Feuchtigkeitsempfindliche Bauteile (MSD) Ein echtes Problem in der Produktion

2. Feuchtigkeitsempfindliche Bauteile (MSD) • Ein echtes Problem in der Produktion

3. Hintergrund • Feuchtigkeit verursacht an Oberflächen und dort angebrachten Bauteilen Probleme • Kunststoffverpackungen sind oft für Luftfeuchtigkeit durchlässig • Gehäuste Bauteile, einer Erwärmung ausgesetzt, können durch eingedrungene Feuchtigkeit beschädigt werden (Popcorning) • durch Feuchtigkeit verursachte Schäden, bleiben meist unentdeckt und führen erst nach 2 – 6 Monaten zum Ausfall • Hohe Verarbeitungstemperaturen von bleifreien Lotlegierungen verstärken das Problem

4. Bleifrei und Popcorning Quelle: Intel

5. Popcorning • Epoxy, überwiegend für eingegossene Bauteile verwendet, ist hygroskopisch • Bei der Verarbeitung entstehen Temperaturen bis zu 260º C • Schnelles Einbringen hoher Temperaturen erzeugt einen hohen Dampfdruck welcher nicht entweichen kann

6. Popcorning • Ablösungen der Verbindung durch Schichtspaltung und Bildung einer Dampfblase sind die unmittelbare Folge • Dies ist in den meisten Fällen nicht ersichtlich

7. Popcorning • Wird die Dehnfähigkeit überschritten kommt es zu einem Bruch oder Riss (Crack) , der Wasserdampf entweicht schlagartig. • Durch diese „undichte Verpackung“ dringt Sauerstoff ein und zerstört langsam das Bauelement.

8. Popcorning

9. Popcorning Beispiel 1 • BGA Baustein, mit sichtbarem Spalt zwischen Glasfaserträger and Kunststoffeinbettung

10. Popcorning Beispiel 2 • QFP Baustein, mit Riss an der Oberfläche der Kunststoffeinbettung

11. Popcorning Beispiel 3 • Mikroausschnitt eines BGA mit ersichtlicher Schichtspaltung und Riss zwischen Verguss- und Trägermaterial

12. Popcorning Beispiel 4 • BGA Baustein, mit Riss zwischen Trägermaterial und Kunststoffeinbettung

13. Popcorning Beispiel 5 • QFP Baustein, mit Riss an der Unterseite des Trägermaterials

14. IPC-Levels für IC`s Quelle: IPC

15. IPC-Levels für IC`s Quelle: Intel

16. Bauteilfeuchtigkeit Übersicht Quelle: Intel

17. Absorption Quelle: Intel

18. Absorption Quelle: Intel

19. Herkömmliche Prävention • Bislang wurden Leiterplatten und Bauteile gegen Feuchtigkeitseintrag durch Tempern behandelt • Temperaturen von 40°C bis 125°C für die Dauer von einer Stunde bis zu einer Woche werden eingesetzt • Das erhöht sowohl die Produktionszeiten wie auch die Produktionskosten • Dieses Verfahren wird noch nach IPC Spezifikationen definiert

20. Probleme beim thermischen Trocknen • Die Lötfähigkeit wird vermindert • Entstehung intermetallischer Schichten wird begünstigt, selbst bei niedrigen Temperaturen (40° C) • „Backen“ nur einmal erlaubt (IPC) • Hohe Betriebskosten der Heizöfen • Heizöfen belegen wertvollen Raum innerhalb der Produktionsstätten

21. Lötbarkeit SOIC 14 Chip, 60/40 Sn/Pb Legierung, Typ R flux

22. Lötbarkeit SOIC 14 Chip, 60/40 Sn/Pb Legierung, Typ R flux, 4 Stunden bei 100°C

23. Lötbarkeit SOIC 14 Chip, 60/40 Sn/Pb Legierung, Typ R flux, 4 Stunden bei 100° SOIC 14 Chip, 60/40 Sn/Pb Legierung, Typ R flux, ohne Backen

24. Bildung intermetallischer Schichten • Die Zunahme intermetallischer Schichten liegt bei ca. 50% durch eine viertägige Trocknung bei 125°C • Dies bezieht sich hauptsächlich auf die Kupferbeschichtung Cu6 Sn5, betroffen sind jedoch alle Schichten • Intermetallische Schichten entstehen im Zusammenspiel von Zeit und Temperatur • Dicke intermetallische Schichten vermindern die Qualität der Lötverbindung und verhindern im Extremfall sogar die Lötbarkeit

25. Alternative Prävention • Einsatz eines Trockenlagerschranks • Keine Verminderung der Lötbarkeit durch verzicht auf Erhitzen • Oxydationsschutz durch Feuchtereduktion • Beseitigung aller Feuchtigkeit über ein regenerierbares Trocknungssystem • Niedrige Betriebskosten • EffizientereRaumnutzung innerhalb der Produktionsstätten

26. Vielfalt der Trockenlagerung • MBB (feuchtigkeitssperrende Verpackung ) • Stickstofflagerschrank • Trockenluftkabine • Trockenlagerschrank

27. Pro u. Kontra von MBB Kontra • Gefahr unverschlossener oder beschädigter Verpackungen • Mit Feuchtigkeit gesättigtes Silica Gel Trocknungsmittel • Falsche Lagerung des Silica Gel Trocknungsmittels • Arbeitsintensiv Pro • Niedrige Einführungskosten, geringe Investition

28. Pro u. Kontra von Stickstoffbehältern Kontra • Selten richtig Gewartet • Kaum auf Effektivität geprüft • Hohe Betriebskosten • Installation erforderlich • nicht überall verfügbar / realisierbar • Sehr teueres, reines Stickstoff wird benötigt!! • Zum trocknen ungeeignet Pro • Stickstoff ist leicht erhältlich • Allgemein bekannt

29. Kostenvergleich mit N² · Annahmen N² Kosten ~ 0.19 € / m³ Stromkosten ~ 0.06 € / KWh mittlerer N² Verbrauch ~ 25 L / min Anschaffungskosten Totech ~ 7 600.00 € · laufende Kosten eines N² Lagerschrankes Verbrauch: 25 L / min oder 1 080 000 L / Monat oder 1080 m³ / Monat Kosten: 205,20 € / Monat, 2462.40 € / Jahr · laufende Kosten eines Totech Lagerschrankes Verbrauch: 0.056 kW / h oder 40.32 kW / Monat Kosten: 2.42 € / Monat, 29.09 € / Jahr Kosteneinsparung im Jahr: 2 433.31 € 37.5 Monate Refinanzierung (Anschaffungskosten: 7 600.00 €) über Verbrauch ~3 Jahre Diese Berechnung enthält keine Installationskosten und Leasinggebühren (für Flaschen) wie sie bei Verwendung von Stickstoff anfallen.

30. Trockenlagerschränke

31. Geschichte der Trockenlagerschränke 1974 Entwicklung des ersten auto-regenerierenden Trockenlagerschranks für den Verbrauchermarkt. Dieser Schrank nutzte vorgetrocknetes Silica-Gel, welches durch eine Heizung in einem Zeitintervall regelmäßig entfeuchtet wurde. 1976 Einführung von synthetischem Zeolite (Molekulare Siebe) als Ersatz zum Silica-Gel 1982 Neue, patentierte Trocknungseinheit ermöglicht extrem niedrige Feuchtigkeitswerte (Totech, Japan) 1987 Texas Instruments setzt als erstes Trockenlagerschränke für die Lagerung feuchtigkeitsempfindlicher Bauelemente in der Elektronik ein. Vor dieser Anwendung wurden Trocknungsschränke nur in der Optikindustrie und im Konsumgüterbereich eingesetzt.

32. Pro u. Kontra des Trockenlagerschranks Pro • Trocknet ohne Temperatureinwirkung • Schneller Trocknungsprozess • Keine Wartung • Elektronisch überwachte Feuchteregelung • Niedrige Energiekosten • Luftdicht • Beweglich auf lenkbaren Rollen Kontra • Hohe Anschaffungskosten

33. Empfehlung der Trocknungszeiten Bei gleicher Temperatur entspricht die Trocknungszeit der IPC empfohlenen Verarbeitunszeit. HSD-Serie SDE-Serie

34. Akzeptanz des Trockenlagerschranks • Jährlicher Absatz von ca. 200000 Einheiten, überwiegend im asiatischen Raum • Weltweiter Absatz von ca. 10.000 Einheiten pro Jahr mit Trocknungswerte unter 5% RH • Insgesamt 8-10 Trockenlagerschrank Hersteller weltweit • Zunehmende Nachfrage in Europa (Bleifrei)

35. Trockenlagerschrankversorgung • 8-10 große Hersteller weltweit • Mindestanforderung sollte bei 5% RH liegen • Trockenschränke werden überwiegend für den privaten Verbrauchermarkt (d.h. 30-50% RH) hergestellt • Die Nachfrage für Schränke für extrem niedrige Feuchtigkeit steigt

36. Einsatzmöglichkeiten • CSP, BGA, QFP etc • Printed Circuit Boards • Wafers • Ceramics • Crystal Resonator • Optical Fiber, CCD etc • (LCG) Liquid Crystal Glass

37. IPC/JEDEC 033a Anwendung Trockenlagerschrank mit 10% RH Feuchtigkeitsempfindliche Bauteile, nicht in MBB versiegelt, können in einem Trockenlagerschrank bei höchstens 10% RH gelagertwerden. Diese Lagerung ist aber nicht mit MBB vergleichbar. Sollte die maximale Dauer nach IPC (Tabelle 7-1) überschritten werden ist ein Tempern nach IPC erforderlich.

38. IPC/JEDEC 033 Anwendung Trockenlagerschrank mit 5% RH Feuchtigkeitsempfindliche Bauteile, nicht in MBB versiegelt, können in einer Trockenluftkabine bei höchstens 5% RH gelagertwerden. Diese Lagerung ist mit MBB vergleichbar und gewährleistet eine unbegrenzte Lagerfähigkeit.

39. Funktionsweisedes Trockenlagerschranks

40. Funktionsprinzip • Die Trocknungseinheit arbeitet mit einem Lüfter im Umluftverfahren. • Die Wassermolekühle in der Luft werden beim passieren der Trocknungseinheit durch das Zeolit ausgefiltert. • Beim zyklische Recycling des Zeolits wird mit Hilfe von erhöhter Temperatur die aufgenommene Feuchtigkeit an die Raumluft abgegeben.

41. Die Funktion der Trockeneinheit Ventil innen Ventil außen (Wasserdampfaustritt in der Recyclingphase) Trockenmittel Zeolith Lüfter Ventil außen Ventil innen

42. Zeolith • Synthetisch produzierter Zeolith A • 47% offene Fläche • Hohes Maß an Absorption bei niedrigem RH Wert • Hervorragende Regenerationseigenschaften

44. Funktionsprinzip Um eine minimale Konta-mination mit Außenluft sicherzustellen stoppt der Lüfter automatisch, sobald eine Tür geöffnet wird. (Besonderheit Super-Dry)

45. Funktionsprinzip Nach schließen der Tür sorgt der Lüfter für eine schnelle Entfeuchtung des luftdicht abgeschlossenen Innenraums.

46. Kalibrierung kalibrierbar durch Austausch der kompletten Sensorsplatine

47. Wartungsempfehlung Die Trocknungseinheit arbeitet mit einem Lüfter im unterbrochenen Betrieb (30% an). Der Lüftermotor (besonders die Lager) unterliegt einem mechanischen Verschleiß. Um die Funktion des Lüfters sicherzustellen sollte man ihn nach der angegebenen Laufleistung prophylaktisch austauschen. (dreifache Laufleistung durch unterbrochenen Betrieb, ca. 10 Jahre)

48. Grundvoraussetzungen • Kurze Wiederherstellungszeiten nach Zugriff • Aufrechterhalten konstanter RH Werte nach Wiederherstellung

50. Regelgenauigkeit