Reflowlöten von Durchsteckbauelementen-...
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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
D.Birgel / E+H & T. Lauer / ZVE
Gliederung
E+HAlternative Lötverfahren (Fügeverfahren)PIH – pin in hole / technisches PrinzipQualität und Zuverlässigkeit der LötstellenProzess und ApplikationBSR- Back Side ReflowZusammenfassung / Perspektive PIH & BSR
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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
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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
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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
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„Prozessfindung – reale Alternativen oder schwache Kompromisse“
QUO VADIS? QUO VADIS? Handlöten
Pin In Hole
Wellenlöten
Partielles Löten
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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.......
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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
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Montagevarianten / BE - Anordnungsmöglichkeit
THT
SMT&THT
PIH
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PIH - Geometriekonzepte
Ausgangssituation: metallisierte Sacklochgeometrie(-n) / Variation der Bodenform durch Bohr- oder Fräswerkzeuge
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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
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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
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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
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Testbaugruppe / Zuverlässigkeit
Mechanische PrüfungStatisch (Ausziehversuch)Dynamisch (Schwingungs- bzw. Vibrationsprüfung)
Thermostress an Quasi-Serienbaugruppen-20 .....+80 °COnline – Überwachung
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PIH - Leiterplattenlayout
Drehschalter
R-Netzwerke
DIL - BE
Winkelstecker
TO - BE
Diverse BE
„Übertrager“
Spezialstecker
Spezialstecker
Dioden o. ä.
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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
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Lötstellenqualität / THT Version „long“ Pin
THT
konventionell
„long“
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Lötstellenqualität / Version „Pin On Pad“
POP(Stoßlötstellen)
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Lötstellenqualität / „PIH“
PIH
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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)
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PIH - Prozessabläufe
Ausgangssituation Schablonenaufsatz Einfachdruck Doppeldruck
Nach Druck Nach Auslösen THD-Bestückung Reflowergebnis
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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.
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LP mit Sacklöchern (unbestückt)
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LP mit Sacklöchern (beidseitige Bestückung)
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Applikation „PIH doppelseitig Reflow“
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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)
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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
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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
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Suche nach Gemeinsamkeiten und einer ganzheitlichen Lösung
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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!!!
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Lösungskonzept – „BSR“ als Standardvariante
Realität – gravierende Pastenverschleppung nach der Bestückung:
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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
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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
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„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
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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.
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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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