Baugruppen schonende Reworkprozesse

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2. Elektronik-Technologie-Forum Nord
24.-25. Feb. 2010
2. ElektronikElektronik-TechnologieTechnologie-Forum Nord
24. - 25. Feb. 2010, Hamburg
Baugruppen schonende Reworkprozesse
Lötprozessoptimierung
bei eingeschrä
eingeschränktem Prozessfenster
unter
Berü
Berücksichtigung vorhandener Reparaturstandards
Helge Schimanski
Fraunhoferstr. 1, D-25524 Itzehoe
Tel. 04821 17-4639, Fax 04821 17-4250
email: helge.schimanski@isit.fraunhofer.de
internet: http://www.isit.fraunhofer.de
Anforderungen an die Ausfü
Ausführungsqualitä
hrungsqualität von
Lötbaugruppen - Teil 5: Nacharbeit, Änderungen und
Reparatur von gelö
gelöteten elektronischen Baugruppen
DIN EN 6119261192-5, Dez. 2007
Heißluft-Nacharbeitsmaschinen
Heißgas-Nacharbeitsmaschinen sind Auf-Tisch-Geräte,
die einen Strom aus erwärmter Luft bzw. erwärmtem
Gas über Düsen oder eine Führungsvorrichtung auf die
Anschlüsse des Bauelementes leiten. Sie sind häufig für
Bauformen mit zahlreichen Anschlüssen vorgesehen
und können sowohl für das erstmalige Löten als auch
zur Demontage und Neuplatzierung von Bauelementen
eingesetzt werden. Farbabbrennpistolen,
Wärmeschrumpfpistolen und Heißluft-Haartrockner
sollten nicht verwendet werden.
Quelle: DIN EN 6119261192-5,
Dez. 2007
H. Schimanski - Baugruppen schonende Reworkprozesse
1
24.-25. Feb. 2010
Wie komme ich zu einem Lötprofil?
Prozess-Vorgaben
festlegen
Wie komme ich zu einem Lötprofil?
Antworten
Profilvorgaben aus Normen
Soll-Vorgaben der Materialhersteller (z.B.
Lotpaste, Lotdraht)
Beschränkungen seitens der Komponentenund Leiterplattenhersteller
Durchsatzoptimierung im zulässigen
Prozessfenster
Temperaturmessung und Prozessqualifikation
2
24.-25. Feb. 2010
Genormtes Temperatur-Zeit-Diagramm
am Anschluss, IR-, Konvektionslöten1)
2
x.
Ma
°C
/s
Temp. am Anschluss
Verfahrensgrenzen:
untere (Temp. am
Anschluss)
Obere (Temp. an der
Oberseite)
Quelle: DIN EN 6176061760-1
Oberflä
Oberflächenmontagetechnik
Achtung: Bleifrei kann vieles bedeuten!
Hier: Alle Legierungen auß
außer SnSn-Pb
Legierung
Schmelztemperatur
240
„SC“
SC“
SnSn-Ag
„SAC“
SAC“
SnSn-AgAg-Bi
Sn-Ag-In-Bi
(Sn-Bi-Cu
Sn-Zn
SnSn-Pb
Sn-Bi
(Sn-In
SnCu0,7 (<0,1Ni + x)
SnAg3,5
SnAg3,0Cu0,7
SnAg3,5Bi3
SnAg3,5In8Bi0,5
SnBi10Cu0,5
SnZn9(Bi, Al)
SnPb37(Ag1)
SnBi58
SnIn52
230
220
210
200
190
180
170
227 (eutektisch
)*
(eutektisch)*
221 (eutektisch
)*
(eutektisch)*
217 (eutektisch
)*
(eutektisch)*
206...213**
207**
190...200)
198,5 (eutektisch)**
179.)
179-183 (eutekt
(eutekt.)
138 (eutektisch)#
118 (eutektisch)#
* EU, USA
**Japan
#Spezialanwendungen
3
24.-25. Feb. 2010
Beispiel für ein Lötprofil:
Empfehlung eines Lotpastenherstellers
Quelle: BALVER ZINN
Klassifizierungstemperaturen
für bleihaltige und bleifreie Lötprozesse
J-STD-020D
Tabelle 4-1
Gehäuse Volumen
Dicke
< 2,5 mm
dünn
>= 2,5 mm
dick
bleihaltiger Prozess SnPb eutektisches Lot
höchste Reflow-Temperatur am Gehäuse
3
3
< 350 mm
>= 350 mm
klein
groß
235 °C
220 °C
220 °C
220 °C
J-STD-020D
Tabelle 4-2
Gehäuse Volumen
Dicke
< 1,6 mm
dünn
1,6 - 2,5 mm
> 2,5 mm
dick
bleifrei-Prozess
Reflow-Temperatur zur Gehäuse-Klassifikation
3
3
3
350-2000 mm
> 2000 mm
< 350 mm
klein
...
groß
260 °C
260 °C
260 °C
260 °C
250 °C
245 °C
250 °C
245 °C
245 °C
Quelle: JSTDJSTD-020D: Juni 2007;
Temperaturen am Bauelement
gemessen
4
24.-25. Feb. 2010
„Classification Reflow Profile“
– Pb-Free Assembly
245/250/260°C
≤3°C/sec
30sec
217°C
≤6°C/sec
60-150sec
200°C
150°C
60-120sec
≤8min
P: Peak
L: Liquidus
S: Soak
Quelle: JSTDJSTD-020D; Fig. 55-1
Heizen ohne Schä
Schädigung:
Lötprozessoptimierung im BleifreiBleifrei-ReparaturReparatur-Prozess
Forderung: Lötprofil wie im Serienprozess (“Maschinenlöten”)
Lötwärmebedarf: Lötwärme ausreichend zur
•
Aktivierung des Flussmittels
•
Aufheizung auf Löttemperatur (deutlich über Liquidus)
•
Erreichung der Löttemperatur nach max. 3-5 Min.
Lötwärmebeständigkeit von Bauelement* und Leiterplatte:
•
Aufheizgeschwindigkeit 2…4°C/s*
•
Board-Temperatur nicht länger als 4 Min. über 190°C
•
Ca. 60-90 s über Liquidus, max. 20 (-60) s auf 245°C
* Spezifikation des Bauelement-Herstellers beachten!
Quelle: IPCIPC-7095B,
März 2008
5
24.-25. Feb. 2010
Heizen ohne Schä
Schädigung:
Lötprozessoptimierung im BleifreiBleifrei-ReparaturReparatur-Prozess
Forderung: Lötprofil wie im Serienprozess (“Maschinenlöten”)
Lötwärmebedarf: Lötwärme ausreichend zur
•
Aktivierung des Flussmittels
•
Aufheizung auf Löttemperatur (deutlich über Liquidus)
•
Erreichung der Löttemperatur nach max. 3-5 Min.
Lötwärmebeständigkeit von Bauelement* und Leiterplatte:
•
Aufheizgeschwindigkeit 2…4°C/s*
•
Board-Temperatur nicht länger als 4 Min. über 190°C
•
Ca. 60-90 s über Liquidus, max. 20 (-60) s auf 245°C
* Spezifikation des Bauelement-Herstellers beachten!
März 2008
Anforderungen an die Ausfü
Ausführungsqualitä
hrungsqualität von
Lötbaugruppen - Teil 5: Nacharbeit, Änderungen und
Reparatur von gelö
gelöteten elektronischen Baugruppen
DIN EN 6119261192-5, Dez. 2007
Trocknen vor dem Bauelementeaustausch (Auszug)
Mehrlagenleiterplatten-Baugruppen, die aus dem praktischen
Einsatz zurückgeführt oder die für einen Monat oder mehr
ungeschützt gelagert wurden, müssen vor der Nacharbeit
getrocknet werden …
! Lagerzeit ist zu lang !
Der Trocknungsprozess sollte bei der maximalen
Lagerungstemperatur der Baugruppe mit einer geeigneten Dauer
durchgeführt werden …
Übliche Kombinationen
sind 48 h bei 80 °C oder 60 h bei 70 °C
Quelle: DIN EN 6119261192-5,
Dez. 2007
6
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Feuchte-Empfindlichkeitsklasse MSL
(Moisture Sensitivity Level)
Klasse
1
2
2a
3
4
5
5a
6
Offenzeit ohne Gefährdung
Zeit
Umgebung
unbegrenzt
≤30°C / 85% rF
1 Jahr
≤30°C / 60% rF
4 Wochen
- ´´ 168 h
- ´´ 72 h
- ´´ 48 h
- ´´ 24 h
- ´´ Time on label
- ´´ Source:
Source: J-STDSTD-020D: Juni 2007
Klasse 6: Vor der Verarbeitung ist tempern obligatorisch
Handhabung, Verpackung, Transport und Einsatz
feuchtigkeitsfeuchtigkeits-/reflowempfindlicher Bauelemente fü
für
Oberflä
Oberflächenmontage, JJ-STDSTD-033B.1
Leiterplattennacharbeit:
Max. Bauteilkörper-Temperatur beliebiger SMD-BE sollte 200°C
nicht überschreiten, falls doch muss die LP getrocknet werden
BE-Temperaturen müssen oben in der Mitte des Gehäusekörpers
gemessen werden
Entfernung und Neumontage gemäß IPC-7711/7721
Trocknung der Baugruppe nach Tabelle 4-1 (vorzugsweise 125°C,
bei Anwesenheit von temperaturempfindlichen Bauteilen auch
niedriger)
Ein SMD-Gehäuse darf zu keiner Zeit die Kennwerte seiner
Feuchtigkeitsempfindlichkeitsklasse gemäß J-STD-020
überschreiten
Quelle: JJ-STDSTD-033B.1
Jan. 2007
7
24.-25. Feb. 2010
Referenzbedingungen für die Trocknung
montierter und unmontierter SMD-Gehäuse
Quelle: JJ-STDSTD-033B.1
Jan. 2007
Lötprofilermittlung für den Reworkprozess
Methodik
Montage von Thermoelementen an mehreren extremen Messpunkten,
z. B. innen, auß
außen, oben, unten am BGA, ferner an der Leiterplatte
Fixierung mittels wenig SMDSMD-Kleber oder KaptonKapton-Klebeband auf der
Leiterplatte; Montage mittels kleinster Mengen Wä
Wärmeleitpaste am
Lötanschluss oder in Durchkontaktierung
Separate Betrachtung von OberOber- und Unterheizung; beide Ergebnisse
können in erster Nä
Näherung addiert werden
Einstellung eines Parametersatzes
(Zieltemperatur eher zu niedrig wä
wählen)
Erarbeiten eines Temperaturprofils im Prozessfenster
8
24.-25. Feb. 2010
Methodik
Montage von Thermoelementen an mehreren extremen Messpunkten,
z. B. innen, auß
außen, oben, unten am BGA, ferner an der Leiterplatte
Fixierung mittels wenig SMDSMD-Kleber oder KaptonKapton-Klebeband auf der
Leiterplatte; Montage mittels kleinster Mengen Wä
Wärmeleitpaste am
Lötanschluss oder in Durchkontaktierung
Separate Betrachtung von OberOber- und Unterheizung; beide Ergebnisse
können in erster Nä
Näherung addiert werden
Einstellung eines Parametersatzes
(Zieltemperatur eher zu niedrig wä
wählen)
Erarbeiten eines Temperaturprofils im Prozessfenster
Mantelthermoelement
Anordnung der Temperaturfühler
BGA Top
Eckball A1
Ball Mitte
Eckball xx
Elko Top
R0402
9
24.-25. Feb. 2010
IPC-7095B
Design and Assembly Process
Implementation for BGAs
März 2008
IPCIPC-7095B
Design and Assembly Process
Implementation for BGAs
März 2008
10
24.-25. Feb. 2010
Gemessene Lötprofile im Rework-Prozess
Grenzbelastung 245°C auf dem Bauelement
bleihaltige Lotpaste
bleifreie Lotpaste
Sn95.5Ag3.8Cu0.7
Sn62Pb36Ag2
300
300
BGA-Oberseite 219°C*
250
205°C
Temperatur [°C]
200
231°C
200
150
245°C
250
150
100
100
auf BGA-Oberseite (max. 219°C)
auf LP-Unterseite (max. 202°C)
am Lötanschluss aussen (max. 205°C)
50
0
auf BGA-Oberseite (max. 243)
am BGA-Lötanschluss innen (max. 231)
am BGA-Lötanschluss außen (max. 245)
auf LP-Unterseite (max. 239)
50
0
0
60
120
180
240
0
60
120
180
240
300
360
4:30 min. Zeit [sec]
Zeit [sec]
3 min.
* konform mit
JEDEC 020D
Gemessenes Lötprofil im Rework-Prozess
BGA1517
maximale Temperatur auf dem Bauelement 245°
245°C
Lötstelle
226°C
5:10 min.
* konform mit
JEDEC 020D
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24.-25. Feb. 2010
Gemessenes Lötprofil für Rework-Prozess
BGA132
maximale Temperatur auf dem Bauelement 250°
250°C
Lötstelle
234°C
3:30 min.
* konform mit
JEDEC 020D
MSL-Belastungsprofil
maximale Temperatur 260°
260°C* auf dem Bauelement
6:30 min.
* konform mit
JEDEC 020D
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24.-25. Feb. 2010
Verifikation der Qualität :
Vorgabe z.B. nach IPCIPC-A-610
Optische Inspektion
Röntgeninspektion
Funktionstest
Querschliffanalyse
– unbedingt notwendig bei grenzwertigen
Lötprozessen
Verifikation der Qualitä
Qualität, Rö
Röntgeninspektion:
BGA
Lotabfluss in Umsteigerbohrung
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24.-25. Feb. 2010
Qualität, Rö
Röntgeninspektion:
BGA, Oxidation verhindert Zusammenschmelzen von Ball und Lotpastendepot
IPC-A610D
Bewertungskriterien für BGA (Auszug)
14
24.-25. Feb. 2010
Qualität, Rö
Röntgeninspektion:
Porengehalt im Röntgenbild
größer als 25%
kleiner als 25%
vor Rework
nach Rework
Verifikation der Qualität:
Querschliffanalyse
BGABGA-Lötung in Seitenansicht und im Querschliff
100µm
15
24.-25. Feb. 2010
Zusammenfassung
Rework ist als Strategie in Design und Fertigung einzuplanen
Die Handhabung von Bauteil und Baugruppe muss auf den Lötprozess
abgestimmt sein
Verifikation der Qualität (optisch, Röntgen, Querschliffanalyse) ist bei
grenzwertigen Prozessparametern unbedingt notwendig
Voraussetzung für die Herstellung zuverlässiger Baugruppen
(bei eingeschränktem Prozessfenster) sind
qualifizierte Prozessoptimierung und reproduzierbarer Prozessablauf
Arbeitsziel zur Herstellung zuverlässiger Elektronik
ist das Prozessfenster für sicheres Löten
16

Baugruppen schonende Reworkprozesse

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