Chemisch Zinn – wer spielt mit dem Schmuddelkind ... - APL - smarttin

LEITERPLATTENTECHNIK
Chemisch Zinn –
wer spielt mit dem Schmuddelkind? Teil 1
Lutz Bruderreck, TechnoLab Berlin, Leiter Geschäftsbereich Laboranalytik, Qualifizierungen von Leiterplatten
und Schadensanalytik und Mitarbeiter in der DKE – Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik
1 Vorbetrachtung
Als chemisch Zinn sich vor über 15 Jahren als
Endoberfläche auf den Leiterplattenmarkt drängte,
war die anfängliche Euphorie groß.
Gegenüber den Oberflächen chemisch Nickel-Gold
und chemisch Silber kann chemisch Zinn einige
wichtige Vorteile aufweisen:
Das Verfahren ist kostengünstig – etwa Faktor 0,7
gegenüber chemisch Nickel-Gold
Kurze Prozesszeiten ziehen eine geringe Belastung
von Basismaterial und Lötresist der
Leiterplatte nach sich
Die Prozessführung ist prinzipiell unkompliziert.
Das Verfahren eignet sich daher auch für Leiterplattenhersteller
Die abgeschiedene Schicht weist eine hohe Planarität
auf
Die Bindungsphysik zum Lotwerkstoff ist gut
beschrieben. Benetzungsmängel im Lötprozess
führen zu optisch und röntgentechnisch gut erkennbaren
Fehlern
Keine Neigung zur unerwünschten Abscheidung
auf organischen Schichten. Eine Abscheidung
erfolgt prozessbedingt nur auf metallischem
Kupfer
Nacharbeitsfähig, das heißt chemisch Zinn ist
die einzige Lötoberfläche, welche sich bei Überlagerung
oder bei schlechter Lötbarkeit im industriellen
Maßstab refreshen lässt
Anpassung an kundenspezifische Forderungen
(Schichtdicke)
Gerade die deutliche Erkennung von Lötfehlern als
Folge von Benetzungsmängeln ist ein Argument,
das im Vergleich zu ENIG klar für chemisch Zinn
spricht. Bei chemisch Nickel-Gold ist die Situation
möglich, dass Lötstellen hergestellt werden,
die im optischen Befund regelkonform sind. Bei
der mechanischen Belastung zeigen diese Lötver-
bindungen dann jedoch eine mangelhafte Robustheit.
Gleichermaßen ist es bei ENIG möglich, dass
eine regelkonforme Benetzung bei der Primärlötung
erfolgt. Bei der Sekundärlötung – Rework
oder Wärmeeintrag bei weiteren Lötprozessen wie
Welle – erfolgt dann jedoch eine Entnetzung.
Gegen diese Fehlerbilder zeigt die Endoberfläche
chemisch Zinn keine Anfälligkeit.
Trotz dieser positiven Eigenschaften ist in den
letzten Jahren ein negativer Trend zu beobachten.
Chemisch Zinn wird vielerorts mit Vorbehalten
betrachtet und hat einen schlechten Ruf. Hier drängen
sich die Fragen auf:
Gelten diese Vorbehalte einem Verfahren mit
prinzipiell schlechten Eigenschaften?
Ist das Verfahren prinzipiell gut und nur seine
mangelhafte technische Umsetzung verursacht
dann Probleme durch unerwünschte Effekte?
Kritik gegen chemisch Zinn richtet sich vorrangig
gegen die folgenden Punkte:
Verschlechterung der Lötbarkeit durch Transport
und Lagerung
Verschlechterung der Lötbarkeit nach der ersten
Wärmebelastung
Sporadisches Auftreten von einzelnen Pads, die
bereits beim ersten Lotkontakt nicht benetzbar
sind
Einschränkungen bei den verwendbaren Basismaterialien
Einschränkungen bei den verwendbaren Lötstoppmasken
Whiskerbildung
Tendenz zur Lotperlenbildung beim Wellen und
Selektivlöten
hohe ionische Kontamination
Unsicherheit über die Tauglichkeit von Kriterien
für die optische Inspektion
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Unsicherheit über anwendbare Akzeptanzkriterien.
Auf der Grundlage des vorhandenen technischen
Regelwerks ist die Rechtsposition nicht
sicher. Häufigste Kritikpunkte sind hier die
Vorgaben zu Schichtdicke und Schichtstruktur
sowie zu Prüfung der Lötbarkeit.
Im Labor von Technolab gehören Untersuchungen
an Baugruppen und Leiterplatten mit dem Finish
chemisch Zinn zur Tagesroutine. An dem über die
Jahre zur Untersuchung vorgelegten Probenmaterial
waren die oben genannten beschriebenen Fehlerbilder
in ihrer gesamten Bandbreite vertreten.
Da das Labor in erster Linie Schadensfälle zur
Bewertung erhält, ist das Probenmaterial breit gestreut
über die Hersteller von Leiterplatte und
Leiterplattenfinish sowie über die Prozessparameter.
Häufig ist der genaue Werdegang der Proben
nicht bekannt oder lässt sich nicht sicher nachvollziehen.
Eine systematische Bewertung der Möglichkeiten
des Finishs chemisch Zinn ist mit dieser Datenbasis
nicht sinnvoll. Es lassen sich jedoch über die
Menge des Probenmaterials Trends ausmachen.
Leiterplatten aus dem asiatischen Raum sind beispielsweise
überproportional häufig mit Fehlerbildern
vertreten, die auch nur hier auftreten. Zum
anderen zeigt die Erfahrung, dass die hier erfassten
Fehlerbilder auch nicht immer ganz trennscharf nur
dem Finish zuzuordnen sind.
Um die Möglichkeiten des Finishs chemisch Zinn
systematisch bewerten zu können, wurden Untersuchungen
an Demonstratoren vorgenommen.
2 Versuchsmaterial
Die verwendeten Leiterplatten sind Demonstratoren
für die Evaluierung von Leiterplattenprozessen.
Im vorliegenden Fall richtet sich das Interesse
nur gegen das Finish (Abb. 1 und 2).
Kenndaten der Demonstratoren
LEITERPLATTENTECHNIK
Die Herstellung der Leiterplatte erfolgte bei der
SEAG Schramberg mit den Standardverfahren bis
zum Prozessschritt Lötstoppmaske aushärten.
Das Aufbringen des Finishs erfolgte beim externen
Dienstleister APL Oberflächentechnik GmbH.
Das Unternehmen ist ein unabhängiger Dienstleister
für die Beschichtung von Leiterplatten mit der
Löt- und Einpressoberfläche smarttin ® (chemisch
Zinn). Dieses gestattet die Abscheidung einer sehr
gleichmäßigen und homogenen Schicht mit variabler
Schichtstärke auf Leiterplatten der unterschiedlichsten
Technologievarianten. Je nach Vorgabe und
Notwendigkeit werden Zinnschichten zwischen
0,8 bis 1,3 µm aufgebracht. Es können starre und
flexible Leiterplatten mit Dimensionen bis maximal
1500 mm x 630 mm und einer Mindestabmessung
von etwa 130 mm x 100 mm beschichtet werden.
Die Beschichtung erfolgt mit dem Finish smarttin ® .
Basis für smarttin ® ist der Prozess Stannatech von
Atotech.
Prozessparameter in der Horizontalanlage
Prozessschritt Temperatur
(°C)
Abmessung 100 mm x 130 mm
Dicke 1,6 mm
Basismaterial Typ FR4 (Standard, keine weitere Vorgabe)
Leiterbild doppelseitig durchkontaktiert, Schichtstärke Kupfer 35µm
Lötstoppmaske Imagecure T4 Smart
Dauer
(s)
Vorbehandlung zweistufig 25-30 300
Chemisch Zinn dreistufig 70 500-900
Spülen 50-65 400
Trocknen
Als Schichtstärke wurde ein Wert von 0,8 µm mit
einem cpk-Wert von 1,333 vorgegeben. Der Wert
von 0,8 µm wurde hier bewusst niedrig gewählt,
um eine bessere Trennschärfe für die Bewertung
der Proben nach der Alterung zuzulassen. Der von
APL empfohlene Wert liegt bei 1 µm mit einem cpk-
Wert von 1,333 für bleifreie Mehrfachlötprozesse.
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LEITERPLATTENTECHNIK
Abb. 1: Übersicht Demonstrator top Abb. 2: Übersicht Demonstrator bottom
Ein Teil der Proben wurde nach der Prozessierung
und nach einer gestaffelten Alterungen einem Refresh
unterzogen, so dass sich die Bewertung auf
folgende Varianten bezieht (Abb. 3-14):
Anlieferzustand
Refresh nach Alterung Lagerung 1Tag bei Raumtemperatur
Alterung Lagerung 1/2 Jahr bei Raumtemperatur
Refresh nach Alterung Lagerung 1/2 Jahr bei
Raumtemperatur
Alterung Lagerung 1 Jahr bei Raumtemperatur
Refresh nach Alterung Lagerung 1 Jahr bei
Raumtemperatur
Die weitere Bewertung zielt darauf ab, Aussagen zu
den oben genannten Kritikpunkten gegen chemisch
Zinn zu finden. Im Zentrum der Betrachtung steht
dabei die Frage, ob ein Finish chemisch Zinn bei
geeigneter Abscheidung nicht auch bereits bei geringen
Schichtstärken technisch brauchbare Eigenschaften
aufweist.
3 Bewertungsverfahren:
Optische Inspektion
Die Inspektion unter dem Stereomikroskop bei 3-
bis 50-facher Vergrößerung zeigt über die Menge
des Probenmaterials ein gleichmäßiges Finish mit
einem matten silbrig-grauen Schimmer. Farbsäume,
flächenhafte Verfärbungen oder irisierende Schichten
sind nicht auffällig.
Die Inspektion unter dem Metallmikroskop bei
50- bis 1000-facher Vergrößerung zeigt an keiner
Probe Whisker.
Abb. 3: Oberfläche Anlieferzustand Abb. 4: Oberfläche Anlieferzustand Detail
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Abb. 5: Oberfläche Anlieferzustand mit Refresh
Abb. 7: Oberfläche Alterung Lagerung 1/2 Jahr bei
Raumtemperatur
Abb. 9: Oberfläche Alterung Lagerung 1/2 Jahr bei
Raumtemperatur mit Refresh
LEITERPLATTENTECHNIK
Abb. 6: Oberfläche Anlieferzustand mit Refresh Detail
Abb. 8: Oberfläche Alterung Lagerung 1/2 Jahr bei
Raumtemperatur Detail
Abb. 10: Oberfläche Alterung Lagerung 1/2 Jahr bei
Raumtemperatur mit Refresh Detail
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Abb. 11: Oberfläche Alterung Lagerung 1 Jahr bei Raumtemperatur
Abb. 13: Oberfläche Alterung Lagerung 1 Jahr bei Raumtemperatur
mit Refresh
4 Bewertungsverfahren:
Elektronenoptische Inspektion – REM
Aus den Proben werden in der Mitte und im Randbereich
Probeabschnitte herausgetrennt. Die Proben
werden durch Bedampfen mit Kohlenstoff vorbehandelt.
Die Inspektion erfolgt bei Spannungen
zwischen 10 und 25 KV.
Zusammenfassung
Die beiden angewendeten Inspektionsverfahren
lassen keine Merkmale erkennen, die auf eine intensive
Degradation der Schicht hinweisen.
Bereits durchgeführt wurden Solderability Tests
nach IPC-J-STD-003-B Test A1 und C1 an den bis
zu 12 Monaten Echtzeit gelagerten Targets. Die Proben
zeigten hierbei eine regelkonforme Lötbarkeit.
Abb. 12: Oberfläche Alterung Lagerung 1 Jahr bei Raumtemperatur
Detail
Abb. 14: Oberfläche Alterung Lagerung 1 Jahr bei Raumtemperatur
mit Refresh Detai
Aus diesem Grund soll in weiteren Untersuchungen
die Stressfaktoren erhöht werden um die technischen
Grenzen auszuloten.
Hierzu wird die Lötbarkeit der Proben und die Benetzbarkeit
der Schicht nach weiterer thermischer
Belastung mit einem Reflowprofil nach DIN EN
61760 untersucht.
Über diese Untersuchungen und über die Ergebnisse
der metallographischen Präparation wird in
der Folge berichtet.
Kontaktadressen
APL Oberflächentechnik GmbH, Walter Tastl, Im Entenbad 17, D-79541
Lörrach-Hauingen, Tel. +49/7621/914-648, wt@apl-electrolesstin.de,
www.smarttin.de
TechnoLab GmbH, Lutz Bruderreck, Am Borsigturm 46, D-13507
Berlin, Tel. +49/30/4303 3162, Lutz.Bruderreck@technolab.de, www.
technolab.de
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