Vakuumlöten für MID-Technologie

Mit der MID-Technologie lassen sich vielseitige nichtplanare Chipmontagesubstrate erzeugen, die nicht nur als mehrdimensionale Chipträger agieren können, sondern auch noch weitere Funktionen beinhalten. Das kann beispielsweise ein direkter Bestandteil des Gehäuses oder Steckers sein. MID steht für Molded Interconnect Devices, worunter spritzgegossene Kunststoffteile zu verstehen sind, welche elektrische Leiterbahnen tragen, und kommt insbesondere dann zum Einsatz, wenn eine deutliche Miniaturisierung, geometrische Gestaltungsfreiheit und eine Reduzierung der Komponentenanzahl einer Baugruppe gefordert wird. Sie stellen somit eine Art dreidimensionale Leiterplatte dar. Elektrische Verbindungen können dabei „um die Ecke“ führen und Bauteile lassen sich in verschiedenen Raumrichtungen anordnen. Neben dieser Raumausnutzung ist es auch möglich, durch die Spritzgussform weitere Funktionen zu erzeugen: Diese können etwa direkt als Teil des Gehäuses dienen oder aber spezielle geometrische Formen, wie Vertiefungen, Kanäle und Öffnungen aufweisen, um Komponenten direkt integrieren zu können.

MID: Kompakte, dreidimensionale Bauform

Bild 1: Das mit der LDS-Technologie von LPKF hergestellte Gehäuse (links) und über die Höhe verteilten Bestückungsebenen eines energieautarken Drucksensors (rechts).Rehm

Für die Bestückung von Bauteilen und Komponenten auf diese speziell geformten Kunststoffträger wurden basierend auf den Techniken für planare Substrate, Prozesse entwickelt, die eine industrielle Chipbestückung der MID für verschiedenste Anwendungen erlauben. Dafür werden bei der Konzeption und Entwicklung die in der Regel auf verschiedene Komponenten verteilten elektrischen- und mechanischen Eigenschaften in einer MID-Komponente vereint. So wurde im Rahmen des BMBF-Verbundvorhabens IEKU (Nr. V3EAAS010) ein intelligentes energieautarkes Drucksensorsystem mit einem MID-Gehäuse entwickelt. In Bild 1 (links) sind die einzelnen Prozessschritte der LDS-Technik von LPKF bei der Herstellung des Schaltungsträgers dargestellt. Beim LDS wird der mit einem Metallkomplex versehene Kunststoff mit einem Laser beschrieben. Dies führt zu einer örtlichen Aktivierung des Metallkomplexes, wo sich der Kunststoff anschließend in chemischen Bädern metallisieren lässt. Durch das MID-Gehäuse war es möglich, den Sensor sehr kompakt und mit reduzierter Komponentenanzahl auszuführen.

Die dreidimensionale Gestaltung des Gehäuses führt dazu, dass die Kontaktstellen zwischen dem Schaltungsträger und den Leiterplatten über die Höhe verteilt sind (Bild 1 rechts). Wie in Bild 2 dargestellt, wurde das Gehäuse in der für Dampfphasenlöten schlechtesten Position, nämlich als Becher, gelötet. Bei herkömmlichen Anlagen führt eine solche Ausrichtung des Bauteils zu einer hohen Verschleppung des Dampfphasenmediums. Daraus resultieren unterschiedlich schnelle Aufheizung der Lötstellen, Mediumverlust aus der Anlage und eine negative Beeinflussung des Lötprofils. Um diesen Effekt zu untersuchen, wurde zuerst ein Lötversuch unter Dampfphase mit einem bleifreien Temperaturprofil gestartet. Die Versuchsreihe wurde auf der Reflow-Kondensationslötanlage der Condenso-X-Serie von Rehm Thermal Systems durchgeführt.

Lötversuch unter Dampfphase ohne Vorvakuum

Bild 2: Position der Thermoelemente und Ausrichtung des MID-Gehäuses (links) und die gemessenen Temperaturprofile (rechts) beim Dampfphasenlöten mit Hauptvakuum.Rehm

Dafür wurden, wie in Bild 2 (links) dargestellt, Thermoelemente auf verschiedenen innenliegenden Bestückungsebenen sowie auf dem oberen und unteren Gehäuserand aufgebracht. Zuerst wurden die Temperaturprofile am Bauteil beim Einspritzen des Galdens unter Umgebungsdruck und mit nachfolgendem Hauptvakuum aufgenommen. Wie in Bild 2 (rechts) zu sehen ist, zeigen die Messergebnisse deutliche Unterschiede der Aufheizgeschwindigkeiten auf.

Die starken Differenzen bei der Temperaturentwicklung am Bauteil lassen sich auf zwei Ursachen zurückführen: Zum einen verursacht die beim Dampfphasenlöten von unten nach oben aufsteigende Dampfschicht einen über die Höhe des Gehäuses zeitlich verzögerten Wärmeeintrag und zum anderen kann die Luft aus den unteren Bereichen nicht vollständig verdrängt werden. Diese beiden Effekte beeinflussen die zeitliche Entwicklung des Temperaturgradienten und somit auch das Aufheizverhalten des Bauteils.

Lötversuch unter Dampfphase mit Vorvakuum

Bild 3: Gemessene Temperaturprofile an verschiedenen Bauteilpositionen beim Dampfphasenlöten mit Vor- und Hauptvakuum. Rehm

Im nächsten Untersuchungsschritt wurde der Versuch bei gleicher Bauteilausrichtung und Fühlerposition unter Anwendung des Vorvakuums wiederholt. Gleich zur Beginn des Lötprozesses wurde ein Vorvakuum von 100 mbar aufgebaut und das Galden eingespritzt. Die in Bild 3 dargestellten Messergebnisse zeigen beim Dampfphasenlöten unter Vakuum eine deutlich gleichmäßigere Temperaturentwicklung an verschiedenen Bauteilpositionen, die einen gleichmäßigen Übergang über den Liquiduspunkt bei unterschiedlichen Bestückhöhen ermöglicht.

Unter der Anwendung des Vakuums bildet sich beim Vorwärmen und Löten statt einer nach oben aufsteigenden Dampffront eine gleichmäßige Verteilung des Galdendampfes in der Prozesskammer. Damit wird der Nachteil des Temperaturgefälles bei konventionellen Dampfphasenanlagen (je näher an der Wärmequelle desto früher wird erwärmt) und Konvektionsanlagen (je näher an der Wärmequelle desto früher und höher wird erwärmt) vermieden. Dies wird durch das Fehlen größerer zu verdrängenden Luftmassen und der schnelleren Ausbreitung der Gasmoleküle im entspannten Raum hervorgerufen. Diese Effekte wirken sich positiv auf die Profilierung des Lötprozesses und somit auf die Qualität der Lötverbindungen aus.

Vakuum-Dampfphasenlöten löst MID-Herausforderungen

Durch die Anwendung des Dampfphasenlötens in Kombination mit Vakuum lassen sich neben der Reduktion der Voidanteile auch geometriebedingte Abweichungen der Temperaturprofile beheben. Wie am Beispiel der Temperaturprofilmessungen an einem MID-Gehäuse gezeigt, konnte durch das Vorvakuum eine deutliche Annäherung der Aufheizgradienten an allen Messstellen erreicht werden und das vom Dampfphasenlöten bekannte kleine Delta-T bei der Peaktemperaturen wurde beibehalten. Weiterhin kann die Anwendung des Vorvakuums zu einem schnelleren und gleichmäßigeren Aufheizen von Baugruppen mit größeren thermischen Massen angewendet werden.

Zusammenfassend lässt sich daraus schließen, dass das Vakuum beim Dampfhasenlöten einen zusätzlichen und sehr flexiblen Einflussparameter zur Evaluierung eines optimalen Lötprofils bietet und darüber hinaus eine Galdenverschleppung bei Bauteilen mit Bechergeometrie verhindert.

(mrc)