Langzeitkonservierung

Erfahrungen und Analysen beweisen, dass herkömmliche Lagerungsmethoden, wie klassische Dry-Packs oder Stickstofflagerungen, keine umfassenden Lösungen bieten, um branchenspezifischen Ansprüchen zur Langzeitverfügbarkeit elektronischer Komponenten zu genügen. Die umfangeichen Studien und Ergebnisse der HTV-GmbH zeigen eindeutig, dass wesentlich mehr Mechanismen ursächlich an deren internen und externen Alterung beteiligt sind.

Zudem erklären sich hiermit die zunehmend negativen Erfahrungen zahlreicher Unternehmen, welche aufgrund von Last Buys und Product-Changes bereits langfristig Komponenten lagern und sich mühen, diese kontinuierlich, möglichst prozesssicher zu verarbeiten. Im Folgenden werden Alterungsmechanismen und Prozesse, sowie die von der HTV-GmbH entwickelte Lösung zur Langzeitkonservierung und Langzeitverfügbarkeit elektronischer Komponenten beschrieben.

Bei der Herstellung elektronischer Bauteile kommen sowohl bei der Verklebung und Fixierung von Dies, als auch bei der Herstellung der Gehäusemassen ein- oder zweikomponentige harzhaltige Kleber zum Einsatz. Diese Harze emittieren im Verlauf einer Langzeitlagerung verschiedenste Inhaltsstoffe bzw. Schadstoffe. Selbst in einer vakuumisierten Verpackung (z.B. bei Dry-Packs) forcieren diese Schadstoffe, ebenso wie Feuchte, in Verbindung mit einem Rest-Sauerstoffgehalt und minimalster Sauerstoffdiffusion durch Umverpackungs- und Gehäusematerialien, langfristig das externe und interne Oxidationsverhalten der Bauteile. Hieraus resultiert in Konsequenz die Notwendigkeit eines Absorptionsverfahren für Schadstoffe. Das für die HTV-Langzeitkonservierung definierte und auf den jeweiligen Warenzustand abgestimmte Absorptionsverfahren verhindert nachhaltig und zuverlässig die Entstehung und das Fortschreiten von Oxidations- und Korrosionsprozessen.

Eine weitere und wesentlich kritischere Alterungsursache für eine sich mit langfristigen Lagerungszeiten reduzierende Möglichkeit der Weiterverarbeitung und Zuverlässigkeit ist die Existenz von Diffusionsvorgängen.

Funktionell versteht man hierunter 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 hierfür die Überwindung einer sogenannten Aktivierungsenergie. In Konsequenz dieser Zusammenhänge und Mechanismen ist ersichtlich, dass Verfahren zur dauerhaften Konservierung von Bauteilen und somit die deutliche Reduzierung eines so genannten intermetallischen Phasenwachstums, nur in Verbindung mit einer Erhöhung von Aktivierungsenergien zu erreichen ist. Dieses ist ein Kernelement des durch die HTV-GmbH entwickelten Verfahrens.

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

Interne Diffusionsprozesse können zudem minimalste 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.

Im Rahmen der Umstellung auf bleifreie Lote bekam die gesamte Thematik Whisker-Bildung eine neue Bedeutung. Das hierdurch beschleunigte Wachstum feinster Zinn-Nadeln erzeugt Kurzschlüsse zwischen Bauteilanschlüssen und führt ggf. zu Fehlfunktionen und Bauteilschädigungen. Betrachtet man die Ursachen für derartige selbstständige Wachstumsvorgänge, so zeigen sich als Hauptinitiatoren mechanische Spannungen innerhalb der auf den Bauteilanschlüssen aufgebrachten Zinnschichten. 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 unser Verfahren die idealen Ansatzpunkte zur Vermeidung.

Einen weiteren Schwerpunkt bei der Verfügbarkeits-Diskussion bilden komplettierte Baugruppen und Geräte. Neben den zuvor beschriebenen Alterungsprozessen der Bauteile gelten aufgrund der gewaltigen Typenvielfalt und Kombinatorik wesentlich erweiterte Kriterien, um eine dauerhaft wirksame Produkterhaltung abzusichern. Hierbei müssen zum Beispiel auftretende Datenverluste in Speicherbausteinen und die Kapazitätsverluste von Kondensatoren nachhaltig vermieden werden. Alterungseffekte beim Einsatz der zahlreichen differenten passiven Bauteile, sowie Alterungseffekte von Operationsverstärkern, Optokopplern, AD-Wandlern, Relais, u.ä. sind weiterhin zu betrachten.

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

Aufgrund der durchgeführten Studien und Analysen, sowie den hieraus resultierenden neuen Verfahren zur Langzeitkonservierung elektronischer Komponenten ist die HTV-GmbH heute in der Lage, die beschriebenen Alterungsprozesse massiv zu reduzieren. Anhand eines speziellen Thermisch- Absorptiven-Begasungsverfahren werden Korrosions- und Oxidationsbildung nahezu vollständig und äußerst langfristig verhindert, ein intermetallisches Phasenwachstum deutlichst reduziert und die Gefahr einer Whisker-Bildung während der langjährigen Konservierung, nach jetzigem Stand der Kenntnisse, eindeutig minimiert.

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

Spricht man letztendlich von Verantwortung bezüglich Langzeitverfügbarkeit, stehen derzeit zunächst die Gerätehersteller, bzw. Fertiger im Focus. 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, welche aufgrund der umfassenden Erfahrungen bei HTV jedoch nur für einen Zeitraum von 1–3 Jahren eine gewisse Sicherheit bieten. 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 und Mittel bekommen, um zeitaufwendige 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 Warenanlieferung eine detaillierte und umfangreiche Warenbewertung.

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

Um abschließend einen höchstmöglichen Schutz der gesamten konservierten Ware zu ermöglichen, erfolgt die Konservierung in einer Atmosphäre, welche zukünftig jegliche ansatzweise Entstehung eines Brandes verhindert, jedoch keinen Einfluss auf Absorptions- und Konservierungsprozesse generiert. Modernste Sicherheitsmaßnahmen und Einrichtungen zum Schutz vor Diebstahl und Vandalismus runden das gesamte Verfahren ab.

Synergien durch die Möglichkeit zum Testen, Qualifizieren und Programmieren, flexibelste Logistik und die Möglichkeit zur kompletten bilanziellen Warenübernahme versetzt die HTV-GmbH heute in die Lage, eine umfassende Gesamtlösung anbieten zu können. Alternativ zu kostenintensiven Re-Designs und langwierigen Neu-Verifizierungen bietet die HTV-GmbH Ihnen und Ihren Kunden somit eine, den erforderlichen langfristigen Qualitäts-, Ersatz- und Verarbeitungsansprüchen genügende, Dienstleistung zur Langzeitverfügbarkeit elektronischer Komponenten.

Halbleiter-Test&Vertriebs-GmbH, Bensheim

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