Lotkugeln im Test

1. April 2009, 13:42 Uhr |

Seit der Verabschiedung der RoHS-Direktive haben Bauelementehersteller daran gearbeitet, ihre bleihaltigen Komponenten durch gleichwertige bleifreie Lösungen zu ersetzen. Die gesamte Mikroelektronik-Industrie hat für diese Konvertierung besondere Anstrengungen unternommen, speziell wenn hohe Ausfallsicherheit gefordert war. Dabei geht es nicht nur um die Lötverbindungen, sondern um ganz neue Gehäusevarianten.

Besonders in Anwendungen der Luft- und Raumfahrt, doch auch im Industriemarkt ist hohe Zuverlässigkeit gefragt. Die Umstellung auf bleifreie Gehäuse und Lötverbindungen hat besondere Herausforderungen mit sich gebracht, denn praktisch alle Produkte mussten neu qualifiziert werden. Eine recht umfangreiche Studie von e2v demonstriert gut, worauf dabei zu achten ist. Das Unternehmen hat seine Produktfamilie von Mikroprozessoren für sicherheitskritische Anwendungen einem Board-Level-Zuverlässigkeitstest unterzogen. Diese Produktfamilie verwendet HITCE-basierende (High Thermal Coefficient of Expansion, großer thermischer Ausdehnungskoeffizient) FC-CBGA-Gehäuse (Flip-Chip Ceramic Ball Grid Array) von Kyocera mit 1,27 mm Abstand zwischen den Lotkugeln. Es wurden drei verschiedene Konfigurationen von verbleiten und bleifreien BGAs verglichen und getestet.

Unter Board-Level-Zuverlässigkeit, auch als Zuverlässigkeit zweiter Stufe (SLR, Second Level Reliability) bekannt, versteht man die Beständigkeit von Lötverbindungen auf einer Leiterplatte, die üblicherweise in Lebensdauer beziehungsweise Haltbarkeit angegeben wird. In diesem Test wurden Lötverbindung zwischen Motherboard und Substrat untersucht. Die Zuverlässigkeit eines Boards beeinträchtigen hauptsächlich unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten (TCE) und Elastizitätsmodule der verwendeten Komponenten. Dazu gehören die Bauelemente, Substrate, das Lot selbst sowie die Materialien, an die es gelötet wird. Mit der Zeit können unterschiedliche TCEs zu Rissen und Ausfällen führen.

Ziel der Studie war es, die Widerstandsfähigkeit der »HITCE-Power Architecture«-Mikroprozessoren von e2v zu untersuchen. Dazu wurden die auf FR4-Leiterplatten oberflächenmontierten Prozessoren extrem niedrigen und hohen Temperaturen ausgesetzt, und es wurde zyklisch zwischen diesen Extremen gewechselt. Die Studie entspricht dem Standard IPC-9701 [1], einer der wichtigsten Normen [2,3] für Temperatur-Zyklustestverfahren und -bedingungen. Zu Beginn der Studie war es das Ziel, dass die Prozessoren mindestens 1000 Zyklen im Temperaturbereich zwischen -40 °C und +125 °C standhalten, und das für jede untersuchte Konfiguration.

Nach 3000 Temperaturzyklen zeigt der Vergleich zwischen externen und Querschnittsbildern der stark bleihaltigen Verbindungen (Bild 7), dass die Lötverbindung Risse entlang der gesamten Länge der Substratschnittstelle aufweist und gegenüber ihrem Pad verschoben ist. Die SEM-Inspektion zeigte, dass intermetallische Layer (IMC) dicker sind als im Ursprungszustand.