SMT Reflow-Lötsystem QP S Vac

SMT Reflow-Lötsystem QP S Vac (Bild: SMT Wertheim)

Poren sind gasförmige Einschlüsse in der Lötverbindung, die zu einer geringeren Wärmeleitfähigkeit führen.1,2 Bei Bauteilen mit hohen elektrischen Strömen kann die entstehende Wärme nicht mehr ausreichend über die porenbehaftete Lötstelle abgeführt werden. Es kommt zu hohen Bauteiltemperaturen und letztendlich zu geringerer Leistungsfähigkeit oder Bauteillebensdauer.3 Mit Hilfe von Vakuum-Lötprozessen lässt sich der Porenanteil in der Lötstelle reduzieren und die Wärmeleitfähigkeit der Lötstelle verbessern.

SMT Maschinen- und Vertrieb in Wertheim hat ein Vakuum-Reflow-Lötsystem entwickelt, das das konventionelle Reflow-Lötverfahren mit einem Vakuumprozess koppelt, um die hohen Anforderungen für porenarme Lötstellen umzusetzen.

Sichtbare Reduzierung der Porenanteile
Bild 1: Die deutlich sichtbare Reduzierung der Porenanteile sind bei allen oben gezeigten Beispielen durch den Einsatz einer Reflow-Vakuum-Lötanlage der Type SMT VAC S erzielt worden. (SMT Wertheim)
Deutlich sichtbare Reduzierung der Porenanteile
Bild: SMT Wertheim

Lötstelle und Poren

Der qualitative Vergleich von Röntgenbildern zeigt deutlich, dass beim konventionellen Reflow-Prozess viele Poren mit einem großen Flächenanteil in der Lötstelle vorhanden sind, während die Anzahl der Poren durch den Vakuumprozess auf nahezu null reduziert wird.

Foto der Baugruppe
2a) Foto der Baugruppe. Die untersuchte Lötstelle ist exemplarisch für einen Bare-Die gelb markiert. 2b) Röntgenaufnahme der Bare-Die-Lötstelle nach konventionellem Reflow-Prozess. 2c) Röntgenaufnahme der Bare-Die-Lötstelle nach Vakuum-Reflow-Prozess. (SMT Wertheim)

Vergleich konventioneller Lötprozess zu Vakuum Reflow-Prozess

Eine schematische Darstellung des konventionellen und des Vakuum-Reflow-Aufschmelzprozesses der Lotpaste ist in Bild 3 dargestellt. Die Lotpaste wird über den Reflow-Prozess in heißer Luft oder in heißer N2-Atmosphäre aufgeschmolzen. Dabei entstehen gasförmige Einschlüsse in der Lötverbindung, die im konventionellen Reflow-Prozess durch das Abkühlen und Erstarren des Lots eingeschlossen werden.

Schematischer Vergleich
Bild 3: Schematischer Vergleich des konventionellen und des Vakuum-Reflow-Prozesses. Im Vakuum-Reflow-Prozess ist nach dem eigentlichen Aufschmelzvorgang der Vakuum-Prozess geschalten, der die Poren aus dem flüssigen Lot zieht. Danach erfolgt das Abkühlen der Baugruppe. (SMT Wertheim)

Im hier angewandten Vakuum-Reflow-Prozess wird das Lot ebenfalls erhitzt und geschmolzen. Danach erfolgt der Vakuum-Schritt, in dem die Poren sich ausdehnen und über die Lötstellenoberfläche ins Vakuum abgeführt werden. Der Porenanteil in der Lötstelle wird reduziert, die Lötstelle wird massiver und besitzt dadurch eine höhere Wärmeleitfähigkeit, die sich positiv auf die Bauteilleistung und Lebensdauer auswirkt.

Auch beim Wiederaufschmelzen von Baugruppen zeigte sich ein sichtlich anderes Bild nach dem Einsatz des Lötens ohne und mit Vakuum. Während beim nochmaligen Aufschmelzen ohne Vakuum zwar eine leichte Verschiebung und Zusammenfassung der Poren, aber keine Reduzierung erfolgte, zeigte der Einsatz des Vakuums sehr positive Effekte. So werden die Poren nach dem Löten deutlich kleiner und vor allem der Porenanteil kann erheblich reduziert werden.

Auch bei einer metallografischen Analyse der Lötstelle zeigt sich, dass bei beiden Lötvarianten eine gute und homogene Lötverbindung zu erkennen ist. Allerdings sind ohne Vakuum vereinzelte Fehlstellen sichtbar. Bei den homogenen Grenzflächen mit Vakuumprozess sind auch die intermetallischen Phasen deutlich gleichmäßiger.

Metallografische Analyse
Bild 4: Metallografische Analyse der Keramiken mit Chip (SMT Wertheim)

Ein weiterer positiver Effekt ist, dass insbesondere bei Chiplötverbindungen aufgrund nachgelagerter Prozesse (z.B. Bonden) eine hohe Planarität erforderlich ist, die durch Poren stark beeinflusst werden kann. Dies konnte durch eine Profilmessung nachgewiesen werden. So zeigt die Abbildung in Bild 5 links beispielhaft die Unterschiede zwischen den Lötprozessen ohne und mit Vakuum. So sind die Lotspalten bei ohne Vakuum gelöteten Chips sehr variabel und es ist meist eine Verkippung erkennbar. Bei den mit Vakuum gelöteten Chips sind die Höhen viel gleichmäßiger und homogener.

Profilanalyse der Keramiken mit Chip
Profilanalyse der Keramiken mit Chip (SMT Wertheim)

So funktioniert der Vakuum-Reflow-Prozess

Der in Bild 6 hellgrau dargestellte, linke Bereich des Lötsystems besteht aus der Vorheiz- und aus der Peak-Zone. Das Vakuummodul befindet sich rechts neben der Heizkammer und ist in Bild 6a dunkel dargestellt. Es besitzt eine zusätzliche Peak-Zone um das Gesamttemperaturprofil des Lötprozesses flexibler einstellen zu können. In diesem gesamten Heißbereich wird die Baugruppe durch Konvektion über Luft oder Stickstoff erhitzt bis das Lot schmilzt.

Die Baugruppe mit flüssigem Lot wird aus der Konvektionszone weiter in die Vakuumkammer transportiert, in der der eigentliche Vakuumprozess stattfindet. Nach diesem Vakuumprozess wird die Baugruppe in die Kühlzone transportiert (rechter, hellgrauer Bereich in Bild 6a) und dort auf die gewünschten Temperaturen mittels Luft oder Stickstoff herabgekühlt.

Bild 6b zeigt das mittels Temperaturrekorder gemessene Temperaturprofil des Bare-Die’s als Funktion der Gesamtprozesszeit. Bei der Zeit t=0 s befindet sich die Baugruppe am Anfang der ersten Vorheizzone. Bei t=118 s wird die Baugruppe in den Peak-Bereich transportiert. Die Schmelztemperatur (Liquidus) des Lots beträgt 219 °C. Der Temperaturverlauf des eigentlichen Vakuumprozesses ist in Bild 6b mit einem farbigen Balken hinterlegt. Die Vakuumkammer wird beheizt, so dass die Baugruppe und die Kammer gleiche Prozesstemperaturen besitzen. Das Wärmestrahlungsgleichgewicht zwischen Kammer und Baugruppe garantiert konstante Temperaturen der Baugruppe auch im Vakuum, das Lot bleibt flüssig.

Bild 6c zeigt den Druckverlauf des Vakuumprozesses im Ausschnitt der Gesamtprozesszeit. Um die Vergleichbarkeit zwischen den beiden Bildern 6b und 6c zu vereinfachen, sind die Zeitbereiche des Vakuumprozesses farbig hinterlegt. Die Anfangs- und Endzeiten des Vakuumprozesses sind mit Pfeilen gekennzeichnet. Die Baugruppe mit dem flüssigen Lot wird in die Vakuumkammer transportiert, die Kammer schließt sich (linker „weißer“ Bereich in Bild 6c).

In den nächsten Prozessschritten wird die Kammer evakuiert, das Vakuum gehalten und danach die Kammer mit Luft oder Stickstoff belüftet (farbiger Bereich in Bild 6b und 6c). Die Evakuierungszeit, der Enddruck, die Vakuumhaltezeit und die Belüftungszeit können individuell eingestellt werden. Kammerdrücke bis zu 5 mbar sind möglich. Die Poren werden effektiv aus der Lötstelle gezogen, wie es in der schematischen Darstellung in Bild 3 gezeigt wurde.

Nach dem Vakuumprozess öffnet sich die Kammer und die Baugruppe fährt mit dem flüssigen Lot in die Kühlzone. Dort erfolgt der Erstarrungsvorgang des Lotes indem kalte Luft oder Stickstoff auf die Baugruppe geblasen wird.

Foto des SMT Reflow-Lötsystems QP S Vac
Bild 6: a) Foto des SMT Reflow-Lötsystems QP S Vac. Das Vakuum-Modul (dunkel) befindet sich zwischen dem aktiven Konvektionsbereich (=Vorheizbereich + Peakzone, links) und der Kühlzone (rechts). Bild 6b) Gemessenes Temperaturprofil des Bare-Die als Funktion der Zeit. Die eigentliche Zeit des Vakuumprozesses ist farbig hinterlegt. Bild 6c) Vakuum-Druck-Profil in Abhängigkeit der Zeit. Der farbig hinterlegte Zeitbereich entspricht demselben wie in Bild 6b.

Literaturnachweis

1 W.B. Hance, Lee Ning-Cheng, Poreing Mechanisms in SMT, Soldering & Surface Mount Technology, 13, 1993.


2 N. Zhu, Thermal impact of solder voids in the electronic packaging of power devices, Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium, p. 22-29, Fifteenth Annual IEEE, 1999.


3 S.T. Nurmi, J.J. Sundelin, E.O. Ristolainen, T. Lepistö, (2003) "The influence of multiple reflow cycles on solder joint voids for lead-free PBGAs", Soldering & Surface Mount Technology, Vol. 15 Iss: 1, pp.31 – 38.

Der Autor

Frank Ehehalt, Prozesstechnik, SMT Maschinen- und Vertrieb, Wertheim

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