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- RoHS-Konformität -
für Leiterplatten
(PCP) - Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH - Ihr Deutscher Leiterplattenhersteller
Unser Unternehmen befasst sich
bereits seit dem Jahre
2000 mit der Umsetzung der RoHS-Richtlinie, die
weitreichende Änderungen
in der Materialbeschaffenheit,
dem Design und den Herstellungsprozessen bis zur
fertigen Baugruppe
zur Folge hat. Seit Februar 2004
liefern wir RoHS-konforme Leiterplatten in verschiedenen
Oberflächenveredelungen,
u.a. auch Hot-Air-Leveling in
bleifreier Verzinnung.
Z ur allgemeinen Information wird in diesem Artikel auf
den aktuellen Stand der Technik und die verschiedenen
Umsetzungsmöglichkeiten der RoHS-Anforderungen
eingegangen.
Die unter dem Kürzel RoHS bekannte Richtlinie der EU beschränkt
den Einsatz der
Schwermetalle Blei, Quecksilber, Cadmium, sechswertiges Chrom sowie der
Flammhemmer
polybromiertes Biphenyl (PBB) und polybromierter Diphenylether
(PBDE). Die Vorschrift gilt für
ab dem 1. Juli 2006 neu in Verkehr gebrachte Elektro-
und Elektronikgeräte.
ROHS-Konformität der Materialbestandteile
im Basismaterial und
Lötstopplack
Die RoHS-Konformität der Basismaterialien und der Lötstopplacke
wird durch die
Hersteller ohne Einschränkung bestätigt, da das in die Harzmatrix eingebundene
Tetrabrombisphenol
A (TBBA Flammhemmer) nicht in freier Form vorliegt, sondern
durch chemische Reaktion bei der Harzherstellung
in das Epoxidharz einreagiert ist.
Dies hat allerdings nichts mit der eher marketing-orientierten
Forderung nach
"halogenfreiem" Material
zu tun.
Halogene sind z.B. die Elemente Brom Br, Chlor Cl ,Fluor F und Jod I und sind oft
als
Bestandteil
von organischen Verbindungen vorzufinden (PTFE, Fluor-Chlor-
Kohlenwasserstoffe, PCB's, Chloroform,
TBBA, Seveso-"Dioxin", etc).
Bei den am Markt verfügbaren, halogenfreien Basismaterialien werden als Flamm-
hemmer Verbindungen
aus Stickstoff und Phosphor eingesetzt. Diese Materialien
werden aber nur selten nachgefragt
(nur dort, wo die "grüne Leiterplatte" auch
verkaufsfördernd reklamiert werden
kann) und sind daher entschieden teurer, was
sich aber mit wachsender Nachfrage auch ändern
kann.
ROHS-Konformität der Leiterplatten-Oberflächenveredelung
Das Bleiverbot innerhalb der RoHS führt zu den revolutionärsten Änderungen
in der
Leiterplattenherstellung und -lötung. Seit Jahren wird nach einem Metall oder auch
einer Legierung geforscht, das vergleichbare Prozess- und Qualitätsergebnisse zum
bewährten
Sn63Pb37 liefert. Zum Stand 2005 ist das Ziel noch nicht erreicht. Das
bisherige Alternativangebot
erstreckt sich im wesentlichen auf folgende Oberflächen:
chem.
Ni/AU
galv.
Ni/AU
Verfahren
HAL
chem.SN
chem.
Silber
OSP
Sudgold
Reduktiv-
gold
Bond-
gold
Hart-
gold
Metall/
Legierung
-Sn0,7Cu
-Sn0,7Cu0,1Ni
-Sn98,2Ag0,3Cu 0,7Ni0,02
Zinn
Silber
Organik
99,9Au
99,9Au
99,9Au
99,5Au
0,5Co
Schichtstärke µ
<10
<1
0,2-0,4
0,02-0,06
0,05-0,12Au
/ 4-8 Ni
0,3-0,6
Au / 4-8 Ni
1-2
Au / 4-8 Ni
0,8-5
Au / 4-8 Ni
Planarität
befriedigend
sehr
gut
sehr
gut
sehr
gut
sehr
gut
sehr
gut
sehr
gut
sehr
gut
Lager-
fähigkeit
bei stabilen
Kondi-
tionen
>12
M
<12
M
>12
M
<6
M
>12
M
>12
M
>12
M
>12
M
Mehrfach-
lötbarkeit
sehr
gut
befriedigend
gut
bedingt
sehr
gut
sehr
gut
gut
-
reaktivierbar
ja
ja
ja
ja
bedingt
bedingt
bedingt
bedingt
Al-Draht-
Bonden
nein
nein
bedingt
nein
ja
ja
ja
-
Au-Draht-
Bonden
nein
nein
nein
nein
nein
ja
ja
-
Drucktasten-
Kontakt
nein
nein
nein
nein
ja
ja
ja
ja
Einpress-
technik
ja
ja
ja
nein
nein
nein
nein
nein
Quo Vadis Hot-Air-Leveling Bleifrei?
Die bleifreien Legierungen in der HAL-Verzinnung haben durchgängig
technische und
wirtschaftliche Nachteile gegenüber dem bleihaltigen Lot. Dies bedeutet aber
nicht
deren
Unmöglichkeit, sondern die Anpassung der HAL-Anlagen und Prozessparameter.
Legierung
Schmelz-punkt
Betriebs-temperatur
Sn63 Pb37
183
245
Sn99,2 Cu0,7 (Ni0,05)
227
265
Sn98,2 Ag0,3 Cu0,7 Ni0,02
217
250
In Europa hat sich eindeutig die Kupferlegierung gegenüber der Silberlegierung
durchgesetzt, da
- bestehende HAL-Anlagen für die Cu-Legierung in den meisten Fällen umrüstbar sind
- der Kupferabtrag (Leaching-Effect) wesentlich geringer ist gegenüber der sehr
aggressiven Silberlegierung
- die Cu-Legierung günstiger ist
Die Lagerfähigkeit beträgt über 12 Monate. Wesentliche Nachteile sind die nicht planare
Oberflächenstruktur und die hohe Materialbeanspruchung durch die längere Exposi-
tionszeit
bei höherer Betriebstemperatur. Für letzteres fehlen noch empirische
Werte, ob
hiermit eine
höhere Ausfallrate infolge von Cracks (Kupferrisse in Durch
kontaktierung)
einhergeht, die
durch denunterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten
(CTE) von Kupfer
und Harz entstehen.
Zudem werden Basismaterialien angeboten und
z.Z. noch weiter
entwickelt, deren Harzsystem
einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten in der hier
entscheidenden Z-Achse hat (Standard
Epoxidharz: ca. 70ppm/K;
Epoxidharze mit
thermischen Füllern: 35 -50 ppm/K).
Die Hot-Air-Leveling-Verzinnung war aufgrund der schlechten Automatisierbarkeit, des
engen
Prozessfensters und der schwierigen Arbeitsatmosspähre seit je her ein unbe-
liebtes Verfahren
bei den Leiterplattenherstellern. Dennoch haben die wesentlichen
Vorzüge, wie z.B. die
Benetzungsfreundlichkeit, die Wirtschaftlichkeit, die Prozessge-
schwindigkeit u.a. das HAL
weiterhin als die bevorzugte Oberfläche bewahrt. Nun, wo
einige Vorzüge verloren oder stark
reduziert sind, bleibt abzuwarten, ob die chemischen
Oberflächen breitflächig vom Markt akzeptiert
werden. Denn, wenn HAL vollständig vom
Markt verschwindet, dann wären die Anlagen für die
chemischen Oberflächen für
jedermann auslastbar und chemisch Zinn und chemisch Silber
preisneutral
herzustellen.
Chemisch Zinn
Chemisch Zinn ist in Westeuropa die Alternative Nr. 1, wenn eine
planare Oberfläche für
das Löten
von Fine-Pitch-Bauteilen erforderlich ist. Die
Schichtdicke beträgt 0,8µ bis 1µ,
kann reaktiviert
werden und bietet eine sehr
gute Benetzungsfreundlichkeit. Die viel
diskutierte Whiskerbildung ist
bei heutigem Stand der Verfahrenstechnik
zu vernach-
lässigen, da Inhibitoren bei der eh nur sehr
dünnen Zinnschicht das Whiskerwachstum
weitestgehend unterdrücken.
Eine Lagerzeit bis zu 12 Monaten im verpackten Zustand und bei stabilen Lagerkondi-
tionen ist
unkritisch.
Häufige Temperaturwechsel und Haltezeiten größer 2 Wochen
zwischen Mehrfach
lötprozessen
sollten vermieden werden, da jeder Temperatur-
wechsel eine Druckspannung des
Kupfers in das Zinn
auslöst. Sobald Kupfer durch
das Zinn hindurch an die Oberfläche drängt,
entsteht
Kupferoxid, das eine
bestimmungsgemäße Benetzung mit Lot beeinträchtigt/verhindert.
Alterung
am Beispiel einer chemisch Zinn-Oberfläche:
Dauertemperatur
23°C
1 µ in 2 Jahren
40°C
1 µ / Jahr
80°C
1 µ / Monat
140°C
1 µ / Tag
190°C
1 µ / Stunde
260°C
1 µ / Minute
330°C
1 µ / Sekunde
Chemisch Silber
Chemisch Silber kommt vornehmlich in Nordamerika und Süd-Ostasien
zum Einsatz,
während
die Nachfrage in Europa noch recht gering ist. Dies mag an dem geringen
Bekanntheitsgrad oder
dem "unschönen" Erscheinungsbild nach dem ersten Lötpro-
zess
liegen (nicht verlötete Pads
sehen dunkel-verfärbt-angelaufen aus, was aber keine
Bedeutung
für die weitere Benetzungsfreundlichkeit hat). Die Schichtstärke beträgt 0,2µ
bis
0,4µ und bietet eine hervorragende
Benetzung. Die Lagerzeit beträgt bis zu 12
Monaten,
wobei die Leiterplatten unbedingt in der
Originalverpackung eingelagert
werden müssen, da
Silber als Reaktion insbesondere mit
Schwefel Sulfide bildet und
somit die Benetzung beeinträchtigt. Daher sollte der direkte Kontakt
zu
schwefelhaltigen
Stoffen (Papier, Karton, Trocknungsmittel) vermieden werden. Die Oberfläche
ist
aber
reaktivierbar. Ein Nachteil ist die Neigung zur Elektromigration, insbesondere unter
Einfluss
von Feuchtigkeit.
OSP - Organic Solderability Preservative
Die organische Passivierung von Kupfer ist im Grunde die ideale
Oberfläche für alle
Beteiligten,
wenn da nicht die wesentliche Einschränkung der
Lagerdauer (max. 6
Monate) und der nur
bedingten Fähigkeit zu Mehrfachlöt-Prozessen wäre.
Eine sehr preiswert herzustellende,
0,02µ bis 0,06µ starke, organische Schicht schützt
das Kupfer
vor der Oxidation. Erst durch das Fluxmittel und durch thermische Belastung
bricht
die Schicht auf
und eine einwandfreie Lötung direkt auf Kupfer ist möglich.
Wenn Lötparameter und Fluxer für diese Oberfläche gut abgestimmt werden, so sind
bis
zu zwei
Lötprozesse möglich, die allerdings in sehr kurzen Zeitabständen zueinan-
der
erfolgen müssen,
sonst entstehen viele kalte Lötstellen bei zweiter Lötung.
Chemisch Nickel-Gold (Sudgold)
Chemisch Nickel-Sudgold ist aufgrund der hohen Kosten nicht unbedingt
als Bleifrei-
Alternative
zum HAL zu betrachten. Es bietet zwar zusammen mit der bleifreien Silber-
paste
im Reflowprozess
die besten Benetzungseigenschaften, aber chemisch Zinn
oder chemisch Silber sind
hier völlig
ausreichend.
Chemisch Nickel-Sudgold ist dann gefragt, wenn es um eine sehr gute Alu-Draht-
Bondfähigkeit
oder um Applikationen wie Tipp- und Schleifkontakte geht.
Die 0,05-0,2µ starke Goldschicht löst sich während des Lötens auf. Die eigentliche
Lötung erfolgt auf Nickel.Die Lagerzeit beträgt mehr als 12 Monate und Mehrfachlöten
ist auch bei größeren Zeitabständen unproblematisch.
Reflowlöten
Insoweit die vorhandenen Lötöfen für die um 30 K
- 40 K höheren Schmelztemperaturen
geeignet
sind, sollten für das bleifreie Reflowlöten
einige Testläufe mit immer dem
gleichen Leiterplattenlayout, aber verschiedenen Lotpasten,
durchgeföhrt werden. Es
ist
eine Auswahl von
Lotpasten – SnAg(Cu) in verschiedenen
Anteilsverhältnissen -
entwickelt worden, bei denen
die Siede- und Wirktemperaturen der Flussmittelsysteme
auf das verwendete Lötprofil abgestimmt sind. Je kleiner die Lotkügelchen, desto
größer
ist deren relative Oberfläche, die bei den
höheren Temperaturen vor Oxidation
geschützt
werden muss.
Da der Benetzungwinkel der bleifreien SnAg(Cu)-Legierungen bis zu 300% über
dem
der SnPb-Legierung
liegt, ergibt sich eine schlechtere Benetzbarkeit, womit ein
geringerer Selbstzentrierungseffekt
der Bauteile, ein geringerer Querschnitt und somit
eine geringere
Scherfestigkeit einhergehen
kann. Daher ist ein möglichst geringer
Versatz im Schablonen-Pastendruck erforderlich. Eine
sauerstoffarme Umgebung ist
zu
bevorzugen, um die Oxidbildung
zu reduzieren. Das Dampfphasenlöten
und insbe-
sondere das Konvektionslöten unter
Stickstoffatmosphäre bieten hier klare
Vorteile.
Wellenlöten
Sn-Legierungsbasis im Überblick:
Legierung
Schmelz-
punkt °C
Tpeak °C
Reflow/
Konvektion
T-Bad °C
Welle
wesentliche Vor- und
Nachteile
Sn3,5Ag07Cu
217
230
255-265
sehr gute Benetzbarkeit; weniger Materialstress durch geringere
Temperatur; Teure Legierung wegen hohem Silbergehalt; hoher Leaching-Effect; sehr aggressiv
gegenüber anderen Metallen, Anlagen müssen gegen Ablegierung geschützt werden;
Sn3,5Ag
221
235
255-265
vergleichbar Sn3.5Ag07Cu, jedoch
mehr Materialstress durch höhere Temperatur; enges Prozessfenster bez. Cu-Gehalt
Sn0,7Cu
227
240
260-270
Materialstress durch erhöhte Temperatur;
insbesondere bei Reflowlöten widerstehen nicht alle Bauteile der hohen Temperatur; günstige
Legierung; höhere Zyklenresistenz gegenüber Ag- Legierungen; bestehende Lötanlagen
oftmals nachrüstbar, da weniger Werkstoffangriff
Sn0,7Cu0,1Ni
227
240
260-270
vergleichbar Sn0,7Cu, allerdings
durch Ni-Zusatz besseres Erstarrungsverhalten, reduzierte Brückenbildung; geringerer
Leaching- Effect (geringere Krätzebildung)
Um 150 g Kupfer aufzulösen benötigen die Legierungen:
Sn3.5Ag07Cu (2-3 Std.)
SnCu0,7 (8 Std.)
Sn0,7Cu0,1Ni (24 Std.)
Zudem steigt der Kupferabtrag je Legierung mit zunehmender Temperatur progressiv
an. So
wurde z.B.
bei der SAC SnAG3,5Cu0,7 festgestellt, dass bei Löttemperaturen von
265 °C bis zu
10µ Kupfer
abgetragen wurden. Daher ist der sog. Leaching-Effect bei der
Wahl der Legierung
in Abwägung
aller Vor- und Nachteile in die nähere Betrachtung zu
ziehen.
Allen Legierungen ist gemein, dass
gegenüber der SnPb-Legierung höhere Löt-
temperaturen
erforderlich sind und die
Benetzungskraft geringer ist (weniger stark
ausgeprägter Meniskus;
Lunkerbildung). Daher
sind Feinabstimmung der Lötparameter
und Hilfsstoffe abhängig
vom
Lötverfahren gefragt. In jedem Falle müssen geänderte
(aktivere) Fluxmittel
zum Einsatz kommen
(höherer Feststoffgehalt).
Auch beim Wellenlöten konnte in vielen Versuchsreihen festgestellt werden, dass das
Löten
unter
Schutzgasatmosphäre wesentliche Vorteile bringt:
- geringe Oxidbildung
- geringe Gas- und Feuchtigkeitsaufnahme
- weniger und kleinere Lunker
- weniger unerwünschte Reaktionen mit dem
Fluxmittel
- größere Oberflächenspannung Pad/Lot
- geringere Bildung von Krätze
- verminderter Zinnverbrauch
- geringer Wartungsaufwand
Design
Bedingt durch die höheren Löttemperaturen müssen
neue Design-Rules erstellt
werden, die auf empirisch zu erstellenden Erkenntnissen beruhen, z.B.:
- Überlegte Anordnung der Bauelemente unter
Beachtung der Wärmekapazitäten
- Geeignete Lotfänger einbauen (Wellenlöten)
- In Masse liegende Lötaugen mit Wärmefallen
versehen (verbessert den Lotdurchzug
und reduziert
die Lunkerbildung)
- Größtmögliche Isolationsabstände, da höhere Neigung zur Brückenbildung
- Anordnung der Bauelemente in geeignetem Winkel
zur Wellenfront
In der jetzigen Übergangszeit belassen es die meisten Anwender bei der HAL-
Verzinnung, nur
eben
in bleifrei, und die chemischen Oberflächen behalten ihre
bisherige Daseinsberechtigung
dort, wo
ihre Vorzüge benötigt (Oberflächenplanarität)
oder die applikationsbedingte Notwendigkeit
(Bonden, Schleif- Steck- und Tippkontakte)
besteht.
Im Interesse aller ist es erforderlich und vorteilhaft,
einen offenen Erfahrungsaustausch
unter allen
Marktteilnehmern - also auch gegenüber Mitwettbewerbern - auf der Basis
von Gegenseitigkeit
und
Fairness zu führen.
| Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH mit Sitz in 47877 Willich |
| Registergericht: Amtsgericht Krefeld | Reg.-Nr.: HRB 1444 | USt-IdNr.: DE 120 156 920 |
| Geschäftsführung: Hildegard Völker & Andreas Brüggen | 47805 Krefeld, Oberdiessemer Str. 15 |
| Telefon: ++49 (0) 21 51 825 1 | Telefax: ++49 (0) 21 51 932
450 | eMail: infotern@precoplat.de |
