Vorhin flog mir die März-Ausgabe von Design&Elektronik über den Schreibtisch. Unter anderem war da ein längerer Artikel über die Zuverlässigkeit von ROHS-BGAs im vergleich zu verbleiten. Dabei wurden Zyklen von -40°C nach +120°C in 40 Minuten ein paar tausend mal durchgefahren.
Hier ein Kurz-Link zur Online-Version des Artikels:
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Ergebnis: Zu der Zeit, wo die ersten 10% der Zinn-Silber-Kugeln Kontaktproblemne bekamen, waren bereits 90% der Blei-Verbindungen kaputt. Und dan gab es noch eine Alternative mit zinnbschichteten Plastik-Kugeln, die gut doppelt so lange wie die Blei-Variante hielt.
Anscheinend ist bleifrei nicht grundsätzlich weniger zuverlässig als verbleit.
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Kai-Martin Knaak tel: +49-511-762-2895
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Ohne den Artikel gelesen zu haben: Diesen Test verstehe ich ehrlich gesagt nicht ganz. Soweit ich weiss hat niemand jemals bestritten, dass bleifreies Lot mindestens genauso gute Kontakteigenschaften hat wie verbleites (korrekten Prozess vorausgesetzt, Handloeten kan problematisch sein).
Der Hauptkritikpunkt waren bzw. sind die sogenannten Tin-whisker und die enststehen nicht aufgrund von Temperaturschwankungen. Tin-whisker lassen sich zuverlaessig vermeiden wenn Pads usw. vernickelt sind, aber das ist natuerlich teuer und insbesondere Hersteller von Jubelelektronik sind damit nicht besonders gluecklich.
Ansonsten ist es bei diesem Thema recht amuesant in den d.s.e- und s.e.d-Archiven bis zu dem Zeitpunkt vor die Einfuehrung von RoHS zurueckzublaettern. Da wurde der elektronische Weltuntergang aufgrund von tin-whiskern und der hoeheren Prozesstemperatur vorhergesagt. Soviel zur Weisheit von Newsgroups :-) Das soll nicht heissen, dass tin-whisker kein Problem seien - es scheint jedoch beherrschbar zu sein.
Nichts entgangen: / Ziel der Studie war es, die Widerstandsfähigkeit der »HITCE- / Power Architecture«-Mikroprozessoren von e2v zu untersuchen. ( e2v ist der derzeitige Name von Marconi ) Es ist Hersteller-Studie wo eine Firma ihre Kunden beruhigen will. Wobei für mil/space wohl ohnehin Blei erlaubt wäre. Es ist keine Anwender-Studie. Die werden leider selten gemacht und noch seltener publiziert.
Bleifreie Legierungen sind steifer/härter. Da liegt es nahe, mehr Probleme mit Rissen und Ermüdungsbrüchen zu vermuten.
Es ging in der Studie nicht direkt um den Kontakt zwischen Pad und Lot, sondern, ob im Lot durch die Belastung beim Heizen und Kühlen Risse entstehen und dadurch kein guter Kontakt mehr gegeben ist. Offenbar geschieht das bei allen Varianten einigermaßen naturgesetzlich nach ein paar tausend Zyklen. Schon das war mir nicht bekannt.
Bisher habe ich noch keinen einzigen tin-whisker unter der Lupe bekommen. Die INterdnetbilder von NASA und NIST sind mir bekannt. Gibt es Bedingungen, unter denen man solche Metallnadeln provozieren kann, ohne Jahrzehnte zu warten?
Irgendwie sah das auch so aus, dass die verbleite Verbindung von Anfang an nicht so dolle war. Ich habe einiges an Flip-Chip Bonding in Designs hinter mir, aber sowas auch hinterher in der QC nie gesehen.
Die BGA-Fehler die ich gesehen habe passierten nach mechanischem Stress, i.d.R. Biegekraefte auf die Leiterplatte (Flexing). Dem konnte manchmal mit Verstaerkungsrahmen begegnet werden, was allerdings ein neues Layout oder Gehaeuseaenderungen bedeutete.
Sieht nicht so aus:
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Zitat "In the absence of a fundamental growth mechanism for tin whiskers, there are no verified acceleration factors with which to accelerate the phenomenon for testing purposes. The International Electronics Manufacturing Initiative (iNemi), an industry-led consortium, has proposed a test to promote and accelerate whisker growth, but even this test?s validity remains unproven. For now, to verify the effectiveness of any strategy on a component?s 25-year life, researchers will have to wait 25 years."
:-(
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Gruesse, Joerg
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Ich kenne das aus Schaltnetzteilen mit thermmisch stark belasteten Bereichen.
Wir hatten in der Firma welche an 28-poligen DIL-ICs unklaren Alters, irgendwelche längst abgekündigten Dinger...die haben zuverlässig nebeneinanderliegende Beinchen kurzgeschlossen. Evtl. reines Zinn zur Verzinnung verwendet?
-ras
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Ralph A. Schmid
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Bin derzeit an einer Geschichte fuer "da oben" dran. Dabei duerfte ich m.W. gar nicht bleifrei verwenden, kaeme aber eh nie auf die Idee. Wo immer zulaessig bleibe ich bei klassischen Lot.
Frage an die Bleifrei-Experten: Bei diesem Projekt hatte der Musterbestuecker ein MSOP mit zu loetendem Kuehl-Pad unten drunter verdreht. Die haben das dann sauberst abgeloetet und 180 gedreht wieder draufgepackt. Es sieht auf allen Platinen so aus als waere nie was gewesen. Geht das mit bleifrei auch?
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Gruesse, Joerg
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Gegenfrage: Was lässt Dich vermuten, dass es nicht ginge? Die paar Grad höhere Schmelztemperatur lassen das Trägermaterial nicht verschmoren. Und die Flussmittelrückstände muss man in beiden Fällen mit Lösungsmitteln beseitigen.
Z.B. die hoehere Temperatur und damit thermische Belastung des Chips beim Ausloeten. Denn man muss ja auch das ganze flaechig verteilte Lot unter dem Chip zum schmelzen bringen. Ich hatte letztens das Vergnuegen eine Diode mit Pads in DPAK Groesse von einer RoHS Platine runter zu loeten und das war ein ziemlicher Akt.
Deshalb meine Frage, weil es m.W. eher ein paar zig Grad sind ;-)
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Gruesse, Joerg
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Laut meiner Literatur bilden sich thin-whisker nur bei rein Zinn. Das Problem ist wohl weg, wenn ausreichend irgend was anderes zulegiert wird.
Sehr schnelle Temperaturwechsel sind ein Problem......langsame ein anderes. Sicher hast Du bei schnellen Temperaturwechseln rein betragsm=E4=DFig die st=E4rkeren Verspannungen......aber manche Materialien reagieren eben auch Duktil. Und dann ver=E4ndert sich was =FCber die Zeit, auch wenn die mechanische Verspannung viel geringer ist.
Ausserdem l=E4ufst Du in dem Zyklus schon recht weit nach oben rauf. Bei
+120 Grad k=F6nnte ich mir vorstellen, das sich Materialinterne Spannungen schon wieder gut ausgleichen k=F6nnen (=C4hnlich beim Anlassen von Stahl. Vieleicht weiss ja Ansgar mehr dazu.) Umgekehrt kann dieses "Ausgleichen" aber zu einer Umgruppierung von Material in der zinnlegierung selber f=FChren.....dazu weiter unten.
Meiner Erinnerung nach (die aber irgendwann vom Ende der 80er Jahre stammt, und m=F6glicherweise auch verblichen und verzerrt ist) ist eins der Hauptprobleme ein Phasen=FCbergang im Zinn, der Mit einer erheblichen Volumenver=E4nderung verbunden ist, und bei Reinzinn irgendwo im Bereich von Zimmertemperaturen liegt..... Legieren verhindert das Auftreten dieses Phasen=FCbergangs (aber nur teilweise, und es k=F6nnen auch neue entstehen) bzw. verschiebt die Temperatur, wo das passiert. Diese Phasen=FCberg=E4nge k=F6nnen teilweise nur stattfinden, wenn sich Material innerhalb der Legierung umverteilt. Das ist aber ein sehr langsamer Vorgang, den Du bei einem Test mit schnellen Temperaturwechseln nicht erwischst.
Ein weiterer Nachteil ist aber auch der deutlich problematischere Proze=DF, sowohl bei der Handverl=F6tung, als auch in der Automation. Die Anforderungen an die Genauigkeit der Proze=DFf=FChrung sind z.B. deutlich gr=F6=DFer. Ich kenne einige kleinere Firmen, die den Mehraufwand als Anlass gesehen haben, das Handtuch zu werfen. Wenn noch genug Reserven da sind, kein Problem, aber wenn Ich eh schon am Limit tanze, dann ist das der Punkt wo ich die Unterlassensalternative w=E4hle.
Einer beherrschte virtuos die Technik, mit zwei verschiedenen Bleiloten mit unterschiedlichen Schmelzpunkten zu arbeiten. (In diesem Rahmen hat er =FCbrigens schon in den 80ern mit Bleifrei experimentiert). Bietet die M=F6glichkeit, eine Platine mit h=F6herschmelzendem Lot vorzubest=FCcken und zu verl=F6ten, und dann in einem zweiten SchrittTeile mit niedrigerschmelzendem Lot zu Best=FCcken. Hat Vorteile, wenn Du SMD zweiseitig machst, wenn Du Mischbest=FCckung SMD/Thruhole hast, oder wenn Du bestimmte Teile (K=FClk=F6rper, Stecker) mit festerem Lot als normale Bauteile verl=F6ten willst. Und Betriebliche, weil du Dir u.U. halbbest=FCckte Platinen in gr=F6=DFerer St=FCckzahl herstellen kannst, und dann f=FCr eine diversifikation je nach Bestellung nachbest=FCcken kannst. Das heisst nicht, das es Bleifrei grunds=E4tzlich nicht geht, aber Dein m=F6glicher Spielraum wird eben viel kleiner und oft zu klein.
Du findest immer nur Kompromisse, und bleihaltig ist bis auf die Bleiproblematik selber eigentlich der angenehmste Kompromiss.
Im =DCbrigen ist die Robustheit des bleihaltigen Pro=DFesses eben auch ein Sicherheitsaspekt. Du hast von Vorneherein weniger Chancen, was falschzumachen......und das hat Auswirkungen bis ins Detail, auch Betriebliche. Wenn Du eine h=F6here Chance siehst, in Regress genommen zu werden, willst du mehr Geld f=FCr die Versicherung......das setzt eine Preisspirale in Gang, die wiederum die Todesspirale der Leistungsgesellschaft antreibt.
Das noch nicht so lange Erfahrungen mit Bleifrei bestehen, das mit den bekannten Bleifreilegierungen nicht so weite Temperaturbereiche abgedeckt werden k=F6nnen bzw. das auf den besseren bekannten Legierungen Monopole mit Patenten hocken sind noch wichtige Aspekte.
Die Whiskers sind eher als Kuriosum bei Verwendung von Reinzinn anzusehen und werden vorgeschoben, weil man z.B. ungerne Sagt, das man sich nicht zutraut, bestimmte Prozesse sicher hinzubekommen. Weil dann kommt irgend ein Gro=DFmaul ohne Detailkenntnisse und sagt, es geht ja doch und Du bist nur zu doof oder zu faul.
Mit freundlichem Gru=DF: Bernd Wiebus alias dl1eic
Das wäre ein weiterer Grund, warum bei uns noch keine whiskers gesichtet wurden. Trotz des 100 im Namen ist SN100C natürlich nicht wirklich reines Zinn.
Das Teil hat den Prozess beim Einlöten ja auch überstanden. Ok, ist jetzt ein- oder ein paarmal mehr, jenachdem wie geschickt Du es schaffstm das Teil zu erwärmen. Ich denke, das die Mechanik dabei eher zum Problem wird.
Beim Reflow passiert das schön verteilt und bei BGA z.B. durch das IC bzw. von der anderen Seite durch die Platine hindurch......
Ich hatte letztens das Vergnuegen
Bei mir hat sich bei DPack die verwendung zweier unterschiedlicher Lötkolben bewärt, wenn die Diode weiterverwendet werden soll. Ein dicker für die Kühlfläche (gut zusätzlich Verzinnen für guten Wärmeübergang!), Und ein feinerer für die Anschlüsse. Es wird zweihändig gelötet. Ich sollte mal das Essen mit Stäbchen trainieren. Dann ginge das vieleicht auch mit einer Hand. :-) Im Interesse des überlebens der Platine ist es aber oft Sinnvoll, den Dpak zu opfern. Beine mit einem flachen Seitenschneider abknipsen, mit Dickem Lötkolben die Kühlfläche erwärmen und den Körper abheben. Danach die Beinchen einzeln.
Das Problem ist weniger die Temperatur, sondern die Zeitdauer und die mechanische Einwirkung.
Beim Einlöten machst Du das entweder im Reflow Ofen. Dann wird alles schön gleichmäßig (im Idealfall, hoffentlich) warm, das Lot erreicht Schmelztemperatur, das Bauteil wird dann von der Oberflächenspannung des Lotes und der Padgeometrie "zentriert" (darum sind dabei unbedingt die Lötstoppmasken wichtig!). Das ganze dauert wenige Sekunden. Beim Handlöten legst Du das Bauteil auf, lötest mit einem feinen Lötkolben ein Bain an, wärend Du das Bauteil mit der Pinzette zentrierst. Dann das nächste Bein.....zum Schluss mit dem dicken Lötkolben die Kühlfläche verlöten. Zentrieren musst Du nichr mehr, das hast Du vorher erledigt und Du soltest nicht so viel Zeit brauchen, das die Beine so heiss werden, das dort das Lot wieder flüssig wird. Wenn ich nicht so gut drauf bin, Löte ich übrigens besser zuerst die Kühlfläche, und dann die Beine, aber das hängt an der individuellen Biologie.....
Beim Auslöten tritt ein mechanisches Problem auf. Im Ofen wird alles schön gleichmäßig warm, aber Du kommst nicht ran, um das Bauteil abzuheben. Wenn doch, sind rundrum alle anderen Bauteile auch lose, und Du must höllisch aufpassen, das Du nicht durch Anstossen was anderes verschiebst. Wenn Du z.B. in einem Brötchenaufbackofen lötest, kann das Öffnen der Klappe als Erschütterung langen. Und Du must trozdem schnell sein.....ruckzuck ist alles abgekühlt. Die kleinen Beinchen kühlen oft schneller aus als die grosse Kühlfläche. Hebst Du jetzt das Bauteil ab, hängt möglicherweise alles nur noch an einem Bein. Das ist zwar so kalt, daß das Lötzinn fest ist, aber noch warm genug, das die Verbindung Pad zu Platinengrundmaterial weich ist.....Du hebst das Pad mit ab....zusammen mit einem Stück Leiterbahn. Gleiches gilt für das Heißluftgebläse. Hier kann zusätzlich der Luftstrom was wegblasen. Wenn Du die Platine nicht wagerecht eingespannt hast, zieht die Schwerkraft größere Bauteile beiseite.
Beim Handentlöten ist das Problem, alles gleichzeitig zu erwärmen, noch eklatanter. Ist nicht alles gleichmäßig warm, ergibt sich das oben beschriebene Problem mit dem festhängenden Pad. Ausserdem muss man u.U. eine höhere Temperatur einsetzten, weil ja z.B. die Kühlfläche ja nur Punktuell erwärmt wird, und die Wärmeleitung sonst nicht ausreicht oder zu unaktzeptierbaren langen Erwärmungsdauern fürt.....aber das kann eben auch zur Überhitzung führen.
Es gibt auch Vorrichtungen, um z.B. einen heissen Luftstrom mit Metallschürzen nur auf ein einzelnes Bauteil einwirken zu lassen. In der Vorrichtung befindet sich dann eine Zange oder hitzebeständige Saugpipette, um das Bauteil abzuheben. Ist alles Sauteuer, und habe ich in kleineren Firmen noch nie gesehen.
Ist ein typischer Einsatzfall für eine solche Vorrichtung. :-)
Für kleinere 2 polige Bauteile gibt es Auslötpinzetten. Mann kann auch mit zwei Lötkolben arbeiten. Ich habe alte verbrannte Lötspitzen mit der Säge von der Spitze her eingeschnitten und Schwalbenschwanzförmig aufgebogen. Funktioniert auch ganz brauchbar.
Für die Pinzetten gibt es auch Aufsätze, um mehrpolige Bauteile wie SOT oder SOIC oder PLCC abzulöten. Für SOT und bis SOIC8 geht das sehr gut. Darüber wird es langsam aber sicher schwerer.....
Meine persönliche Erfahrung mit SMD Halbleitern ist, das diese thermisch erstaunlich robust sind. Ganz im Gegensatz zu zu nicht Halbleiterbauteilen wie SMD Relais oder Ansteuerübertragern......hier sorgen die inneren Metallteile für sehr ungleiches Erwärmungsverhalten, und die Gehäuse sind ruckzuck angeweicht.
Mein Fazit: Bleifrei geht meist, ist aber trozdem Mist. Ausgelötete ICs gehen erstaunlich selten beim Auslöten thermisch kaputt. Die Wahrscheinlichkeit, das Du die Platine beschädigst ist größer. Und auch das Du die IC Beine verbiegst und beim neueinlöten dadurch Probleme bekommst.
Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic
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Selbsterkenntnis ist der erste Schritt zur Depression.
Jeder echte Wettbewerb ist ruinös. Darum beruht jede funktionierende
Wirtschaft auf Schiebung.
hier hat der Best=FCcker zwei LFCSP (0.5mm) Steinchen mit exposed pad vertauscht. Reparatur der 5 Prototypen war kein Problem. Afaik kommen die Dinger nochmal komplett in den Ofen. Aber nicht mal die Gummif=FC=DFchen, die wir den Platinen spendiert hatten waren angebrannt ;-)
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