ADVERTORIAL LED Vakuumlöten – Möglichkeiten und Grenzen 1. Einleitung Der Bedarf von LED-Beleuchtung nimmt auf allen Anwendungsfeldern rasant zu. Er resultiert aus den stetig expandierenden Applikationen der LEDs im Automobil, im Innen- und Außenbereich des Bauwesens (Global Lighting) und aus der Consumer- Welt. Insbesondere in der Automobilindustrie gehen mit dem quantitativen Wachstum auch die kontinuierliche Zunahme der Qualitäts- und Zuverlässigkeitsanforderungen an LED-Applikationen einher. Als Gründe dafür können höhere Stromdichten, größere Verlustleistungen, schärfere Einsatzbedingungen und sicherheitskritische Aspekte, wie z. B. die Funktionalität der Frontbeleuchtung mit Hochleistungs-LEDs genannt werden. Um diese Anforderungen zu erfüllen, gewinnt ein optimales thermisches Management einer LED rasant an Bedeutung. Aus diesem Grund sind Poren (Voids) in den LED-Lötstellen eher unerwünscht, da sie die thermische Leitfähigkeit der Verbindungen erheblich minimieren. Das Vakuumlöten von LED-Applikationen trägt zur Minimierung des Porenanteils bei. 2. Mechanismen der Porenbildung und Einfluss des Vakuums Das Vakuumlöten elektronischer Baugruppen beeinflusst positiv die Ausgasung von flüchtigen Substanzen aus dem schmelzflüchtigen Lot und reduziert damit die in der Lötstelle verbleibende Porenanzahl. Voids sind Gasblasen, die durch die Interaktion aller metallurgischen Partner, z. B. Flussmittel und Finishes der Leiterplatte/Bauelemente, entstehen. Schon 2008 hat Poech [3] mittels FIB-Analytik organische Reste in Poren nachweisen können. Diese Ergebnisse wurden neuerlich von Klemm [4] bestätigt. Die Gasbildung kann auch durch eine fehlerhafte Leiterplatten-Metallisierung bewirkt werden. Bei seinen Untersuchungen zum Black-Pad-Phänomen fand Schmidt [5] organische Kristallisation an Kavitäten, die durch intermetallische Korrosion von Nickel-Gold-Schichten entstanden sind. Während des chemischen Abscheideprozesses blieben wahrscheinlich Reste der Abscheidechemie in den Kavitäten, welche bei der Probenpräparation austraten und kristallisierten (Abb. 3). Beim konventionellen Löten ohne Vakuum können diese Poren nur dann entweichen, wenn ihr innerer Druck größer als der Kapillardruck des umgebenden schmelzflüssigen Lotes ist und genügend freie Oberfläche für das Ausgasen zur Verfügung steht. Das Vakuumlöten vergrößert den für die Ausgasung notwendigen Druckunterschied, so dass sich diese Technologie weltweit zur robusten Erzeugung voidfreier Lötstellen verbreitet hat. Die bisherigen Forschungsergebnisse führen zu der wesentlichen Erkenntnis, dass die Mechanismen der Porenbildung von vielen, teils konträr wirkenden Faktoren abhängen und eine signifikant reproduzierbare Reduktion in den Lötstellen nur mit Hilfe eines Vakuumprozesses erreichbar ist. Ein umfassendes Kompendium über die wichtigsten Einflussgrößen Diese Interaktion belegen u.a. die Untersuchungen von T. D. Ewald [1] und P. Wild [2] an Schliffbildern von Lötstellen ohne Bauelemente (Abb. 1 und Abb. 2). Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die Poren oft direkt an den Endoberflächen entstehen. Kleine Poren auf der Oberfläche wachsen zu größeren zusammen und steigen dann auf. Wenn keine Bauelemente vorhanden sind, kann ein Großteil der Poren die Lötstelle ungehindert verlassen. 5 Dr. Hans Bell und Paul Wild, Rehm Thermal Systems GmbH, August 2018 6
1 2 3 1 Pore auf einer Cu-Oberfläche, Quelle [1] 2 Pore auf Vectra E840i LDS-Substrat, Quelle [2] 4a ohne Vakuumprozess 4a mit 10 mbar Unterdruck (Vakuum) 3 REM einer ENiG-Oberfläche, Kristallisation an den Kavitäten des Nickels nach der Goldablösung 4 High-Brightness-LED, Voids Gelb umrandet 5 Temperaturprofil aus eines Vakuum-Konvektionslötprozesses 6 Haupteffekte auf den Voidflächenanteil beim Reflowlöten von LED und die Möglichkeiten zur Vermeidung von Voids ist in der VoidExpert-Software gegeben, die von Wohlrabe [6] auf der Basis der Erkenntnisse des AK-Poren erarbeitet wurde. 3. LED Vakuum-Reflowlöten High-Brightness-LEDs verlangen nach einer exzellenten Lotanbindung an das Thermal Pad, damit die beim Betrieb entstehende Verlustleistung sicher abgeführt werden kann. Hierbei hilft das Vakuum-Reflowlöten, wie unsere Lötergebnisse auf Abb. 4 belegen. Ohne einen Vakuumprozess wurden durchschnittlich 28 % Voidflächenanteil generiert; mit dem zusätzlichen Unterdruck (Vakuum) von 10 mbar nur 1 % Voidflächenanteil. Auf Abb. 5 ist ein typisches Temperaturprofil eines Konvektionslötprozesses mit Vakuum dargestellt. Trotz eines sehr niedrigen erreichten Unterdrucks von 10 mbar konnten alle Profilvorgaben (≤ 3 K/s Aufheizen, t L ≤ 90 s, T P ≤ 240 °C) für das LED-Löten erfüllt werden. Sicherlich ist das Vakuum eine der wichtigsten Einflussgrößen zur Reduzierung der Voids, aber es kann die aus der metallurgischen Interaktion resultierende Gasentstehung nicht stoppen, sondern nur die Ausgasung befördern. Daher rückt natürlich auch die Optimierung der anderen Prozessparameter in den Fokus der Technologen. In einer Studie zum voidfreiem Löten von High-Brightness-LEDs konnten einige Haupteffekte auf den Voidflächenanteil verifiziert werden. Wie in Abb. 6 zu sehen ist, zeigt die Auswahl der Lotpaste einen evidenten Einfluss. Mit dem Wechsel des Lotpastentyps ändern sich auch die chemisch interagierenden Partner im metallurgischen Prozess. Während mit einem niedrigeren Vakuumenddruck ein geringerer Voidflächenanteil erzielbar ist, spielt die Vakuumhaltezeit hierbei eine untergeordnete Rolle. Der Grund ist in der stetigen Ausgasung zu suchen, die über die begrenzte Lötzeit nicht aufhört. Sicherlich kann durch eine höhere Peaktemperatur der innere Druck einer Pore erhöht und der Kapillardruck des schmelzflüssigen Lotes gesenkt werden, jedoch stellt die Lötwärmebeständigkeit der LED der wesentliche begrenzende Faktor dar. 4. Fazit Voidfreies Löten mit Vakuum gehört längst zum Stand der Technik und ermöglicht auch für LEDs die Realisierung porenfreier Lötstellen. Aufgrund der vielen, teilweise konträr agierenden Einflussgrößen, ist nicht nur die Auswahl einer Vakuum-Lötanlage für die Qualität der Lötstellen entscheidend, sondern auch Material- und Designaspekte in Kombination mit den optimalen Prozessparametern. Literaturverzeichnis [1] T. D. Ewald, N. Holle und K.-J. Wolter, „Porenbildung auf der Endoberfläche: Einflussfaktoren und Modell,“ VDE, Fellbach, 2012. [2] P. Wild, „Untersuchungen zur Porenbildung in bleifreien SAC-Lotverbindungen auf LDS-MID,“ AiF 17044N, HSG-IMAT, Stuttgart, 2014. [3] M. H. Poech, „Voiding- Ursachen und Wirkung,“ EE-Kolleg, Mallorca, 2009. [4] Alexander Klemm, Martin Oppermann, Thomas Zerna, Analysis of Soldering Processes Using In-Situ X-Ray Observations, European Microelectronics- Packaging Conference EMPI 2015, Friedrichshafen [5] R. Schmidt, Fraunhofer IZM, Proceedings OTTI Weichlöten, Regensburg, 2011. [6] H. Wohlrabe, Void-Expert Datenbank, 2011. Die Firma Rehm zählt als Spezialist im Bereich thermische Systemlösungen für die Elektronik- und Photovoltaikindustrie zu den Technologie- und Innovationsführern in der modernen und wirtschaftlichen Fertigung elektronischer Baugruppen. Als global agierender Hersteller von Reflow-Lötsystemen mit Konvektion, Kondensation oder Vakuum, Trocknungs- und Beschichtungsanlagen, Funktionstestsystemen, Equipment für die Metallisierung von Solarzellen sowie zahlreichen kundenspezifischen Sonderanlagen sind wir in allen relevanten Wachstumsmärkten vertreten und realisieren als Partner mit mehr als 25 Jahren Branchenerfahrung innovative Fertigungslösungen, die Standards setzen. Mehr über Rehm Thermal Systems P r o f i l
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