Prozessentwicklung für das flussmittelfreie Weichlöten (Teil 1)

Im Gegensatz zum Weichlöten mit Paste ist die Entwicklung eines flussmittelfreien Lötprozesses deutlich umfangreicher und die Qualitätsanforderungen an das Produkt müssen von Anfang an konsequent mit betrachtet werden. Eine Preform stellt dabei ein gewalztes Metallplättchen dar, das ausschließlich aus der Lotlegierung (Lotzinn) besteht. In dieser Artikelreihe werden die häufigsten Anforderungen diskutiert und die systematischen Prozessentwicklungsschritte für das flussmittelfreie Löten aufgezeigt.

Im ersten Teil gehen wir auf die Qualitätsanforderungen an den Lötprozess bzw. das Produkt ein.

Inhalt dieses Beitrags

Es werden die einzelnen Schritte zur Entwicklung eines flussmittelfreien Lötprofils mit Ameisensäure aufgezeigt. Dazu zählen:

  • Qualitätsanforderungen
  • Lotlegierung
  • Reduktionsmittel-Wirktemperatur
  • Temperaturmessung: Messdummy und Datenlogger-Fahrten
  • Profilentwicklung und ggf. Löthilfen-Entwicklung
  • Benetzungstests
  • Löttests
  • Prozessfenster
  • Prozesskontrolle

Qualitätsanforderungen

Für die Entwicklung eines pastenfreien Lötprozesses müssen die Anforderungen an die Produktqualität sowie deren Hintergrund verstanden werden. Im Folgenden werden die häufigsten Spezifikationen des Outputs von Lötprozessen für Leistungsmodule beschrieben und Wege für die erfolgreiche Erfüllung aufgezeigt. Für die Chiplötung (Halbleiterchip auf Schaltungsträger) sind die häufigsten Anforderungen in Tabelle 1 aufgezeigt.

Tabelle 1: Häufige Anforderungen an die Chiplötung

Anforderung Einfluss auf Vermeidung durch Beachtung von Nachweis
Lunkerfläche kumuliert / Chipfläche Thermischer Widerstand, Zyklenfestigkeit Materialqualität, Kontamination, Temperaturprofil, Temperatur-verteilung, Atmosphären, Löthilfen, Vakuum, Verwölbung X-Ray, C-SAM
Einzellunkergröße / Chipfläche Lebensdauer, thermisch (Hotspotbildung) Materialqualität, Kontamination, Temperaturprofil, Temperaturverteilung, Atmosphären, Löthilfen, Vakuum, Verwölbung X-Ray, C-SAM
Lotschichtdicke Je höher, desto höher Lebensdauer, jedoch erhöhter thermischer Widerstand Löthilfen, Preforms mit Spacern C-SAM, Querschliffe, CT
Verkippung Chip Lebensdauer, thermische Widerstand, Bondbarkeit, inhomogener thermo-mechanischer Stress Löthilfen, Preforms mit Spacern, Preform-Stanzqualität C-SAM, Querschliffe, Laserprofilometrie, 3D-Mikroskope
Verdrehung Chip / Positionsfehler Bondbarkeit, Kurzschlüsse, beeinflusste Kriechstrecken Bestückprozess (z.B. mit Haftvermittler), Löthilfen, Vakuumeinstellungen, Preformqualität Optische Mikroskopie, automatische optische Inspektion (AOI)
Chipverbiegung Erhöhte Lunkerbildung, thermo-mechanischer Stress, verändertes elektrisches Verhalten Chipmetallisierungen und Herstellung Optische Mikroskopie, automatische optische Inspektion (AOI), Laserprofiometrie
Lotspritzer Kurzschlüsse, Bondbarkeit, Optische Aspekte Verwölbung der Bauteile, Temperaturprofil, Vakuumeinstellung, Materialqualität, andere Lotlegierung Optische Mikroskopie, AOI
Zinnnebel Optische Aspekte Ameisensäure Konzentration und Temperatur, Zeit und Temperatur über Liquidus Optische Mikroskopie, AOI
Substratverbiegung Bondbarkeit, Stress auf Chips, Beeinflusst Lötung auf Bodenplatte oder thermischen Widerstand auf Kühler Layout, Temperaturprofil, Niederhaltersysteme, Löthilfen, Lotschichtdicke Haarlineal, optische oder taktile Vermessung
Toleranzen Führen zu verringerter Lebensdauer Power Cycling bzw. erhöhtem Ausschuss und großer Streuung der Lebensdauer, Thermische Impedanz Zth Material, Löthilfen, Manuelle Prozesse Hersteller, Statistik

Der Lunkeranteil (Voidrate) ist das häufigste Kriterium für die Chiplötung bzw. Lötstelle. Unterschieden wird dabei in Größe der Einzellunker und Lunkeranteil der gesamten Anbindungsfläche Lunker können vielfältige Ursache haben. Die häufigste ist eine mangelhafte Materialqualität der Fügepartner. Der Nachweis der Voidrate erfolgt meist mittels Röntgenanalyse. Moderne Röntgengeräte beinhalten eine automatische Berechnung des Lunkeranteils auf Basis von Grauwerten oder Kantenauswertung. Wichtig ist eine möglichst fehlerfreie Lotschicht, um den thermischen Widerstand zu minimieren. Zudem wirken Lunker oft als Anriss, wodurch eine Materialermüdung an den Fehlstellen beginnt.

Die Schichtdicke der Lötstelle ist ebenfalls wichtig für die Lebensdauer. Bei zu dünnen Schichten erhöhen sich die thermo-mechanischen Spannungen im Lot enorm, wodurch diese im Betrieb früher zu Ausfällen führen. Gemessen wird die Schichtdicke meist mittels Querschliffen. Abstandshalter im Lot ermöglichen eine Mindest-Schichtdicke.

Die Verkippung von Halbleiterchips wirkt sich ebenfalls nachteilig auf die Lebensdauer aus. Ähnlich wie bei der Schichtdicke, können Abstandshalter eine Abhilfe beim Lötvorgang bieten. Der Nachweis erfolgt wiederum mit Querschliffen.

Verdrehung von Halbleitern kann aufgrund verschiedener Ursachen auftreten. Dazu gehören der Bestückungsprozess, die Preformqualität und die Lotmenge. Ein verdrehter bzw. verschobener Chip führt zu Problemen im anschließenden Bondprozess, da der Drahtbonder den Chip möglicherweise nicht mehr erkennt. Durch die Verwendung von Haftvermittlern beim Bestücken kann ein Verschieben verhindert werden. Die Erkennung erfolgt meist durch automatische optische Inspektionssysteme (AOI).

Chipverbiegung resultiert oftmals aufgrund fehlerhafter Metallisierungen bzw. unpassender Schichtdicken. Über den Lotprozess lässt sich lediglich durch Löthilfen (Andrücken) und kontrollierte Heiz- bzw. Kühlrampen der Verbiegung entgegenwirken. Der Nachweis wird durch eine AOI erbracht. Eine starke Chipverbiegung führt meist zur Bildung von großen Lunkern und somit auch zu Lotspritzern. Werden Lufteinschlüsse mit Vakuum schlagartig aus dem Lot gezogen, kommt es zu Spritzern. Die Spritzer können wiederum zu Kurzschlüssen innerhalb der Baugruppe führen. Die beste Abhilfe besteht in der Ursachenbekämpfung der Lunker. Als zweiter Schritt wird mit den Vakuumeinstellungen gearbeitet werden.

Zinnnebel lässt sich auf eine zu hohe Ameisensäurekonzentration bzw. auf eine zu lange Einwirkzeit zurückführen. Durch die Ameisensäure-Reaktion entstehen Zinnsalze, welche sich anschließend auf den Bauteilen niederschlagen. Bei der Temperaturerhöhung zerfällt das Salz und der Zinnnebel bleibt auf dem Substrat zurück. Der Zinnschleier hat lediglich optische Auswirkungen.

Die Substratverwölbung ist stark von dem Layout des Schaltungsträgers abhängig. Diese Verwölbung kann durch Niederhaltersysteme und entsprechende Heiz- bzw. Kühlrampen reduziert werden.

Für die Systemlötung bzw. Kühlerlötung (Substrat auf Bodenplatte oder Kühler) gelten die gleichen Anforderungen wie für die Chiplötung. Tabelle 2 zeigt eine Übersicht. Ein wichtiger Punkt ist dabei die Vorbiegung der Bodenplatte. Um eine gute thermische Anbindung an den Kühler zu gewährleisten, darf diese nach dem Lötprozess keine Verwölbung aufweisen. Durch eine entsprechende Vorbiegung, Niederhaltersystemen und Heiz- bzw. Kühlrampen kann die Anforderung erfüllt werden. Der Nachweis erfolgt mit optischen Inspektionssystemen oder taktilen Messsystem.

Tabelle 2: Anforderungen an die Systemlötung

Anforderung Einfluss auf Vermeidung durch Beachtung von Nachweis
Lunkerfläche kumuliert / Chipfläche Thermischer Widerstand, Zyklenfestigkeit  Materialqualität, Kontamination, Temperaturprofil, Temperaturverteilung, Atmosphären, Löthilfen, Vakuum, Verwölbung X-Ray, C-SAM
Einzellunkergröße / Chipfläche Lebensdauer, thermisch (Hotspotbildung)  Materialqualität, Kontamination, Temperaturprofil, Temperaturverteilung, Atmosphären, Löthilfen, Vakuum, Verwölbung X-Ray, C-SAM
Lot Schichtdicke Je höher, desto höher Lebensdauer, jedoch erhöhter thermischer Widerstand Löthilfen, Preforms mit Spacern C-SAM, Querschliffe, CT
Substratverkippung Lebensdauer, inhomogener thermische Widerstand, Bondbarkeit, inhomogener thermo-mechanischer Stress Löthilfen, Preforms mit Spacern Haarlineal, optische oder taktile Vermessung
Lotspritzer Kurzschlüsse, Bondbarkeit, Optische Aspekte  Verwölbung der Bauteile, Temperaturprofil, Vakuumeinstellung, Materialqualität, andere Lotlegierung Optische Mikroskopie, AOI
Zinnnebel Optische Aspekte Ameisensäure Konzentration und Temperatur,  Zeit über Liquidus Optische Mikroskopie, AOI
Bodenplatten-Verbiegung Erhöhter thermischer Widerstand auf Kühler, thermomechanischer Stress Vorbiegung, Lötprofil, Substratlayout, Lotschichtdicke Haarlineal, optische oder taktile Vermessung
Substratverdrehung / Positionsfehler Schweißen Lastanschlüsse, Bonden, optische Aspekte Löthilfen, Temperaturprofil, Vakuumeinstellungen Optische Mikroskopie, AOI
Toleranzen Verringerter Lebensdauer passive Temperaturwechsel, erhöhtem Ausschuss, Streuung, Zth Material, Löthilfen, Manuelle Prozesse Hersteller, Statistik

Doppelseitige Module stellen prozesstechnisch eine große Herausforderung dar. Um den Vorteil der doppelseitigen Kühlung vollständig nutzen zu können, sollte eine entsprechende Planparallelität der beiden Anbindungsflächen an den Kühler gewährleistet werden. Durch den parallelen Einsatz mehrerer Module muss die Absolut-Dicke innerhalb enger Toleranzen liegen. Aber auch bei gemoldeten Modulen muss für das Molden die Geometrie innerhalb enger Grenzen liegen. Für die Erfüllung der Anforderungen sind produktspezifische Löthilfen und Niederhaltersysteme notwendig. Diese müssen entsprechend entwickelt und getestet werden. Dabei spielt das Moduldesign (Anordnung, Größe der Halbleiter, Substratdesign, usw.) eine entscheidende Rolle. Moduldesign, Löthilfen und der Lötprozess sollten aufeinander abgestimmt entwickelt werden.

Tabelle 3: Anforderungen an den Lötprozess für doppelseitige Module

Anforderung Einfluss auf Vermeidung durch Beachtung von
Planparallelität Doppelseitiges Modul Moldbarkeit, Erhöhter thermischer Widerstand Löthilfen, Lötprofil, Layout
Abweichung Absolut-Dicke Doppelseitiges Modul Moldbarkeit, Thermischer Widerstand zum Kühler Materialtoleranzen, Löthilfen
Toleranzen Erhöhter Ausschuss und großer Streuung des Zth, Streuung Lebensdauer Material, Löthilfen, Manuelle Prozesse

Haben Sie weitere Fragen zum Vakuumlöten? Dann kontaktieren Sie uns gerne.

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