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25 Jahre FED - Ein Rückblick

Neue Mitglieder

09.12.2014

Bericht und Vortragsfolien | Beuth Hochschule für Technik Berlin

Gastgeber der letzten Regionalgruppenveranstaltung im Jahr 2014 war die Beuth Hochschule für Technik in Berlin (University of Applied Sciences). Über 30 Teilnehmer waren der Einladung des FED gefolgt und konnten von Regionalgruppenleiter Marco Schiller begrüßt werden. Dieser bedankte sich mit ein Gastgeschenk bei Herrn Prof.Suchaneck für die in seinem Hause gewährte Gastfreundschaft der seinerseits die Anwesenden willkommen hieß und in seinem Begrüßungsworten die Wichtigkeit der Zusammenarbeit zwischen Industrie und Technischer Ausbildung hervorhob. Anschließen stellte er die Beuth-Hochschule in einigen Auszügen vor.

Mit ihren vielfältigen ingenieurswissenschaftlichen Studienangeboten und der hohen  Anzahl an Studierenden ist die Beuth Hochschule eine der bedeutesten Hochschulen in Deutschland. Sie entstand 1971 durch den Zusammenschluss vieler über das Stadtgebiet Berlin verteilten Ingenieurschulen auf einem verkehrsmäßig sehr günstig gelegenen Standort.  Mit vielen Angeboten in ingenieurwissenschaftlichen, naturwissenschaftlichen und wirtschaftswissenschaftlichen Angeboten, die sich in 70 Bachelor- und Masterstudiengängen aufgliedern, bietet die Hochschule eine breit gefächerte Ausbildung in 8 Fachbereichen an. Hierzu zählen nicht nur die Ingenieurdisziplinen wie z. B. Elektrotechnik und Maschinenbau, sondern auch innovative Studiengänge wie z. B. Medieninformatik und Verwaltungstechnik und -management. In 2014 konnten insgesamt fast 12000 Studierende gezählt werden, die von einem Stab mit 300 Professoren, 500 Lehrbeauftragen und weiteren 450 Mitarbeitern ausgebildet werden. Ein angegliedertes Fernstudieninstitut und Online-Studiengänge runden das Angebot ab.

Mit einer Power-point-Präsentation stellt Marco Schiller im Anschluss an die Begrüßung den FED mit seinen Aufgaben und Leistungen vor. Hervorgehoben wurden noch einmal die High-Lights des Jahres 2014, das ist der PCB-Designertag und die Jahreskonferenz in Bamberg. Intensiv wird das Forum angesprochen, das in seiner neuen Form viele Vorteile bietet und ein ideales Networking gewährleistet.

Michael Ihnenfeld aus der Geschäftsstelle berichtete dann über die Neuigkeiten aus dem Verband. Die neuen und geplanten Übersetzungen der IPC-Richtlinien werden vorgestellt und der Inhalt kurz angesprochen mit dem Verweis auf die vorhandene Auslage der Dokumente. Die nächste FED-Konferenz in Kassel vom 25. bis 26. September 2015 wurde angesprochen und auf den Call für Paper, der Anfang 2015 veröffentlicht wird, wird hingewiesen. Ferner wurde auf den nächsten PCB-Designertag am 019.Mai 2015 in Nürnberg im Vogel-Convention Center hingewiesen.

   
  Referent Jörg Trodler, Heraeus               Referent Rainer Taube, TAUBE ELECTRONIC

1. Fachvortrag: Materialien für die Aufbau- und Verbindungstechnik in der Leistungselektronik

Teil 1: Kontaktmaterialien für hohe Temperaturen

Jörg Trodler, Firma Heraeus GmbH, stellt in seinem ersten Vortrag, Kontaktmaterialien für hohe Temperaturen, verschiedene Weichlotlegierungen vor. Der Trend in der Leistungselektronik stellt neue Herausforderungen an die Verbindungstechnologie und damit auch an die Lotlegierungen. Zu den Anforderungen zählen hohe leistungsdichte und Wärmeableitung, große Zuverlässigkeit, Bleifrei-Technologie und lange Lebensdauer. Das alles bei einem Einsatzes >150°C und möglichst niederen Kosten. Hinzu kommt, dass Leistungselektronik und die zugehörige Steuerungselektronik auf einer Leiterplatte gemeinsam aufzubringen sind. Die in der Bleifreitechnologie verwendeten Weichlotlegierungen sind die eutektischen Sn/Ag-Legierungen und die quasieutektischen Sn/Ag/Cu-Legierungen. Beimischungen von kleinen Mengen unterschiedlicher Metalle ändern die Eigenschaften in Bezug auf Ablegierung, Benetzung und Aussehen. Da jedoch für die Leistungselektronik die Forderung nach 150°C im Feldeinsatz besteht, haben hier Mehrstoffverbindungen wie INNO-Lot große Vorteile. Die Zuverlässigkeit ist  erprobt und die Legierung am Markt für die Verarbeitung auf Leiterplatten eingeführt. Beim Zykeltest liegt die Innolot-Legierung über dem Grenzwert von 50% bei 2000 Zykel abhängig vom Oberflächenfinish der Leiterplatte. Für die Verbindungstechnik auf Leistungshalbleitern ist von Heraeus die Speziallegierung HT1 entwickelt worden. Die Besonderheit dieser Legierung ist die Bildung einer Ag3Sn-Phase, die sich durch Beimischung von seltenen Erzen verändern lässt und dadurch einen besseren Zusammenhalt der Verbindung gewährleistet. Ein zu großer Silberanteil führt zur Ausbildung von großen Ag3Sn-Platten und damit zu einem geringeren Zusammenhalt. Die Schmelztemperatur von HT1 ist ähnlich der vom Innolot. Nach vielen Qualitätsprüfungen, siehe hierzu auch die in den Folien dargestellten Intermetallischen Phasen zwischen SnAg3,5 und HT1, konnte der Einsatz im Feld freigegeben werden. Für die Aufbau- und Verbindungstechnik in Leistungsmodulen für die die Automotiv- und Industrieelektronik werden Verbindungsmaterialien und Verbindungstechnologien nötig, die in hohen Umgebungstemperaturen Zuverläsigkeit bieten. Die Löttechnik ist überfordert, statt dessen bietet sich die Sinter-Technologie an. Die von Heraeus propagierte mAgic Silber Sintertechnologie  überspringt die Grenzen der Löttechnik, gestattet Betriebstemperaturen über 150°C und garantiert eine gute Wärmeableitung und eine lange Lebensdauer. Die wichtigsten Eigenschaften im Vergleich sind aus nebenstehender Tabelle zu entnehmen.

  
Quelle Vortragsfolie Trodler, Heraeus

Der Sinterprozess ist ein Verdichten pulverförmiger oder feinkörniger Stoffe, für die Elektronik Lotpasten,  durch Druck und Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes, wobei die Oberflächen miteinander verschmelzen. Die Temperatur beschleunigt den Diffusionsprozess und durch Druck werden die Diffusionsvorgänge durch plastisches Fließen überlagert. Im Prozessablauf wird die Lotpaste aufgebracht, anschließend getrocknet und der Die aufgebracht. Der Sinterprozess erfolgt unter Druck und Temperatur in relativ kurzer Zeit. Bei größeren Die-Flächen wird der Die sofort nach Aufbringen der Druckpaste plaziert. Der Sinterprozess läuft bei einer Peaktemperatur zwischen 230°C und 280°C in einer Zeit von 240 Minuten ab. Der Druck hat einen wesentlichen Anteil an der Wärmeableitung des Halbleiters.
Anforderungen an die Anlagentechnik werden durch die getrennte Regelung von Temperatur und Druck gestellt. Die Druckübertragung muss über das ganze Modul homogen sein, um eine zuverlässige Verbindung zu erstellen.

Teil 2: Hot Power Connection

Im zweiten Teil seines Vortrages stellt Jörg Trodler das Projekt HotPowCon (Hot Power Connection) vor. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekt mit einen Konsortium aus der Industrie und Forschungsinstitutionen hatte zum Ziel, neue Fügewerkstoffe und Verfahren zur Herstellung von Leistungselektronik in der Automobiltechnik zu finden und serienfähig zu entwickeln. Die AVT sollte bei einer Betriebstemperatur von 300°C und höher eine gute Zuverlässigkeit gewährleisten. Zudem sollten die Leistungselektronik und die zugehörige Steuerelektronik auf einer Baugruppe integriert sein.  Die löttechnische Voraussetzung dazu war Stoffverbindung, die eine Kombination aus thermischer und isothermischer Verdichtung an der Fügestelle erzeugen konnte..Verwendung findet  dafür eine Weichlotlegierung, basierend auf SnCu mit metallischen Zusätzen. Damit wird die isotherme Verdichtung bei Standard-Löttemperaturen erreicht und eine Betriebstemperatur höher als die Liquidus-Temperatur nach dem Lötprozess. Auf Grund eingeschränkter Auswahlkriterien sind nur FE, Ni, Cu, und Sn verwendungsfähig. Angewendet wird eine SnCu-Legierung mit Cu-Zusätzen, durch die eine Erhöhung der Intermetallischen Phase erreicht wird.
Als Lötprozess wird das Diffusionslöten eingesetzt. Dabei wird die niedrig schmelzende Lotschicht, die zwischen zwei hochschmelzenden Metallschichten oder auch Substraten platziert ist, vollständig in eine intermetallische Phase umgewandelt. Die Verbindung wird nur durch die intermetallische Phase gebildet mit einem Schmelzpunkt >400°C Für die Bildung einer ordentlichen intermetallischen Phase sind Mindestanforderungen an die Partikel des Cu-Zusatzes notwendig. Durch eine DMA (Dynamisch Mechanische Analyse) wird ersichtlich, dass die Wiederaufschmelztemperatur der Legierung durch den Cu-Zusatz zu hohen Temperaturen ( ca. 400°C ) verschoben wird. Ein Anteil von >20%Cu gewährleitet keine gute Ausbildung der intermetallischen Phase.

  
Quelle Vortragsfolie Trodler, Heraeus 

Bei der praktischen Herstellung der Verbindung führten die übereinander angeordneten Schichten von Weichlotlegierung und Cu-Zusatz bei großen Cu-Partikeln durch einen unvollkommenen Einschluss zu einem schlechten Ergebnis. Erst eine Lösung in der die Cu-Partikel von einer Weichlotlegierung allseitig umschlossen wurde, konnte eine zufriedenstellende Fügestelle nach dem Schmelzvorgang erreicht werden. Alle Cu-Partikel waren von dem Weichlot umschlossen. Mit Bildern in der Folienpräsentation konnte die Zuverlässigkeit der Fügestelle und durch Aufzeichnung einer Kurve über die Aufschmelztemperatur, erstellt mit einem Test-Head-Chamber, verdeutlicht werden. Beim Stresstest mit Powermodulen konnte festgestellt werden, dass durch die sehr feste und steife Verbindungsstelle der innere Stress des Modules sehr groß ist, die Ermüdung im Lot jedoch klein. Im Gesamtverbund kann festgestellt werden, dass bei hohen Temperaturen der Verbindungsaufbau sehr gut ist, bei Minus-Temperaturen jedoch Probleme entstehen können. Zusammenfassend kann ausgesagt werden:

  • die Verwendung von Weichlotlegierungen über 175°C ist von der jeweiligen Anwendung anhängig,
  • der Sinterprozess kann für die industrielle Anwendung finden, für die jeweilige Anwendung mit unterschiedlicher Temperatur und unterschiedlichem Druck.
  • und das Ergebnis des HotPowCon-Projektes  für Anwendungen bei Temperaturen >300°C

 

   
In der Kaffeepause.

Über das aktuelle Thema Fehlervermeidung beim Einsatz von µ-Components referiert nach der Kaffeepause Rainer Taube, TAUBE ELECTRONIC. Die treibende Kraft in der Bauteilentwicklung ist  
zum größten Teil in der Konsumertechnik zu finden. Die Geräte müssen immer kleiner und leichter gestaltet werden und übernehmen dabei immer komplexere Funktionen. Der heutige Stand der Technik bei Chips sind die Baugrößen 0201(i) und 01005(i).Die Firma Murata entwickelt zurzeit 2poler-Chips in der Größe M03015 und M0201.. Die Serienproduktion soll 2015 beginnen. Widerstände von RoHM in Bauform M03015 aus Wafern werden mit einer garantierten Dimensionstoleranz von 5µm hergestellt Die vorgenannten Beispiele zeigen das Durcheinander der Gehäusebezeichnungen. Einmal werden die Maße in Inch (i) und zum anderen metrisch angegeben. Der Größenunterschied ist damit wesentlich und muss vom Layouter beachtet werden. Bei den µBGA ist die derzeitige Abmessungsgrenze bei einem Pitchabstand <=500µm zu sehen, BTC-Bauteile kamen mit einen Pitchabstand von 650µm auf den Markt, liegen heute aber in der Regel auch bei <=500µm. Gleichzeitig werden die Bauelemente damit immer leichter und bereiten damit Herausforderungen im Fertigungsprozess. Eine Handbestückung ist nicht mehr möglich, entsprechende automatische Maschinen sind dafür notwendig. Kameramarken zur Ausrichtung der Baugruppe auf der Bestückungsmaschine sind unerläßlich.
Für den Lötprozess ist der Pitchabstand für die Auswahl der Technologie ein wesentlicher Faktor. Ab einen Pitchabstand <50mil/1,27mm ist nur noch Reflowlöten möglich. Hierbei ist dann zu beachten, dass im Gegensatz zum Wellenlöten, wo das Bauelement fixiert ist, im Reflowlöten eine Bewegung des Bauteiles während des Prozesses möglich ist. Die Ausbildung der Lötfläche auf der Baugruppe ist besonders zu beachten, um Fehler wie das häufig bei den kleinsten Bauteilen auftretende Tombstoning zu vermeiden. Zu große oder unterschiedlich gestaltete Lötflächen sind häufig die Ursachen für das Auftreten der Fehler.
Auch die Anschlüsse an den Bauelementen unterliegen einer ständigen Änderung durch die Verkleinerung des Bauteilgehäuses vom Gullwing-Anschluss bis zu reinen Bottom-Anschlüssen und müssen beim Layout beachtet werden. Die Anschlüsse an den Bauteilen bestimmen die Löttechnologie, sowie die Zuverlässigkeit der Baugruppe. Bei den BTC-Components ist der Unterschied der Anschlussformen der Pads bedingt durch den unterschiedlichen Aufbau des Halbleiters besonders groß. Weiterhin sind Bauelemente mit benetzbaren und unbenetzbaren Kanten, je nach Fertigungsart, auf dem Markt zu finden. Eine Standardisierung ist in seltenen Fällen gegeben und der Einsatz erfordert daher besondere Achtsamkeit. Ein weiteres Augenmerk gilt es auf das Thermal-Pad zu richten. Zur Ableitung der Wärme aus dem Baustein können Durchkontaktierungen an den Anschlussflächen der Thermal-Pads erforderlich sein. In den meisten Fällen wird das Thermal-Pad an GND angeschlossen. Es ist zu empfehlen, das Thermalpad immer anzulöten, d.h. die entsprechende Fläche muss in der Lötstoppmaske freigestellt sein. Dazu muss für jedes Bauteil in der Bauteilbibliothek ein entsprechendes Muster nach Vorgaben des Herstellers hinterlegt werden. Standardbibliotheken entsprechen in vielen Fällen nicht der Realität.
Beim Design von µ-Components sind bestimmte Hinweise zu beachten.

  • BTC-Bauteile: Lötstoppfreihaltungen müssen immer bauteilabhängig gestaltet werden. Richtwert Lötstoppfreihaltung 10%-15% vom Pitch.
  • Bauteile mit S-Anschlüssen und Thermalpads haben in vielen Fällen einen höheren Stand-Off, der durch mehr Lotpaste ausgeglichen werden muss, bei der Wahl der Druckschablone beachten.
  • Differenzen zwischen den CAD-Daten und der Realität in der Fertigung beachten. Die Leiterbahn nach der Fertigung ist durch den Ätzvorgang ein Trapez. Der Kupferabtrag ist bei kleinen Leiterbahnbreiten problematisch, eine geringere Kupferschichtdicke kann helfen.
  • Schablonenöffnungen für Strukturen <200µm sollten erst nach dem Vermessen der Leiterplatte festgelegt werden. Die Breite der kleinsten Anschlussfläche bestimmt den Pastentyp und die Dicke der Schablone ergibt sich aus dem Verhältnis von Öffnungfläche zur Fläche der Öffnungswände. Durch die Schablonendicke wird also auch die Lotmenge bestimmt


Quelle: Vortragsfolie Rainer Taube, TAUBE ELCTRONIC

  • Unterschiede zwischen Lötstoppmasken definierten und Metall definierten Pads.
  1. Einbettung von Pads in Flächen ergeben wesentlich Flächenunterschiede und verschlechtern das thermische Verhalten.
  2. Anschluss-Pads ohne Wärmefallen benötigen einen höheren Lotbedarf, damit muss der Pastendruck angepasst werden.
  3. Höhe der Lötstoppmaske beachten, stoppmaskendefinierte Pads und nichtdefinierte Pads haben unterschiedliche Höhe. Durch den unterschiedlichen Stand-Off kann ein Zuverlässigkeitsrisiko entstehen wegen des unterschiedlichen Lotbedarfes.
  • Bei Baugruppen mit µ-Components muss der Bestückungsdruck angepasst werden. Kein Bestückungsdruck unter dem Bauelement, es entstehen unterschiedliche Stand-Offs, Kippgefahr
  • Bei Anwendung von BTC’s ist der Unterschied zwischen den Signalanschlüssen und der Entwärmungsfläche in vielen Fällen groß. Große Entwärmungsflächen bestimmen den Pastenbedarf, der Bedarf der Signalanschlüsse muss entsprechend angepasst werden.
  • Die Oberfläche der Leiterplatte hat bei Baugruppen mit µ-Components einen wesentlichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Baugruppe.
  • An die Lötstoppmaske werden große Herausforderungen in Bezug auf Genauigkeit gestellt, Auswahl des LP-Herstellers prüfen.

Für die Zuverlässigkeit der Baugruppen ist auch die Voids-Problematik ein wesentlicher Faktor. Über den Anteil von Voids in Lötstellen gibt es unterschiedliche Aussagen und Meinungen. Der Anteil von Voids ist um so größer je geringer die Lötstellenhöhe und damit die Entgasungsoberfläche ist. Bei den µ-Components sind die Thermal-Pads besonders anfällig. Durch den geringen Lotspalt können beim Lötprozess die Gase nicht aus der Lötstelle entweichen. Die Möglichkeiten der Beeinflussung sind beschränkt, ein Aufrastern des Pastendruckes ergibt keine wesentliche Besserung. Versuche im Hause TAUBE ELECTRONIC haben gezeigt dass durch eine soldermask definierte Rasterstruktur auf dem Thermalpad die Entgasungsoberfläche vergrößert und dadurch das Voiding besser kontrolliert und reduziert werden kann.

In der IPC-7093, der Standard für die BTC-Bauelemente, sind  viele Hinweisen zu Bauformen, Design, Bestückung und Zuverlässigkeit beschrieben.