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Jul 12, 2023

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Tauchzinn ist in der Branche als hochzuverlässiges Endfinish anerkannt. Aufgrund seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit weist es insbesondere in der Automobilindustrie große Marktanteile auf. Beim Lötprozess entsteht zwischen Kupfer und Zinn eine intermetallische Verbindung (IMC). Eine nach wie vor bestehende Sorge in der Branche ist die mögliche Auswirkung des IMC auf die Lötbarkeit der endgültigen Oberfläche.

In diesem Artikel werden typische Fehlerarten beim Löten von Tauchzinn beschrieben und mit möglichen Grundursachen für die Fehler in Beziehung gesetzt.

Während der Alterung, der thermischen Belastung oder während des Reflow-Prozesses in der Baugruppe bildet sich zwischen dem Kupfersubstrat und der Zinnschicht eine intermetallische Schicht, sodass die Zinnablagerung schließlich aus IMC und freiem Zinn besteht, das von einer Sn-Oxidschicht bedeckt ist. Diese Schicht besteht aus einer Mischung aus SnO und SnO2, die als SnOx oder Sn-Oxid bezeichnet wird. Die Aufbaueigenschaften der Zinnschicht hängen von den Eigenschaften des IMC, der Sn-Oxidschicht und dem Gehalt an freiem Zinn ab, was von T. Hetschel et al. ausführlich untersucht und beschrieben wurde. im Jahr 20091-2. Aufgrund des Wachstums des IMC, das den größten Teil des freien Zinns verbraucht, verbleiben an der Oberseite der Schicht nur noch Zinninseln, die von einer dünnen Oxidschicht bedeckt sind. Die Eigenschaften der Sn-Oxidschicht, wie Homogenität und Dicke, beeinflussen die Lötbarkeit der Zinnoberfläche sowie andere Eigenschaften. Verunreinigungen in der Zinnablagerung oder Defekte in der Oxidschicht können zu schlechter Benetzbarkeit oder Verfärbungen, sogenannten Entnetzungsfehlern, führen.

IMC-Wachstum und Zinnoxidbildung während des Reflow-Prozesses Während des Montageprozesses muss die verzinnte Platte mehrere Reflow-Zyklen durchlaufen. Während des Reflow-Prozesses wächst der IMC und die Dicke der Oxidschicht, die die Zinnablagerung bedeckt, nimmt zu. Nach dem ersten Reflow-Zyklus werden typischerweise etwa 70 bis 80 % der gesamten Zinndicke durch die Bildung der intermetallischen Phase Cu6Sn5 und Cu3Sn3 verbraucht. Im zweiten Reflow-Zyklus nimmt die IMC-Dicke weiter zu, sodass nur noch einzelne Inseln aus reinem Zinn auf der Ablagerungsoberfläche verbleiben. Gleichzeitig führt der Reflow-Prozess zu einem Wachstum der Oxidschicht. Während die Reflow-Alterung unter Stickstoff nur geringe Auswirkungen hat, führt der Reflow-Prozess unter Luft zu einer deutlichen Erhöhung der Sn-Oxid-Schichtdicke. Das Zusammenspiel der IMC-Eigenschaften und der Eigenschaften der Sn-Oxid-Schicht hat erhebliche Auswirkungen auf die Lötbarkeit der Tauchzinnoberfläche.

Bei der Anordnung von Immersionszinnschichten ist die Hauptursache für Lötprobleme Verunreinigungen, die sich sowohl auf das IMC-Wachstum als auch auf die Bildung der Oxidschicht auswirken. Es kommen drei verschiedene Arten von Kontaminationen in Betracht:

Die Lötfehler, die typischerweise bei Tauchzinnoberflächen beobachtet werden können, lassen sich in die folgenden Kategorien einteilen:

Im Hinblick auf die Entnetzungs- und Selbstentnetzungsdefekte ist die Homogenität und Dicke der Sn-Oxidschicht von großer Bedeutung.

Im folgenden Abschnitt wird anhand einiger Beispiele erläutert, wie sich Verunreinigungen auf die Lötbarkeit der Zinnoberfläche auswirken.

Rückstände auf Kupfer Wenn vor dem Eintauchen der Platte in die Verzinnungslösung Rückstände aus früheren Prozessen wie dem Auftragen einer Lötstoppmaske auf der Kupferoberfläche verbleiben, kann dies die Lötbarkeit der endgültigen Oberfläche beeinträchtigen. Die Rückstände können beim Nassgalvanisieren nicht entfernt werden und verbleiben an der Kupfer/Zinn-Grenzfläche. Während des ersten Reflow-Zyklus können solche Rückstände mit dem wachsenden IMC zur Oberfläche der Zinnschicht wandern. Im zweiten Reflow-Zyklus können die Rückstände die Stabilität der Zinnoxidschicht beeinträchtigen und zu Rissen führen, sodass das flüssige Zinn eindringt und an die Schichtoberfläche gelangt. Abbildung 1 zeigt eine schematische Zeichnung, die veranschaulicht, wie sich die Rückstände während der beiden Reflow-Zyklen innerhalb der Schicht bewegen und die Oberfläche der Zinnschicht erreichen können.

Abbildung 1: Schematische Darstellung der möglichen Auswirkungen von Verunreinigungen auf Kupfer während des Reflow-Prozesses.

Kontamination auf Zinn Auch der Verzinnungsprozess selbst kann das Risiko von Verunreinigungen in der galvanisierten Schicht bergen. Dies kann entweder dadurch verursacht werden, dass Bestandteile der Lötmaske aus dem Zinnelektrolyten herausgelöst werden, die sich dann beim Verzinnungsprozess mitabscheiden, oder durch Rückstände der Zinnchemie, die nach dem Verzinnungsschritt nicht richtig abgespült werden und auf dem Zinn verbleiben die Zinnoberfläche. Eine einfache Methode zur Identifizierung organischer Verunreinigungen auf der Zinnoberfläche ist die Verwendung eines Fluoreszenzmikroskops. Dies ermöglicht die Erkennung fluoreszierender Bestandteile, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind. Untersuchungen an defekten Platten konnten eindeutig auf einen Zusammenhang zwischen den Schmelzdefektbereichen und der UV-Fluoreszenz der Rückstände hinweisen. Abbildung 2 zeigt ein beispielhaftes Bild der kontaminierten Gebiete, die durch grüne Markierungen gekennzeichnet sind.

Abbildung 2: Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme von Defektpads mit Selbstentnetzung.

Rückkondensation flüchtiger Stoffe Schließlich können flüchtige Stoffe eine dritte Quelle für Verunreinigungen sein, da sie während des Reflow-Prozesses erneut auf der Zinnschicht kondensieren. Diese können entweder aus dem Grundmaterial oder einer nicht ordnungsgemäß ausgehärteten Lötmaske verdunsten oder aus organischen Rückständen stammen, die sich im Laufe der Zeit im Reflow-Ofen ansammeln. Wenn die Lötmaske nicht ordnungsgemäß ausgehärtet ist, besteht ein hohes Risiko, dass während des Reflow-Prozesses flüchtige Stoffe freigesetzt werden. Eine Gegenmaßnahme zur Reduzierung der Verdunstung organischer Bestandteile ist die Anwendung einer UV-Beulenbehandlung vor dem Tauchverzinnungsprozess. Es wurde ein Vergleichstest mit einer teilweise ausgehärteten Lötstoppmaske mit unterschiedlichen Reflow-Bedingungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die UV-Behandlung und die Sauerstoffatmosphäre im Reflow-Ofen zu einem deutlich verbesserten Erscheinungsbild der Tauchzinnoberfläche führten.

Abbildung 3 zeigt das Aussehen der Immersionszinnoberfläche nach dem zweiten Reflow-Zyklus. Ein deutlicher Unterschied lässt sich bei der Variation der Reflow-Atmosphäre beobachten. Bei den in Luftatmosphäre behandelten Proben wird ein weißes und homogenes Aussehen beobachtet, während die unter Stickstoff verarbeiteten Proben gelblich erscheinen. Luftatmosphäre führt zu einem stärkeren Anstieg der Oxidschichtdicke. Dies sorgt für eine homogene Oxidschicht und verhindert das Eindringen von flüssigem Zinn durch die Oxidschicht.

Abbildung 3: Aussehen der Zinnschicht nach dem zweiten Reflow-Zyklus mit unterschiedlichen Reflow-Bedingungen.

Darüber hinaus trägt die UV-Behandlung des Panels vor dem Verzinnungsprozess dazu bei, sein Aussehen zu verbessern. Die Platten, die nicht UV-behandelt wurden, weisen beide ein ungleichmäßiges Aussehen und Verfärbungen auf. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass organische Verunreinigungen, die aus der Lötmaske verdampfen, zu lokalen Defekten auf der Zinnoberfläche führen können. Die UV-behandelten Platten weisen ein sehr gleichmäßiges und homogenes Erscheinungsbild auf und weisen keine Hinweise auf lokale Mängel auf.

Zusammenfassung

Die Lötfehler, die im zweiten Reflow-Schritt auf Tauchzinnoberflächen auftreten können, sind in den meisten Fällen auf Kontaminationsprobleme zurückzuführen. Dabei kann es sich entweder um Rückstände auf dem Kupfer, mitabgelagerte Verunreinigungen im Zinndepot oder um Kondensate oder Rückstände auf der Zinnoberfläche handeln.

Da die Bildung der IMC- und Oxidschicht während des Montageprozesses auch die Löteigenschaften der Immersionszinnschicht beeinflusst, wirken sich Verunreinigungen, die das IMC-Wachstum und die Bildung der Oxidschicht beeinflussen, auch auf die Lötleistung aus. Um eine gute Lötbarkeit der Zinnschicht zu gewährleisten, sollten alle möglichen Kontaminationsquellen auf ein Minimum reduziert werden, indem Folgendes sichergestellt wird:

Eine zusätzliche Verstärkung der Oxidschicht kann dazu beitragen, die Prozessrobustheit zu erhöhen. Es stehen Optionen für Nachbehandlungsschritte zur Verfügung, um das Erscheinungsbild nach dem Reflow deutlich zu verbessern, wie beispielhafte Oberflächenbilder zeigen.

Abbildung 4: Aussehen der Zinnschicht nach dem Reflow mit und ohne Nachbehandlung.

Verweise

Britta Schafsteller ist Global Product Manager of Selective Finishing bei Atotech.