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In vielen Einsatzgebieten von elektronischen Baugruppen wie in der Medizintechnik, der Luft- und Raumfahrt, in militärischen Bereichen, in der Energieversorgung und im Automotiv-Sektor muss auf flussmittelhaltige Lote verzichtet werden, da diese zu Qualitätseinbußen und zusätzlichen Reinigungsprozessen führen. Das flussmittelfreie Löten zieht aber eine Reihe von Problemen mit sich. Generell ist hier ein schwieriges Verbindungsverhalten vorhanden. Beim Benetzen ist der Kontaktwinkel größer, es müssen häufiger höhere Löttemperaturen gefahren werden und es gibt keine Oxidbeseitigung durch das Lot selbst. Ein Ausweg ist hier das Vakuumlöten.

In many areas of heavy use of electronic components such as medical electronics, aerospace, military fields, in energy supply applications and in the automotive sector soldering has to be carried out using fluxless solder because fluxes would lead to losses in quality and require additional cleaning procedure. But fluxless soldering induces a number of problems of its own. Generally it shows a difficult to predict interconnect behavior. Wetting creates a larger contact angle and more often higher soldering temperatures must be used. Also there is no oxide removal by the solder itself. A way out is using vacuum soldering.

Als Lot werden vorzugsweise fertige Lote als Preform verwendet. Durch dieses Verfahren können die Schmelztemperaturen erniedrigt werden und es besteht Oxidationsfreiheit während des gesamten Prozesses. Weiterhin können Reduktionsmittel in Form von Gasen, wie Formiergas oder Ameisensäure, zur Konditionierung der Lote und der Oberflächen eingesetzt werden. Bei problematischen Materialien wie dem Nickel genügt dies häufig nicht. Ein weiteres Hindernis sind die strengen Aufheiz- und Abkühlphasen bei den Prozessprofilen. Für kritische Lötprozesse (Gehäuselötungen, Flächenlötungen für Heatsink etc.) gelten strikte Anforderungen an die Verbindungstechnik, hier stößt die reine Vakuumlöttechnik oft an ihre Grenzen.

Eine Möglichkeit bietet die Vorkonditionierung mittels einer vorgelagerten Plasmareinigung – idealerweise in einer kombinierten Plasma-Vakuumlötanlage (Abb. 1).

Moderne Leistungselektronik ist der Schlüssel zur Energieeffizienz. Vor dem Hintergrund explodierender Rohstoff- und Energiepreise und der Endlichkeit unserer fossilen Energieträger, ist unsere Gesellschaft gezwungen mit den Ressourcen unseres Planeten sorgfältiger umzugehen, als dies in der Vergangenheit der Fall war. Speziell für Länder die nur über beschränkte Quellen von Rohstoffen und fossilen Energieträgern verfügen, wird der nachhaltige Umgang mit diesen kostbaren Gütern immer wichtiger. Die Entwicklung alternativer Energieerzeugung aus regenerativen Quellen, der effiziente Umgang mit elektrischer Energie, so wie die Schaffung völlig neuer Mobilitätskonzepte sind nur mit einem hohen Anteil modernster Leistungselektronik realisierbar. Genau aus diesen Gründen erfährt die Leistungselektronik seit geraumer Zeit einen unheimlichen Aufschwung. Die Möglichkeiten die sich durch neue leistungsstarke Bauteile eröffnen, erlauben heute sehr energieeffiziente Steuerungen und Systeme. Gleichzeitig sehen sich die Entwickler, aber auch das Personal in den Elektronikfertigungen, mit derartigen Baugruppen ganz speziellen Herausforderungen ausgesetzt
Modern power electronics is the key for energy efficiency. Against the background of exploding commodity and energy prices as well as finite availability of fossil energy carriers our society is forced to deal more carefully with the natural resources of our planet than in previous times. Specifically for countries that have only limited sources of raw materials and fossil energy carriers the sustainable use of these precious goods is becoming more important than ever. The development of an alternative energy generation from renewable sources, the efficient use of electrical energy as well as the development of absolutely new mobility concepts are feasible only by deploying a high content of state-of-the-art power electronics. It is exactly for these reasons that power electronics lately is experiencing an astounding upswing. The possibilities opened up by new powerful components enable control mechanisms and systems that deliver very high energy efficiency. At the same time system designers as well as the electronics manufacturing operators are confronted here with very special challenges
Auf Baugruppen der Leistungselektronik müssen hohe Ströme gehandhabt werden, die physikalisch bedingt, größere Querschnitte der Leiterbahnen benötigen als üblich. Gleiches gilt für die Anschlussquerschnitte der Pins von Leistungsbauteilen wie Halbleiter, Drosseln, Elektrolytkondensatoren, etc.
Im Bereich der Leiterplatten sind die üblicherweise genutzten Kupferdicken von 35 bis 70 µm für die Leiterbahnen nicht mehr ausreichend. Die Leiterplatten- Technologie für die Leistungselektronik stellt heute Multilayer mit bis zu 4 x 400 µm Innenlagen und z. B. 2 x 100 µm Außenlagen zur Verfügung, bei einer Gesamtstärke von bis zu 4 bis 5 mm. Reicht die Stärke der Kupferlagen für das Handling der Ströme nicht aus, kommen sehr massive Stromschienen zum Einsatz, die dann mit den LPs verlötet werden müssen.
Ein Fehler, der nun immer wieder häufig begangen wird, ist der, dass beim Design der Leiterplatten für die massereichen Lötstellen der Leistungsbauteile dieselben Grundlagen angewendet werden wie für einfache Bauteile geringer Masse.

Teil 1: Porenbildung in bleifreien Lötverbindungen auf LDS-MID

Seit der Umstellung auf bleifreie Lote hat die Porenproblematik in Lötstellen rasant an Bedeutung gewonnen. Poren in Lötverbindungen können insbesondere in der Leistungselektronik die Zuverlässigkeit der Lötstellen negativ durch eine schlechtere Wärmeableitung oder einer spürbaren Reduktion des tragenden Querschnittes beeinflussen. Während die Porenbildung in der klassischen Leiterplattentechnik im Fokus vieler Forschungsprojekte steht, verlangt die zunehmende Anwendung der MID-Technologie (Molded Interconnect Devices) eine tiefere Betrachtung der Porenbildung und deren Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit. Anhand der hier vorgestellten Ergebnisse wird zuerst gezeigt, dass die MID-spezifischen Einflussfaktoren auf die Porenbildung in SAC305- Lotdepots keinen signifikanten Einfluss haben. Eine chem.Sn-Oberflächenbeschichtung dagegen führt zu einer stärkeren Porenbildung als NiP-Au. Die ermittelten Porenflächenanteile der SMD-Lötstellen (Surface-Mounted Devices) weisen nur auf eine geringfügig stärkere Porenbildung auf MID-Substraten im Vergleich zur Leiterplatte hin. Mit der Anwendung von drei Lötverfahren: Konvektion, Kondensation und Kondensation mit Vakuum, konnte die Porenbildung in den SAC305-Lötstellen auf den untersuchten Substrattypen deutlich verringert werden.

Since the introduction of solder-free interconnects, the impact of voids in solder-joints has rapidly gained importance. Particularly in power electronics, voids in solder joints can reduce their reliability due to less heat dissipation and a significant reduction of the load bearing cross sectional area. While void formation in the classical pcb (printed circuit board) technology has been the focus of many research projects, the increasing application of the MID (Molded Interconnect Device) technology demands a vivid understanding of void formation and its impact on the reliability. In this report, it will be shown that those processes specific to the MID technology do not significantly influence the void formation in SAC305 sol¬der joints. It will also be shown that a chemical-Sn surface finish is inclined to having more voids compared to a NiP/Au surface finish. Furthermore, the measured fractional void volume of the SMD (surface mount device)-solder joint on MID substrates shows only a slight increase in comparison to pcb substrates. Three solder processes were investigated: convection, condensation and vacuum condensation soldering. The vacuum condensation processes greatly reduced the voids in SAC305 solder joints on all investigated substrates.

1 Einführung
Molded Interconnect Devices (MID) haben in den letzten Jahren immer weiter an Bedeutung gewonnen. Durch die Integration mechanischer und elektronischer Funktionen auf einem räumlichen Schaltungsträger lassen sich Baugruppen mit hoher Funktionsdichte und erheblichem Miniaturisierungsgrad realisieren. Darüber hinaus ermöglicht die MID-Technologie die Gestaltung neuartiger Bauteilkonzepte, die in dieser Form mit konventionellen Technologien nicht realisierbar sind.

Ein Teilprojekt im Spitzencluster MicroTEC Südwest.

Immer mehr Applikationen aus verschiedensten Bereichen erreichen als Moulded Interconnect Devices (MID) Serienreife und Marktakzeptanz. Wesentliche Gründe hierfür sind die dreidimen-sionale Gestaltungsfreiheit der MID bei gleichzeitig vielfältigen Möglichkeiten der Miniaturisierung von mechatronischen Systemen. Die Herstellung von MID hat sich in den letzten Jahren ständig weiterentwickelt und bietet zunehmend auch Potenzial für die Kosteneinsparung bei der Fertigung von innovativen Produkten. Eine wesentliche Herausforderung bei der Kostenreduzierung war bislang der Übergang von der Einzelstückfertigung zu Massenfertigungsverfahren.

Ever more applications in various fields conceived as moulded interconnect devices (MID) are reaching volume production and gaining acceptance in the market. The essential reasons for this development are three-dimensional freedom in MID design and manifold ways for miniaturizing mechatronic systems. The manufacture of MIDs has continuously progressed in the last few years and now also offers a growing potential for cost reduction in the production of innovative products. Up to now the transition from single piece manufacturing to mass production was regarded a significant challenge for cost reduction.

Eine mögliche Lösung für ein Massenfertigungsverfahren wurde in dem vom BMBF geförderten Verbundprojekt ,PRONTO – Neue Produkte durch Rolle-zu-Rolle-Fertigung von MID-basierten Mikrosystemen (PRONTO R2R-MID)' erarbeitet.
Die Projektpartner A. Raymond GmbH & Co KG (Koordinator), 2E mechatronic GmbH & Co. KG, ACI-ecotec GmbH, acp – advanced clean production GmbH, Gramm Technik GmbH, Hahn-Schickard- Gesellschaft – Institut für Mikroaufbautechnik, Institut für Mikroelektronik Stuttgart, LPKF AG, Häcker Automation GmbH und Rehm Thermal Systems GmbH bildeten gemeinsam die technologische Prozesskette eines Rolle-zu-Rolle-Fertigungs-prozesses ab.
Dieser Artikel beschreibt die Lösungsansätze, die im Zusammenhang mit der Reflow-Löttechnologie in enger Zusammenarbeit mit den Projektpartnern A. Raymond und HSG IMAT erarbeitet worden sind.

In der Juni-Ausgabe der PLUS wurde die deutsche Innovationsallianz Photovoltaik vorgestellt. Ein Thema, das nicht Gegenstand der 25 Teilprojekte der Vorhaben dieser Allianz ist, betrifft die Frage nach den generell nutzbaren Flächen für neue Solaranlagen eines Landes und deren optimale Auswahl aus Sicht der Makroökonomie, des Umweltschutzes und der Ästhetik. Wie das Beispiel Japan zeigt, ist man aufgrund der geografischen und weiteren Besonderheiten des Landes gezwungen, neue und auch sehr individuelle Wege der Flächennutzung für Solarparks zu gehen. Das belegen die nachfolgenden Beispiele aus jüngster Zeit. Deutschland könnte möglicherweise davon lernen.

Zwar hat dieses Thema keinen direkten Bezug zur technischen Realisierung von Solarmodulen, aber es ist wesentlicher Bestandteil des Übergangs auf die zunehmende Nutzung erneuerbarer Energien und damit der Energiewende. Aus systemtechnischer Sicht kann man die Installation der Solaranlagen als eines der hinteren Glieder der Gesamtkette von der Produktion bis hin zur effektiven Nutzung des Solarstroms einordnen. Ohne ausreichend geeignete Standorte für die Errichtung von Solaranlagen – dabei insbesondere von Großanlagen – ist allerdings auch die beste Strategie zum verstärkten Einsatz von Solarenergie nutzlos. Dessen ist man sich gerade in Japan sehr bewusst. Denn während sich in Deutschland abzeichnet, dass neben Dächern von Wohnhäusern, Unternehmen und öffentlichen Gebäuden auch zunehmend landwirtschaftliche Nutzflächen in Form von Solarparks belegt werden, ist es in Japan anders. Das Land verfügt aufgrund seiner großenteils bergigen Struktur über vergleichsweise wenig landwirtschaftliche Nutzfläche. Man kann nicht so großzügig wie in Deutschland an die Installation neuer Solaranlagen größeren und mittleren Umfangs auf Nutzflächen herangehen. Das geht schon nicht aus Ernährungssicht. In PLUS 10/2013 wurde auf den Seiten 2237-2244 darüber berichtet.

Hohe Ziele – großer Flächenbedarf
Die Ziele Japans für die Inbetriebnahme neuer Solar¬kapazitäten waren 2013 nicht gerade klein: Während man bis Ende 2012 Solarkraftwerke auf Photovoltaik- Basis für 7000 MW installiert hatte, sollten allein 2013 noch 5300 MW hinzu kommen.

Die Zukunft soll man nicht voraussehen wollen, sondern möglich machen, formulierte Dr. Thomas Krech von Jenoptik Katasorb GmbH anlässlich des vierten ULT-Symposiums zur Umwelt-Luft-Technik Ende Mai in Löbau. Themen dieses Berichtes sind:

Die Fertigung der Produkte von morgen schon heute vorbereiten, Modellfabriken und Technologien für die Zukunft

Fortgeschrittene Mikrostrukturierung mittels Lasertechnologie

Die Kompetenzen Leistungshalbleiter und effektive 450mm-Wafertechnologie für Sachsen erhalten

Schadstoffen, die im Zuge der Technikentwicklung erst morgen entstehen könnten, Lebens- und Produktqualität bedrohen, schon jetzt Paroli bieten

Fertigung zukünftig benötigter Hightech-Produkte
Die Prozesstechnologie entwickelt sich heute nach dem Schneeball-Prinzip. Ständig entstehen neue Werkstoffe und Fertigungsverfahren. Einige Wege erweisen sich als Sackgassen, der Markt entscheidet. Bereiten wir das Umfeld für die Fertigung der Zukunft richtig vor?
Johanna Wanka, die Bundesministerin für Bildung und Forschung, hat im Mai in Chemnitz die erste E3-Forschungsfabrik eröffnet. Im Jahr 2009 startete das Fraunhofer-IWU gemeinsam mit der TU Chemnitz bereits das sächsische Spitzentechnologie- Cluster ,Energieeffiziente Produkt- und Prozessinnovationen in der Produktionstechnik' (Eniprod).

Die Bremer Erecon AG wurde Ende 2013 für das Projekt ,Energieeffizienter Umbau eines Rechenzentrums' mit dem Energy Efficiency Award 2013 (EEA) der dena ausgezeichnet. Dem IT-Beratungsunternehmen aus Bremen gelang es, den Leistungsverbrauch durch einen konsequenten Green-IT-Ansatz für die energieeffiziente Auslegung von Rechenzentren erheblich zu senken. Die Bundesregierung unterstützt mit einem neuen Förderprogramm viele betriebliche Maßnahmen zur Energieeinsparung.

Der Preis wurde der Erecon AG von der dena (Deutsche Energie-Agentur) für die beispielgebende Optimierung des eigenen Rechenzentrums verliehen [1]. Im Vergleich zu 2003 verbrauchte das hauseigene Rechenzentrum in 2012 um 67 % weniger Strom – und das bei einer Verdoppelung der Rechenleistung.
Im 400-Quadratmeter-Büroloft ist ein Rechenzentrum integriert, das die Erecon AG gemeinsam mit der IT-Beratungsfirma b.r.m. nutzt, aus der das Unternehmen hervorging (Abb. 1). Um den hohen Strombedarf einzudämmen, gestaltet Erecon seine Netz- und IT-Strukturen seit 2003 immer energieeffizienter. Beide Unternehmen heizen und kühlen ihre Räume komplett mit Hilfe der im Serverraum entstehenden Abwärme.

Schlendert man durch die Handlötabteilung, so findet der neugierige Blick, dass alle Lötstationen auf Anschlag gedreht wurden, schließlich lötet es sich mit einem heißen Lötkolben schneller und einfacher. Da diese Arbeiter oft unter Akkordbedingungen ihre Leistung erbringen, wundert das wenig.

Es macht sich Frust bemerkbar, wenn das (bleifreie) Lot mal wieder nicht richtig fließen will oder an der Lötspitze festfriert – also ‚volle Pulle'. So ein Vorgehen mag zwar schneller sein, ist aber der Qualität der so produzierten Lötstelle abträglich. Beim Handlöten sollte eine ähnliche Kontrolle des Prozesses stattfinden wie beim Reflow- oder Schwalllöten. Dazu gehört neben der Verweildauer auch die Temperatur.
Sowohl der MIL-Standard wie auch die IPC [2] fordern zumindest eine gewisse Wiederholbarkeit der Temperatur und somit eine Messung und eventuell Kalibrierung. Diese beiden Themen unterscheiden sich, fließen aber in gewisser Weise zusammen.

Er kann fast alles und ist bis jetzt die Erfindung nach dem Faustkeil, dem Rad, dem Mikroprozessor und dem Google-Suchalgorithmus, welche die Alltagskultur und Lebensweise der Menschheit tiefgreifend verändert hat. Zum Universalwerkzeug Laserstrahl gibt es (außer vielleicht Informationstechnik und Internet) kaum etwas Vergleichbares – oder es wurde noch nicht erfunden. Der Laserstrahl analysiert, bearbeitet, bestimmt, erkennt, misst, navigiert, sieht, schneidet, schreibt, strukturiert, tastet, überträgt und zerstört – erschafft aber auch Neues.