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FB-07-3114 V1.1
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Lagerfähigkeit und Alterungsmechanismen von elektronischen Bauteilen und Komponenten
© HTV GmbH / Dipl.-Ing. Thomas Kuhn Lagerfähigkeit und Alterungsmechanismen von elektronischen Bauteilen und Komponenten 2
Komponenten
Dipl.-Ing. Thomas Kuhn
23.03.2017, 14:15 - 15:00 Uhr
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Inhalt
• Kurzvorstellung HTV
• Obsoleszenz & Abkündigungssituation
• Alterungsprozesse & Risikofaktoren
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• Alterungsprozesse & Risikofaktoren
• Langzeitkonservierung TAB®
• Vergleich der Lagerverfahren
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Firmenvorstellung HTV Firmengruppe
• 1986Gründung der HTV als Testhausdurch Edbill Grote und Thilo Tröller
• 1989 - 2006Vergrößerung der Nutzfläche auf
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Vergrößerung der Nutzfläche auf ca. 6500 m² durch insgesamt vier Bauabschnitte
• 2009Neues Hochsicherheits-Lagergebäude für die Langzeitkonservierung elektronischer Komponenten
• 2013Erweiterung des Langzeit-Lagerungsgebäudes um 2 weitere Blöcke
• 2017Ca. 170 Mitarbeiter
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Firmenvorstellung HTV FirmengruppeTochterfirmen
MAF / Frankfurt (Oder)
• Packaging / Häusen
• Wafer-Sägen
Ertec / Erlangen
• In-Line Programmiersysteme
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• Wafer-Sägen
• Bonding von Dies• Off-Line Programmiersysteme /
Vollautomaten
• Huge Memory Flashing HMF®
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Firmenvorstellung HTVDienstleistungen im Überblick
Programmierung aller elektronischer Bauteile(mehr als 750.000 Stück pro Tag)
Testen
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Testenelektronischer Bauteile(Serientest, Qualifikationen, Datenblattprüfungen)
Analytik für elektronische Komponentenz.B. Fehlerursachen-Analysen
Langzeitkonservierungelektronischer Komponenten bis zu 50 Jahre!
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Firmenvorstellung HTVStudien & Forschungsarbeiten auf Kundenwunsch
Recherchen zur IT-Sicherheit elektronischer Bauteile:
• Stand der Technik bei Mikrocontrollern / FPGAs
Entwicklung von DPA-Demonstratoren
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Entwicklung von DPA-Demonstratoren (Differential power analysis):
• Mikrocontroller / FPGA: Entschlüsselung von AES128-Verschlüsselung mittels Auswertung des Stromverbrauchs und der elektromagentischen Abstrahlung
Datensicherheit in Speichern:
• Analysen von Bitkippern während Alterungsversuchen
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Obsoleszenz &
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Obsoleszenz & Abkündigungssituation
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Obsoleszenz & AbkündigungssituationWas ist Obsoleszenz?
obsolet = veraltet
Obsoleszenz:
• Zustand eines Produktes am Ende seines Lebenszyklus
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• Zustand eines Produktes am Ende seines Lebenszyklus
• Das Produkt ist vom Originalhersteller nicht mehr verfügbar.
Gründe für Obsoleszenz z.B.:
• Unwirtschaftlichkeit, mangelhafte Qualität
• Innovationen, Höhere Anforderungen an Hardware
• Gesetzliche Vorgaben (z.B. REACH oder RoHS)
• Marketingstrategie
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Obsoleszenz + AbkündigungssituationLangzeitverfügbarkeit: Situation und Brisanz
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Fazit: Abkündigung von Bauteilen vor Ende des Produktlebenszyklus!
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Obsoleszenz + AbkündigungssituationStufen des Obsoleszenz-Managements (OM)
Fazit:
Die Langzeitlagerung ist wichtiger Bestandteil eines
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Bestandteil eines strategischen Obsoleszenz-managements!
aus ZVEI: Obsoleszenz-Management
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
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Alterungsprozesse & Risikofaktoren
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Alterungsprozesse & RisikofaktorenWarenzustand
Defekte Bauteile:
• Pinfails, fehlende oder deformierte BGA-Balls
• Risse oder sonstige Beschädigungen am Gehäuse
• Elektrische Funktion nicht oder nur eingeschränkt vorhanden
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• Elektrische Funktion nicht oder nur eingeschränkt vorhanden
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Alterungsprozesse & RisikofaktorenLangzeitlagerung - Risiken ZinnpestZinnpest
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DiffusionsprozesseDiffusionsprozesse
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Alterungsprozesse & Risikofaktoren Wie kann Alterung analysiert werden?
• Lichtmikroskopie
• Mikroschliffe
• Rasterelektronenstrahlmikroskopie
• Materialbestimmung mittels Röntgenspektroskopie
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• Materialbestimmung mittels Röntgenspektroskopie
• Schichtdickenmessungen
• Nanoindentation (Eindringprüfung)
• Lötbarkeitstests
• Röntgeninspektion
• Elektrische Tests
• Schertests
• …
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Alterungsprozesse & Risikofaktoren Alterung durch Oxidation/Korrosion
Ausgangszustand der Ware vor der Lagerung:
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Alterungsprozesse & Risikofaktoren Auswirkung von Oxidationsprozessen
Beispiel: Benetzungstest an QFP100 Bauteilen über 3 Jahre Standard-Drypack-Lagerung
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Folge: Reduktion der Benetzbarkeit nach 3 Jahren um ca. 75% aufgrund von Oxidation!
Start 1,5 Jahre 3 Jahre
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Alterungsprozesse & Risikofaktoren Auswirkung von Ausgasungen
• Weichmacher, Flammschutzmittel und Lösungsmittel gasen aus!
• Folge: Korrosionseffekte
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- SiO2
- Verbund aus Phenolharz
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Alterungsprozesse & Risikofaktoren Auswirkung von Ausgasungen
Beispiel: Verunreinigungen in Steckverbinderbuchsen
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Weichmacher, Flammschutzmittel und Lösungsmittel gasen aus!
Folgen: Korrosionseffekte
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Alterungsprozesse & RisikofaktorenAbsorption von Schadstoff-Ausgasung
Analyse der Belastung von HTV-Absorptionsmaterial (mittels GC-MS) :
Probe 1: Standard-Folienbeutel ohne Bauteile nach 3 Jahren:
� sehr geringe Belastung des HTV-Absorbermaterials
Probe 2: Standard-Folienbeutel mit BGA-Bauteilen (750Stk (Tray)) nach 2 Monaten:
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Probe 2: Standard-Folienbeutel mit BGA-Bauteilen (750Stk (Tray)) nach 2 Monaten:
� geringe Belastung des HTV-Absorbermaterials (Alkane; aromatische Kohlenwassserstoffe)
Probe 3: Standard-Folienbeutel mit BGA-Bauteilen (750Stk (Tray)) nach 3 Jahren:
� hohe Belastung des HTV-Absorbermaterials (aromatische Kohlenwassserstoffe (z. B. Toluol,Ethylbenzol, Xylole, Styrol))
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Alterungsprozesse & Risikofaktoren Äußere Diffusionsprozesse als Indikator der Alterung
Intermetallisches Phasenwachstum bei Umgebungstemperatur: ca. 1µm/Jahr
� bis ca. 2003
Oberflächenbeschichtung
Sn(Pb)
Intermetall. Phase:Lötprozess : ca. 0,5…0,7 µm
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300nm
8-20 µm
0,7 – 1 µm
� nach ca. 2003
4-8 µm
Sn(Pb)
z.B. Cu(FE)
0,7 – 1 µm
4-8 µm
Material-
Potential
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Alterungsprozesse & Risikofaktoren Äußere Diffusionsprozesse
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Analyse:
• Linescan mit EDX
Indikator der Alterung:
• Ausbildung der intermetallischen Phase
ZinnSilberKupfer
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Alterungsprozesse & Risikofaktoren Äußere Diffusionsprozesse
• Wachstum der intermetallischen Phase – Indikator der Alterung
Negativbeispiel: Int.m. Phase: >4,3 µmPositivbeispiel: Int.m. Phase: bis 1,10 µm
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KupferEisenZinn
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Alterungsprozesse & Risikofaktoren Innere Alterung auf Chipebene
Beinträchtigung der elektrischen Zuverlässigkeit:
Verunreinigungen:
• Ionen - Umverteilungen bei Umgebungstemperatur
– Verunreinigungen (z.B. Schwermetalle) generieren Ladungsträger
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– Verunreinigungen (z.B. Schwermetalle) generieren Ladungsträger
– Reduzierte Spannungsfestigkeit von Gateoxiden
– Diodenleckströme
Ladungsträgerausgleich:
• Delokalisierung von Atomen durch zunehmende Potentialtiefe
• „Tunneln“ zwischen Potentialmulden,
• Potentialbarrieren durch Ladungsträgerausgleich
• Silizium reagiert mit AL-Kontaktmetallisierung
Miniaturisierung, Ausdehnungskoeffizienten
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Alterungsprozesse & Risikofaktoren Kritische Nebeneffekte: Zinnpest
Zinnpest tritt bei bleifreien Loten unterhalb von 13°C auf.
β-Zinn zerfällt in α-Zinn (graues Pulver)QFN Bauteil
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Kubisches Kristallgitter Tetragonales Kristallgitter
Bauteil
β-Zinnα-Zinn
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Alterungsprozesse & Risikofaktoren Alterung von Kunststoffen
Änderung der makroskopischen Eigenschaften
• Glasübergangstemperatur (Tg)
• Dichte
• Mechanische Eigenschaften (Härte, …)
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• Mechanische Eigenschaften (Härte, …)
• Elektrische Eigenschaften (Durchschlagsfestigkeit, Oberflächenwiderstand, …)
Beeinflussung der Verarbeitbarkeit der Bauteile durch Adsorption der ausgasenden Stoffe auf den Kontaktflächen
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Alterungsprozesse & Risikofaktoren Risikofaktoren bei Baugruppen und Geräten
• Kapazitätsverluste von Kondensatoren
• Datenverluste von Speicherbausteinen
• Zuverlässigkeit von Lötverbindungen
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• Zuverlässigkeit von Lötverbindungen
• Oxidation von Steckverbindern
• Oxidation von Relaiskontakte
• Drift von Operationsverstärkern
• Alterung von Optokopplern
• Drift von Analog-/Digital-Wandlern
• …
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Alterungsprozesse & Risikofaktoren Fazit
• Die Komplexität der verschiedenen Alterungsmechanismen und Technologien zeigt die Notwendigkeit einer umfassenden Eingangsanalyse aber auch der Überwachung des Zustandes während des Lagerprozesses!
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• Die Aspekte und Methoden bei der Überwachung elektronischer Komponenten in der Langzeitlagerung sind abhängig von der Komplexität dieser Produkte.
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Lösung:HTV-Langzeitkonservierung
TABTAB® ® -- Verfahren Verfahren ––
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TABTAB® ® -- Verfahren Verfahren ––Thermisch absorptive BegasungThermisch absorptive Begasung
Langzeitverfügbarkeit durch drastische Langzeitverfügbarkeit durch drastische Reduktion der Alterungsprozesse!Reduktion der Alterungsprozesse!
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
TABTAB® ® -LangzeitkonservierungVorteile
•• Drastische Drastische Minimierung der AktivierungsenergieMinimierung der Aktivierungsenergie durch durch TemperaturreduktionTemperaturreduktion
•• Drastische Drastische Minimierung der DiffusionseffekteMinimierung der Diffusionseffekte auf dem Chip auf dem Chip und den Bauteilanschlüssenund den Bauteilanschlüssen
a
b
c
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und den Bauteilanschlüssenund den Bauteilanschlüssen
•• Absorption von SchadstoffenAbsorption von Schadstoffen die zu Korrosion führen die zu Korrosion führen
•• Beherrschung kritischer Nebeneffekte (z. B. Zinnpest) bei der Beherrschung kritischer Nebeneffekte (z. B. Zinnpest) bei der Lagerung durch jahrzehntelange Forschung und abgestimmte Lagerung durch jahrzehntelange Forschung und abgestimmte Verfahren.Verfahren.
•• Konservierende AtmosphäreKonservierende Atmosphäre
Lagerung z. Z. bis zu 50 Jahren möglich durch materialspezifische Kombinatorik unterschiedlicher Verfahren
c
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
TABTAB® ® -LangzeitkonservierungÜberwachung der Materialien
• Überwachung der Zinnpest mittels komplexer Analysemethoden der Kristallstruktur durch:
• Röntgendiffraktometrie (XRD)
• Electron backscatter diffraction (EBSD)
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• Electron backscatter diffraction (EBSD)
• Überwachung der organischen Materialien (FTIR)
4000,0 3000 2000 1500 1000 501,1
cm-1
%T
DC0937
2009
2010
2011
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
TABTAB® ® -Langzeitkonservierung Zyklische Überprüfung bei Baugruppen und Geräten
• Zuverlässigkeitsbetrachtung und Risikobewertung
• Mechanische Kontrollen (Spannungen, Risse, Whisker, …)
• Simulationen und Abgleich (HW + SW)
• Re-Programmierung
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• Re-Programmierung
• Bestromung und Regeneration
• Elektrischer Test:
• Drift- und Funktionskontrollen
• Kennlinien, Parameter (Datenblatt), Leckstrom
• Überwachung optischer Parameter:
• Wellenlänge, Farbort, Leuchtdichte, Kontrast, Reaktionszeit, Emissionsspektrum
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
TABTAB® ® -Langzeitkonservierung Vergleich von Lagerverfahren
Verfahren
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0,5 1 2 5 10 50
N2 - Lagerschränke
Dry-Pack
N2 – Dry-Pack
TAB®
Jahre
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
TABTAB® ® -Langzeitkonservierung Vergleich von Lagerverfahren
Risiken N2 Dry-Pack TAB®-Lanzeitkonservierung
Feuchte reduziert spezifisch reduziert + kontrolliert
Sauerstoff reduziert frei + konservierende Atmosphäre
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Sauerstoff reduziert frei + konservierende Atmosphäre
Korrosive Gase, Schwefel-Wasserstoff, Schwefeldioxid, Chlorgase, Lösemittel,Additive, Ammoniak
vorhanden Absorption
Diffusion vorhanden drastisch reduziert; zykl. Überwachung
Zinnpest nicht überwacht erforscht + überwacht
Prozessüberwachung nicht überwacht überwacht
Sicherheit undefiniert Hochsicherheitslager
Geeignet für Zwischenlagerung Langzeitlagerung für bis zu 50 Jahren
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
TABTAB® ® -LangzeitkonservierungAblauf der LZK / Optimierung der Lagerungsparameter
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Intermetallische PhasenVermessung & Wachstum
• Durch Diffusionsprozesse bildet sich eine intermetallische Schicht bzw. Phase zwischen Kupfer und Lözinn aus.
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Lözinn aus.
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Lagerfähigkeit & Alterungsmechanismen
Quellen
[1] Xilinx: Device Package User Guide - UG112 (v3.7) September 5, 2012
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