handlötflussmittel als potenziell unsicher hinsichtlich elektrochemischer Korrosion. Handlötflussmittel benötigen eine Temperatur von mindestens rund 250 °C, um den SIR-Test zu bestehen.

 

Bei der Kombination von maschinellem Konvektions-Reflowlöten mit einem maschinellen Reworkprozess erscheinen einzelne Reworkflussmittel kritisch oder zumindest auffällig (zu Beginn der SIR-Test-Auslagerung ergibt sich ein Widerstandswert <1,0E08 Ohm) hinsichtlich elektrochemischer Korrosion, wenn diese einer maximalen Temperatur von unter 230 °C ausgesetzt werden. Nach qualifizierter automatischer Reinigung bestehen alle Flussmittel in allen untersuchten Parameter- und Material-Variationen den SIR-Test. Jedoch weist ein Flussmittel jedoch kurzzeitig zu Beginn der SIR-Test-Auslagerung einen Widerstandswert <1,0E08 Ohm auf.

 

Tipps, die weiterhelfen

Effektiv ist der Einsatz von deutlich reduzierten Flussmittelmengen und Einschränkung des Auftrags auf die Bereiche, die der Prozesstemperatur ausgesetzt werden. Eine qualifizierte Lötprofiloptimierung, die richtige Material- und Prozesswahl sowie das Einhalten der vom Materiallieferanten vorgegebenen Prozesstemperaturen und -zeiten ermöglicht ein akzeptables Lötergebnis bei gleichzeitig weitgehendem Verbrauch (beziehungsweise Deaktivierung) aktiver Flussmittelbestandteile. Dadurch kann bei Folge- und/oder Nacharbeitslötprozessen die Grundlage für die Herstellung zuverlässiger Elektronik mit minimiertem Risikopotenzial auf elektrochemische Migration geschaffen werden. Zusammenfassend lässt sich daher sagen:

 

  • Flussmittel mit einer Aktivierung höher als L0 sind kritisch zu betrachten hinsichtlich elektrochemischer Migration.
  • Flussmittelmischungen können zu elektrochemischer Korrosion führen, insbesondere wenn die Flussmittel den Lötprozess (Temperatur, Zeit) nicht vollständig durchlaufen.
  • Manuelle Lötprozesse sind als potenziell kritisch zu betrachten hinsichtlich elektrochemischer Migration, insbesondere wenn die Flussmittel nicht auf Löttemperatur gebracht werden (etwa Flussmittelspritzer oder zu üppig dosiertes und verlaufenes Flussmittel).
  • Die Menge der angewendeten Flussmittel sollte auf das notwendige Mindestmaß reduziert und eine Ausbreitung über den Lötbereich hinaus verhindert werden.
  • Die vorgeschriebenen Löttemperaturen für den jeweiligen Prozess sind einzuhalten und sollten erreicht werden.
  • Eine Einzelfallbetrachtung durch Qualifizierung mittels SIR-Test unter definierten Bedingungen ist bei Einsatz in kritischer Umgebung unbedingt zu empfehlen. Um hier aussagefähige Ergebnisse zu erzielen, sollte die Verarbeitung der Materialkombination mit den späteren Prozessparametern wie Flussmittelmenge, Flussmittelmischung, Auftragsverfahren sowie Temperatur/Lötprofil erfolgen.
  • Qualifizierte Reinigungsprozesse können das Risikopotenzial für elektrochemische Korrosion auf elektronischen Baugruppen minimieren.
  • Die SIR-Test Ergebnisse zeigen einen sinnvollen Ansatz zur praxisrelevanten Ergänzung vorhandener Prüfmethoden, indem für die Qualifizierung von NoClean-Flussmitteln die Vorbehandlungsprozesse mit neuen Parametersätzen (Durchfahren von unvollständigen Lötprozessen) erweitert werden.

 

Fußnote:

Schrifttum

[1] „Elektrochemische Migration – eine typische Korrosionserscheinung in der Mikroelektronik“, Kh.G. Schmitt-Thomas, S. Wege und H. Schweigart, Materials and Corrosion 46, 366-369 (1995)“.

[2] „Die Korrosion der Metalle“, H. Kaesche, Springer Verlag, 1990.

[3] „J-STD-004A, Requirements for Soldering Fluxes“, Jan. 2004.

[4] „J-STD-004B, Requirements for Soldering Fluxes“, Dez. 2008.

 

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Helge Schimanski

Leiter des Applikationszentrums für innovative Baugruppenfertigung am Fraunhofer ISIT

J. Hagge

Fraunhofer ISIT

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