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D.Birgel / E+H & T. Lauer / ZVE

Reflowlöten von Durchsteckbauelementen-technologische Aspekte,

Applikationen und Zuverlässigkeit

6. Europäisches Elektroniktechnologie Kolleg21. März 2003


Gliederung

E+HAlternative Lötverfahren (Fügeverfahren)PIH – pin in hole / technisches PrinzipQualität und Zuverlässigkeit der LötstellenProzess und ApplikationBSR- Back Side ReflowZusammenfassung / Perspektive PIH & BSR


Endress+Hauser, Maulburg

Kompetenzzentrum

Für Füllstandmessung und Grenzstanderfassung in Feststoffen und FlüssigkeitenFür Druck- und Differenzdruckmessung

Leistungsbereiche

Forschung & EntwicklungProduktion & LogistikMarketing & Vertrieb

Einsatzgebiete

Energie / Kraftwerke / Öl & GasChemie / Pharma / LebensmittelAnlagenbau / SchiffbauWasser / Grundstoffe / Baustoffe

Messprinzipien

KapazitivKonduktivDruck / Differenzdruck / HydrostatikUltraschallRadarVibrationElektromechanischRadiometrisch


Key Facts

Zahlen (Maulburg, TPE)

1200 Mitarbeiter458.000 produzierte Messgeräte pro Jahr6.000.000 Messstellen als weltweit installierte Basis

SMD 0603 u. Finepitch 0,5Lp in HAL u. chem NiAuMicroviaMultilayer 6 LagenStarrflex u. Flex

Leitkleben u. Sonderlot SnAg3,5

2 SMD Linien mit Fuji u. Siemens, Rehm, DEK

2 Linien Wellenlöten Kirsten

5 Kombitester Agilent

120 Mitarbeiter in TPE80 Mio. elektronische Btl. /Jahr (ca 85% SMD-Anteil)1.100.000 bestückte und geprüfte Leiterplatten /Jahr

Technologie u. Prozess


Situation / automatisierte Lötprozesse

relatives Mengengerüst: Lötkostenanteile:

Auf dem Weltmarkt:

95% SMD-Anteil

stehen zu

5%

bedrahteten (THT-) Bauteilen

5%bedrahtete Einzellötstellen

verursachen80%

der Lötgesamtkosten

95%SMD - Lötstellen

verursachen lediglich20%

der Gesamtlötkosten


„Prozessfindung – reale Alternativen oder schwache Kompromisse“

QUO VADIS? QUO VADIS? Handlöten

Pin In Hole

Wellenlöten

Partielles Löten


Lösungskonzept - „Pin in paste“ / „THT reflow“Standardvariante

Füllen der offenen Durchverbindungen mit Lotpaste undDurchstecken der Bauteilanschlußdrähte (klassisch)Modifikation der Bauelemente z.B. durch Aufsetzen von Ringen auf die Pins (Fa. Samtec)

Verwendung der Einpresstechnik für SteckverbinderUmstellung der Bauelemente auf SMDPartielles LeitklebenPartielles Löten mit:- Wellenlötanlagen und Lötmasken - speziellen Selektivlötverfahren, wie Miniwelle,

Laserstrahllöten, Handlöten mit Lötkolben oder Heiß-gasgeräten.......


Prozessschritte im Vergleich

PIH

Lotpastendruck auf Baugruppenunterseite

SMD-Bestückung Reflowlöten

Pastenauf-trag BG-O

SMD-Bestückung

Bestückung PIH - BEReflowlöten*

Klebstoff-auftrag

SMD-Bestückung(Wellenseite)

Lotpastenauftrag SMD- Bestückung(Reflowseite)

Beschneiden & Bestückung BE (Exoten) Fluxen Wellenlöten

KONVENT IONELL

Reflowlötprozess

SMD-Kleberaushärten

* evtl.Reinigung


Montagevarianten / BE - Anordnungsmöglichkeit

THT

SMT&THT

PIH


PIH - Geometriekonzepte

Ausgangssituation: metallisierte Sacklochgeometrie(-n) / Variation der Bodenform durch Bohr- oder Fräswerkzeuge


Resümee aus einer ökonomisch, technologischen Bewertungsmatrix

Gesamtpunktzahl prozentualer Wert

Pin in Hole 930 82,3%

Partielles Löten 635 56,2%Wellenlöten

standard 571 50,5%Handlöten standard 826 73,1%maximale

Gesamtpunkte 1130


Realisierungsaufgaben

Selektionsuntersuchungen zur Ermittlung von:Bauelementtauglichkeit Festigkeitskennwerten und metallurgischen Besonderheiten der neuen Verbindungstechnikadäquaten LP-Layouts

Prozessadaption durch Optimierung von:Lotpastendruck einschließlich Lotpaste und DruckschabloneParameter zur Anwendung von LeitklebernBestückungsprozess (Erweiterung)ReflowlötparameterTechnikkomponenten


Realisierungsaktivitäten

Produkttechnisch:Erstellung von Testleiterplatten für VoruntersuchungenSchaffung erster PIH-Produkte (Produktion und Entwicklung):

- Planarantenne => HF-Buchse- Liquiphant A => Winkelstecker & Kontakthülse

Weiterführende Untersuchungen zur Produktsicherheit: - Layoutoptimierung- Zuverlässigkeitsuntersuchungen (beschleunigte Alterung)

Roadmap zur Abdeckung aller technologischen und technischen FragenDarstellung der organisatorischen Abläufe in der Elektronikfertigung

Z V E


Testbaugruppe / Zuverlässigkeit

Mechanische PrüfungStatisch (Ausziehversuch)Dynamisch (Schwingungs- bzw. Vibrationsprüfung)

Thermostress an Quasi-Serienbaugruppen-20 .....+80 °COnline – Überwachung


PIH - Leiterplattenlayout

Drehschalter

R-Netzwerke

DIL - BE

Winkelstecker

TO - BE

Diverse BE

„Übertrager“

Spezialstecker

Spezialstecker

Dioden o. ä.


Leiterplatten - Kontaktierungsgeometrien

THT SMD (POP)

BohrdurchmesserJe nach Pingeometrie

1,2...1,5 x Pin-∅NiAu

Padgröße entspricht THT- Außenkontur

(Stoßlötstellen)NiAu

Geometrievariationen der LP Metallisierungen(Bodenform determiniert durch Bohrspitzen- bzw. Fräsergeometrie)

Sackloch (PIH)

BohrdurchmesserJe nach Pingeometrie

1,2...1,5 x Pin-∅ ± 0,1 mmNiAu


Lötstellenqualität / THT Version „long“ Pin

THT

konventionell

„long“


Lötstellenqualität / Version „Pin On Pad“

POP(Stoßlötstellen)


Lötstellenqualität / „PIH“

PIH


Lötprozess / Bereitstellung des Lotdepots

Dispensen der LotpasteLotpastendruck

THTDoppeldruck (geschlossene Rakelsysteme)PIHEinfach- bzw. Doppeldruck (Rakelparameter optimieren / geschlossene Rakelsysteme)POPEinfachdruck (evtl. leichtes Überdrucken der Padgeometrie)

(eingesetzter Lotwerkstoff: Sn63Pb)


PIH - Prozessabläufe

Ausgangssituation Schablonenaufsatz Einfachdruck Doppeldruck

Nach Druck Nach Auslösen THD-Bestückung Reflowergebnis


Reflowlötprozess

Das PIH - Reflowprofil wird in Abhängigkeit von Lotlegierung und individueller Leiterplattenkonfiguration kreiert.

Eine Adaption an die neue Technologie ist prinzipiell (abgesehenvon der Forderung nach einem evtl. partiell differierenden Wärme-bedarf durch die eingebrachten „Exoten“) nicht gesondert erforderlich.


LP mit Sacklöchern (unbestückt)


LP mit Sacklöchern (beidseitige Bestückung)


Applikation „PIH doppelseitig Reflow“


Was bringt uns die Einführung technologisch?

Optimale Nutzung der LP (Integrationsdichte ↑)BE: Strombelastbarkeit ↑ und Wärmeabgabevermögen ↑Schaffung von Lötstellen höherer Zuverlässigkeit (verglichen zur SMT bis zu Faktor 10 höhere mechanische Festigkeit)Schaffung verspannungstoleranter LötstellenAnstieg der Lötqualität durch Wegfall des Wellenlötens => FTY Welle zu ReflowKeine zusätzlichen Wellenlöt-Layouts (Designrules)erforderlichVerbesserung der Kontaktierung beim TestEinbindung exotischer Komponenten (ESD/HF-Abschirmung)


Was bringt uns die Einführung wirtschaftlich?

Grenzkostensituation: (Leiterplattennutzungsgrad, BE- Spektrum evtl. preiswerte Lösungen durch den Einsatz bedrahteter und alsSMD nicht erhältlicher Bauelemente

Reduzierung von Prozesszeiten und -schritten (Wellenlöten bzw. kleben von SMDs auf 2.LP- Seite entfällt!!!) ohne Einsatz größerer Investitionen, neuer Technologien oder zusätzlichen Personals


Einschränkungen für den Einsatz von PIH

Nicht alle Bauteilkörper halten den geforderten Reflow-temperaturen standAbweichungen von den Layout - Wunschpositionen sind möglichHöhere Anforderung an Bestückerleistungsfähigkeit und BE -Bereitstellung)Einbindung von Handarbeitsplätzen, deren Takt durch die SMD-Automaten bestimmt wirdVerwendung vorhandener LP nicht möglichGrößte wirtschaftliche Effizienz von PIH bei max. 5 Bauteilexoten je LP


Suche nach Gemeinsamkeiten und einer ganzheitlichen Lösung


Lösungskonzept – „BSR“ als Standardvariante

Primäre Zielsetzung der Prozessschritt- und Kostenreduzierung realisiert durch Kompromisbereitschaft hinsichtlich:

Bauelementspektrum stark determiniert durch zulässige Tmax

(Verluste speziell am höchsten Punkt der zu benetzenden Pinzone) Prozesssicherheit / LS-Qualität (Lotdurchstieg und Füllgrad)

PastenverschleppungPastendepot

löttechnisch kritischer Bereich:Benetzung durch verschleppte Pasten-volumina entgegen demSchwerkrafteinfluss!!! => Energetisch und geometrisch ungünstige Konstellation durch „Lotpasteninseln“ muss durch Erhöhung der Wärmemenge kompensiert werden!!!


Lösungskonzept – „BSR“ als Standardvariante

Realität – gravierende Pastenverschleppung nach der Bestückung:


Problematik – Wärmemanagement Baugruppe

Heterogene thermische Massen und stark differierende Temperaturbeständigkeitskennwerte bedingen:

Einsatz spezieller und / oder selektiver LötverfahrenLötprofiladaption an das temperatursensitivste & “wärmebedürftigste” BE der Baugruppe

Tmax = 150°C

Tmax = 100°C

Tmax = 260°C


Optimierung – Wärmemanagement Baugruppedurch „Back Side Reflow - BSR“

Kontrollierte(-re) Wärmeführung durch gezielten Eingriff im LP-Wärmehaushalt & “BSR”

Qzu (erzwungene Konvektion)

Layoutspezifische Wärmesenken etc.

Tmax =

220°C


„Back Side Reflow - BSR“ –Konzept & technologische Konsequenzen

Technologische Vorzüge:

Verschlepptes Pastenvolumen folgt dem unterstützenden SchwerkrafteinflussEingebrachte Primärenergie wirkt unmittelbarer an der LötstelleWärmebrückeneinfluss (keine “verdeckte” Lötung) ist nicht mehr so dominantHohe Füllgrade (speziell bei großem Pin/Hülsen-Quotienten) können reproduzierbarer realisiert werdenals bei den bisherigen Varianten Einsatz temperaturempfindlicher BE kann besser da der Hauptwärmestrom nicht durch das BE führt


Zusammenfassung

Hinsichtlich Qualität und Zuverlässigkeit der geschaffenen PIH-Lötverbindungen gibt es keinerlei Bedenken.Bisherige Ergebnisse basieren auf den Einsatz von SnPb-LotDer (derzeit) limitierende Faktor für „bleifreie“ Anwendungen von PIH ist oftmals die noch zu geringe Temperaturbeständigkeit der Bauteile; ein wachsender Anteil von bleifrei verlöteten BG wird allerdings helfen, dass sich temperaturresistentere BE zum Selbstläufer entwickeln.Im Bereich von Multilayer-Anwendungen kommt es -aller Vorrausicht nach- zu erhöhten Festigkeitskennwerten durch LP-interne Anbindungen (Flachdübeleffekt). Abstandsvorgaben (BE / LP) können leichter und reproduzierbar realisiert werden.


Ausblick & Perspektiven für PIH & BSR • Beidseitiger Reflowprozess:

=> ideales Kosten- / Nutzenverhältnis!! • Internationale bleifreie Trends auf dem Lötsektor bedingen höhere

Löttemperaturen und somit eine größere thermische Belastung aller Komponenten. => Die BE-Hersteller werden die Nachfrage nach temperatur-resistenteren Komponenten (spez. Kunststoffen) erfüllen.

• Konsequenz aus der Anwendung von PIH als Alternative zu Reflow- & Wellenlötprozess:=> Reduzierung von Fehleranteilen (lt. Paretoanalyse) innerhalb der Serienprodukte bei E+H beim Umstieg auf den PIH-Prozess auf rund1/7

• Der Einsatz von BSR erfordert keine Individuallösung des LP-Layouts sondern vielmehr eine technologische Adaption des Reflowofens durch effektive Wärmezonentrennung (Kühlung) zwischen Baugruppenober-und Unterseite

• BSR & PIH wurden bereits zum Patent angemeldet.


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