Feuchteempfindliche Bauteile und Elkos

Lötwärmebeständigkeit von ICs und Elkos beim Konvektions- und Kondensationslöten

23.07.2008 | Autor / Redakteur: Dr. Hans Bell* / Claudia Mallok

Beim bleifreien Lötprozess sind feuchtigkeitsempfindliche Bauteile und Elkos einem erheblichen thermomechanischen Stress ausgesetzt. Während die Komponenten einmaliges Reflow-Löten aushalten, sind Mehrfachlötungen kritisch. Die Folge: Delaminationen der IC-Gehäuse und Kapazitätsverluste der Elkos nehmen deutlich zu. Zudem sollten einige Bauteiltypen vor dem Kondensationslöten (Vapourphase) für diesen Prozess spezifiziert werden.

Die Produktion von RoHS-konformen Baugruppen hat in den vergangenen Jahren zu einer der größten Materialumstellungen in der Geschichte der Elektronik geführt. Insbesondere für die Bauelemente stellen die höheren Löttemperaturen eine gewachsene Stressbelastung dar. Dies betrifft vor allem die Gruppen der feuchteempfindlichen IC-Gehäuse und der Elektrolytkondensatoren.

Dieser Beitrag stellt einen kleinen Teil von Untersuchungsergebnissen zur Lötwärmebeständigkeit von einigen IC-Packages und Elektrolytkondensatoren vor, die in Zusammenarbeit mit der TU Dresden und ELNA gewonnen wurden. Alle Temperaturbelastungen erfolgten unter realen Bedingungen auf Fertigungsanlagen. Dabei war insbesondere die Fragestellung, inwieweit die Lötverfahren Konvektion und Kondensation (Dampfphase) sowie Vakuum-Kondensation einen unterschiedlichen Einfluss auf die Lötwärmebeständigkeit der Bauelemente haben.

Feuchtigkeitsempfindliche Bauteile

Alle untersuchten ICs wurden vor der Reflow-Belastung der feuchteresistenten Verpackung entnommen und entsprechend ihrem Feuchte-Level (MSL) 72 oder 168 Stunden bei 30°C und 60% relativer Feuchte gelagert. Anschließend erfolgte die Reflow-Belastung nach unterschiedlichen Varianten, die in der Tabelle aufgeführt sind. Vor und nach der jeweiligen thermischen Belastung wurden die ICs mittels eines Ultraschallmikroskops nach dem Impuls-Echo-Verfahren (C-Scan) untersucht.

Da beim Kondensationslöten die übertragene Wärme aus der Phasenwechsel-Enthalpie (gasförmig-flüssig) stammt, wird bei diesem Reflow-Verfahren in gleicher Zeiteinheit 10 bis 20 mal mehr Wärme übertragen, als beim Konvektionslöten, welches mit heißem Stickstoff oder heißer Luft arbeitet. Daher sind Schädigungen der Bauelemente, z.B. durch Delamination, eher nach dem Kondensationslöten zu erwarten. Für feuchteempfindliche Bauelemente stellt eine Vakuumumgebung eine zusätzliche Belastung dar. Restfeuchte erhöht beim Reflow-Löten den Innendruck des Packages erheblich und das Vakuum den relativen Druckunterschied um weitere 1 bar.

Vakuum beim Kondensationslöten ist zusätzliche Belastung für feuchtempfindliche Bauteile

Daher wurde bei unseren Untersuchungen auch der Schwerpunkt auf das Vakuum-Kondensationslöten gelegt. Die dreifache Wiederholung der Belastung sollte die Grenze der Robustheit der Bauelemente gegen Mehrfachlötungen sichtbar machen. Für die Konvektionsbelastung wurde die maximale Temperatur auf 260°C eingestellt. Dies entspricht der maximalen Klassifikationstemperatur für feuchteempfindliche Bauelemente nach dem Standard JSTD IPC 20C/Tabelle 4-2.

Die Kondensationslötanlage wurde mit Galden HS240 befüllt, wodurch die maximale Temperatur in diesem Prozess 240°C nicht überstieg. Bei der adaptiven Vakuumbelastung wurde ein Enddruck von ≤10 mbar über einen Zeitraum von ca. 30 Sekunden erreicht. Die Aufheizgradienten waren stets £ 3 K/s. Alle uns verfügbaren Bauelemente hatten ein Moisture Sensitive Level von MSL3, nur ein Bauelement hatte MSL4 (nach IPC 020C).

Die untersuchten SSOP- und SOT-Bauelemente haben sehr robuste Gehäuse, welche auch nach mehrfacher extremer Reflow-Belastung keine Delamination zeigen. Als ebenso robust erwiesen sich die Bauformen MQFP80 und MQFP144. Hingegen zeigten die PQFP64 bereits nach dem Konvektionslöten und dem Kondensationslöten ohne Vakuum leichte Delaminationen am Chiprand, wobei die Unterseite des Chipträgers jedoch keine Veränderungen aufweist.

Mit zunehmender Lötbelastung steigen die Delaminationen des IC-Gehäuses

Mit zunehmender Lötbelastung nimmt die Delamination in der Ebene Chipträger/Moldmasse zu und breitet sich über die gesamte Pad-Fläche aus. Nach zweimaligem Vakuum-Kondensationslöten waren 90% der untersuchten PQFP64 ausgefallen. Mit komplexerem Gehäuseaufbau nimmt auch die Empfi ndlichkeit gegenüber Lötbelastungen zu, wie am Beispiel der untersuchten PFCM128 nachgewiesen wurde. Die Chips der ICs sind auf Interposer kontaktiert, die wiederum auf das Mittenpad des Leadframes montiert sind. In der Ebene Interposer/Leadframe sind mit zunehmender Lötbelastung Delaminationen erkennbar.

Ultraschallbilder Gehäuse-Bauformen MQFP144 und PQFP64 vor und nach dem Wärmestress im Lötprozess
Ultraschallbilder Gehäuse-Bauformen MQFP144 und PQFP64 vor und nach dem Wärmestress im Lötprozess

Das Konvektionslöten zeigt ein mit dem Kondensationslöten ohne Vakuum vergleichbares Fehlerbild. Es werden bei einfacher Lötbelastung entweder keine oder nur geringe Veränderungen in den Packages nachgewiesen. Mehrfache Lötbelastung unter Vakuum können komplexere Packages zerstören. Hinsichtlich der Lötwärmebeständigkeit unterschied sich das PFCM100 mit einem Moisture Sensitive Level MSL4 nicht von dem vergleichbar aufgebauten PFCM128 mit einem MSL3. Dieses Ergebnis unterstreicht, dass die Feuchteempfi ndlichkeitsklasse nicht die Lötwärmebeständigkeit charakterisiert. Die nebenstehenden Aufnahmen zeigen Ultraschallbilder einiger untersuchter Bauelemente.

Elektrolytkondensatoren

Beispielhaft wurden folgende Bauformen hinsichtlich ihrer Lötwärmebeständigkeit untersucht: D10x10L; D8x6,5L; D6,3x5,3. Die Reflow-Temperaturbelastungen orientierten sich an den Standards IPC J-STD 20C und IEC 60068-2-58 sowie der ELNA-Spezifikation für diese Bauelemente. Da häufig Elektrolytkondensatoren auch dem Kondensationslötprozess ausgesetzt sind, wurden zusätzlich zu den thermischen Belastungen unter Konvektionsreflow-Bedingungen auch Belastungen unter Vapourphase-Bedingungen durchgeführt. Die Elektrolytkondensatoren waren nicht für den Vapourphaseprozess spezifiziert.

Temperaturbelastung des Bauteils im Lötprozess: links - Konvektionsreflow-Löte; rechts - Kondensationslöten (Vapourphase)
Temperaturbelastung des Bauteils im Lötprozess: links - Konvektionsreflow-Löte; rechts - Kondensationslöten (Vapourphase)

Die beiden Grafiken zeigen den Temperaturverlauf am Gehäuse. Alle Prozessparameter wurden so eingestellt, dass die entsprechend den Standards zugelassenen Grenztemperaturen nicht überschritten wurden.

Röntgenaufnahme der Elektrolytkondensatoren nach dem Löten im Konvektionsreflow-Prozess und Vapourphase-Prozess
Röntgenaufnahme der Elektrolytkondensatoren nach dem Löten im Konvektionsreflow-Prozess und Vapourphase-Prozess

Nach den thermischen Belastungen wurden alle Elektrolytkondensatoren mittels Röntgeninspektion auf eventuelle mechanische Defekte untersucht und anschließend elektrisch vermessen. Sowohl nach dem Konvektionslöten als auch nach dem Kondensationslöten wurden keine mechanischen Defekte an den Kondensatoren nachgewiesen. Es gab weder Anrisse an den Anschlussdrähten noch Verformungen des Gehäuses, wie auf dem Röntgenbild zu sehen ist.

Nach jedem Reflow-Prozess ist die Kapazität der untersuchten Elkos gesunken

Kapazitätsverlust eines Elektrolytkondensators D8x6,5L (35V 47µF) nach einem Konvektions- und einem Kondensationslötprozess
Kapazitätsverlust eines Elektrolytkondensators D8x6,5L (35V 47µF) nach einem Konvektions- und einem Kondensationslötprozess

Die elektrischen Messungen ergaben stets kapazitive Verluste nach jedem Reflow-Prozess. Der wesentlich stärkere Wärmeübergang beim Vapourphase-Löten hatte bei allen untersuchten Elektrolytkondensatortypen auch einen größeren Kapazitätsverlust zur Folge. Werden die Kondensatoren mehrfach im Konvektionsreflow-Prozess belastet, nimmt der Kapazitätsverlust weiter zu. Eine dreifache Belastung in der Konvektion erreicht einen gleichen Kapazitätsverlust, wie er bereits nach einem Kondensationsprozess erreicht wird.

Ergebnis:

Die höheren Temperaturen in den bleifreien Lötprozessen stellen für feuchtigkeitsempfindliche Bauteile sowie für Elektrolytkondensatoren einen erheblichen thermomechanischen Stress dar. Die Untersuchungen belegen, dass die Bauelemente durchaus diesen Bedingungen bei einem einmaligen Reflow-Prozess gewachsen sind. Erhöhen sich die Belastungen jedoch durch Mehrfachlötungen, nehmen die Anzahl der Delaminationen der IC-Packages sowie die Kapazitätsverluste deutlich zu. Aufgrund des größeren Wärmeübergangs beim Kondensationslöten (Vapourphase) sollten einige Bauelementetypen vor ihrer Verarbeitung für diesen Prozess spezifiziert werden.

Für die Durchführung und Auswertung der Untersuchungen gilt unser besonderer Dank:

Dipl.-Ing. R. Heinze, Dr.-Ing. H. Wohlrabe, TU Dresden

J. Pfülb, Beck GmbH

H. Yamada, T. Nakamura, ELNA CO. LTD.

W. Kolb, F. Oswald, rehm

*Dr. Hans Bell ist Leiter Entwicklung und Technologie bei der Rehm Thermal Systems GmbH in Blaubeuren-Seissen.

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