SB_15.535NLP

Abschlussbericht AiF-Vorhaben Nr. 15.535N Seite - 3 -
1. Einleitung
1.1 Ausgangssituation
Keiner will es müssen, jeder muss es können: Das Thema ist Reparatur von Lötstellen im
Fertigungsablauf elektronischer Baugruppen. Benetzung von Lötoberflächen und Ausbildung
des Lotmeniskus sind nur indirekt beeinflussbare Prozesse im Lötvorgang. Diese
Prozesse hängen von der Lötbarkeit der Fügeteile und dem Design der Anschlussflächen
sowie der Positionierung von Lotpaste, Flussmittel und Bauelement ab. Die Lötbarkeit
wiederum setzt sich aus den drei Anteilen Benetzbarkeit, Lötwärmebedarf und Lötwärmebeständigkeit
zusammen. Direkten Einfluss auf die Benetzbarkeit haben die Temperatur
und die Aktivität des Flussmittels, indirekten Einfluss damit auch die Zeit und die Atmosphäre,
insbesondere die Sauerstoffkonzentration. Im Lötprozess können also nur die
Randbedingungen eingestellt werden; der Vorgang der Lötstellenbildung durch Aufschmelzen,
Benetzen, Lötspalt bzw. Hohlkehle füllen und abschließend Erstarren erfolgt
mittels physikalischer Triebkräfte wie Wärmefluss in Richtung des thermischen Gleichgewichts,
Verringerung der Oberflächenspannung, Kapillarkräfte, Bildung intermetallischer
Phasen /1/.
Der technische Prozess der Elektronikfertigung ist mit industrieüblichen Toleranzen behaftet.
Dies betrifft sowohl die Materialeigenschaften, als auch Positionierung im Lotpastendruck
und in der Bestückung von Bauelementen. Auch Lagerbedingungen (in deren Verlauf
z. B. die Benetzbarkeit von Oberflächen degradiert) variieren stark in den Punkten
Umgebungsbedingungen und Lagerdauer. Problematisch hinsichtlich der Lötsicherheit ist
vor allem die heute übliche Verwendung mild aktivierter Flussmittel im „no-clean“ Fertigungsprozess,
d. h. einem Prozessablauf, in dem Flussmittelrückstände ohne Gefahr von
Korrosion auf den Baugruppen verbleiben können. Weiterhin problematisch ist die Verwendung
von „Fine Pitch“ Bauelementen, d. h. ein Anschlussraster von 0,5 mm, teils sogar
noch darunter /2/, und darüber hinaus der Einsatz von Bauelementen mit verdeckten
Lötstellen, nämlich BGA und F-BGA (Ball Grid Array bzw. Fine Pitch BGA, letzteres mit
einem Rastermaß unter 1 mm, bis hinab zu 0,4 mm) /3, 4/.
Hier wird in einem engen Prozessfenster gefertigt, und Lötfehler sind in einer Rate zwischen
20 und 200 dpmo (defects per million opportunities) an der Tagesordnung. Diese
Lötfehler sind frühzeitig zu eliminieren, deshalb sind Inspektion und manuelle Nacharbeit
ein integrierter Schritt in der Serienfertigung. Nichtsdestotrotz ist dies alles Stand der
Technik und aufgrund der Forderung nach weiterer Miniaturisierung für geringeren Platzbedarf
und kürzere Signallaufwege unabdingbar. Stand der Reparaturtechnologie ist aber
leider eine Fertigungsstrategie, in der die Bearbeitungsparameter häufig nur unzureichend
ausgearbeitet, beschrieben und kontrolliert werden /5/. Selbst anerkannte Reparaturstandards
geben keine Hinweise auf Prozesstemperaturen oder –zeiten sowie Anzahl zulässiger
Reparaturprozesse /6/.
1.2 Anlass für den Forschungsantrag
Das ohnehin enge Prozessfenster ist durch den Ersatz der bleihaltigen Weichlote durch
bleifreie Legierungen noch einmal eingeschränkt. Grund sind die höheren Verarbeitungstemperaturen
der Ersatzlegierungen auf der Basis Zinn-Silber-Kupfer, deren Schmelztemperatur
ca. 40°C über der eutektischen Temperatur d er Zinn-Blei (-Silber) Legierungen
liegt. Das bedeutet höhere Anforderungen an die Wirksamkeit der Flussmittel, aber auch
eine geringere Möglichkeit der Temperaturüberhöhung (zur sicheren Erreichung der Löt-