Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

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  • Publication
    Reduction of voids in solder joints an alternative to vacuum soldering
    ( 2012)
    Diehm, R.
    ;
    Nowottnick, M.
    ;
    Pape, U.
    Voids in solder joints are representing one of the main problems especially for power electronics. A low and homogeneous thermal resistance of solder joints is demanded for a quick and uniform conduction of the heat loss from the power chip. The same applies for the electrical conductivity of solder joints. Enclosed voids can cause a displacement of electrical and thermal paths and a local concentration of power and heat. In addition, gas voids are anxious to form spheres in the solder gap, which could be a cause for tilting of chip components and a wedge-shaped solder gap. This is tightening the problem of patchy distribution of current or heat and is causing stress and cracks. The amount of voids can be influenced by different measures, e. g. a good wettability of metallization, solder pastes with special adopted solvents and an adequate preheating profile. However, a special vacuum process step during soldering is demanded for absolutely void free solder joints. But this vacuum process is associated with some essential disadvantages. Besides of the technical expenses for vacuum pumps and additional locks, the vacuum process excludes the use of gas convection for heating and cooling. Apart from a special vapour phase-vacuum technology, most machines are using infrared radiation or heat conduction for soldering. The same principles as used in vacuum soldering technology are applicable also for a higher pressure level. If the void in the solder joint is arising for an excess pressure, the normal atmosphere pressure could be sufficient for escaping of enclosed gas. Essential for this effect is the pressure difference between inside and outside of solder joint. A benefit of soldering with excess pressure is the possibility of gas convection for heat transfer. This allows the application of conventional components and the realization of the usual temperature distribution and profiles.
  • Publication
    Entwicklung von Weichlotpasten für das Löten mit der Mikrowelle
    ( 2006)
    Nowottnick, M.
    ;
    Pape, U.
    Ein selektiver und gleichzeitig simultaner Reflowlötprozess kann grundsätzlich durch elektromagnetische Felder ermöglicht werden, deren Energie die zu erwärmenden Baugruppen durchdringt und in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften nur in bestimmten Bereichen einkoppelt. Die Nutzung elektromagnetischer Felder im Mikrowellenbereich ermöglicht es, unterschiedliche Werkstückgrößen in einem großen Volumen und mit hohem Durchsatz zu behandeln. Konventionelle Lotpasten lassen sich allerdings nur sehr langsam und mit hoher Leistungsdichte durch Mikrowellen erwärmen. Indem der Lotpaste eine definierte Menge eines extrem gut ankoppelnden Materials, dem sog. Suszeptor, zugegeben wird, lässt sich die Effektivität wesentlich erhöhen. Solche Suszeptoren müssen entsprechende polare oder dielektrische Eigenschaften besitzen und können der Lotpaste in fester oder flüssiger Form zugesetzt werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Erwärmung des Lotes gegenüber der übrigen Baugruppe erheblich zu beschleunigen, wodurch die benötigte Mikrowellenenergie minimiert werden kann.
  • Publication
    Low temperature processing of highly integrated assemblies by selective microwave heating
    ( 2006)
    Pape, U.
    ;
    Diehm, R.
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    Kempe, W.
    ;
    Nowottnick, M.
    This poster presents the principles and state of the work of a joint research project ?MICROFLOW?, funded by the German Department for Education and Research (BMBF). The usually used simultaneous reflow soldering processes were optimized in the past for a minimum of temperature difference between small and large or heavy components. A further development of soldering processes is demanded because of the increasing requirements for polymer electronics, electrical-optical assemblies or high temperature electronics. The technology developed should allow a direct heating of the solder paste while the components are at a considerably lower temperature. This is possible only by sequentially working selective soldering processes at present. The selective heating method for a simultaneous process presented here is possible using microwaves provided the energy penetrates the assembly and heats certain regions only, depending on specific material characteristics. Today?s conventional solder pastes are already able to be heated with microwave, but only very slowly and using a high power density. It is possible to increase the absorbed heat considerably by mixing additional materials referred to as suszeptors into the solder paste which are absorbing microwave power. A main task for a save microwave application was to guarantee the operators safety and to ensure the electromagnetic compatibility to the printed circuit boards, integrated circuits and other components as well. This was possible by means of minimizing of volumetric microwave power, optimizing microwave frequency and above all the ensuring of field homogeneity.
  • Publication
    A simultaneous and selective microwave supported soldering technology
    ( 2006)
    Nowottnick, M.
    ;
    Pape, U.
    ;
    Scheel, W.
    ;
    Diehm, R.
    ;
    Kempe, W.
    This paper is showing results from a joint research project "MICROFLOW", funded by the German Department for Education and Research (BMBF). Usual simultaneous reflow soldering processes like convection soldering or vapor phase soldering were optimized in the past for a minimum of temperature difference between small and large or heavy components on electronic assemblies. Especially the increasing demands for polymer electronics, for electrical-optical assemblies or high temperature electronics require are further development of soldering processes. Such a process should allow a direct heating of the solder joints up to soldering temperature and have to save all other components at the same time. Today this is possible only by application of sequential working selective soldering processes like hot bar soldering or laser soldering. But for a cost effective industrial application it is necessary to realize a selective and as well simultaneous soldering process, which is indeed not available at present. The wanted selective heating method for an effective simultaneous process is possible in principle by using of electromagnetic fields, when the energy is penetrating the assembly and is launching heat in certain regions, depending on specific material characteristics. Electromagnetic fields in the microwave frequency region are able to treat various sizes and shapes of assemblies with large capacity and with a high throughput. Indeed it is possible to heat conventional solder pastes only with very slowly and with a high microwave power density. It is possible to increase the launched heat considerable by mixing of additional materials, so called suszeptors, into the solder paste, which are absorbing microwave power with a high efficiency. A fundamental task for a save microwave application was the to guarantee the operators safety and to ensure the electromagnetic compatibility of printed circuit boards, integrated circuits and other components as well. This was possible b means of minimizing of volumetric microwave power, optimizing microwave frequency and above all the ensuring of field homogeneity.
  • Publication
    Solder pastes for microwave applications
    ( 2006)
    Nowottnick, M.
    ;
    Pape, U.
    ;
    Scheel, W.
    ;
    Diehm, R.
    A special development of solder pastes was demanded for the development of an innovative reflow soldering process by means of microwave heating. The presented results are showing a part of the joint research project ?MICROFLOW?, funded by the German Department for Education and Research (BMBF). Usual simultaneous reflow soldering processes like convection soldering or vapor phase soldering were optimized in the past for a minimum of temperature difference between small and large or heavy components on electronic assemblies. Especially the increasing demands for polymer electronics, for electrical-optical assemblies or high temperature electronics require are further development of soldering processes. Such a process should allow a direct heating of the solder joints up to soldering temperature and have to save all other components at the same time. Today this is possible only by application of sequential working selective soldering processes like hot bar soldering or laser soldering. But for a cost effective industrial application it is necessary to realize a selective and as well simultaneous soldering process, which is indeed not available at present. The wanted selective heating method for an effective simultaneous process is possible in principle by using of electromagnetic fields, when the energy is penetrating the assembly and is launching heat in certain regions, depending on specific material characteristics. Electromagnetic fields in the microwave frequency region are able to treat various sizes and shapes of assemblies with large capacity and with a high throughput. Indeed it is possible to heat conventional solder pastes only with very slowly and with a high microwave power density. It is possible to increase the launched heat considerable by mixing of additional materials, so called suszeptors, into the solder paste, which are absorbing microwave power with a high efficiency. Such suszeptors must have suitable polar or dielectric properties and can be added to the solder paste as a powder, solvent or fluid. In this way it is possible to accelerate the heating of the solder paste significant in comparison with the remaining assembly, whereby the demanded microwave energy can be minimized. Beside of this fundamental work, to generate a microwave suited heat source in the solder paste, the usual works of paste or flux development and qualification are also very important. First of all the wetting quality, especially for lead-free solders and no less the behaviors of flux residues, have to be investigated. Therefore the solder melting and wetting was investigated, including solder balling tests on different substrate materials. In the next step various corrosion tests like humidity storage and surface insulation measurements were carried out. The test results were leading to a goal-directed selection and optimization of flux systems for a new microwave suited solder paste.
  • Publication
    Untersuchung der Zuverlässigkeit hochtemperaturgeeigneter Baugruppen
    ( 2006)
    Pape, U.
    ;
    Nowottnick, M.
    ;
    Rittner, M.
    ;
    Neher, W.
    In einem vom BMBF geförderten und vom FZ Karlsruhe begleiteten Verbundprojekt mit dem Kurztitel ?hotEL? wurden umfangreiche Untersuchungen zur Zuverlässigkeit hochtemperaturgeeigneter Baugruppen durchgeführt. Ein wesentliches Ziel waren die Sammlung von Erkenntnissen zu möglichen Ausfallmechanismen und -ursachen der einzelnen Komponenten. Über die Evaluation verfügbarer Materialien und deren Untersuchung in verschiedenen Alterungen bis zu 180°C wurden wesentliche Ergebnisse zur Art der Ausfälle in Abhängigkeit von Temperatur, Oberflächen- und Bauelemente-Metallisierung, Legierung und auch der einzelnen Komponenten (Leiterplatte, passive und aktive Bauelemente) generiert. Ein weiterer ergänzender Untersuchungsschwerpunkt war die unterschiedliche Padgeometrie bei zwei Standardbauformen. Durch die Korrelation von visueller Inspektion, Röntgenanalyse, elektrischer Messung, Abscherfestigkeit und metallographischer Analyse sowie auch zugehöriger Simulation wurden Ergebnisse zum Ausfallverhalten und damit der Lebensdauer bleifreier Lotlegierungen bei hohen Einsatztemperaturen untersucht. Durch ergänzende Felduntersuchungen wurden wichtige Profile der tatsächlichen Belastung der elektronischen Baugruppen erkannt und in die Untersuchungen einbezogen. Der Vortrag soll vor allem den Einfluss der Abscherfestigkeit im Vergleich zum elektrischen Widerstand sowie auch der Padform darstellen. Von hohem Interesse ist auch der Abgleich zwischen der Abscherfestigkeit der Bauelemente und den vorhandenen Rissen sowie den intermetallischen Phasen im Lotgefüge.
  • Publication
    Zuverlässigkeit stoffschlüssiger Fügeverbindungen für Hochtemperatur-Elektronikbaugruppen
    (Univ. Rostock, 2006)
    Nowottnick, M.
    Die Zuverlässigkeit konventioneller stoffschlüssiger Fügeverbindungen wird in der Regel nur für Betriebstemperaturbereiche gewährleistet, in denen sich die thermo-mechanischen Eigenschaften nicht grundlegend verändern. Wird z.B. das Lötgut einer Hartlötverbindung über eine homologe Betriebstemperatur von 0,4 erwärmt, verringert sich deren Festigkeit und das thermo-mechanische Verhalten entspricht dem einer Weichlötverbindung. Besonders für Hochtemperatur-Elektronikbaugruppen mit Betriebstemperaturen über 125°C ist die Definition und Kenntnis dieser Grenzen für deren Anwendung von großer Bedeutung, da die Gesamtzuverlässigkeit maßgeblich von der Zuverlässigkeit der Fügverbindungen bestimmt wird. Die heute gebräuchliche Einteilung insbesondere der metallischen stoffschlüssigen Fügeverbindungen anhand der Schmelztemperaturen der Zusatzwerkstoffe ist aber für eine exakte Charakterisierung der betriebsspezifischen Eigenschaften nicht ausreichend. Der Einfluss der Betriebstemperatur auf den Charakter der Fügeverbindung kann durch die Betrachtung der betriebs- und prozessspezifischen Werkstoffzustände 'fest', 'viskos', 'flüssig' und 'dampfförmig' erfolgen. Durch die Definition temperaturabhängiger Zustände für die an der Fügeverbindung beteiligten Werkstoffe unter Berücksichtigung ihrer prozessbeeinflussten chemischen Zusammensetzung, ermöglicht eine exakte Festlegung der Temperaturgrenzen eines Betriebszustandes. Durch die Festlegung der werkstoffbezogenen Betriebstemperatur-Grenzen ist aber auch die Nutzung des definierten Übergangs der Werkstoffzustände von Fügeverbindungen möglich. Während sich die gebräuchlichen aus Weichloten hergestellten Lötverbindungen elektronischer Baugruppen für maximale Betriebstemperaturen bis 150°C grundsätzlich im viskosen Werkstoffzustand befinden, können diese für Hochtemperatur-Elektronikbaugruppen auch kontrolliert in den flüssigen Werkstoffzustand überführt werden. Da beim Abkühlen der Elektronikbaugruppen auf Raumtemperatur, z.B. im Ruhezustand, immer wieder der viskose Werkstoffzustand erreicht wird, werden die Lötverbindungen alternierend im viskos/flüssigen Werkstoffzustand betrieben. Das Konzept der alternierend viskos/flüssigen Lötverbindungen wurde für elektronische Baugruppen und Komponenten mit einer maximalen Betriebstemperatur von 250°C erprobt. Als Lotwerkstoff kommt eine Sn55Bi45-Legierung mit einer Solidustemperatur von 138°C zur Anwendung. Die alternierend viskos/flüssigen Lötverbindungen besitzen im gesamten Betriebstemperaturbereich eine gute elektrische Leitfähigkeit und erfüllen damit zuverlässig die elektrische Funktion. Da bereits bei Erreichen des viskos-flüssigen Übergangszustandes keine ausreichende mechanische Stabilität der Fügeverbindungen gewährleistet werden kann, wird diese Funktion durch die Kombination mit einer Klebverbindung realisiert. Geeignete Klebstoffe zur Herstellung zuverlässiger Klebverbindungen mit einer Wärmebeständigkeit für 200°C Dauerbetriebstemperatur und 250°C Spitzentemperatur sind auf der Basis kostengünstiger Epoxydharze verfügbar. Die Zuverlässigkeit kombinierter Kleb- und Lötverbindungen mit einer alternierend viskos/flüssigen Lötverbindung wird insbesondere durch die innere Korrosion an der Grenzfläche zwischen dem festen Grundwerkstoff und dem flüssigen Lötgut begrenzt. Als besonders effektive Maßnahme des Korrosionsschutzes hat sich der Einsatz von Inhibitoren erwiesen. Gegenüber Cu- und Ni-Grundwerkstoffen eignet sich der Zusatz von 1 % Al, das bereits in das Lot oder als Reaktionslot in das Lötgut einlegiert wird und an der Grenzfläche als Diffusionsbarriere wirksam wird. Der Nachweis der Zuverlässigkeit wurde am praktischen Beispiel für alternierend viskos/flüssige Lötverbindungen über einen Prüfzeitraum von 7 Monaten mit einer maximalen Prüftemperatur von 250°C erfolgreich geführt. Die Übertragung des Konzeptes der alternierend viskos/flüssigen Lötverbindung auf konventionelle Lötverbindungen die aus SnPb- und SnAgCu-Loten hergestellt und die durch wiederholtes Nachlöten im Verlauf von 2000 Prüfzyklen regeneriert werden, führte auch hier zu einer deutlichen Erhöhung der Zuverlässigkeit.
  • Publication
    Vergleichende Eigenschaften von Legierungen im flüssigen Zustand
    ( 2006)
    Pape, U.
    ;
    Nowottnick, M.
    ;
    Diehm, R.
    ;
    Fehrenbach, M.
    ;
    Grimmer-Herklotz, U.
    ;
    Läntzsch, M.
    Für die so genannten Flowlötverfahren, also das Wellen- und Selektivlöten, sind viele Eigenschaften der flüssigen Lote, die für die Umstellung auf bleifreie Lotlegierungen wichtig sind, nur unzureichend bekannt. Die mangelnde Benetzung, der unvollständige Durchstieg und auch resultierende Fehler in der Lötverbindung wie z.B. das Fillet Lifting können den bleifreien Legierungen zwar zugeordnet werden, der ursächliche Zusammenhang ist jedoch weitgehend unerforscht. Ebenso werden zur Reduzierung der enorm hohen Ablegierung von Leiterplattenmetallisierungen und Tiegelmaterialien sowie auch zur Verfestigung der Lötverbindungen zusätzliche mikrolegierte Elemente in die Lote eingebracht, deren Wirkung vom jeweiligen Hersteller zwar qualitativ beschrieben wird, jedoch oft nicht vergleichend bewertet werden kann. Dies hat zur Gründung eines Industriekreises mit dem Fraunhofer IZM geführt, um vergleichende Untersuchungen durchzuführen. Eine Auswahl der erzielten Ergebnisse soll in diesem Artikel vorgestellt werden.
  • Publication
    Selektive Erwärmung elektronischer Baugruppen durch Mikrowellen
    ( 2005)
    Nowottnick, M.
    ;
    Diehm, R.
    ;
    Pape, U.
  • Publication
    Selektive Flowlötverfahren
    ( 2005)
    Nowottnick, M.