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Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen IIS, Erlangen, und Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssysteme der Universität Erlangen-Nürnberg FAPS belegen ca. die Hälfte der Gebäudefläche

Die Einweihung der Forschungsfabrik Nürnberg am 25. Oktober 2002 im Nürnberger Nordostpark wurde vom Investor IVG, von den Vertretern der Bayerischen Staatsregierung und der fränkischen Metropole sowie den Leitern der wissenschaftlichen Institute ISS und FAPS als ein Meilenstein in der Entwicklung Nürnbergs zu einem High Tech Standort der Informations- und Kommunikationsindustrie (luK) gefeiert. Rund 25 Mio. € Fördermittel fließen in die Forschungsfabrik, davon allein 18,4 Mio. € aus der High- Tech-Offensive der Bayerischen Staatsregierung.

Die Oberflächengüte nach dem Verpressen von Innen- und Außenlagen ist eine Schlüsseleigenschaft für Quali- tät und Ausbeute bei der Produktion hochkomplexer Leiterplatten. Besonders bei Multilayern mit hoher Packungsdichte und Feinstleiterstrukturen, HDI-Schaltungen mit Laserbohrungen, Starrflex-Schaltungen oder anderen hochpreisigen und technisch schwierigen Lei- terplatten, die in Europa heute mehr als 50?% Produk- tionsanteil ausmachen.

Die Notwendigkeit einer zerstörungsfreien Untersuchung von elektrischen Bauteilen oder Baugruppen bedingt oftmals eine Inspektion mittels Röntgen-Technologie. Hierbei können verdeckte Strukturen bis in die unterste Konstruktionsebene sichtbar gemacht werden. Dies dient so im Rahmen von Bauteilfehleranalyse der Ermittlung und genauen Lokalisierung von Fehlerquellen.

Der Trend zur Bauteilminiaturisierung bereitet Entwicklern wie EMS-Dienstleistern Kopfzerbrechen. Der Einsatz von Teilen mit kaum noch sichtbarer Größe – etwa 01005 -Bauform – blieb in der Baugruppenfertigung hinter den Erwartungen zurück. Nun hat ein EMS-Unternehmen Erfolg mit solchen Miniaturbauteilen in der Serienfertigung – dank neuer spezieller Bestückungsautomaten. Seit dem Frühjahr 2021 hat die deutsche Lacroix Electronics GmbH, ein Werk des größten französischen EMS-Dienstleisters, einen Weg gefunden, Baugruppen mit derartigen Bauteilen in höheren Stückzahlen prozesssicher zu fertigen. Laut Peter Sommer, Vertriebsleiter bei Lacroix, gehe der Trend dahin, „vermehrt kompaktere Baugruppen aufzunehmen“.

Glaslote sind spezielle Gläser mit einer niedrigen Erweichungstemperatur, die für das Fügen von Gläsern, Keramiken oder Metallen eingesetzt werden. Beim Packaging von Sensoren sind Glaslote von Bedeutung, insbesondere wenn eine hohe Gasdichtheit und Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen Einflüssen erforderlich sind. Dieser Aufsatz beschreibt experimentelle Untersuchungen zur quantitativen Bestimmung der Gasdichtheit derartiger Glaslotverbindungen. Die untersuchten Gläser weisen sehr geringe Leckraten auf und sind daher für den Einsatz in Drucksensoren hervorragend geeignet.

Im Heft 5, S. 703 wurde die Strategie des bekannten japanischen, weltweit agierenden Relaisherstellers Omron zur Ablösung von Blei in seinen Bauelementen vorgestellt. Omron reagierte damit wie auch andere asiatische Bauelementelieferanten auf das Umschwenken der japanischen Geräte- und Systemhersteller auf bleifreie Lösungen. Im vorliegenden Beitrag wird die Vorstellung der Vorhaben namhafter japanischer Unternehmen in der Bleiablösung fortgeführt. Gegenstand der Betrachtungen ist dieses mal Sony, der Hersteller von Unterhaltungselektronik.

In zehntausenden Unternehmen wird teuer angeschaffte Hardware wegen defekter oder schwer erhältlicher Komponenten wie Prozessoren und Steckkarten zu früh verschrottet. Dieser Verschwendung hat das Unternehmen K&L electronics aus Weidenberg den Kampf angesagt. Es besorgt weltweit Ersatzteile und ,Exoten'.

Bei Hochleistungs-LED und Power-Elementen hat die schnelle Abfuhr der Verlustwärme entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer der Halbleiter. Wichtigster Einflussfaktor für eine effiziente Kühlung sind die Substrate, die als IMS (Insulated Metal Substrates) oder auch Metallkern-Leiterplatten bezeichnet werden.

Trotz oder gerade Einsteins wegen haben die Physiker nach wie vor Schwierigkeiten mit der Zeit. Vor allem aus dem All oder aus einem der nicht billigen Beschleuniger kommen immer wieder Daten an, die irgendwie nicht leicht mit der Theorie zwischen Licht und Zeit in Einklang zu bringen sind. Auch zu den Problemen, die Psychologen mit großem Aufwand studieren, gehört individuell empfundene Zeit. Warum sollte es Lötern da anders gehen? Letztere haben es neben dem Prozess und den Vorbereitungen dazu auch mit der fertigen Lötstelle zu tun, die – sollte sie in irgendeiner Form belastet werden – mit Bestimmtheit nach einer gewissen Zeit bricht und somit ausfällt. Die Zeit ist hier ein offensichtlicher Faktor – sowohl was die Struktur der Lötstelle betrifft als auch die Belastung. Das hat stets verwundert und zu Spekulationen gereizt.

Die Oberflächenmontage elektronischer Bauelemente und das lötfreie Einpressen von Steckverbindern gehören zu den Baugruppen-Fertigungsverfahren mit wirtschaftlichen Vorteilen gegenüber der konventionelle Montage bedrahteter Bauteile. Es gilt jedoch bei der Kombination beider Technologien aufgrund ihrer sehr verschiedenen Anforderungen an die Leiterplatte wichtige Punkte zu beachten. Die auftretenden Probleme und einige Lösungsvorschläge sind Thema dieses Beitrags. //
Surface mounting of electronic components and a solderless pressing-in of plug connectors are among a group ofelectronic assembly finishing processes with economic advantages over the classical processes using wired components. Both types of process are important and have often to be used in combination because of the very different requirements they make on the printed circuit board. Some problems which can arise and suggestions for overcoming these,form the basis ofthis contribution.

Die FED-Regionalgruppe Darmstadt hat am 1. Juli 2003 in der Fachhochschule Aschaffenburg eine Vortragssitzung über die Einpresstechnik veranstaltet, um über diese Alternative zum Löten sowie deren Vor- aussetzungen und Möglichkeiten zu informieren.

Einpresstechnik

Grundsätzlich beruht die Einpresstechnik auf einem einfachen Prinzip: ein Kontaktstift (Messer- oder Federkontakt) hat einen größeren Querschnitt als ein Loch (z.B. Leiterplatte) im Gegenstück und wird mit Kraft in die- ses eingepresst.

Heute verwendet man überwiegend flexible Einpress- zonen, bei denen die gesamte Verformung am Kontakt- stift aufgenommen wird. So werden die beim Einpres- sen auftretenden Kräfte möglichst klein gehalten und trotzdem wird eine gasdichte, elektrisch sicher leitende und mechanisch stark belastbare Verbindung erzeugt.

Die Einpresstechnik mit flexiblen Einpresszonen in Leiterplatten hat sich im letzten Jahrzehnt auch in der Automobilelektronik etabliert. Vorteile der Einpresstechnik liegen insbesondere in der sehr einfachen Prozessführung, dem Wegfall von Temperaturprozessen und der Eignung sowohl für die Miniaturisierung als auch für Hochstromanwendungen. Sie wird in zunehmendem Maß in allen Anbauorten eingesetzt und unterliegt daher den unterschiedlichsten Umweltanforderungen. Dabei hat sich die Einpresstechnik als besonders robuste Verbindungstechnologie sowohl zum Kundenstecker als auch zu elektrischen Komponenten erwiesen. Im europäischen Raum wurde für die Leiterplatten bisher vor allem die chemisch Zinn Oberfläche eingesetzt. Parallel dazu findet im asiatischen Markt die kostengünstigere Cu/OSP-Oberfläche breite Anwendung. Um dieses Kostenpotenzial für Baugruppen mit Einpresstechnik zu erschließen, muss diese für die Cu/OSP-Oberfläche qualifiziert werden.

Elektronik wird zunehmend in Automobilen angewandt – in Car Entertainment-, Kontroll-, Sicherheits- und Leistungselektronik. Im Laufe der Jahre wird die Elektronik ständig näher am Motor des Automobils eingesetzt. Auf diese Weise sind die Kontakte zunehmend den Schwingungen und Temperaturschwankungen ausgesetzt. Weil Einpresskontakte (Einpresstechnik oder Press-Fit-Technologie) in dieser rauen Umgebung sehr gut standhalten, werden sie zunehmend angewendet.

Die Einpresstechnik ist bis heute eine eher selten eingesetzte Nischentechnologie der Baugruppenfertigung. Dass es Applikationen auch im Automotive-Bereich gibt, bei denen die Einpresstechnik ein geeigneter „Problemlöser" darstellt, beweist eine Baugruppe, die in großer Stückzahl im Elektronikwerk Düsseldorf des Schließsystemeherstellers Kiekert AG gefertigt wird. Auf einer eigens für diesen Produktionszweck entwickelten Produktionslinie werden in einer kleinen SMD-bestückten Baugruppe beidseitig jeweils vier Einzelstifte mit einer elastischen Einpresszone vollautomatisch gesetzt und vermessen. Projektleiter Günter Nissing erläuterte in einem Gespräch die geplanten Verfahrensziele, die notwendigen Prozessschritte sowie die Module und Leistungsfähigkeit der realisierten Produktionslinie.

Die geplante EU-Richtlinie zum Verwendungsverbot von Blei in Elektronikprodukten beherrscht die aktuellen Fachdiskussionen und ist der Motor zur Entwicklung bleifreier Fügeverfahren. Während für die Oberflächenmontagetechnik brauchbare Lösungsansätze bereits vorliegen, ist für das THT- Schwalllöten bislang nichts dergleichen verfügbar. Hier bietet sich nun die löt- und bleifreie Einpresstechnik als einfache und bewährte Ersatztechnologie an.//
The planned EU Guidelines prohibiting the use of lead in electronics production, dominate current technical debate and are the driver for development of lead-free manufacturing processes. Whereas, in the case of SMT, viable alternative assembly methods are available, the same cannot be said, at present, for wave-soldering of THT. To meet this requirement, Press-In technology, which is lead- and solder-free, should be considered as a straightforward andproven alternative.

Wenn THT, SMT und THR nicht den Anforderungen des Einsatzbereiches genügen, kann die Einpresstechnik die Lösung sein. Und zwar dann, wenn z. B. eine starke Vibrationsfestigkeit, hohe Leistung bzw. eine extreme technische Belastungssicherheit gefordert ist. Das gilt in unterschiedlicher Weise zunehmend in den Bereichen Automotive, Bahntechnik, Luft- und Raumfahrt und E-Mobilität. Ein aktuelles Kundenprojekt stellte jetzt die Kraus Hardware GmbH vor außergewöhnliche Herausforderungen: ein zweiteiliger Hochstromanschluss sollte per Einpresstechnik mit der Leiterplatte verbunden werden. Dazu war die Mechanik so aufzubauen, dass die hohen Bauteile (bis 65 mm) nicht beschädigt werden. Da Kraus-HW seit Jahren mit seinem ganzheitlichen Inhouse-Ansatz die Möglichkeiten der Einpresstechnik anbietet, konnte die Aufgabe unverzüglich bearbeitet werden. So wurde im hauseigenen Vorrichtungsbau ein maßgeschneiderter Gegenhalter und Stempel konstruiert und gefertigt, um den weit überdurchschnittlichen Höhenunterschied zur Leiterplatte auszugleichen.

6. Fachpodium bei der BuS Elektronik GmbH & Co. KG

Bei der Frage, ob Leiterplatten in Europa oder in China gekauft werden sollen, wird oft nur ein Preis- vergleich angestellt. Die nicht unerheblichen Mehrkosten, die der Kauf in China verursacht, werden dabei vergessen. Diese werden hier an einem typischen Beispiel aufgezeigt und vorgerechnet. Langjährige Erfahrungen zeigen, dass der Einkauf in China durchschnittlich nicht mehr als 5 bis 10 % Ersparnis bringt. Diese wiegt aber nicht in allen Fällen die damit verbundenen Nachteile auf.

Einleitung

Vorweg sei gesagt, dass man überall auf der Welt gute und wettbewerbsfähige Hersteller findet. Es gibt auch kein Patentrezept für jeden Bedarfsfall, denn unterschiedliche Firmengröße, Produktionsprogramm oder geforderter Service müssen mit unterschiedlichen Konzepten beantwortet werden. Letztlich geht es darum, für den Kunden den bestmöglichen Wert und seine Zufriedenheit zu errei- chen. Das schließt alle Kosten ein und es kann durchaus der Fall sein, dass manche der Kostenelemente einen höheren Stellenwert haben können als der Preis, der nur eines der Elemente ist. Leider wird aber meist nur nach dem niedrigsten Preis eingekauft, weil viel zu oft „Kosten“ und „Preis“ als gleichbedeutend angesehen werden, doch gibt es zwischen beiden Begriffen wesentliche Unterschiede. Alle anderen, oft sehr versteckten Kosten werden weder erfasst, ausgewertet oder auch nur zur Kenntnis genommen. Aber dadurch wird das ursprüngliche Ziel in sein Gegenteil verkehrt und vielfach wird wesentlich teurer eingekauft als nötig.

Das FED-Forum ist bereits vielen Fachleuten als elektronisches Diskussionsforum des Fachverbandes Elektronik-Design e. V. bekannt. An ihm können alle Interessierten teilnehmen. Die Themen dort reichen von der Bauelementebeschaffung über Designfragen bis hin zur Fertigung von Baugruppen. Nachfolgend werden zwei Antworten von Teilnehmern zu einer Frage zum Thema „Blendentabellen “ veröffentlicht, die im Mai im FED-Forum gestellt wurde. Die Antwort dürfte sowohl für viele Designer als auch Leiterplattenhersteller interessant sein.

Die Europäische Kommission hat Ende Dezember einen Universalstandard für Handy-Ladegeräte bestätigt.

Bei der Veranstaltung für eingebettete Systeme ,Assises de l'Embarqué' gewann der Lacroix-electronics- Partner BodyCap die französische Auszeichnung für eingebettete Systeme in der Gesundheitspflege, mit seiner Kapsel ,e-celsius'. Diese dient zur Dauermessung der Körperinnentemperatur bei chirurgischen Eingriffen und postoperativen Kontrollen. Sechs Unternehmen wurden für ihre Produkte im Bereich der eingebetteten Systeme ausgezeichnet, die eine maßgebliche und außerordentlich innovative Software-Komponente aufweisen. BodyCap wurde in der Kategorie der Gesundheitspflege für sein eigebettetes System ausgezeichnet. BodyCap ist ein Unternehmen mit einem 15-köpfigen Team und mit Sitz bei Caen, in der französischen Normandie. Dieses Start-up-Unternehmen vertreibt innovative medizinische Systeme zur Messung physiologischer Parameter beim Menschen bzw. Tier.

Fortschreitende Miniaturisierung, größere Leistungsdichten und höhere Datenraten bzw. Schaltfrequenzen stellen auch an die Leiterplattenkonstruktion neue, wachsende Anforderungen. Zur Lösung insbesondere der Wärme-Abführproblematik hat der österreichische Leiterplattenhersteller AT&S das Konzept von in den Träger eingebetteten und eingesetzten, passiven und autonomen Heat Pipes entwickelt. Erste praktische Versuche versprechen eine zukunftsträchtige Lösung für Hochleistungsanwendungen. Es werden aber noch Testpartner gesucht.

Die electronica gilt seit mehr als 50 Jahren als Weltleitmesse und wichtiger internationaler Branchentreff im Zweijahres-Turnus für Komponenten, Systeme und Anwendungen der Elektronik. Im Jahr 2014 nahmen 73189 Besucher und 2725 Aussteller teil. Ähnliche, wenn nicht bessere Zahlen werden auch für dieses Jahr erwartet.

Die electronica 2016 vom 8. bis 11. November belegt nun 13 Hallen des Münchner Messegeländes und bietet auch ein erweitertes fachliches Rahmenprogramm. Projektleiterin Angela Marten erklärt: „Wir tragen den Anforderungen der Branche nicht nur mit einer weiteren Halle Rechnung, sondern auch mit neuen Elementen wie dem Embedded Platforms Village und der Start-up Plattform.“ Mit der Start-up Plattform schafft die Messe ein Forum, das die Innovationskraft von Start-ups mit der interessierten Industrie zusammenbringen soll.

Die neue Technologie des Einbettens von Bauteilen in Leiterplatten erfordert eine intensive Kommunikation zwischen den Bauteillieferanten, den Leiterplattenentflechtern, den Basismaterial- und Bauteillieferanten, den Leiterplattenherstellern und den Bestückern. Ein Workshop des EIPC Anfang Oktober diesen Jahres widmete sich der Verlagerung der Bauteilplatzierung von der herkömmlichen Bestückung zum Einbetten von Bauteilen in Leiterplatten. In sehr interessanten und anschaulichen Vorträgen und umfangreichen Diskussionen beschäftigten sich die Teilnehmer umfassend mit den neuen Problemen. Gastgeber der Veranstaltung war der bekannte Baugruppen- und Systemdienstleister BuS Elektronik GmbH & Co. KG in Riesa, der den Teilnehmern auch Einblicke in seine moderne Fertigung und Logistik gewährte.

Die Technik der einbettbaren Bauelemente – der so genannten embedded components – wurde nach ersten Versuchen vor ungefähr 10 Jahren wieder eingestellt. Inzwischen sind kleinere Bauelemente in größerer Zahl verfügbar und die Notwendigkeit zum besseren Wärmemanagement wächst. Derzeit wird deshalb verstärkt an den notwendigen Bearbeitungsverfahren zur Umsetzung der Technik gearbeitet. Dabei geht heute die Weiterentwicklung besonders von zahlreichen kleinen und mittleren Unternehmen aus.// 

The technology broadly described as “embedded components” has evolved after initial research some 10 years ago. Since then, an increasing range of components have become available in much smal- ler formats. This, in turn, has led to a demand for improved thermal management and there are currently considerable efforts underway to achieve this, and thus enable conversion to embedded component assembly. Such efforts presently are under way in countless small and medium sized companies.

1 Einführung

In den sozialökonomischen Prioritäten eines Staa- tes sollte die Entwicklung von forschungsintensiven Industriezweigen mit hohem Mehrwert Vor- rang besitzen. Für die marktführenden Staaten ist momentan die Nanotechnologie zweifellos eine solche Richtung [1, 2]. Ziel des vorliegenden Artikels ist ein kurz gefasstes, systematisches Herangehen an die Nanosystemindustrie, als eine vorrangige Richtung der Entwicklung der Wissenschaft und Technik und als ein Faktor, der die Bedeutung der Hochtechnologien in der Wirtschaft eines Staates erhöht. Dieser Faktor regte die Lösung einer aktuellen Aufgabe Russlands mit hoher sozialer Bedeutung an: Erhaltung von Humankapital – als ein Gen-, Kultur- und Technologieerbeträger.

Das britische Unternehmen Polar Instruments ist Dienstleister für die Elektronikindustrie im Sektor Design & Test impedanzkontrollierter Leiterplatten. Die neue Applikationsschrift?AP8164 „An Introduction to Forward and Reverse Crosstalk" informiert über das Phänomen des Übersprechens und seine Berechnung.

ERP-System in der Leiterplattenfertigung

Enterprise Resource Planning (ERP) ist ein heute gängiger Begriff für eine Software, die unternehmensweit als Steuerungselement und als Backbone des Informationsflusses eingesetzt wird. Zunächst waren meist Auftragsbearbeitung, Fakturierung und Buchhaltung der Ausgangspunkt für solche Lösungen. Nach der Integration weiterer Bereiche wie beispielsweise Vertrieb, Produktion, Materialwirtschaft, Personalwesen und Qualitätsmanagement wurde dann der englische Begriff ERP für solche Gesamt- pakete herangezogen, was doch auch mehr Eindruck auf potentielle Kunden machte.

Am 3. März 2004 veranstaltete die Technische Akademie Wuppertal e. V. in Ihrem Weiterbildungszentrum in Wuppertal-Elberfeld erstmals einen Lehrgang zur Einführung bleifreier Elektronikbaugruppen

Dipl.-Phys. Gustl Keller, gktec-Büro für Techno-logie- & Qualitäts-Management, Lichtenstein, der den Lehrgang leitete, informierte einleitend über Bleifreie Elektronikbaugruppen – Gründe und Trends, wobei er vor allem die gesetzlichen Forderungen, d. h. die beiden EU-Richtlinien WEEE und RoHS sowie das geplante entsprechende deutsche Elektro- und Elektronikgerätegesetz erläuterte. Ein weiterer Schwerpunkt war die Marktsituation und das Vorgehen bzw. die Roadmaps führender Elektronikgerätehersteller. Dank ihrer umfassenden und auch umweltorientierten Langfriststrategie haben die japanischen Hersteller bei der Umstellung auf die Bleifrei-Technik einen mehrjährigen Vorsprung. Weit fortgeschritten ist inzwischen auch die Umstellung bei den Bauteilherstellern, so dass nun fast alles bleifrei und das meiste auch Bleifrei-Technik tauglich verfügbar ist und nach und nach in dieser Form zu den Anwendern gelangt. Da viele deutsche Geräte- und Baugruppenhersteller weder konkrete Umstellungspläne noch entsprechende Aktivitäten haben, ist damit zu rechnen, das einige auch bis zum Stoffverbotstermin am 01.07.2006 nicht alle Umstellungsaufgaben abgeschlossen haben werden, so dass sich ein ähnliches Chaos wie beim Dosenpfand abzeichnet.

Am 10. Dezember 2001 veranstaltete die Technische Akademie Esslingen (TAE), Ostfildern, erstmals einen Lehrgang zur Einführung bleifreier Elektronikbaugruppen. Die Problematik wurde umfassend dargelegt, denn von den Eigenschaften der bleifreien Lote über die Anforderungen an die Komponenten bis hin zu den Qualitätskriterien wurden alle Aspekte erörtert. Zudem wurde über Erfahrungen von Pilotanwendern informiert.

Im nachfolgenden Beitrag der Martin GmbH, Wessling, werden die Unterschiede zwischen der Infrarot- und der Heißgastechnologie für die Oberheizung im Reworkprozess aufgezeigt.

Die Miniaturisierung der Mikroelektronik schreitet rasant voran. Dies bedingt bereits heute den Ein- satz von Bauelementen mit Rastermaßen kleiner 400 µm. Auch der steigende Einsatz von 0201-Bauformen verlangt feinste Strukturen im Lotpastendruck. Gleichzeitig drängt die Umstellung auf bleifreie Lotlegierungen und Substratoberflächen. In diesem Artikel werden die Einflüsse von Legierung, Druckparameter, Druckgeometrien sowie Löt- stopplack und Metallisierung hinsichtlich Robustheit und übertragenem Lotpastenvolumens aufgezeigt und gegenübergestellt. // 

The miniaturisation trend in microelectronics con- tinues unabated. As a result, components in use today have a grid-size less than 400 ?m. Another factor is the increasing use of 0201-type assembly formats, which calls for the use of the very finest detail patterning in solder screenprinting. Over and above these trends comes the demand that lead- free solder alloys and solderable surfaces be used. The article explores the effects of solder alloy composition, printing parameters and print geometries, as well as solder mask materials and metallisation procedures, in terms of the robustness and the amount of solder-paste carried over. Options and interactions are discussed.

Zur Stabilisierung von Chemisch Nickel-Bädern werden in der Regel Blei und organische Schwefelverbindungen eingesetzt, die teilweise mit in die Nickelschicht eingebaut werden und die Ursache für Black Pads sein können. Moderne japanische Elektrolyte für feinste Strukturen arbeiten mit niedrigerem Gehalt an anorganischen und organischen Stabilisatoren, weisen aber auch eine geringere Abscheidungsgeschwindigkeit auf. Ihr Einsatz wird durch die erforderliche Neuqualifizierung der End- oberfläche erschwert. // 

Electroless nickel baths are frequently stabilised with lead ions and organo-sulphur compounds, and both species can be incorporated into the deposi- ted coating. As such, they can be the cause of black pad formation. Modern Japanese bath formulations for high-definition structures are based on lower concentrations of organic and inorganic stabilisers but also produce a lower deposition rate. Their use is made more difficult because of modern qualifi- cation requirements for outer surfaces.

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.

In der Elektronikfertigung ist beim Wellen- beziehungsweise Selektivlötprozess auf Grund der steigenden Metallpreisentwicklung ein verstärkter Trend zur Substitution von hoch silberhaltigen SAC305- und SAC387-Loten zu niedrig silberlegierten bis hin zu silberfreien Loten zu verzeichnen.

RoHS – diese Richtlinie der Europäischen Union beschränkt seit dem Jahr 2006 die Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in der Herstellung von Elektronik- und Elektrogeräten. Zu Gunsten des Umweltschutzes wird deshalb auf das Löten mit Blei verzichtet. Aber welche bleifreie Legierung kann den hohen thermischen Anforderungen der Lötprozesse in der lackdrahtverarbeitenden Industrie (z. B. Relais- und Trafoherstellung) entsprechen? Die gängigen, lötbaren Kupferlackdrähte nach IEC 60317 sind die Typen der Klassen 155 und 180. Die Lackierungen unterscheiden sich hauptsächlich in ihrer thermischen Stabilität und der erforderlichen Mindestverzinnungstemperaturen. Feinste Drahtquerschnitte ab 0,01 mm und Löttemperaturen von über 450 °C stellen den Anwender von bleifreien Loten vor größte Herausforderungen. Bei konventionellen Loten steigt mit zunehmender Temperatur auch die Ablegierungsrate von Kupfer. Dieses Problem kann durch Nickeldotierungen (30-60 ppm) des Lotes bedingt gelöst werden. Bei sehr hohen Lottemperaturen nimmt der positive Effekt des Nickels jedoch deutlich ab. Im Zuge der Entwicklung von verlässlicheren Legierungen fu?r bleifreie industrielle Lötverbindungen hat die Felder GmbH nun eine umfassende Untersuchung durchgeführt. Gegenstand dieser ist die Wirkung von Nickeldotierungen auf die Ablegierungseigenschaften von Kupfer in schmelzflüssigen Sn-Ag-Cu-Ni-Ge-Legierungen. Einzelheiten über die Versuchsmethode und das Ergebnis finden Sie in der folgenden Beschreibung. In Zusammenarbeit mit den Partnern der FELDER GMBH wurde der Einfluss von Ni-Dotierungen auf die Ablegierung von Kupfer in schmelzflüssigen Sn-Ag-Cu-Ni-Ge-Legierungen detailliert untersucht.

Im Rahmen der hier vorgestellten Untersuchungen wurde der Einfluss von Kupfer in ionischer und metallischer Form auf die Beschichtung von Leiterplatten in Nickel-Gold-Prozessen untersucht. Die Beschichtung von Kupfersubstraten auf Leiterplattenmaterial mit dem Schichtsystem Nickel(P)/ Gold ist ein bereits seit Jahrzehnten erfolgreich eingesetztes Verfahren. Die Schichten werden dabei chemisch, d.?h. stromlos abgeschieden, wobei die Abscheidung im Nickelprozess durch eine reduktive Abscheidung und im Goldprozess durch eine Immersionsabscheidung erfolgt. Die abgeschiedene Nickelschicht dient dabei als Diffusionsbarriere zwischen dem Kupfersubstrat und dem später aufgebrachten Lot, welches die Bauteile mit der Leiterplatte verbindet. // 

In the framework of the investigations presented here the impact of ionic and metallic copper on the coating of printed circuit boards in nickel-gold processes was examined. The coating of copper substrates on PCB material by means of the nickel(P)/gold layer system is a process, which has been utilized successfully for decades. The layers are deposited chemically, i.e. electroless, whereby in the nickel process the deposition is carried out by reduction, and in the gold process by immersion. The deposited nickel layer serves as a diffusion barrier between copper substrate and solder, which is applied later to connect the components with the PCB.

Jeder elektrische Leiter hat eine Kapazität, eine Induktivität und einen frequenzabhängigen ohmschen Widerstand. Mit steigenden Frequenzen können diese elektrischen Eigenschaften nicht mehr vernachlässigt werden, da sie anfangen das Signal sichtbar zu beeinflussen. Eine Leiterbahn ist dann nicht mehr einfach eine ideale Verbindung, sondern sie wird quasi zu einem elektrischen Bauteil das beschrieben/modelliert und berücksichtigt werden muss. Diese parasitären Eigenschaften erzeugen zusätzlich eine Verzögerung der Signale und durch die Impedanz dieser Leitung kommt es zu Veränderungen in der Form des Signals und somit zu einem anderen Schaltverhalten.

Bleifreie und bleihaltige Baugruppen wurden ge- fertigt und optischen, radioskopischen und elek- trischen Tests unterzogen. Die Ergebnisse und die Zuverlässigkeit der Tests wurden bezüglich systematischer Unterschiede zwischen bleifreiem und bleihaltigem Lot analysiert. In Teil 1 wird über die Untersuchungen und in Teil 2 über die Ergebnisse berichtet.// 

Electronic assemblies, both lead-free and con- taining lead are tested, after production using optical, radioscopic and electrical methods. Test results, and the reliability of the test methods have been analysed with emphasis on systematic diffe- rences between lead-free and lead-containing assemblies. Part 1 describes the study and Part 2 details its findings.

Bleifreie und bleihaltige Baugruppen wurden ge- fertigt und optischen, radioskopischen und elek- trischen Tests unterzogen. Die Ergebnisse und die Zuverlässigkeit der Tests wurden bezüglich systematischer Unterschiede zwischen bleifreiem und bleihaltigem Lot analysiert. In Teil 1 wird über die Untersuchungen und in Teil 2 über die Ergebnisse berichtet.// 

Electronic assemblies, both lead-free and con- taining lead are tested, after production using optical, radioscopic and electrical methods. Test results, and the reliability of the test methods have been analysed with emphasis on systematic diffe- rences between lead-free and lead-containing assemblies. Part 1 describes the study and Part 2 details its findings.

Einleitung

Alle Komponenten zur Herstellung elektronischer Baugruppen sind bisher – basierend auf jahrzehntelangen Erfahrungen – auf die bleihaltigen Lötprozesse abgestimmt, seien es Leiterplatten, Bauelement(anschlüss)e oder die für die Prozesse notwendigen Hilfsstoffe. Auch die Prüfmethoden wie Automatische Optische Inspektion (AOI) oder Röntgeninspektion (X-Ray) haben ihre Auswerte- algorithmen auf bleihaltige Lötstellen über Jahre hinweg optimiert.

Der Ausdehnungskoeffizient oder Wärmeausdehnungskoeffizient ist ein Kennwert, der das Verhalten eines Stoffes bezüglich Veränderungen seiner Abmessungen bei Temperaturveränderungen beschreibt – deswegen oft auch thermischer Ausdehnungskoeffizient genannt. Der hierfür verantwortliche Effekt hat einen großen Einfluss auf die Temperaturwechselfestigkeit von Transformatoren und Modulen. Die Temperaturwechselfestigkeit ist abhängig von der verwendeten Chemie, der Glasübergangstemperatur und der Geometrie des Bauteils. Der Vortrag erörtert die wichtigsten Punkte, die vor dem Vergießen zu beachten sind, um optimale Temperaturfestigkeit zu erzielen.

The coefficient of thermal expansion is a parameter which describes the dimensional changes of material as a function of temperature change.  Such dimensional changes have a significant influence on the performance of transformers and other modules when exposed to thermal cycling. The resilience of such components depends largely on the materials used, their glass transition temperatures and component geometry. Discussed here are the most important  factors to be noted, prior to  potting, to ensure the best possible resilience to temperature changes.

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.

Thermische Interface-Materialien (TIM) sind wärmeleitende Werkstoffe, die man bei der Montage von verlustleistungsbehafteten Bauteilen wie etwa Mikroprozessoren verwendet, um den Wärmeübergang vom Bauteil zum Kühlkörper zu verbessern. Neben der wichtigen Eigenschaft der hohen Wärmeleitfähigkeit haben sie auch verbindungstechnische Aufgaben zu erfüllen. Dieser Beitrag berichtet über eine Studie von Kohlenstoff-Nanoröhrchen-gefüllten polymeren TIMs. Zur Charakterisierung des in unserem Labor angewandtem Herstellprozesses wurden fünf Faktoren spezifiziert: Mischungsverhältnis von Füllstoff und Harz, Mischmethode, Dispergiermethode, Mischzeit und Harztype. Mit Hilfe einer geeigneten Versuchsplanung und einer Ergebnis-Varianzanalyse wurde der Einfluss der Herstellparameter an Hand der resultierenden Wärmeleitfähigkeit bewertet. 

Zunehmende Übertragungsgeschwindigkeiten digitaler Signale erfordern, dass die Impedanz der Leiterzüge bei der Konstruktion eines Multilayers berücksichtigt werden muss. Die Impedanz wird u.a. von der Flankenneigung der Leiterzüge beeinflusst. ln dem Artikel wirdder Einfluss für den Fall einer symmetrischen und asymmetrischen Stripline sowie verkoppelter Leitungen untersucht. Zur Berechnung der Impedanzen wurden Fieldsolver der Firmen Polar, Zuken und Avant! verwendet.// High Speed Digital Siganl transmission required the impedance of tracks has to be considered defining a multilayer construction. The impedance is determined, among other factors, by the angle ofthe track wall. This effect is examinedfor the cases of both symmetrical and asymmetric strip- lines as well as for coupled tracks. Impedances can be calculated using computer programs such as Field.solver, availablefrom manufactures Polar, Zuken and Avant!.

Durch die Miniaturisierung der Baugruppen wird immer stärker die Forderung nach kleineren Pulverklassen in den Lotpasten gestellt. Heutige Standards mit Typ 3 und 4 können gerade für Fine-Pitch-Bauelemente nicht mehr verwendet werden. Kleinere Pulvergrößen führen jedoch zu teilweise völlig veränderten Eigenschaften hinsichtlich der Oxidation des Pulvers und der Oberflächenspannung der Lot- paste. Ein umfangreiches Untersuchungsprogramm der Oberflächenspannung des Lotes zu den Benetzungseigenschaften von Lotpasten, z.B. Ausbrei- tungsfläche auf verschiedenen Oberflächen, Benetzungskraftmessungen in Abhängigkeit der Lötprofilkurve oder auch die Nassklebkraft, mit unterschiedlichen Pulvergrößen und auch hinsichtlich des Alterungszustandes des Pulvers – gleichzusetzen mit einer höheren Oxidation – wurden kombiniert mit Prüfungen an Testboards. Hier wurden vor allem auch die Porenneigung kleinerer und gealterter Pulver sowie die mechanischen Eigenschaften der Lötverbindungen analysiert. Auch hierfür wurden begleitende Untersuchungen realisiert. Der vorgestellte Beitrag gibt einen Überblick über die durchgeführten Untersuchungen und zeigt den Einfluss der Lotpulverqualität hinsichtlich Korngröße und Alterung auf die mögliche Zuverlässigkeit der Lötverbindungen. // 

The miniaturization of electronic devices requires solder powder with smaller diameter. Today‘s standard powder – type 3 or 4 – are difficult to apply for fine pitch components. Concerning the application and also reliability, smaller powder types can lead to changing characteristics, for example regarding oxidation or surface tension of powder . Therefore about 15 solder pastes were investigated with respect to solder spreading on different surfaces, wetting behaviour depending on the soldering profile and atmosphere, tackiness and viscosity. Special test boards were used to test mechanical strength and influence of powder type on void formation. The article will give an overview of some results of nearly identical solder pastes, only differing in powder type and aging state of the powder, with respect to the application and reliability of these solder pastes and resulting joints.

Am 06. Dezember 2012 hat der Fachverbund BFE Blei-Freie Elektronik e.V. bei der W. C. Heraeus GmbH, Hanau, sein 15. Spezialseminar veranstaltet. Ziel dieses Seminars war, die Wirkung von Legierungselementen auf die Eigenschaften von Elektronikloten auf Sn-Basis aufzuzeigen. Den insgesamt 33 Teilnehmern wurden von den Experten neben Basisinformationen die neuesten Erkenntnisse vermittelt.

Das Wedge/Wedge-Drahtbondverfahren kommt nach wie vor in der industriellen Fertigung mikroelektronischer Baugruppen – auch insbesondere in Mitteleuropa – häufig zum Einsatz, und zwar unter anderem wegen seiner hohen Flexibilität und Automatisierbarkeit und ferner, weil die Drahtbonds sehr geringe geometrische Abmessungen und eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die Ultraschallenergie unterstützt im Übergangsbereich von Draht und Substrat eine Volumendiffusion der Fügepartner. Dabei entsteht eine stoffschlüssige, mechanisch stabile und elektrisch gut leitfähige Verbindung. Speziell das AlSi1-Wedge/Wedge-Dünndrahtbonden als eine klassische Bondvariante für Chip-on-Board-Anwendungen wird bei Raumtemperatur realisiert und zeichnet sich auch durch vergleichsweise geringe Materialkosten gegenüber anderen Bondverfahren aus. Mit einer Vielzahl einstellbarer Parameter werden qualitätsgerechte Verbindungen sowie die Loop-Geometrie und die Deformation der Wedges optimiert. Die Loop-Geometrie und die Deformation nehmen jedoch Einfluss auf die Lebensdauer einer Drahtbondverbindung. Das Ziel der diesem Fachartikel zugrunde liegenden Bachelor-Arbeit war es, mit Hilfe von FEM-Simulationsmodellen für verschiedene 25µm-AlSi1-Wedge/Wedge-Dünndrahtbondgeo­metrien signifikante Einflüsse der Deformation (DEF) und der Loop-Höhe (LH) auf die plastischen Dehnungen im Bonddraht bei mechanischer Wechselbeanspruchung herauszuarbeiten.

Effect of Wire-bond Geometry on Plastic Deformation in the Heel Region of ALSi1-Standard Wire-bonds.The wedge/wedge wire-bonding process continues to be widely used in the manufacture of microelectronic components, especially in Central Europe. Among the reasons for this, are included its high degree of flexibility and ease of automation as well as the fact that these wire-bonds have very small geometric dimensions and good electrical conductivity. At the interface between wire and the substrate, ultrasonic energy serves to enhance volume diffusion within the joining material. The result is a more homogenous, mechanically stable joint with good electrical conductivity. In particular, the ALSi1 wedge/wedge wire bond, a classical form of this type of joint for Chip-on-Board applications can be formed at room temperature at very much lower material cost than with other types of bonding process. Using numerous variable parameters, joints of satisfactory quality as well as loop geometry and wedge deformation, can be optimised. Loop geometry and deformation exert an influence on the life of the wire bonded joint. The aim of this technical article based on a university degree project, was to calculate, using an FEM simulation model for various 25 µm AISI wedge/wedge thin wire bonding geometries, significant effects on deformation (DEF) and the loop height (LH) on the plastic deformation of the bond wire under various interactive conditions.

 Abgeschirmte Anoden besitzen eine vor der Anode angeordnete Gitterstruktur, die die Aktivschicht auf der Anode abschirmt. Dadurch reduzieren sich bei der Galvanisierung sowohl Additivverbrauch als auch Abbauprodukte sowie – bei vertikaler Anordnung – der Bläschenschleier. // 

Shielded anodes posses a grid structure in front of the anode, because of which the active surface of the anode is screened. During plating, this results in reduced rates of additive consumption, decompo- sition products, and – with a vertical arrangement – the bubble haze.

Einleitung

An unlöslichen Anoden finden Oxidationsprozesse statt; es werden zum Beispiel Sauerstoff und Chlor entwickelt, Metallionen in eine höhere Wertigkeits- stufe gebracht und organische Elektrolytinhalts- stoffe oxidiert. Bei der galvanischen Abscheidung von Metallen ist die Oxidation organischer Bestandteile des Elektrolyten, die als Glanzbildner, Kornverfeinerer etc. die kathodische Schicht positiv beeinflussen sollen, unerwünscht. Die organischen Additive können im oxidierten Zustand diese Eigenschaft verlieren und die entstandenen Abbauprodukte die Schichtqualität vermindern sowie die Abscheidungsparameter negativ beeinflussen (zum Beispiel die Streufähigkeit). Der hohe Additivverbrauch bei der Durchkontak- tierung von Leiterplatten, der vor allem bei der Betriebsweise mit Stromumkehrpuls auftritt, gab Anlass, nach Abhilfe zu suchen. Folgender Weg wurde gewählt: Wird den Additiven der Weg zur Anode erschwert, muss sich die Additivoxidation vermindern lassen. Viele Additive sind positiv gela- den und kommen nur durch Elektrolytrührung zur Anode. Mit einer Gitterstruktur vor der Anoden- oberfläche wird die Wirkung der Elektrolytrührung vor der Anodenschicht vermindert. Es wird eine mechanische Barriere für den Austausch des Elektrolyten gebildet. Wird als Material für die Gitterstruktur ein beständiges, inaktives Metall gewählt, das keine Anodenreaktion zulässt, wenn es leitend mit der Anode verbunden ist, werden positiv geladene Ionen vor Erreichen der aktiven Anodenoberfläche abgebremst und abgelenkt. Es entsteht zusätzlich eine Potentialbarriere.

Webench LED Architect nennt National Semiconductor sein Tool das nicht nur das Design von Beleuchtungs-Lösungen vereinfachen und beschleunigen, sondern in Minutenschnelle komplette Systeme mit bis zu 100.000 Lumen hervorbringen soll. Das Softwaretool Webench von National Semiconductor hat mit dem LED-Architect eine Erweiterung erfahren: Als erstes Werkzeug seiner Art soll es Entwickler mit unterschiedlichem Erfahrungshintergrund – vom Anfänger bis zum Experten – in die Lage versetzen, in Echtzeit Vergleiche anzustellen und komplexe Beleuchtungssysteme binnen Minuten auf Performance, Platzaufwand und Kosten hin zu optimieren.