Langzeitkonservierung von Bauteilen Feldzug gegen Korrosion, Oxidation und Whisker

Baugruppen- und Geräteproduzenten fordern die dauerhafte Ersatzteilversorgung und sichere Verarbeitbarkeit der elektronischen Bauteile und Baugruppen. Um dem gerecht zu werden, analysiert

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Baugruppen- und Geräteproduzenten fordern die dauerhafte Ersatzteilversorgung und sichere Verarbeitbarkeit der elektronischen Bauteile und Baugruppen. Um dem gerecht zu werden, analysiert die HTV-GmbH in Bensheim seit langem die Alterungsprozesse von Bauteilen und deren Ursachen. Seit knapp einem Jahr bietet der Dienstleister für Test, Qualifizierung und Programmierung von Bauelementen ein spezielles Verfahren zur Langzeitkonservierung an: Thermisch-Absorptive Begasung.

Erfahrungen und Analysen beweisen, dass herkömmliche Lagerungsmethoden, wie klassische Dry-Packs oder Stickstofflagerungen, branchenspezifischen Ansprüchen zur Langzeitverfügbarkeit elektronischer Komponenten nicht umfassend genügen. Das erklärt auch die zunehmend negativen Erfahrungen zahlreicher Unternehmen, die aufgrund von „Last Buy’s“ und „Product-Changes“ langfristig Komponenten lagern und sich mühen, diese kontinuierlich und prozesssicher zu verarbeiten.

In umfangreichen Studien hat die HTV-GmbH analysiert, dass viele Mechanismen ursächlich an der internen und externen Alterung der Bauelemente beteiligt sind. Ausgehend von ihrer Analyse haben die Experten ein Verfahren entwickelt, um Bauteile über einen langen Zeitraum zu konservieren.

Neben Feuchtigkeit forcieren Schadstoffe die Oxidationsprozesse

In der Halbleiterfertigung kommen sowohl beim Verkleben und Fixieren der Dice, als auch bei der Herstellung der Gehäusemassen ein- oder zweikomponentige harzhaltige Kleber zum Einsatz. Diese Harze emittieren im Verlauf der Langzeitlagerung verschiedenste Inhalts- bzw. Schadstoffe. Selbst in einer vakuumierten Verpackung (z.B. bei Dry-Packs) forcieren diese Schadstoffe, ebenso wie Feuchte in Verbindung mit einem Rest-Sauerstoffgehalt und geringster Sauerstoffdiffusion durch Umverpackungs- und Gehäusematerialien, langfristig das externe und interne Oxidationsverhalten der Bauteile.

Hieraus resultiert in Konsequenz Schadstoffe zu absorbieren. Das für die HTV-Langzeitkonservierung definierte und auf den jeweiligen Warenzustand abgestimmte Absorptionsverfahren verhindert nachhaltig und zuverlässig das Entstehen und Fortschreiten von Oxidations- und Korrosionsprozessen.

Diffusionsvorgänge lassen sich nicht mit Stickstoff stoppen

Eine weitere und wesentlich kritischere Ursache für die Alterung sind Diffusionsvorgänge, die bei langfristigen Lagerungszeiten die Weiterverarbeitung und Zuverlässigkeit der Bauteile einschränken. Funktionell versteht man unter Diffusion allgemein einen Konzentrationsausgleich zwischen differenten Stoffen durch atomare Platzwechsel. D.h. es wandern Atome einer Oberflächenbeschichtung (z.B. Zinn) kontinuierlich in ein Trägermaterial (Kupfer, Kupfer-Eisen, …). Ein atomarer Platzwechsel erfordert das Überwinden einer sogenannten Aktivierungsenergie.

Aus diesen Zusammenhängen und Mechanismen ist ersichtlich, dass die dauerhafte Konservierung von Bauteilen und deutliche Reduzierung des intermetallischen Phasenwachstums nur in Verbindung mit einer Erhöhung von Aktivierungsenergien möglich sind. Das ist ein Kernelement des durch von HTV entwickelten Verfahrens.

Vergleichbare langfristige Prozesse finden jedoch nachweisbar auch im Innern der Bauteile statt. Betrachtet man den Aufbau, die Produktionsprozesse und Funktionalität elektronischer Komponenten, so erklärt sich, dass auch deren Zuverlässigkeit bei einer Langzeitlagerung kritisch zu bewerten ist. Durch Restsauerstoffgehalte motivierte Prozesse in Verbindung mit geringen Feuchte- und Schadstoff-Anteilen in Dry-Packs und Gehäusen bewirken langfristig nachweisbare Oxidationen von Leiterbahnen und Isolationsschichten.

Interne Diffusionsprozesse können zudem kleinste Leckströme erzeugen, welche im späteren Betrieb die Zuverlässigkeit und Lebensdauer elektronischer Bauteile reduzieren. Dies sind jedoch nur einfache Beispiele für komplexe und langfristig kritische Prozesse.

Whisker – ein brisantes Thema im Zuge von RoHS

Im Zuge der Umstellung auf bleifreie, hoch zinnhaltige Lote bekam das Thema Whisker-Bildung eine neue Bedeutung. Das beschleunigte Wachstum feinster Zinn-Nadeln erzeugt Kurzschlüsse zwischen Bauteilanschlüssen und kann zu Fehlfunktionen und Bauteilschädigungen führen. Als Ursachen für derartige selbstständige Wachstumsvorgänge haben sich mechanische Spannungen innerhalb der auf den Bauteilanschlüssen aufgebrachten Zinnschichten erwiesen.

Diese Spannungen resultieren zum einen aus Korrosions- und Oxidationsprozessen der Zinnoberflächen, den mechanischen Biege- und Formprozessen von Anschlusspins und einem intermetallischen Phasenwachstum (Diffusionsprozesse). Die höchste Geschwindigkeit dieses Whisker-Wachstums liegt in einem Temperaturbereich von 50 bis 90°C und einer Luftfeuchte von über 75%. Auch hier bietet das Konservierungsverfahren von HTV ideale Ansatzpunkte, das Whisker-Wachstum zu vermeiden.

Baugruppen- und Gerätealterung

Einen weiteren Schwerpunkt bei der Verfügbarkeits-Diskussion bilden bestückte Baugruppen und Geräte. Neben den zuvor beschriebenen Alterungsprozessen der Bauteile gelten aufgrund der gewaltigen Typenvielfalt und Kombinatorik wesentlich erweiterte Kriterien, um Produkte dauerhaft wirksam zu erhalten. Hierbei müssen zum Beispiel auftretende Datenverluste in Speicherbausteinen und die Kapazitätsverluste von Kondensatoren nachhaltig vermieden werden. Weiterhin zu betrachten sind Alterungseffekte beim Einsatz der zahlreichen passiven Bauteile sowie Alterungseffekte von Operationsverstärkern, Optokopplern, A/D-Wandlern, Relais, u.ä.

In Verbindung mit den bereits beschriebenen Mechanismen und Verfahren ist ein Grundgedanke des Lösungsansatzes von HTV, dass bestromte Komponenten wesentlich resistenter und zuverlässiger arbeiten, als nur sporadisch und selten genutzte Baugruppen und Geräte. Hier zeigt sich bereits, dass sich eine realistische, wirtschaftlich vertretbare und effektive Lösung nur in enger Zusammenarbeit mit dem Auftraggeber umsetzen lässt.

Langzeitkonservierung durch Thermisch-Absorptive-Begasung

Aufgrund der durchgeführten Studien und Analysen sowie den daraus resultierenden neuen Verfahren zur Langzeitkonservierung von elektronischen Komponenten ist HTV in der Lage, die beschriebenen Alterungsprozesse massiv zu reduzieren. Ein spezielles Thermisch-Absorptives-Begasungsverfahren

• verhindert Korrosions- und Oxidationsbildung nahezu vollständig und langfristig,
• reduziert das intermetallisches Phasenwachstum deutlich und
• minimiert nach jetzigem Stand der Erkenntnisse eindeutig die Gefahr der Whisker-Bildung während der langjährigen Konservierung.

Kern des Verfahrens ist eine zuverlässige verfahrens- und warenspezifische Kombinatorik der differenten, zur Konservierung notwendigen, Verfahren.

Langzeitverantwortung hat der Hersteller

Spricht man letztendlich von Verantwortung bezüglich Langzeitverfügbarkeit, stehen derzeit zunächst die Gerätehersteller bzw. Baugruppenproduzenten im Mittelpunkt. Diese hoffen und wünschen, dass sich Halbleiterhersteller und/oder Distributoren dieser Thematik annehmen.

Halbleiterhersteller leben jedoch zum großen Teil von der Innovation ihrer Produkte und viele Distributoren verweisen auf die bekannten Stickstoffverfahren. Die bieten allerdings nur für einen Zeitraum von 1 bis 3 Jahren eine gewisse Sicherheit. Gegenseitiges vertrauendes Abwarten ist aber sicher fehl am Platz. Letztendlich werden sich wohl Distributoren und Gerätehersteller das Los teilen müssen. Fraglich ist, ob diese sich auf die eigene Erfahrung und Technologie verlassen können oder unterstützende Ressourcen bekommen, um zeitaufwändige und teure Technologiestudien und Versuche zu betreiben.

Um universell auf die Art, Zusammensetzung und den Zustand elektronischer Bauteile und Geräte zu reagieren und die notwendigen Konservierungsparameter eindeutig festlegen zu können, erfolgt bei HTV bei der Warenanlieferung eine detaillierte und umfangreiche Warenbewertung.

Neben der Evaluierung des visuellen Warenzustandes führt man unterschiedliche komplexe Untersuchungen durch, welche gezielte Aussagen und Bewertungen bezüglich der angeführten Alterungsmechanismen und eine optimierte Abstimmung des Thermisch-Absorptiven-Begasungsverfahrens ermöglichen. Die mit dem Kunden offen kommunizierten Ergebnisse dieser Eingangsbewertung sowie die zyklische Fortführung dieser gesamten Bewertungsmethodik bieten die notwendige und langfristige Sicherheit.

Um abschließend maximalen Schutz der gesamten konservierten Ware zu ermöglichen, erfolgt die Konservierung in einer Atmosphäre, die Entstehung eines Brandes verhindert, jedoch keinen Einfluss auf Absorptions- und Konservierungsprozesse hat. Hochmoderne Sicherheitsmaßnahmen und Einrichtungen zum Schutz vor Diebstahl und Vandalismus komplettieren den Service.

Durch die Synergien beim Testen, Qualifizieren und Programmieren, flexible Logistikkonzepte und die Möglichkeit zur kompletten bilanziellen Warenübernahme bietet HTV eine umfassende Gesamtlösung. Dabei stellt die Dienstleistung zur Langzeitverfügbarkeit elektronischer Komponenten, die den erforderlichen langfristigen Qualitäts-, Ersatz- und Verarbeitungsansprüchen gerecht wird, eine Alternative zu Re-Designs und langwierigen Neu-Verifizierungen dar.

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