Lange unterschätztes Phänomen


Titelthema a:lot 22 - Frühling 2017

In vielen Bereichen der Elektronikindustrie wurden über Jahre hinweg keine systematischen Untersuchungen in Bezug auf ionogene Verunreinigungen durchgeführt. Erst in den vergangenen zwei bis drei Jahren wurden aufgrund von Feldausfällen im Automotivebereich umfangreiche Aktivitäten gestartet. Mit Hilfe von umfangreichen Tests konnte nachgewiesen werden, dass es notwendig ist, zulässige ionische Verunreinigungen auf Roh-Leiterplatten und Baugruppen neu zu bewerten und entsprechende Sollwerte festzuschreiben.

Vor mehr als 20 Jahren wurden aufgrund von Zuverlässigkeitsanforderungen der Kommunikationsanbieter bereits erste systematische Untersuchungen hinsichtlich ionischer Verunreinigungen an Leiterplatten und Baugruppen durchgeführt. Bei der geforderten Verfügbarkeit von Kommunikationsanlagen innerhalb eines festgelegten Klimatogramms wurden erste Vorgaben für zulässige Verunreinigungen an Baugruppen festgelegt. Hier lehnte man sich an bestehende MIL- und Telecordia-Standards an.
Für die „Amtsbaufirmen“ war das Thema so brisant, dass umfangreiche Untersuchungen durchgeführt wurden. Baugruppen wurden gereinigt und anschließend mit ionogenen Lösungen besprüht, um unterschiedliche Kontaminationen auf die Baugruppen aufzutragen und deren Auswirkung zu ergründen. Damals ging man davon aus, dass nach zehn Jahren Feldeinsatz unter den vorliegenden Einsatzbedingungen (klimatisierte Räume, Mitteleuropa) eine ionogene Kontamination von 10 bis 15 µg/cm2 NaCl-Äquivalent sich auf den Baugruppen niederschlägt.

Testergebnisse durch gezielte Verunreinigung

Um abzuklären, wie sich ionogene Verunreinigungen auf den Baugruppen auswirken, wurden Baugruppen gereinigt und anschließend gezielt mit verschiedenen ionogenen Lösungen in unterschiedlichen Stufen kontaminiert und dann auf ihre Funktion hin überprüft. Parallel hierzu wurden IPC-B-25 Testkämme, ebenfalls in unterschiedlichen Stufen, gezielt kontaminiert, um den Einfluss auf die Oberflächenwiderstandswerte bei unterschiedlichen Klimata zu ermitteln. Als Sollwert wurde der in der Telcordia GR 78 geforderte Sollwert von >2x 1010 Ohm für die IPC-B-25 Testkämme mit 0,0125 inch Leiterbahnabstand angestrebt.

Was sind ionische Verunreinigungen?

Ionogene Rückstände auf Leiterplatten (LP) und Baugruppen können die folgenden Ursachen haben:

1. Ionogene Prozessrückstände aus der Leiterplattenherstellung

- unzureichende Spülung nach Galvanikprozessen
- unzureichende Spülungen nach Aufbringen des LP-Finishes
- unzureichende Härtung des Lötstopplacks
- Handling, Verpackung, Transport
- usw.

2. Ionogene Prozessrückstände von der Baugruppenfertigung

- Flussmittelrückstände nach Lötprozesse
- Verwendung von kontaminierten Bauteilen
- Handling
- Unsaubere Verpackung
- Unsaubere Schutzlackierung
- Transport
- usw.

3. Ionogene Verunreinigungen durch Umwelteintragung

- Industriegasatmosphären
- Stäube aus der Umwelt
- usw.


Wie werden ionische Verunreinigungen gemessen?

Üblicherweise werden die ionischen Verunreinigungen entsprechend IPC-TM-650 ermittelt. In diesem Standard sind verschiedene Messmethoden dargestellt, von denen die Methode 2.3.26 am häufigsten angewendet wird.

Messprinzip

In einem Testmodul wird fortwährend eine Mischung aus deionisiertem Wasser und Isopropylalkohol um die Testmuster gepumpt. Die Lösung löst die extrahierbaren ionischen Verunreinigungen von der Oberfläche des Testmusters ab und transportiert sie zur Leitfähigkeitsmesszelle, welche circa alle zwei Sekunden die Messergebnisse speichert. Die Lösung wird dann über Mischbett–Ionentauschersäulen deionisiert. Die regenerierte Lösung wird dann wieder zu dem Testbehälter zurückgeführt, um weitere Ionen für die Messung zu extrahieren.
Der Prozess kann fortgesetzt werden, bis alle extrahierbaren Ionen von dem Testmuster entfernt worden sind. Vor dem Einlegen des Musters wird eine Leitfähigkeitsgrundlinie ermittelt, indem man die Lösung ohne Probe im Testbehälter zirkulieren lässt. Der Ionograph rechnet die elektrischen Leitfähigkeitswerte der Alkohol-Wasser-Lösung in NaCl-Äquivalenzwerte in der Einheit µg/cm² um.

Messbedingungen

Prüflösung: 75% Isopropanol, 25 % demineralisiertes Wasser
Prüfzeit: 60 Minuten, gegebenenfalls nach Kundenwunsch
Kalibrierung: NaCl-Kalibrierlösung

Auswirkungen von ionischen Verunreinigungen

Brandschaden Automotivbereich

Bei einer Baugruppe mit chemischem Sn-Finish kam es infolge von Dendritenbildung zu einem massiven Kurzschluss. Sieben von zehn Lagen des verwendeten Multilayers sind durchgeschmolzen. Nach zwei Reflowprozessen musste noch über ein drittes Lötverfahren ein Tochterboard angelötet werden. Aufgrund von Benetzungsproblemen wurde dann ein stark aktiviertes Flussmittel für den Selektivlötprozess verwendet, um den Lotdurchstieg entsprechend den Anforderungen zu realisieren. Eine Reinigung der Baugruppe nach dem Lötprozess fand nicht statt. Verbliebene lussmittelrückstände führten dann unter Feuchteeinwirkung zu dem Kurzschluss.

Dendritenwachstum aufgrund starker ionischer Verunreinigung

Flussmittelreste eines Handlötprozesses führten zu Funktionsstörungen einer Fahrzeugelektronik. Nachdem das Fehlerbild nicht permanent vorhanden war, war es schwierig den Ausfallmechanismus zu beschreiben. Erst nach einer Testlagerung in einem Feuchteklima konnte der Fehler nachgewiesen werden. Bei den Ausfallbaugruppen wurden hohe ionische Verunreinigungen nachgewiesen. Um den Ausfallmechanismus darzustellen, wurde an die zwei Lötpunkte eine Spannung von 5 Volt angelegt und der Zwischenraum mit einem Tropfen Reinstwasser beaufschlagt. Innerhalb von fünf Minuten wurde dann die Dendritenbildung erzeugt.

Migration unter Leiterzügen

Bei einem Fall von Migration zwischen Leiterzügen mit unterschiedlichem Potenzial konnte nicht eindeutig die Ursache geklärt werden. Möglicherweise führen jedoch ionische Verunreinigungen und/oder Wechselwirkungen zwischen Lötstopplack und Flussmittel zu dem vorliegenden Baugruppenausfall. Die Migrationsprodukte befinden sich unter dem Lötstopplack.

ZUSAMMENFASSUNG

Ionische Verunreinigungen auf Baugruppen sind häufig die Ursache für Funktionsstörungen und/oder Ausfällen bei Baugruppen. Demzufolge ist es unbedingt erforderlich, zulässige ionische Verunreinigungen auf Roh-LP und Baugruppen neu zu bewerten und entsprechende Sollwerte festzuschreiben. Je nach Anwendungsfall (Automotive, Luftfahrt, usw.) können die Vorgaben variieren und müssen den Anforderungen ständig angepasst werden. Die bisher im Allgemeinen geforderten und akzeptierten ionischen Verunreinigungen von < 1,0 µg/cm² NaCl-Äquivalent für Roh-Leiterplatten werden im Automotivbereich nicht mehr toleriert. In Lieferspezifikationen der Automotive-Zulieferindustrie werden ionische Verunreinigungen von < 0,4 µg/cm² NaCl-Äquivalent gefordert. Wie mittlerweile eine große Anzahl von Messungen bestätigt, werden diese Anforderungen von der Leiterplattenindustrie meist eingehalten.

Immer niedrigere Grenzwerte

Für Baugruppen im Automotive-Bereich wird zurzeit immer häufiger die Anforderung aus der IPC/EIA J-STD-001C von 1,56 µg/cm² NaCl-Äquivalent gefordert. Auch unter Mitberücksichtigung der vorliegenden Bauteiloberflächen ist diese Vorgabe nicht immer einzuhalten. Das ist besonders dann schwierig, wenn Handlötungen mit einem stark aktivierten Flussmittel durchgeführt werden. In der Luft- und Raumfahrt werden in verschiedenen Lieferspezifikationen für gereinigte Baugruppen ionische Verunreinigungen von < 0,4 µg/cm² NaCl-Äquivalent gefordert. Auch hier müssen die Anforderungen regelmäßig überprüft und entsprechend den Anwendungen gegebenenfalls korrigiert werden.

Alternative Messmethode

Neben der Messung der ionischen Verunreinigungen als Summe in µg/cm² NaCl-Äquivalent gibt es auch die Möglichkeit und teilweise auch die Anforderung die vorliegenden Anionen und Kathionen qualitativ mittels Ionenchromatographie zu bestimmen. Diese Methode wird bisher nur gelegentlich angewendet. Das Reinigen (waschen) von Baugruppen ist sicherlich eine Möglichkeit unerwünschte Prozessverunreinigungen zu beseitigen. Hier ist jedoch zu bedenken, dass dies ein zusätzlicher Prozess ist, der regelmäßig überwacht und überprüft werden muss. Je nach Anwendungsfall muss dieser zusätzliche und kostenintensive Prozess durchgeführt werden (zum Beispiel bei der Schutzlackierung von Baugruppen).


Unser Autor: Gerhard Bayer ist Sachbearbeiter Fehleranalyse bei RoodMicrotec. Das Unternehmen ist ein unabhängiges und zertifiziertes Testhaus und Prüflabor für die Opto- und Mikroelektronik. Der Service von RoodMicrotec umfasst Engineering, Test und Programmierung, Supply Chain-Service sowie Qualifikation und Fehleranalyse für Wafer und gehäuste ICs, Baugruppen und Leiterplatten sowie Aufbau- und Verbindungstechnik wie Löt-, Kleb- und Crimp-Verbindungen.