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Wie oft kann man eine Leiterplatte von Eurocircuits auf bleifreie Löttemperatur erhitzen?
Post by  Dirk Stans on 16 Oct 2013  | Posted under Technologie Aufrufe:: 5239

Wie oft kann man eine Leiterplatte von Eurocircuits auf bleifreie Löttemperatur erhitzen?

Von Dirk Stans – Eurocircuits und Geert Willems – Center for Electronics Design & Manufacturing, imec

Referenzen.

[1] PBA Design-for-Manufacturing Guideline EDM-D-001: PCB Specification, imec-cEDM, July 2013.

[2] IPC-4101C: Specification for Base Materials for Rigid and Multilayer Boards

[3] Geert Willems, Piet Watté, Predicting PCB delamination in lead-free assembly, Global SMT &
Packaging, Vol. 10, No. 9, September 2010, p. 10.

Die aktuelle Situation!

  • Wir leben im Zeitalter des bleifreien Lötens
  • Die Löttemperaturen sind höher als zuvor (+ 25-35°C)
  • Fünf Jahre Erfahrung mit bleifreiem Löten von FR-4 Leiterplatten haben Vor- und Nachteile zutage gefördert
  • Die Qualität und Zuverlässigkeit Ihres Produktes is kritisch für dessen Erfolg im Markt
  • Diese Faktoren führen dazu, dass die Auswahl des Basismaterials immer wichtiger wird
  • Aber wie treffen Sie als Leiterplatten-Entwickler eine informierte Entscheidung?
  • Wie können Sie Ihre Leiterplatte robust entwickeln, um eine optimale Qualität während der Bestückung und des angestrebten Produkt-Lebenszyklus' zu erreichen?
  • ...

Erste Reaktion!

Es gilt eine Menge Material-Parameter für die aktuelle Generation von Leiterplatten-Design zu berücksichtigen:

  • T260, T288
  • CTEz
  • Td
  • Tg
  • Feuchtigkeitsaufnahme
  • ...

Diese Parameter bestimmen, ob Ihre Leiterplatten delamninieren wird und die Vias den bleifreien Bestückungsprozess der Leiterplatte überleben.

Wie treffen Sie die richtige Auswahl für Ihr Design?

Man könnte für jeden Parameter den bestmöglichen Wert wählen, würde sich aber beträchtlich in der Auswahl verfügbaren Materials einschränken. Zudem besitzen diese Materialien spezielle Nachteile - sind z.B. schlecht zu bestücken, oder brüchig.

Was ist die Konsequenz? Ist Ihr Problem gelöst?

  • Falls Sie Material mit unnötig hohen thermischen Eigenschaften einsetzen, welches nicht dem Standard entspricht, wird die Leiterplatte viel zu teuer.
  • Ihr Leiterplattenlieferant hat das Material möglicherweise nicht auf Lager.
  • Der Basismaterial-Hersteller könnte die Produktion selten gefragten Materials einstellen.

=> Ihre Leiterplatte ist teuer und nicht zukunftssicher.

Damit wir unseren Kunden eine effektive und wissenschaftlich sichere Lösung anbieten können, ist Eurocircuits eine Partnerschaft mit imec's "Center for Electronics Design & Manufacturing" eingegangen. Die hier vorgestellte Methode wird im Detail im Leitfaden PBA Design-for-Manufacturing beschrieben: EDM-D-001: PCB Specification, entwickelt von imec/cEDM und verfügbar unter www.edmp.be. Teile des Leitfadens wurden hier mit Genehmigung von imec/cEDM wiedergegeben.

Am Besten fangen Sie damit an was Sie wissen und kontrollieren können!

Ihr Produkt wird bleifrei gelötet werden. Somit benötigen Sie FR-4 Material was bleifrei kompatibel ist. Die Anforderungen an Basismaterial hängen ab von:

  1. Wie oft wird Ihre Leiterplatte während der Herstellung und Bestückung auf bleifreie Löttemperatur erhitzt oder "Wieviele Lötzyklen wird Ihre Leiterplatte für Bestückung und evtl. Reparatur benötigen?".
  2. Die maximale Betriebstemperatur für Ihre Anwendung.
  3. Die geplante Lebensdauer Ihrer Anwendung gemessen in der Anzahl thermischer Zyklen.

Ihr interner oder externer Bestückungsdienstleister sollte die erste Frage beantworten können. Ihr Kunde oder Endabnehmer ist die Quelle zur Beantwortung der anderen Fragen.

Mögliche Herstellungs- und Bestückungs Lötzyklen

Wie bestimme ich die Anzahl der Lötzyklen einer Leiterplatte? Die Antwort gibt die unten stehende Tabelle, Ref. [1].

Die in der ersten Spalte aufgeführten Leiterplatten Herstellungs- und Bestückungsprozesse können zur Bestimmung der Anzahl der Lötzyklen herangezogen werden.

Prozesse

Zyklen

Beschreibung

bleifreie Heissluftverzinnung (unbestückte LP)

2

Ein HAL Eintauchvorgang + 1 zusätl. Eintauchvorgang

Aufschmelzen

1

 

Wellenlöten

1

 

selektives Löten

1

einschl. manuelles Löten

Nacharbeit / Reparatur

1

Entfernen von Kurzschlüssen oder Unterbrechungen auf verbleiten Bauteilen

Bauteilaustausch

3

Entfernung+Reinigung+Löten: gilt für lokale Aufheizung

Spezifikationen von mit bleifreiem Löten kompatiblen FR-4 Material

Beginnen Sie grundsätzlich mit einem international akzeptierten Standard. Der IPC Standard IPC-4101C definiert bleifrei lötbares FR-4:

  • Es bestehen 14 Klassen bleifrei kompatibler Laminate: /99, /101, /102,/103[WG1] ,/121,/122, /124, /125/126,/127,/128,/129,/130,/131, jede mit geringfügig unterschiedlichen Eigenschaften.

Detaillierte Informationen können über www.ipc.org bezogen werden.

  • Schlüssel-Parameter:
    • Dekompositions-Temperatur: Td (Thermal decomposition temperature: mehr)
    • Time-to-delamination (Zeit bis zur Delamination): T260, T288, T300 (Zeit bis zur Delamination bei 260°C, 288°C und 300°C; siehe weiter unten)
    • Z-Expansion (Richtung der Dicke): Koeffizienten thermaler Ausdehnung alpha 1 und alpha 2 (ppm/°C), und CTEz die z-Expansion in % zwischen 50°C und 260°C

Überprüfen Sie, ob das Material Ihres Herstellers konform zu einer der definierten IPC-Klassen ist und welche Minimalwerte dieser für die Schlüssel-Parameter garantiert, anstatt Ihrem Hersteller ein spezifisches Material vorzuschreiben. Ihre Leiterplatte wird preiswerter und schneller verfügbar.

Lassen Sie uns FR-4 Material aus der Zinnblei Ära mit dem bleifrei kompatiblen FR-4 in Bezug auf diese Parameter vergleichen.

Typische Werte von SnPb-Ära FR-4 Basismaterial verglichen mit denen der bleifrei kompatiblen FR-4 Klassen.

 

FR4 SnPb

99

101

121

124

126

129

122

125

127

128

130

131

Td (°C)

+/-300

325

310

310

325

340

340

310

325

310

325

340

340

T260 (min)

2-15

30

30

30

30

30

30

30

30

30

30

30

30

T280 (min)

>10 sec

5

5

5

5

15

15

5

5

5

5

15

15

CTEz (%)

+/-4.5

3.5

4.0

4.0

3.5

3.0

3.5

4.0

3.5

4.0

3.5

3.0

3.5

Die Tabelle zeigt deutliche Unterschiede für die Schlüsselparameter Td, T260, T288 und CTEz zwischen älterem und aktuellem, bleifrei lötbarem FR-4 (aufgeführt nach IPC Klassen).

Heutzutage wird etwa 25-35°C heißer gelötet als zu Zeiten des Zinnbleis. Dieses führt zu Risiken für:

  • Delamination: Parameter T260, T288 und in geringerem Ausmaß Td.
  • Via Brüche: Parameter CTEz

Lassen Sie uns die Effekte dieser Parameter etwas genauer untersuchen.

Delamination

  • Treibende Kraft:
    • Laminat Zersetzung
    • Feuchtigkeit in der Leiterplatte[1]
  • Schlüsselparameter:
    • Zeit bis zur Delamination: T260 – T288 – T300
    • Zersetzungstemperatur Td
  • Fehlertypen
    • “Blasen”
    • Hoch-Ohmige Kurzschlüsse
    • Leiterbahnversagen (Unterbrechung)
    • Via-Bruch (Unterbrechung)
    • Ausfall im Feld (gewöhnlich nicht während der Bestückungstest erkennbar).

 

Delamination (ausgedehnte Trennung innerhalb der Leiterplatte)

Delamination 1

Delamination 2


Weniger als 25% benachbarter Leiter(bahnen) oder Durchkontaktierungen.
 

Weniger als 1% der der Leiterplattenfläche jeder Seite kann betroffen sein.

NKeine Ausdehnung als Ergebnis thermaler Stress-Tests oder vergleichbarer Zustände.

 

(6A) zeigt die Trennung zwischen zwei Glasgewebelagen im Basismaterial. Die Trennung kann auch zwischen dem Basismaterial und dem Kupfer auftreten.

(6B)
 zeigt die Trennung zwischen einzelnen Lagen.

(6C) 
und (6D) zeigen Trennungen zwischen Laminaten und internen oder externen Pads bzw. Kupferflächen.

 

FR-4 Schlüsselspezifikationen in Bezug auf das Temperaturverhalten

  • Zersetzungstemperatur - Td
    • Gemessen m.H.v. TGA: Thermo-Gravimetrische Analyse
    • Die Dekompositionstemperatur Td bestimmt wie schnell das Basismaterial bei Erhitzung zerfällt. Bei Erreichen der Td Temperatur, nachdem mit einer Geschwindigkeit von 10°C/min erhitzt wurde, zerfällt 5% des Basismaterials. Da für bleifreies Material um 25°C höhere Temperaturen benötigt werden, brauchen wir für unser Material entsprechend höhere Td Werte.

  • Zeit bis zur Delamination: T260-T288-T300
    • Gemessen m.H.v. TMA: Thermo-Mechanischer Analyse
    • T260-T288-T300 gibt an wie lange Ihr Basismaterial diesen Temperaturen widerstehen kann, bevor die Delamination einsetzt (das Material wird Dicker).

Zyklen bis zur Delamination als Funktion der Laminat-Eigenschaften

Forschung und Modelle von imec-cEDM haben bewiesen, Ref. [1, 2], dass IPC Datenblatt Grenzwerte keinen ausreichenden Schutz vor Delamination bieten. Die folgende IPC-4101 kompatible Definition der thermischen Eigenschaftsklassen, garantiert die angezeigte Anzahl Nd von Lötzyklen, ohne kohäsive [2] Delamination, Ref. [1]. Beachten Sie die stringenteren Anforderungen an T260 und T288.

 

Kategorie

Td (°C)

Min. v

T260 (min)

Min. v

T288 (min)

Min. v

CTEz (%)

Max. v

Nd

potentiell konform

IPC-4101 Datenblätter

Basic

310

30

5

4

7

99, 101, 102, 103, 121, 122, 124,

125, 126, 127, 128, 129, 130, 131

Mid

325

50

10

3.5

12

99, 102, 103, 124, 125, 126, 128,

129, 130, 131

High

340

80

15

3

20

102, 126, 130

 

Ein Material mittlerer Leistung mit einem T260≥50min und einem T288≥10min wird vor dem Auftreten einer größeren Delamanination mindestens 12 Lötzyklen widerstehen, eine trockene Leiterplatte vorausgesetzt. Der physio-chemische Mechanismus verbindet Td, T260 und T288. Deswegen ist der eigentliche Td Wert kein zusätzlicher Parameter.

In EDM-D-001 und Ref. [2] werden Graphen für eine gegebene Kombination aus Zeit-bis-zur-Delamination und Zersetzungstemperatur dargestellt, um die Anzahl der Lötzyklen bis zur Delamination zu ermitteln. Ein Programm zur Berechnung ist unter www.edmp.be (kostenlos für cEDM Mitglieder) verfügbar.

Via-Brüche

Ein Via Bruch wird gewöhnlich durch Unterschiede in thermischen Ausdehnung zwischen Laminat und der Kupferhülse in der Bohrung hervorgerufen. Beeinflusst wird dies durch die Leiterplattendicke, die Dicke des Kupferaufbaus und dem Lochdurchmesser. Der Schlüsselparameter für das Material dafür ist der CTEz Wert.

  • Treibende Kraft:
    • Differenz des CTE zwischen dem Laminat und dem Kupferaufbau des Vias.
  • Schlüsselparameter:
    • CTEz: 50-260°C. Je höher die Ausdehnung desto schlechter.
    • (Tg, α1, α2) (Erklärung weiter unten im Text)
  • Fehlertypen:
    • Scheinbar unterbrochene Lötverbindungen (insbes. BGA)
    • Zwischenzeitlich unterbrochene Verbindungen
    • Unterbrochene Via Anbindung
    • Ausfall im Feld (häufig während der Fertigung nicht zu testen)
    • Verringerte Leiterplatten-Lebensdauer

 

Durch thermische Beanspruchung verursachte Via-Brüche können durch das Löten oder durch den Betrieb der Leiterplatte hervorgerufen werden. Brüche durch Löt-Beanspruchung können durch wiederholtes Löten getestet werden. Die Betriebs-Lebensdauer kann durch den Test mittels beschleunigter thermischer Zyklen überprüft werden (typischerweise -40°C/125°C).

Konzentrieren wir uns auf den kritischten Effekt von Temperatur-Zyklen: Z-Achsen Spannung in der Via-Hülse durch den wesentlich größeren thermalen Ausdehnungs-Koeffizienten CTE des Laminats in der Z-Achse, verglichen mit dem des Kupfers (CTE=17ppm/°C).

CTEz, α1, α2: Ausdehnung in Z-Richtung

CTEZ

 

CTEz ist der Material-Parameter mit der größten Auswirkung auf zyklische Spannungen in Richtung der Z-Achse.

Die Grafik oben zeigt die Beziehung zwischen der Z-Achsen Ausdehnung des Materials (CTEz) und der Temperatur. Die Ausdehnung ist ein eher linearer Vorgang, mit einem Wendepunkt, wenn sich die Steigung der Kurve ändert und die Z-Achsen Ausdehnung pro °C schneller steigt. Dieser Wendepunkt befindet sich am Tg Wert des Basismaterials. Auf diese Weise wird auch der Tg m.H.d. thermo-mechanischen Analyse (TMA) bestimmt.

Die Grafik zeigt auch, dass ein tradintienelles FR-4 Material mit einem Tg=150°C (orange Linie) einen CTEz Wert hat, welcher wesentlich höher ist, als der für neues bleifrei lötbares Material (hellgrüne Linie) mit gleichem Tg Wert. Dieses wird durch Reduktion des CTE des Laminats durch Verwendung inerten (reaktionsunfreudigen) Füllers erreicht (erhöht die Bohrerabnutzung) und/oder durch Verwendung von Epoxydharz-Typen höherer Funktionalität (härtere, brüchigere Materialien).

Zusammenfassung: In Bezug auf die Z-Achsen Ausdehnung ist der CTEz Wert ist wesentlich wichtiger als der Tg Wert. Ein Material mit höherem Tg Wert garantiert keine bessere thermische Belastbarkeit hinsichtlich bleifreien Lötens. Letztlich erhöht Hoch-Tg-Material die Leiterplattenkosten.

 

 

Modell für Via Brüche

Nach EDM-D-001, 4.4.3, Ref. [1], treten Via Deformationen unter Lötbedingungen auf. Deswegen hängt der Via-Lebenszyklus (Anzahl der Lötzyklen bis zum Ausfall) maßgeblich vom CTEz Wert des Laminate s ab. Die kleine Abhängigkeit von der Via Größe kann für die Spezifikation vernachlässigt werden. EDM-D-001 stellt CTEz basierte Kriterien für die Laminat-Auswahl zur Verfügung, welche eine ausreichende Anzahl von Lötzyklen bis zu Ausfall bieten.

Eurocircuits Material mit einem maximalen CTEz=3,5% garantieren dementsprechen weniger als 1% Via Fehler nach 14 Lötzyklen.

Beachten Sie das sich die Vias unter Lötbedingungen um einige Prozent dehnen, welches, mit dem Wissen das eine Dehnung von 7 - 10% einen sofortigen Ausfall bewirkt, eine sehr große mechanische Belastung darstellt., Ref. [1], Appendix B.

Via: Betriebssicherheit - Anzahl der -40/125°C Zyklen bis zum Ausfall

Unter Betriebsbedingungen könnten die Dimensionen Leiterplattendicke und Dicke der Aufkupferung eine signifikante Auswirkung auf die Lebensdauer haben. Generell nimmt die Beanspruchung und damit die Lebensdauer mit zunehmender Leiterplattendicke, abnehmenden Via-Durchmessern und abnehmender Dicke der Aufkupferung ab. Imec/cEDM haben ein akkurates analytisches Modell entwickelt, um die Via Beanspruchung während der thermalen Zyklen zu berechnen und die Lebensdauer des Via vorherzusagen.

Die Grafik unten zeigt die Abhängigkeit der Via Beanspruchung bei -40/125°C Zyklen für ein Laminat mit a1=50ppm/°C, einer Leiterplattendicke D und Via Durchmesser d und einer Aufkupferung t=20µm (links) und t=10µm (rechts). (FEM: numerisch endliche Ergebnisse der Element Modellierung)

<pclass="tac pts">verlässliche Betriebsfähigkeit des Vias

 

Mit der Wöhler Beziehung können die Anzahl der Zyklen bis zum Ausfall unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen berechnet werden, indem diese mit der zyklischen Beanspruchung der Vias in Beziehung gesetzt wird. Unter www.edmp.be (kostenlos für cEDM-Mitglieder) ist ein Werkzeug zur Berechnung der Via-Lebenserwartung verfügbar.

Einfluss des Lötens auf die Lebenserwartung einer Leiterplatte: Via Abnutzung

Wie bereits erwähnt verursacht der Lötprozess sehr großen Stress für die Vias. Wenn das Via nicht während des Lötens ausfällt - was natürlich die Absicht ist - verkürzt sich die Lebenszeit eines Vias im Vergleich zur Lebenszeit eines Vias einer ungelöteten Leiterplatte. EDM-D-001 erklärt wie dieser Effekt berechnet werden kann. Zur Erinnerung: Die Auswahl eines Materials mit geringem CETz reduziert die Auswirkung des Lötens auf die Lebensdauer des Vias.

Wenn wir nochmals auf unseren Standartwert CTEz von 3,5% schauen, dann erreichen wir weniger als 4,6% Verlust an Lebenserwartung pro gefahrenem Lötzyklus, EDM-D-001, 4.4.4, führt zu einer Verringerung der Lebenserwartung insgesamt für eine unreparierte Leiterplatte zwischen 13 und 20%.

Eurocircuits Pooling Nutzen.

Die große Mehrheit unserer Bestellungen werden auf Pooling Nutzen gefertigt.

Pooling Nutzen

 

Die Standard-Technologiewerte für diese Leiterplatten sind:

- Leiterplattendicke 1,6mm

- kleinste Leiterbahnbreite und -abstand 150µm

- kleinste Bohrung 0,25mm

- kleinste Aufkupferung in den Bohrungen 20µm

 

Basierend auf diesen Werten und der oben beschriebenen imec/cEDM - Methodologie (Ref. [1]), haben wir die Eigenschaften für das von uns genutzte Basismaterial ermittelt.

 

Unser Ziel ist es unseren Kunden eine garantierte Leistung unserer Leiterplatten während der Bestückung und ausreichende Zuverlässigkeit der Leiterplatte für bei mittelmäßiger betriebsbedingter Beanspruchung der Baugruppe zu bieten.

Wie oft könnten Sie Ihre Leiterplatte bis zur Löttemperatur erhitzen?

  • Pooling - minimale Material Spezifikationen und maximale Anzahl von Lötzyklen
    • T260 = 60min, T288 > 10min & Td = 325°C =>16 Lötzyklen
    • CTEz = 3.5%
    • 1.6mm PCB => 14 Zyklen 1% Ausfall oder 11 Zyklen 0.1% Ausfall
    • 20µm Kupferaufbau
    • Tg 145°C=> maximale Betriebstemperatur 120°C
    • Eurocircuits möchte auf der sicheren Seite sein => -2 Zyklen
    • LBleifreie Heissluftverzinnung beansprucht => -2 Zyklen
  • D.h. unter Einsatz unserer garantierten minimal Material-Spezifikation, kann eine Standard Pooling Leiterplatte mit HAL bleifrei während der Bestückung bis zu 10 Mal auf bleifreie Löttemperatur (≤260°C) erhitzt werden - vorausgesetzt die Leiterplatte ist ausreichend trocken [3].

  • Die maximale Betriebstemperatur der Leiterplatte ist 120°C.
  • Tatsächlich haben die aktuell von uns eingesetzten Materialien ISOLA IS400 und Nan Ya NP-155F, wesentlich bessere Leistungsdaten als wir minimal garantieren: T260=60 Minuten, T288>10 Minuten, Td=350°C, CTEz=3%, Tg=145°C. CTEz=3% würde die Anzahl der Lötzyklen bereits auf 20 mit 1% Ausfall, anstatt auf 14 Zyklen bringen.
  • Die Zuverlässigkeit der Vias verringert sich im Zeitablauf und mit jedem gefahrenen Lötzyklus (z.B. 8 Zyklen bei 4,6% addieren sich zu ≈ 37% verringerter Lebenserwartung).

  • Nutzen Sie zur Erhöhung der Verlässlichkeit große Vias und begrenzen Sie die Leiterplattendicke. Der CTEz und der CTE unterhalb Tg a1 sind die bestimmenden Parameter für die Zuverlässigkeit des Vias.

“heiß” – “heißer” – “am heißesten”

  

Wie jedes gute Steak, kann auch jede gute Leiterplatte verbrennen!

Dieser Artikel wurde erstellt mit Unterstützung von:

Imec’s Center for Electronics Design & Manufacturing
Kapeldreef 75
3001 Heverlee
Belgium

Geert Willems – 0498 919464 – Geert.Willems@imec.be

imec edm

imec

edm

 


[1] Von der Leiterplatte absorbierte Feuchtigkeit kann die Delamination verschärfen und ist durch höhere (bleifreie) Temperaturen ein kritischerer Parameter geworden, als er beim bleihaltigem Löten war. Dem kann durch Lagerung der Leiterplatten in einem Temperatur- und Feuchtigkeitskontrollierten Umfeld entgegen gewirkt werden. Da die Feuchtigkeit, soweit vorhanden, eine lokale Variable ist, haben wir dies nicht weiter in unserer Diskussion über Material-Eigenschaften berücksichtigt.

[2] Kohäsive Delamination: Delamination in der Materialsubstanz, im Gegensatz zur Delamination an der Verbindung von Harz/Kupfer.

[3] Die von der Leiterplatte aufgenommene Feuchte erhöht die Delamniations-Tendenz wegen der zusätzlichen internen Belastung durch den Wasserdampf-Druck. Diesem kann durch Lagerung der Leiterplatten in Trockenbeuteln oder niedrieger Luftfeuchte (<5% rel. Luftfeuchte) in Trockenschränken entgegnet werden.


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