Schadgas-Tests an elektronischen Komponenten und Baugruppen Dr. Gert Vogel, Siemens AG, Amberg Senior Key Expert Material Technologies DF CP QM SQA © Siemens AG 2016

Übersicht Einführung: Korrosive Gase und Korrosion in industrieller Umgebung Beispiele für Korrosion an Bauteilen und Baugruppen unter Schadgas-Einfluss Erlaubte Umgebungsbedingungen Schadgas-Tests nach Norm Empfehlung von Schadgas-Tests für Baugruppen in wettergeschützter Industrie-Umgebung Zusammenfassung

Korrosive Gase und Korrosion in industrieller Umgebung Schadgase: Schwefelwasserstoff H2S Schwefeldioxid SO2 Stickoxide NOX Chlor Cl2 Betroffene Materialien: Kupfer (Leiterplatten, LCDs (Displays), Bauteilbeinchen, …) Silber (SMD-Widerstände, Touch-Screens, Leuchtdioden (LED), …) Nickel/Gold-Oberflächen (Kontakte, Speicher-Karten (SD-Cards), …)

Schadgas-Tests Ziel von Schadgas-Tests: Verhindern von Feldrückläufern durch Schadgas-verursachte Ausfälle Sicherstellung, dass die Geräte und Baugruppen die zugelassenen Umgebungsbedingungen ohne Probleme aushalten Überprüfung von Bauelementen neuer Lieferanten auf bekannte Schwachstellen Finden von Schwachstellen an neuen Bauteilen oder Fertigungsschritten Schadgas-Tests können nicht: … Garantien geben (Schadgas-Test sind immer nur Schwachstellen-Tests!) … alle Umgebungseinflüsse, insbesondere alle möglichen Schadgase, abbilden … Aussagen machen, wie lange ein Gerät oder eine Baugruppe gegen bestimmte Umwelteinflüsse beständig ist

Einführung: Korrosive Gase und Korrosion in industrieller Umgebung Beispiele für Korrosion an Bauteilen und Baugruppen unter Schadgas-Einfluss Erlaubte Umgebungsbedingungen Schadgas-Tests nach Norm Empfehlung von Schadgas-Tests für Baugruppen in wettergeschützter Industrie-Umgebung Zusammenfassung

Ausfall von Displays durch H2S-Korrosion Spaltenfehler bei Displays Kurzschlüsse an den Kanten von geschnittenen Flexleitern, wo angeschnittene Kupferbahnen frei liegen

Ausfall von Displays durch H2S-Korrosion  Schwefelwasserstoff (H2S) ausscheidende EPDM*-Schäume Kurzschluss Eine Silikon-Abdeckung ist kein Schutz vor Schwefelwasserstoff! *EPDM = Ethylen-Propylen-Dien-Monomer

Test auf Schwefel-Ausscheidung Test auf Schwefelausscheidung an Elastomer-Probe mittels einer Kupfer- oder Silberfolie ( gereinigte Folie um Probe falten, 70 ºC, 24 Stunden) Cu aufgefaltete Kupferfolie nach dem Test S Elastomer (Gummi) Schwarzfärbung H2S-Ausscheidung  Schwarzfärbung der Kupferfolie Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA)  Kupfersulfid (CuS)

Ausfall von SMD-Widerständen durch H2S-Korrosion der inneren Silberanschlüsse Silbersulfid-Ausblühungen an SMD-Widerständen Ausfall durch Einwirkung von Schwefelwasserstoff (H2S) Elektrischer Widerstand nimmt zu, bis gar kein Durchgang mehr messbar ist.  Ausfall des Geräts Betroffene SMD-Widerstände zeigen schwarze Kristalle am Übergang zur Widerstandsschicht

Korrosion an Bauteilen durch Schwefelwasserstoff (H2S) Rückware mit starker Korrosion an allen möglichen Bauteilen Diese Leuchtdiode funktioniert noch!

Korrosion durch hohe Schwefelwasserstoff-Belastung Ausfall eines Tasters in einer Biogas-Anlage Neuteil Neuteil, geöffnet Ausfall-Bauteil, geöffnet  Kontaktscheibe korrodiert

Korrosion durch Chlor Chlor-Korrosion ist selten. Schwimmbäder Aluminium-Industrie, … Bei einem Korrosionsbild wie hier sind die erlaubten Grenzwerte um Zehnerpotenzen überschritten. Korrodiertes Lot (Sn) Chlor

Ausfallbilder Achtung! Ausfallbilder, wie sie hier zur Illustration gezeigt wurden, treten nur auf, wenn die erlaubten Umgebungsbedingungen nicht eingehalten wurden. Sie sind als Anschauungsmaterial aber sehr nützlich und man kann viel aus ihnen lernen.

Einführung: Korrosive Gase und Korrosion in industrieller Umgebung Beispiele für Korrosion an Bauteilen und Baugruppen unter Schadgas-Einfluss Erlaubte Umgebungsbedingungen Schadgas-Tests nach Norm Empfehlung von Schadgas-Tests für Baugruppen in wettergeschützter Industrie-Umgebung Zusammenfassung

Festlegung der erlaubten Umgebungsbedingungen DIN IEC 60721: Klassifizierung von Umweltbedingungen Teil 3: Klassen von Umwelteinflußgrößen und deren Grenzwerte Bevor man über Tests sprechen kann, müssen erst einmal die Bedingungen geklärt sein. DIN IEC 60721-3- 1: Langzeitlagerung 2: Transport 3: Ortsfester Einsatz, wettergeschützt 4: Ortsfester Einsatz, nicht wettergeschützt 5: Einsatz in und an Landfahrzeugen 6: Einsatz auf Schiffen 7: Ortsveränderlicher Einsatz DIN IEC 60721-3 Teil K: Klimatische Umweltbedingungen Z: Weitere klimatische Umweltbedingungen B: Biologische Umweltbedingungen C: Chemisch-aktive Stoffe S: Mechanisch-aktive Stoffe (Staub, Sand) M: Mechanische Umweltbedingungen (Schwingungen, Stöße, …) Für diese Betrachtung hier wichtig sind K: Klimatische Umweltbedingungen (z. B. Feuchtigkeit) und C: Chemisch-aktive Stoffe (z. B. Schadgase)

Klassifizierung von chemisch-aktiven Stoffen nach DIN EN 60721-3-3 Die in der Elektro- bzw. Elektronik-Industrie gebräuchlichen Einsatzbedingungen sind 3C2 oder 3C3 Die Funktion der Geräte wird damit zum Beispiel bei Umgebungsbedingungen von 0,07 bzw. 2,1 ppm* H2S garantiert.  Im Allgemeinen sehr viel höhere Konzentrationen als bei der ANSI/ISA-S71.04 - Norm *) Im Folgenden wird sich immer auf Volumenkonzentrationen bezogen.

Klassifizierung der Schadgas-Belastung nach ANSI/ISA Norm Amerikanische Firmen beziehen sich bei der Einsatzklasse „chemisch“ häufig auf die Vorschrift: ANSI/ISA-S71.04-2013 - Umweltbedingungen für Prozessmess- und Steuerungssysteme: Luftschadstoffe (Achtung! Die Einheit der Konzentration ist hier ppb, nicht ppm!) Besonderheit: Hier wird bei Schadgas-Belastung auf eine relative Luftfeuchtigkeit von 50 % Bezug genommen, auch wenn ansonsten höhere Feuchtigkeiten erlaubt sind!

Übersicht Einführung: Korrosive Gase und Korrosion in industrieller Umgebung Beispiele für Korrosion an Bauteilen und Baugruppen unter Schadgas-Einfluss Erlaubte Umgebungsbedingungen Schadgas-Tests nach Norm Empfehlung von Schadgas-Tests für Baugruppen in wettergeschützter Industrie-Umgebung Zusammenfassung

Normen über Schadgas-Tests Es existieren viele Vorschriften und genormte Tests. Hier nur eine kleine Auswahl: DIN EN 60068-2-42/43: 2003: Umweltprüfungen – Teil 2-42: Prüfungen – Prüfung Kc/Kd – Schwefeldioxid/Hydrogensulfid für Kontakte und Verbindungen DIN EN 60068-2-60: 1996: Umweltprüfungen. Teil 2: Prüfungen. Prüfung Ke: Korrosionsprüfung mit strömendem Mischgas DIN V 40046-36/37: 2006: Umgebungseinflüsse – Teil 36: Prüfverfahren – Prüfung Kx/Ky: Schwefeldioxid/Schwefelwasserstoff, niedrige Konzentration für Kontakte und Verbindungen DIN EN ISO 10062: 2008: Korrosionsprüfungen in künstlicher Atmosphäre mit sehr niedrigen Konzentrationen von Schadgas(en) ASTM B 845 - Mischgasstromprüfungen (MFG*-Prüfungen) von elektrischen Kontakten * MFG = Mixed Flowing Gas

Konzeption von Schadgas-Tests Vorgehensweise für die Konzeption von Schadgas-Tests Festlegung der zugelassenen Umgebungsbedingungen Analyse von Rückwaren auf Schwachstellen hinsichtlich Schadgasen. Treten diese Ausfälle unter zugelassenen Umgebungsbedingungen auf? Beschränkung der Schadgas-Tests auf einige wenige, bewährte Tests Wenn das Fehlerbild bei einer Rückware genauso aussieht wie das Korrosionsbild nach einem Schadgastest an einem vergleichbaren Gerät, ist der Schadgastest aussagekräftig. Wenn ein Schadgastest Fehlerbilder produziert, die im „real Life“ nie auftreten, ist der Test sinnlos und muss geändert werden. Schadgas-Tests nach Norm sind nicht die „Ultima Ratio“, die einzige Lösung für das Problem! Verwendung spezieller, billigerer oder schnellerer Tests für spezielle Anforderungen, z. B. Schadgas-Schnelltest, DMG-Test, Schichtdickenmessung, Ammoniak, Salpetersäuredampf, …

Welche Schadgase sind für uns die wichtigsten? Schwefelwasserstoff (H2S) Fäulnisprozesse schwefelhaltiger organischer Substanzen Erdöl- u. Erdgasquellen unerwünschtes Nebenprodukt in der chemischen Industrie Bildung im Ottomotor Schwefeldioxid (SO2) Emissionen aus Vulkanen Verbrennung fossiler Energieträger (Heizöl, Kohlekraftwerke, Verkehr, …) Metallgewinnung aus Erzen Industrie Diese beiden Gase sind für unsere Geräte die wichtigsten hinsichtlich „Function Endangering“, also der Gefahr, dass durch ihre Einwirkung Ausfälle auftreten könnten. ! ! ! !

Welche Schadgase sind für uns die wichtigsten? Stickstoffdioxid (NO2) Lichtbögen Dieselmotoren Chlor (Cl2) Meeresluft Streusalz für Enteisung von Verkehrswegen oder Start- und Landebahnen der Flughäfen Wasserdesinfektionsmittel (Schwimmbäder) Nebenprodukt in der chemischen Industrie Diese beiden Schadgase bewirken nur äußerst selten Ausfälle bei unseren Geräten, und wenn, dann nur bei Konzentrationen, die weit über den von uns zugelassenen Grenzwerten liegen.  NO2 und Cl2 werden bei uns normalerweise nicht mittels eines Schadgas-Tests abgeprüft. ~~ ~~

Welche Schadgas-Tests sind die wichtigsten? Am Standort Amberg testen wir die Beständigkeit gegenüber Schwefelwasserstoff (H2S) und Schwefeldioxid (SO2) mit dem sogenannten „Schadgas-Folge-Test“. 10 ppm SO2 / 21 Tage, gefolgt von 1 ppm H2S / 21 Tage, jeweils bei 25 °C, 75 % r.F. Zusätzlich hat das GWA (Gerätewerk Amberg) noch einen Test mit hoher Schwefelwasserstoff- Konzentration (H2S) festgeschrieben, den sogenannten „Schadgas-Schnelltest“, ebenfalls bei 75 % r.F. Kein Normtest

„Schadgas-Schnelltest“ Schwefelwasserstoff (H2S) in hoher Konzentration nach 4 NEA 997 1541 „Anweisung Schadgaslagerung elektrischer Bauteile“ Siemens (Industry Sector, DF CP QM SQA, Amberg) Ca. 1000 ppm H2S, chemische Freisetzung von H2S in hoher Konzentration (ca. 1000 ppm), innerhalb 4 - 6 Std. abfallend auf ~ 0 ppm, RT, 75% r.F. Relative Luftfeuchtigkeit von 75 % durch Verwendung eines Becherglases mit NaCl-Lösung Dreimalige Wiederholung Prüfkammer/Exsikkator im Abzug bei Raumtemperatur (RT) Entspricht etwa einem Test mit 10-100 ppm H2S, 2 Tage konzentrierte NaCl-Lösung  75 % r.F.

Schadgas-Schnelltest an Speichermodul Kontroller-Baustein (BGA-Bauform)  Kurzschluss an den durchtrennten Kupferbahnen

Beurteilung von getesteten Bauteilen und Geräten Im Normalfall fällt ein Bauteil nach Schadgas-Test nicht aus. Eine anschließende optische Prüfung durch einen Experten ist nötig. Demontage des Bauteils oder Geräts Prüfung aller möglicherweise kritischen Stellen Beispiel: Logik-Bauteil nach Schadgas-Folgetest Deutliche Korrosionserscheinungen an den Beinchen Frage: Ist Schadgas eingedrungen?

Beurteilung von getesteten Bauteilen und Geräten Im Röntgenbild sieht man, dass die Bondungen relativ nahe am Gehäuserand sitzen. Präparation: Abschleifen des Gehäuses bis an das Kupfer-Leadframe

Beurteilung von getesteten Bauteilen und Geräten Manuelle Entnahme der einzelnen Beinchen mit Pinzette oder kleiner Zange Kontrolle des Übergangsbereiches mittels optischer Mikroskopie bzw. Röntgenfluoreszenzanalyse Pressmassen-Kante  Kein Eindringen von Schadgas

Welche Schadgas-Tests für welche Bauteile? Kontaktsysteme Nickel/Gold  “Schadgas-Folge-Test” (SO2 gefolgt von H2S) Kratzer bis zum Cu  Kupfersulfid-Ausblühungen Kratzer bis zum Nickel  Nickelsulfat-Ausblühungen Poren im Gold  Nickelsulfat-Ausblühungen

Welche Schadgas-Tests für welche Bauteile? Kontaktsysteme Nickel/Gold  “Schadgas-Folge-Test” (SO2 gefolgt von H2S) Poren in der Goldschicht Gefährlich sind beide Arten von Poren Poren in der Nickelschicht Gold Nickel Kupfer Poren in der Nickelschicht  Korrosion von Kupfer

Schadgas-Folge-Test an Nickel/Gold-Kontaktoberflächen poröse Goldschicht  Korrosion des Nickels durch Schwefeldioxid SO2  Nickelsulfat-Kristalle

Schadgas-Folge-Test an Nickel/Gold-Kontaktoberflächen poröse Goldschicht  Korrosion des Nickels durch Schwefeldioxid SO2  weiße Nickelsulfat-Kristalle Verletzungen der Nickel-Schicht  Korrosion des darunter liegenden Kupfers  graues Kupfersulfid Nickelsulfat + Kupfersulfid Nickelsulfat

Schichtdickenmessung der Gold- und Nickel-Schichten Welche Vorschriften gelten überhaupt? Welche Bewertungskriterien? Ratschlag: Orientierung an “Telcordia Technologies GR-1217-CORE Generic Requirements for Separable Electrical Connectors” Issue 2, December 2008  1995 2008  Ausgabe 2008: Weniger streng Beölung Steckzyklen Silberkontakte

Welche Schadgas-Tests für welche Bauteile? Kontaktsysteme Nickel/Gold  “Schadgas-Folge-Test” (SO2 gefolgt von H2S) Dauer: lang (zweimal drei Wochen) Kosten: hoch (extern (bei Siemens Karlsruhe)) Schnelle, kostengünstige Alternativen: Schadgas-Schnelltest (Schwefelwasserstoff in hoher Konzentration) + Schichtdickenmessung der Gold- und Nickel-Schichten + Porenprüfung mittels des “DMG-Tests” (Dimethylglyoxime) oder Salpetersäure-Dampf-Test bei NiP (Nickelphosphor) + Flashgold Dauer: kurz (unter einer Woche) Kosten: niedrig (intern bei SQA Amberg)

DMG-Test bei Nickel/Gold Oberflächen Schnelle, kostengünstige Alternative bei lösbaren Kontakten mit Nickel/Gold-Oberflächen: Porenprüfung mittels des “DMG-Tests” (Dimethylglyoxime-Test: Prüfung unternickelter Edelmetallschichten nach SN 97906) Eine Pore nach DMG-Test Nickel-Dimethylglyoxim-Kristalle bei Fehlern in der Goldschicht

Einführung: Korrosive Gase und Korrosion in industrieller Umgebung Beispiele für Korrosion an Bauteilen und Baugruppen unter Schadgas-Einfluss Erlaubte Umgebungsbedingungen Schadgas-Tests nach Norm Empfehlung von Schadgas-Tests für Baugruppen in wettergeschützter Industrie-Umgebung Zusammenfassung

Empfehlung von Schadgas-Tests für Baugruppen in wettergeschützter Industrie-Umgebung + Einzelgastests, DIN EN 60068-2-42 /-43 und DIN V 40046-36 /-37 Schwefelwasserstoff H2S: 1 oder 10 ppm / 4, 10 oder 21 Tage Schwefeldioxid SO2: (1,) 10 oder 25 ppm / 4, 10 oder 21 Tage Schadgas-Schnelltest (Siemens): H2S: 1000 ppm  / 3 mal (2 Tage) Schadgasfolgetest (Siemens) 10 ppm SO2 / 21 Tage, gefolgt von 1 ppm H2S / 21 Tage 3- oder 4-Komponenten-Mischgastest, IEC 68-2-60 0,01 ppm H2S + 0,02 ppm SO2 + 0,02 ppm NO2 + 0,01 ppm Cl2 Einzelgas- und Mischgastests, DIN EN ISO 10062 0,1 ppm H2S / 0,2 bzw. 0,5 ppm SO2 / 0,5 ppm NO2 / 0,02 ppm Cl2 + + – – + Gut reproduzierbare Ergebnisse Übereinstimmung mit in der Realität auftauchenden Korrosionsbildern – Teuer, zu geringe Korrosionswirkung

Einführung: Korrosive Gase und Korrosion in industrieller Umgebung Beispiele für Korrosion an Bauteilen und Baugruppen unter Schadgas-Einfluss Erlaubte Umgebungsbedingungen Schadgas-Tests nach Norm Empfehlung von Schadgas-Tests für Baugruppen in wettergeschützter Industrie-Umgebung Zusammenfassung

Zusammenfassung Welche Schadgas-Tests sind sinnvoll – und warum? Schwefelwasserstoff (H2S: 1 - 1000 ppm)  Korrosion von Kupfer und Silber zur Schwachstellenanalyse  Wichtigster Schadgas-Test Schwefeldioxid (SO2: ~ 10 ppm)  Korrosion von Nickel unter porösem Gold bei Kontakten  Kratzer sind genauso gefährlich wie eine zu dünne Goldschicht! Mischgas-Tests nach Norm sind wenig aussagekräftig, weil zu schwach.  Im Mischgas ist die Stärke der Korrosion proportional zum H2S-Gehalt! Mischgas-Tests mit höheren Konzentrationen (H2S ≥ 0,5 ppm) als in den Normen  Erkenntnisse über Synergieeffekte, kriechende Korrosion, … aber noch kein Standard

Zusammenfassung Schwachstellen an Komponenten finden, bevor sie verbaut werden Voraussetzung: Kenntnisse der möglichen Fehlermechanismen Durchführung von sinnvollen (!) Schadgastests bei der Qualifikation von Bauelementen Verwendung von schadgasresistenten Bauelementen, wenn erhältlich Merke!  Schwefelvernetzter Gummi scheidet Schwefelwasserstoff aus!  Silikon ist keine Barriere gegen Schwefelwasserstoff!

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr. Gert Vogel Senior Key Expert Material Technology DF CP QM SQA Siemens AG Werner-von-Siemens-Str. 48 92224 Amberg Phone: +49 (0) 9621 80-3094 Fax: +49 (0) 9621 80-3234 E-Mail: gert.vogel@siemens.com