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F-7761DE_C (2011-06)

Prozesstechnologische und werkstofftechnische Untersuchungen zur Zuverlässigkeit bleifreier Weichlötverbindungen in KFZ-Elektroniken

Andreas Herenz, Torsten Schmidt,

Petrik Lange, HELLA KGaA Lippstadt

Elektronik-Technologie-Forum Nord

am 30. / 31. Januar 2013 in Hamburg

ETFN am 30. / 31. Januar 2013 A. Herenz2

Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZHella-Fertigungsstandorte weltweit

HEC

Plymouth, Michigan (USA)Development

HSL

Daegu (South Korea)Development & production

HAE

Xiamen (China)Production

CEDASA

Daganzu (Spain)Development & production

HER

Timisoara (Romania)Development & production

HIE

New Delhi (India)Production

HSE

Shanghai (China)Development & production

plant 2 Development (Lippstadt)

plant 4 (Hamm Bockum-Hövel)plant 5 (Recklinghausen)HFK (Bremen)Hella Aglaia (Berlin)

Enko Automotive (Schortens)HEDN (Neutraubling)Intedis (Würzburg)BHTC (Lippstadt)

Flora, Illinois (USA)Production

HEC

HJI

Tokyo (Japan)Customer Service Center

San Jose Iturbide (Mexico)Production (3 Q 2008)

HEM

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ETFN am 30. / 31. Januar 2013 A. Herenz3

Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZProduktentwicklung Fa. Hella, Lichtbereich (Beispiele)

Licht-Entwicklungen von Hella haben immer wieder entscheidendzum automobilen Fortschritt beigetragen.

Erster elektri-scher Schein-werfer

ErstesAbblend-licht

Asymme-trischeLicht-vertei-lung

H4-Halogen-licht

ErsterDE-Projek-tions-schein-werfer

Frei-form-reflektor

Xenon-Schein-werfer dererstenGenera-tion geht in Serie

Zulassungdes ersteneuropäi-schenHaupt-schein-werfersmit Kunst-stoffstreu-scheibe

ErsterBi-Xenon-Schein-werfergeht inSerie

Lichtleit-Techno-logie alsStyling-element

VARILIS®

Abbiege-licht und dyna-misches Kurven-licht

um 1908 1915 1957 1971 1983 1988 1992 1993 2003/0419991999 2000

LED alsSignal-funktionim Haupt-

schein-werfer

2005/06

ETFN am 30. / 31. Januar 2013 A. Herenz4

Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZProduktentwicklung Fa. Hella, Elektronikbereich (Beispiele)

1984

Erste elektronische Klimaregelung (Porsche)

1989 1995 1997 1999 2003

Erstes ASR-System für frontgetriebene Fahrzeuge

Dynamische Leuchtweite-regelung für Xenon-Scheinwerfer

Integrierter Fahrpedal-sensor (Rückmeldung, Krafthysterese, Kick-down)

Erster intelligenter Steller für Turbolader

Erster Batteriesensor, eingebaut in den Bauraum der Polklemme

Elektronik-Entwicklungen von Hella tragen entscheidend zum automobilen Fortschritt bei.

2005

Erster Spurwechsel-Assistent auf Basis 24 GHz Radar Sensorik(Audi)

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Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZAgenda

� Zeitliche Umstellung bleihaltiger auf bleifreie Lote

� Anforderungen an Lötverbindungen im KFZ-Bereich

� Hella-Produkte mit bleifreier Löttechnologie (Beispiele)

� Kritische Zustände von Lötstellen

� Analysemethoden zur Untersuchung

� Untersuchungsergebnisse an Beispielen und Diskussion

� Schlussfolgerungen

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Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZBleifrei Roadmap

Com

poen

ts

1994 2006 2007 2008 2009 2010 2011 ... 2015 2016 2017... 2035

Connectors / other

Components active

PCB´s

Components passive

ELV2003

Annex II

Pb

Ele

ctro

nics

RoHSELV2008

Annex II

23.8.08

Leadfree Changeover

COP Parts at Hella

Pb

ELV2009

Annex II

Pb

Current PCB electronics

Type approved cars from 2016 must be leadfree soldered (min. ELV 2)

PCB electronics

Non PCB electronics / Electrics

Leaded Long-term Supply until 2035 about 10%Pb

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Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZTypische Anforderungen an die Elektroniken

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**-40 to 85 / 105 / 125 /1 50 / 165°C (Zyklen / Schocks / Alterung)

**8-50h / xyz / 2Hz – 3KHz Sinus / 1G–40G + Temperatur

Lebensdauer: 3000 – 6000 hrs, 7500 Starts / Zyklen

Lebensdauer: 15 Jahre / 300.000 km

**PCT: power cycle testing

Langzeit-Feuchtetest 85 °C / 85 % r.F. und Kondensationstest 40 °C / 95 % r. F.

** Bleifrei-Validierung

Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZHella Elektronikprodukte mit bleifreiem Lötprozess (Auswahl)

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Level SensorsRotary Electronic Actuator

EM SensorCentral Modules

Throttle body assemblies Light Control Modules

Chassis Electronics

Headlamp ECU

Solid State Relays

Inductive Sensors

20 years experience, more than 40 Mio. Parts

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Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZ Kritische Zustände gilt es zu verhindern

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Wicking-Effekt: Lot wird am Bauteil-Anschluss hochgezogen

Whisker Ausbläser

Pad & fillet lifting

Rissbildung Schrumpfspalten

Delaminationen in Bauteilen PCB -Deformation

Sn-Schmelze auf Kontakte(bleiferi pin in paste)

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Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZAnalysemethoden

Umfassendes analytisches Equipment, Methoden & Untersuchungen

e.g. SEM, EDX, DSC, FTIR, Mikrohärte, Zugversuche, Ultrasonic, Röntgen, Rheometrie, Benetzungswaage, Profilometer etc.

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Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZAnalysemethoden (Favoriten)

� Anfertigung von metallografischen Schliffen (Präparation)� Lichtoptische Untersuchungen (Draufsicht+ Schliffe)� Elektronenmikroskopische Untersuchungen und Analysen� Röntgenografische Untersuchungen

11 ETFN am 30. / 31. Januar 2013 A. Herenz

Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZDendritenbildung im Wellenlötprozeß (gemeinsame Untersuchungen mit Lötanlagenhersteller)

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Nadelbildung (Dendriten) durch Fe-Auflösung und Sn/Fe-Phasenbildung im Bleifreilot (höhere Temperatur, höherer Sn-Gehalt)

� Wörthmann-Welle mit Lochmaske für eine ruhige Wellenbewegung bei einer Bleifreilötung aus („resistenten“) Material

ETFN am 30. / 31. Januar 2013 A. Herenz

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Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZIntermetallische Phasenbildung im Lotbad (gemeinsame Untersuchungen mit Lotlieferant)

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� Sn/Cu-Phasenausscheidungen am Tiegelboden (agglomerierte „Dendriten-Nadeln“), besonders bei Verwendung von SnCu-Loten beobachtet (flüssiges Lot ist „übersättigt“): kann Lotpumpe schädigen!

� Ursache: zu hoher Cu-Konzentration im Lot, Empfehlung: Lotbadkontrolle, bei Wartung überprüfen

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Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZSchliffpräparation für Pad- und Fillet Lifting (Testlötungen mit Welle)

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Wird besonders bei der Wellenlötung beobachtet. Ursachen sind: � falsche Abkühlung, Empfehlung: 2…6 K/s� zu viel Pb oder Cu durch Ablegierung im Lot, Empfehlung: Lotbadkontrolle

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Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZSchliffpräparation Sn-Vermischung mit Lot (gezielte Untersuchungen im Rahmen einer Diplomarbeit)

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Beim bleifreiem Reflowlöten handelt es sich um ein „statisches“ Lotdepot. Ist die Sn-Schicht auf den Bauteil-anschlüssen zu dick (> 25 µm*) ), kann es zu nicht gelösten Sn-Rückständen auf der Beschichtung kommen, die besonders bei galv. Schichten zu Schwachstellen in den Lötstellen führen.

*) Untersuchungen bei Hella: DA Julia Götz

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Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZSchliffpräparation Bleiseigerung in Test-Lötstellen (REM – LM)

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Bei „Mischlötungen“ kann es zur sog. Bleiseigerung kommen: (unter Verwendung von bleifreiem Lot)Bei 3…5 M.-% Pb im Lot bzw. in der Lötstelle scheidet bei der Erstarrung Pb in den Sn-Mischkristall-Korngrenzen aus.

Links: Lot aus einer Wellenlötanlage im erstarrten Zustand mit o. g. Pb-Anteil (SEM-Aufnahme: Pb hell)Rechts: Lotdepot einer Reflowlötstelle im Zusammenhang mit einer verbleiten HAL-Lp (lichtopt. Aufn.: Pb dunkel)

ETFN am 30. / 31. Januar 2013 A. Herenz

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Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZSchliffpräparation Bleiseigerung in der Test-Lötstelle (bleifreies BT/ Bleilot)

� Bleifreies Lotdepot im Bauteil in Verbindung mit einer bleihaltigen Lötung

� Blei seigert in den Korngrenzen der Sn-Kristallite

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Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZSchliffpräparation „Leeching“ im bleifreien Wellen-Nachlötprozess (Qualifikation eines Nachlötprozesses)

Bei bleifreier Wellenlötung wird mit Temperaturen bis 300 °C (Mini-Welle) gelötet. Dabei kommt es bei Mehrfachlötungen (Nachlöten) oft zum partiell vollständigem Ablösen des Cu!

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Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZSchliffpräparation Au-Schichten und deren Phasenbildung (Muster)

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� Bildung von Sn/Au-Phasen im Lotdepot der Reflow-Lötstelle: kann Lötstelle verspröden!� Ursache: zu dicke Au-Beschichtung von Lötkontakten� Empfehlung: Au-Schichtdicke < 0,5 µm

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Lot und Sn/Au-IMP

Au

Cu

Au5Sn

Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZBildung von Dendriten-Nadeln aus den Lötstellen nach Mehrfachlötungen

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� Sn/Cu-Phasenbildung in Form von Dendriten beim Reflowlöten: kann zu Kurzschlüssen führen!� Ursachen: zu langes Löten oder Mehrfachlötungen, Empfehlung: Lötparameter optimieren

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Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZSn-Whisker (Untersuchungen im Rahmen einer Diplomarbeit)

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Fotos: Tobias GötteFa. Hella KGaA (DA 2005)

Whisker bilden sich besonders auf Reinzinn-Oberflächen, meistens in Verbindung mit mechanischen Spannungen.Sie sind deshalb auf den unbenetzten verzinnten Anschlussgebieten zu erwarten. Bleifreie Lote zeigen keine Whisker.Die Abbildungen zeigen verschiedene Whiskertypen: gerade Nadelwhisker, gekrümmte Whisker, „Schachtelhalm-Whisker“ Empfehlung: Sn-Schichten entspr. ZVEI- Vorgabe

ETFN am 30. / 31. Januar 2013 A. Herenz

Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZKristallografische Kornorientierung im Lot (REM, EBSD)

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Quelle:1-3: „LiVe“, W. Scheel,

K.Wittke, M. Nowottnick,

4: Eigene Aufnahme

Symbolische Darstellung von Gefügeuntersuchungen mit EBSD an Lötstellen.Das Gefüge bildet sich beim Erstarrungsprozess aus: Schnelles Abkühlen ergibt ein feines Gefüge, langsames Abkühlen

ein gröberes Gefüge (opt. 3…6 K/s).Im Verlauf der Lebensdauer ändert sich das Gefüge entsprechend der Belastung: Kriterien sind Korngröße,

Verspannungen und Orientierung der Kristallite

ETFN am 30. / 31. Januar 2013 A. Herenz

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Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZRöntgen-Durchstrahlaufnahme und LM-Abbildung (Qualifikation Bauteil-Lieferant)

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Röntgen-Durchstrahl-Aufnahme und dazugehörige lichtoptische Aufnahme einer Lötstelle auf der Leiterplatte einer abgefallenen Induktivität (lichtoptische Aufnahme ist etwas gekippt!)

Untersuchungen an bleifreien Lötverbindungen für KFZZusammenfassung

o Im Vortrag werden die Zeitschiene der Bleifreiumstellung sowie die Zuverlässigkeitsanforderungen von KFZ-Elektroniken aufgezeigt (incl. Status Hella).

o Zur Absicherung stabiler bleifreier Lötstellen sind prozesstechnische und werkstoffanalytische Untersuchungen unabdingbar:

• Materialanpassung in den Lötanlagen für bleifreies Lot und höhere Temperaturen• Optimierung der Prozessparameter (Vorheizung, Lötzone, Abkühlung)• Analytische Voraussetzungen für Absicherung der Zuverlässigkeit von bleifreien Lötstellen:

− Metallografie, incl. Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie (SE, BSE, EdX)− Röntgenografische Analysemethoden (Röntgenfluoreszenz, Röntgen-Durchstrahlung)− Topografie (FRT)− IR-Spektroskopie

o Anhand von typischen Beispielen werden Abstell-Maßnahmen und Vorgehensweisen dazu erläutert:

• Dendritenbildung und Phasenausscheidungen im Lotbad• Pad- und Fillet Lifting, Schrumpfspalte in Lötstellen• Mischlötungen (Bauteilanschluss-Beschichtungen), Bleiseigerung• Optimierung Nachlötprozess• Löten von Goldanschlüssen• Whiskerbildung auf Rein-Zinnschichten

o Fazit: Die bleifreie Löttechnologie hat uns viele neue Fehlerbilder beschert aber alles ist beherrschbar ,

wenn Prozessgrenzen und Materialspezifikationen beachtet werden!

ETFN am 30. / 31. Januar 2013 A. Herenz24