Wechselwirkung zwischen Trocknungsprozessen

Wechselwirkung zwischen Trocknungsprozessen
und Oberflächeneigenschaften von flexiblen und
starrflexiblen Substraten
Andreas Schilpp, Würth Elektronik GmbH&Co.KG, Niedernhall
1. Warum Trocknen von Leiterplatten?
1.1 Trocknen und Tempern
Unter „Trocknen“ verstehen wir im Folgenden das Entfernen von Feuchte, während
„Tempern“ für das „Erwärmen des Materials mit erhöhten Temperaturen“ steht, „ein
Verfahren, um die Stoffeigenschaften von Festkörpern zu verändern. In der
Leiterplattentechnik wird das Tempern … zum Abbau von inneren Spannungen, die
sich in Verwölbungen und Verwindungen zeigen, eingesetzt“ [1]. Dazu müssen
Temperaturen oberhalb des Glasübergangspunktes Tg gewählt werden, während
Trocknungsprozesse in der Regel bei niedrigeren Temperaturen stattfinden.
1.2 Der Lötprozess
Feuchtigkeit in Materialien führt insbesondere bei hohen Temperaturen zu
unerwünschten Fehlern wie Fehlstellen, Delamination oder Rissen. Dabei entspricht
die Vorstellung vom Dampfkochtopf, also hohe Wasserdampfdrücke bei hohen
Temperaturen [2] wie z.B. beim Löten, nicht der Realität. Eine Wasseransammlung
mit Phasengrenze flüssig/gasförmig bzw. Änderung des Aggregatszustandes flüssig
nach gasförmig liegt ja nur dann vor, wenn es tatsächlich Hohlräume gibt, in denen
sich die Feuchtigkeit sammeln konnte. Ansonsten verteilt sich die Feuchtigkeit in
Form von Wassermolekülen im Polymer-Festkörper mit Anreicherungen an den
Grenzschichten.
Grafik 1: Feuchteprozesse bei der Leiterplatte [3]
Mai 2009
Andreas Schilpp
Seite 1 von 10
Feuchtigkeit kann jedoch laut [4] Ursache von
Fehlstellenbildung durch Ausgasung oder von Degradation
von Kunststoffen sein: Sie kann bei Polyimid durch
Hydrolyse an der Oberfläche zu einer Verschlechterung
von Bindungen führen. An Grenzflächen wie z.B.
Kleberschichten können die Haftungskräfte reduziert werden, was dann auch
Ursache für Delamination bei thermischer Belastung sein kann.
Je höher der Temperaturstress beim Lötprozess ist, desto höher ist auch das Risiko von
Fehlern. Durch das Bleiverbot und den Wechsel zu bleifreien Lötprozessen mit höheren
Löttemperaturen hat sich die Notwendigkeit von Trocknungsprozessen selbst bei
„normalen“ Multilayer aus FR4 merklich erhöht. Umso mehr gilt das für
feuchteempflindlichere bzw. hygroskopischere Materialien, die also mehr Feuchtigkeit
als Standard-FR4 aufnehmen. Beispiele dafür sind Aramidfasern, hoch Tg-FR4 oder
insbesondere Polyimid, wie es in flexiblen und starrflexiblen Leiterplatten eingesetzt wird.
Bei letzterem ist eine trockene Leiterplatte vor dem Löten zwingend erforderlich, was in
der Regel durch einen Trockenprozess unmittelbar vor dem Bestücken erfolgt.
Auch geringe Unterschiede im Lötprofil können im Grenzfall über Erfolg oder
Schädigung des Substrats entscheiden.
2. Feuchteaufnahme
Die Menge der aufgenommenen Feuchte hängt von vielen Faktoren ab:
Grafik 2: Ishikawa-Diagramm „Feuchtegehalt“
Neben den Materialeigenschaften und den Lagerbedingungen kann über das Design die
Feuchteaufnahme und auch die Trocknungsmöglichkeiten beeinflusst werden. Doch
dazu später mehr. Zuerst wollen wir uns den Prozess der Feuchteaufnahme und
Feuchteabgabe anschauen.
Wie in Grafik 1 zu erkennen ist, handelt es sich um einen Gleichgewichtsprozess aus
Adsorption und Desorption an der Oberfläche, der zeitabhängig und stark von den
Mai 2009
Andreas Schilpp
Seite 2 von 10
Umgebungsbedingungen Temperatur und relativer Feuchte
abhängig ist. Kupfer wirkt als Diffusionssperre. Kupferflächen
verzögern damit die Feuchteaufnahme, jedoch auch die
Feuchteabgabe und damit die Trocknung. In welchen
Zeiträumen die Feuchtigkeitsaufnahme in Leiterplatten von
statten geht, zeigt nachfolgendes Diagramm:
Diagramm 1: Feuchteaufnahme FR4 Multilayer
Nach der Herstellung der Leiterplatte ist diese nicht trocken, wie oft fälschlicherweise
angenommen wird. Aus der Produktionsumgebung hat diese Leiterplatte im Beispiel
oben knapp 0,2 Gewichtsprozente Feuchte aufgenommen. Gemessen wird der
Feuchtegehalt durch lange Trocknung und Präzisionswiegen vor und nach dem
Trocknen.
Setzt man diese trockene Leiterplatte einer feuchten Umgebung aus, so stellt sich
wieder ein Feuchtegleichgewicht ein. Dieser Prozess dauert viele Wochen, bis eine
Sättigung eingetreten ist. In Bezug auf die Feuchte ist es also unter Umständen ein
großer Unterschied, ob die Leiterplatten direkt nach der Anlieferung verarbeitet werden
oder nach einem halben Jahr. Je nach Lagerbedingungen kann die Leiterplatte ggf.
wesentlich feuchter sein oder auch trockener, wenn sie z.B. in einem Trockenschrank
gelagert werden.
Verpackung von Leiterplatten:
Die Standardverpackung von Leiterplatten (PE Schrumpffolie) ist nicht feuchtedicht,
sondern stellt für Feuchte ähnlich wie Lötstopplack keine Barriere dar.
Spezialverpackungen mit Alubeschichtung und definiertem MVTR-Wert (Moisture
Vapour Transmission Rate) sind prinzipiell möglich, jedoch sehr aufwändig und teuer [9].
Nach dem Öffnen dieser Verpackungen und bei prozessbedingten Wartezeiten muss
die Trockenheit der Leiterplatte wieder durch geeignete Maßnahmen sichergestellt
werden.
Mai 2009
Andreas Schilpp
Seite 3 von 10
3. Wie trocknet man richtig?
Trocknen ist die Umkehrung der Feuchteaufnahme. Dazu
muss die Feuchte im Material an die Oberfläche diffundieren,
danach von der Oberfläche desorbieren können. Da die
Diffussionsrate temperaturabhängig ist, werden die
Leiterplatten in der Regel erwärmt.
Trocknungsparameter von Leiterplattenherstellern können nur als Anhaltswerte oder
grobe Empfehlung verstanden werden, denn sowohl die Designeinflüsse als auch die
spezifischen Umgebungs-, Trocken- und Lötbedingungen mit der dazu gehörigen
Logistik spielen eine große Rolle. Layoutspezifische Trocknungsparameter lassen sich
durch die Ermittlung von Trocknungskurven festlegen.
3.1 Equipment
Unabhängig vom Trocknungsprozess ist auf Sauberkeit großen Wert zu legen, denn
Verschmutzungen wie z.B. Kondensatablagerungen im Einbrennofen können sich auf
der Leiterplattenoberfläche niederschlagen und verschlechtern die Lötbarkeit der
Oberflächen unnötig, aber merklich.
3.1.1 Umluft-Trockenschrank
Der Umluft-Trockenschrank hat eine gute Wärmeübertragung
durch erzwungene Konvektion auf das Trockengut. Durch die
schnelle Durchwärmung sind diese Geräte sehr effizient. Mit
Frischluftzufuhr und Abluft kann der Feuchtegehalt der Luft
niedrig gehalten werden.
Bild 1: Beispiel für einen kleinen Umluft-Trockenschrank [6]
3.1.2 Vakuum Trockenschrank
Grafik 3: Siedepunktserniedrigung, Platten- und Mantelheizung (v. links nach rechts) [6]
Vakuum wirkt erst dann, wenn die Wassermoleküle an der Oberfläche sind.
Diesbezüglich sind Diagramme mit niedrigen Siedepunkten von Wasser bei
Druckverringerung irreführend, weil es diesen „Wassertopf“ ja nicht gibt. Schwieriger ist
Mai 2009
Andreas Schilpp
Seite 4 von 10
im Vakuum die Erwärmung des Trockenguts: Mantel- oder
Plattenheizungen sind üblich, es ist auch ein Prozess mit
abwechselnder Heizphase und Vakuumphase möglich.
Nachteilig ist die aufwändige Vakuumtechnik, ein Vorteil ist die
Vermeidung von Oxidation im Vakuum.
3.1.3 Trockenlagerschrank
Trockenlagerschränke entfeuchten die Luft im Schrank durch
Trockenmittel. Über die Steuerung lassen sich verschiedene
Feuchtigkeitsstufen, z.B. 10 / 5 / 2% r.F. einstellen. Durch
automatische Regeneration des Trockenmittels ist ein kontinuierlicher
Betrieb möglich. Vorteilhaft sind die geringen Betriebskosten und die
fehlende Temperaturbelastung. So können Leiterplatten auch in
Originalverpackung im Trockenschrank gelagert werden. Die
Trocknungseffizienz wird von einem Hersteller bei FR4
folgendermaßen beschrieben [7]:
Bild 2: Beispiel Trockenlagerschrank [7]
Diagramm 2: Trocknung von FR4 1,4mm dick im Trockenlagerschrank [7]
Ein direkter Vergleich mit Vakuum- und Umluft-Trockenschrank läuft im Moment, das
Ergebnis wird in Kürze verfügbar sein.
3.2 Temperatur
Nachfolgendes Diagramm zeigt die normierte Darstellung
identischer Leiterplatten bei unterschiedlichen Temperaturen:
Mai 2009
Andreas Schilpp
von Trockenkurven
Seite 5 von 10
Diagramm 3: Einfluss der Trocknungstemperaturen zwischen 80°C und 150°C
Der Unterschied zwischen 80°C und 125°C ist
gravierend. Eine weitere
Temperaturerhöhung auf 150°C bringt praktisch kaum Verbesserung, erhöht jedoch die
Temperaturbelastung. Untersuchungen haben jedoch auch gezeigt, dass bei Epoxy eine
gewisse Menge an Feuchtigkeit nur oberhalb des Tg des Basismaterials ausgetrieben
werden kann. [8]
3.3 Zeit
Übliche Trockenzeiten liegen zwischen 2 Stunden und 8 Stunden und sind stark vom
Design der Leiterplatte abhängig, siehe auch 3.5ff. Durch die Ermittlung von
Trocknungskurven können die erforderlichen Trocknungszeiten festgelegt werden.
Maßgeblich werden diese Zeiten durch die Zeit bestimmt, die die Feuchtemoleküle zur
Diffusion bis zur Oberfläche benötigen.
3.4 Anordnung
Neben der Trockentemperatur und –dauer ist die Anordnung der Trockenware, also hier
der Leiterplatten, ein wesentlicher Parameter für die Trocknungseffizienz. Werden
Platten im Stapel getrocknet, dauert es länger, bis die innen liegenden auf
Trockentemperatur sind. Dadurch nimmt der Trocknungsgrad ab, je tiefer im Stapel die
Leiterplatte liegt. Die Streuung der Qualität im Lötergebnis kann entsprechend von „in
Ordnung“ bis „großflächig delaminiert“ groß sein.
Werden Platten dagegen einzeln im Schlitzbrett stehend getrocknet, so kann zum Einen
jede Platte schnell erwärmt werden und zum Andern die Desorption optimal erfolgen:
die Trocknung ist effiziente:.
Mai 2009
Andreas Schilpp
Seite 6 von 10
Diagramm 4: Trocknungskurven bei 5er / 11er Stapel bzw. einzeln im Schlitzbrett [5]
Diagramm 5: Trocknungsgrad bei 5er / 11er Stapel bzw. im Schlitzbrett [5]
3.5 Design
3.5.1 Dicke
Mit zunehmender Dicke nehmen die Diffusionslängen zu, es dauert also länger, bis die
Feuchtigkeit an die Oberfläche kommt und desorbieren kann.
3.5.2 Kupferverteilung
Mai 2009
Andreas Schilpp
Seite 7 von 10
Kupfer lässt keine Feuchte durch, ist also eine Feuchtebarriere.
Kupferflächen behindern also die Diffusion der Wassermoleküle
bei der Feuchteaufnahme, jedoch auch beim Trocknen.
Während in der Regel für die Feuchteaufnahme viel Zeit zur
Verfügung steht, soll die Trocknung schnell gehen. Deshalb ist
es sehr ratsam, Kupferflächen zu rastern bzw. mit Öffnungen zu versehen, damit die
Feuchte auf kurzem Weg zu Oberfläche diffundieren kann und nicht beispielsweise bei
Power-/Groundlagen den langen Weg über die Kante nehmen muss.
3.5.3 Klebersystem Acryl / Epoxy
Acrylkleber hat eine höhere Feuchteaufnahme (bis 4%) als Epoxy NoFlow-Pregreg.
Acrylbasierte Starrflex-Leiterplatten müssen in der Regel etwas länger getrocknet
werden. Ebenso können Deckfolien und das flexible Basismaterial Acrylkleber enthalten.
Alternativen bieten kleberfreie Basismaterialien und Epoxykleber / Epoxy NoFlowPrepreg.
3.5.4 Anzahl Flexlagen
Je mehr flexible Lagen und damit auch Kleberschichten und Deckfolien in einem
Multilayeraufbau vorhanden sind, desto höher ist die relative Feuchteaufnahme. Der
Anteil hygroskopischen Materials ist entscheidend für die Menge der Feuchtigkeit und
damit für das Schädigungsrisiko bei fehlender oder fehlerhafter Trocknung.
3.5.5 Flex innenliegend / außenliegend
Bei innen liegenden Flexlagen ist die Diffussionsstrecke im starren Bereich bis zur
Oberfläche länger als bei einer außen liegenden Polyimidlage. Folglich trocknen
starrflexible Leiterplatten mit außen liegender Flexlage schneller.
Grafik 4: Starrflex Aufbaukonzepte, Flex innen liegend (links) und Flex außen liegend
4. Welche Auswirkungen hat das Trocknen auf die Lötbarkeit?
Grundsätzlich stellt jede Temperaturbelastung nach dem Aufbringen der Lötoberfläche
eine beschleunigte Alterung dar. Die Auswirkungen zeigen sich in einer Reduzierung
der spezifizierten Lagerzeiten durch Verschlechterung der Lötbarkeit. Die Lötbarkeit
kann durch Benetzungstests und Ausbreitungstests im Versuch ermittelt werden.
Mai 2009
Andreas Schilpp
Seite 8 von 10
Diagramm 6: Benetzungszeiten verschiedener Lötoberflächen [3]
4.1 OSP
Organische Schutzschichten sind grundsätzlich bei Temperaturbelastungen nicht zu
empfehlen.
4.2 chem. Ni/Au
Robuste Allroundoberfläche, kann auch mehrfach getrocknet werden.
4.3 chem. Silber
Kann problemlos getrocknet werden und übersteht danach auch mehrfache bleifreie
Lötprozesse.
4.4 chem. Zinn
Durch die temperaturabhängige Bildung einer Intermetallischen Phase wird die zum
Löten benötigte Reinzinnschicht schnell reduziert. Somit kann chemisch Zinn in der
üblichen Standardqualität nicht bei Leiterplatten empfohlen werden, die getrocknet
werden müssen, insbesondere bei Starrflex-Leiterplatten. Ein Kompromiss bei den
Trocknungsparametern zur Rettung der Lötbarkeit birgt das Risiko der Schädigung beim
Lötprozess, und zwar abhängig von den jeweiligen Umgebungsbedingungen. So kann
der Prozess im trockenen Winter durchaus funktionieren und Ausfälle im Frühjahr
zeigen dann an, dass die Luftfeuchte angestiegen ist.
4.5 verbessertes chem. Zinn
Versuche mit dem sog. smarttin ® [10] haben ein deutlich verbessertes Verhalten nach
Wärmeprozessen gezeigt. Sofern sich diese ersten Ergebnisse bestätigen und
gleichzeitig die Verträglichkeit mit allen Materialien wie Lötstopplacken, Flexlacken und
Kleberschichten gegeben ist, scheint damit die verbesserte chemische Zinnoberfläche
für starrflexible Leiterplatten anwendbar.
Mai 2009
Andreas Schilpp
Seite 9 von 10
Diagramm 7: Verbessertes Zinn nach 2x Reflow und 2 Wochen Lagerung
4.6 HAL bleifrei
HAL bleifrei zeigt überraschend schlechte Werte bei den Benetzungszeiten nach
Wärmeprozessen. Dies liegt u.a. daran, dass dünne bleifreie HAL-Schichten die gleiche
Problematik zeigen wie chem. Zinn: Die Lötbarkeit durch Bildung einer Intermetallischen
Phase wird sehr schlecht. Die enormen Prozesstemperaturen schließen eine
Anwendung bei Flex und Starrflex zusätzlich aus.
5. Empfehlungen, Schlussfolgerungen und Ausblick
Bei der Prozessplanung für die Verarbeitung von flexiblen und starrflexiblen
Leiterplatten und auch anderen feuchteempfindlichen Materialien muss eine adäquate
Trocknung berücksichtigt werden, die Auswirkungen auf die Lötbarkeit eingeschlossen.
Lötprofile sollten so schonend wie möglich gestaltet werden. Prozessflow und Logistik
sind anzupassen.
Alternativen im Materialaufbau und Design sollten konsequent genutzt werden, um das
Trocknungsverhalten zu optimieren. Bezüglich der Lötoberfläche gibt es ebenfalls
Alternativen.
Quellenverzeichnis
1. FED-Wiki, http://wiki.fed.de/fed-wiki/index.php/Tempern
2. Reise, Ritz et.al: Flexible und starrflexible Leiterplatten, Leuze Verlag, S. 63
3. Präsentation Dr. Lothar Weitzel, Würth Elektronik
4. Du Pont Electronics, Flexible Printed Circuit Processing Guide, S.59
5. PCB materials behaviour towards humidity and baking impact on wettability,
Walter Horaud, Vincent Vallat, Solectron, 2003, S.4 ff.
6. Thermo Fisher Scientific Inc
7. Fa. Totech, „070806 FR4 Trocknungseffizienz.pdf“
8. Moisture solubility and diffusion in epoxy and epoxy-glass composites, L.L.Marsh
et.al., IBM J. RES. DEVELOP, Vol.28, No.6, Nov. 1984
9. IPC 1601 PRINTED BOARD HANDLING AND STORAGE GUIDELINES,
Strawman Draft – November 6, 2008
10. http://www.apl-electrolesstin.de/Technologie
Mai 2009
Andreas Schilpp
Seite 10 von 10