Blei verwenden

Oct 22, 2023

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Mehrere elektronische Marktsegmente sind weiterhin von Beschränkungen für bleifreie Materialien wie der RoHS-Gesetzgebung (Restriction of Hazardous Substances) ausgenommen. Bei diesen Marktsegmenten handelt es sich in der Regel um Elektronik, die in rauen Umgebungen eingesetzt wird und/oder über lebens-/systemkritische Funktionen verfügt. Während diese Marktsegmente, zu denen auch die Avionik gehört, bleihaltiges Lot verwenden können, wird es immer schwieriger, fortschrittliche Komponenten in nicht ROHS-konformen Konfigurationen zu beschaffen. Produktdesignteams, die weiterhin Zinn-/Blei-Lötprozesse verwenden, stehen vor dem Dilemma, wie sie Ball Grid Array (BGA)-Komponenten, die nur mit bleifreien Lotkugeln erhältlich sind, in ihren Montageprozessen verwenden können. In diesem Artikel werden mehrere Aspekte der Verwendung bleifreier BGA-Komponenten in einem Zinn/Blei-Lötprozess erörtert: (1) gemischte Metallurgie; (2) Verfestigung; (3) Zinn-Whisker. Die möglichen Methoden zur Nutzung ohne Beeinträchtigung der Produktintegrität werden diskutiert.

Der gemischte Metallurgiekonzern

Die Umweltgesetzgebung hat erhebliche Auswirkungen auf die Elektronikindustrie hinsichtlich der in elektronischen Produkten verwendeten Materialsätze. Das Verbot von Materialien wie Cadmium, sechswertigem Chrom, Quecksilber und Blei hat dazu geführt, dass eine Reihe elektronischer Komponenten und Materialprozesse, die früher bei der Herstellung elektronischer Produkte verwendet wurden, abgeschafft wurden. Die Entfernung von Blei aus Lotlegierungen hat aufgrund seiner Rolle als primäres Material für die mechanische und elektrische Funktionalität wohl die größten Auswirkungen auf elektronische Produkte. Abbildung 1 zeigt, wie die globalen Trends beim Lotverbrauch den Ersatz von Zinn/Blei-Lotlegierungen durch bleifreie Lotlegierungen seit 2004 zeigen, wie vom IPC Global Solder Statistical Program verfolgt.

Produktdesignteams, die weiterhin Zinn-/Blei-Lötprozesse verwenden, stehen vor dem Dilemma, wie sie BGA-Komponenten verwenden sollen, die nur mit bleifreien Lotkugeln erhältlich sind. Die Kombination einer Zinn/Blei-Lötpastenlegierung mit einer BGA-Komponente mit bleifreien Lotkugeln führt zu einer „gemischtmetallurgischen“ Lötstellen-Mikrostruktur, die in vielen Produktumgebungen eine schlechte Lötstellenintegrität aufweist. Drei Branchenlösungen haben sich als akzeptable Methoden herausgestellt, um das potenzielle Problem der Lötstellenintegrität einer gemischten Metallurgie anzugehen (d. h. bleifreie Teile, die auf einer Zinn/Blei-Baugruppe verwendet werden, Zustand). Die erste Lösung besteht darin, das bleifreie BGA-Bauteil an einen externen Dienstleister zu schicken, damit es dort „umgeballt“ wird (d. h. die bleifreien Lötkugeln werden entfernt und durch Lötkugeln aus einer Zinn-/Bleilegierung ersetzt). Der Reballing-Prozess hat sich als zuverlässig erwiesen, vorausgesetzt, dass streng kontrollierte Prozessabläufe eingehalten werden. Der Vorteil einer neu geformten BGA-Komponente besteht darin, dass sie für einen Zinn/Blei-Lötprozess transparent ist; Die Nachteile sind die Kosten und der Zeitaufwand für das Reballing der BGA-Komponente.

Abbildung 1: Globale Trends beim Lotverbrauch. (IPC Global Solder Statistical Program)

Das Reballing einer BGA-Komponente erfordert die Kontrolle mehrerer wichtiger Prozessparameter: Feuchtigkeitsempfindlichkeitsgrad, Lötkugelentfernungs-/Befestigungstemperatur/-zeit und Sauberkeit der Reballing-BGA-Komponente. Um sicherzustellen, dass durch den Reballing-Prozess keine Prozess- oder Komponentendefekte entstehen, ist eine Funktionsprüfung der Komponenten erforderlich. Das folgende Beispiel veranschaulicht, wie die Durchführung einer Due-Diligence-Prüfung zur Funktionsbewertung die Einführung fehlerhafter Reballed-BGAs in Produkte verhindert.

Bei technischen Prototypentests wurden Funktionsfehler bei einer BGA-Komponente festgestellt. Das betreffende BGA-Bauteil wurde vom Komponentenlieferanten als bleifreies BGA bezogen und anschließend mit einer eutektischen Zinn-Blei-Lötlegierung umgeformt. Eine Röntgenaufnahme des verdächtigen BGA ergab übermäßige Hohlräume in der Lötstelle.

Figur 2:Röntgenbild des verdächtigen BGA.

Branchenuntersuchungen haben gezeigt, dass BGA-Lunkerbildung im Allgemeinen kein Problem der Integrität der Lötverbindung ist, sondern ein klarer Hinweis auf ein Problem mit der Pad-Konstruktion oder dem Lötprozess. Die BGA-Pads enthielten keine Microvia-Technologie, daher wurde zunächst angenommen, dass ein Problem im Zusammenhang mit einer Lotpastenablagerung oder einem Reflow-Profil die Ursache für die Hohlräume war. Abbildung 2 zeigt die übermäßige Hohlraumbildung, die bei der Röntgenuntersuchung in den BGA-Lötverbindungen beobachtet wurde.

Es wurde eine metallografische Querschnittsanalyse durchgeführt, um zu bestätigen, dass die beobachtete Lunkerbildung an der Lötstelle ein Problem des Lötprozesses war. Die Querschnittsanalyse ergab, dass die Dicke der Kupferpads der Komponenten so gering war, dass während des Reflow-Prozesses der Baugruppe die geschmolzene Lotkugel mit dem BGA-Laminatmaterial in Kontakt kam, was zu einer Ausgasung führte, die den Hohlraum verursachte. Die Messung der Kupfer-Pad-Beschichtung ergab eine nicht vorhandene Nickel-Beschichtungsbarriere, die eine 50–100-prozentige Auflösung der Kupferbeschichtung des BGA-Pads ermöglichte.

Klicken Sie hier, um den gesamten Artikel zu lesen, der in der Juli-Ausgabe 2017 des SMT Magazine erschien.