Die zunehmende Miniaturisierung in der Elektronikfertigung stellt immer höhere Anforderungen an die Qualitätssicherung und -kontrolle. Durch den Einsatz neuartiger Bauformen traten in den letzten Jahren erstmals Schwierigkeiten in der Fertigung auf, die vorher nicht von Bedeutung waren. Ersa besitzt mit fünfjähriger Erfahrung bezüglich optischer Inspektion, speziell im Bereich BGA, und über 2000 weltweit installierten Ersascope-Systemen einen umfangreichen Erfahrungsschatz bezüglich der Problemstellungen, die in der Elektronikfertigung auftreten können. Dieses Wissen soll nun der Fertigungsindustrie in einer neuen Serie, „Ersascope-Inspektionsalarm“ zugänglich gemacht werden, von der dieser Artikel den ersten Beitrag darstellt.
Große, massive Multilayer-PCBs, welche mit BGA-Bausteinen mit mittleren und großen Abmaßen bestückt werden, sind während des Lötprozesses von einem Problem betroffen, mit welchem eine zunehmende Zahl von Herstellern konfrontiert ist. Wir beobachten Ausfälle, die durch Ablösungen der Lötbälle von den Komponenten und der Leiterplatte hervorgerufen werden. Die Bilder 1 und 2 zeigen hierzu zwei Beispiele. Doch nicht nur großflächige Komponenten, sondern auch Chip-Scale-Packages (CSPs) können betroffen sein, wie die Bilder 3 und 4 zeigen. Bild 3 zeigt einen ordnungsgemäßen CSP-Lötball mit einer Höhe von 80 µm, während Bild 4 einen Ball des gleichen Bauteils zeigt, welcher von der Anschlussfläche der Komponente abgelöst ist.
Eine Ursache für diesen Defekt sind die Scherkräfte, die sich während des Abkühlens bedingt durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungs-koeffizienten der Komponente und der Leiterplatte einstellen (Bild 5). Eine weitere Fehlerquelle stellt der Verzug der Ecken des PBGA-Trägermaterials dar, welcher zu einer Dehnung der Eckverbindungen führt. Auch in diesem Fall können diese sich von der Platine oder dem Bauteil ablösen oder abgeschert werden. Ein erstes Indiz dafür ist die charakteristische Form der Lotbälle (Bild 6). Solche Verbindungen sind prädestiniert für eine Ablösung, und müssen durch einen leichten Aufwärtszug während der optischen Inspektion, wie unten beschrieben, daraufhin untersucht werden.
Entgegen den beiden oben genannten Beispielen kann auch eine Ablösung der Lötbälle von der Leiterplatte auftreten. Eine häufige Ursache hierfür ist eine unvollständige Durchwärmung des Lots und ein damit verbundener „Single Drop“, d.h. eine Lötverbindung, bei der es nicht zu einer intermetallischen Verbindung zwischen Lot und Landezonenmaterial gekommen ist (Bilder 7 und 8). Solche Lötstellen bestehen zwar einen elektrischen Test, sind jedoch mechanisch nicht belastbar und daher gefährdet für Ablösung schon während der Abkühlphase, aber auch später nach fortschreitender Bildung einer Oxidationsschicht.
Diese Klasse von Defekten kann zuverlässig nur mit einem optischen Inspektionssystem nach dem Vorbild des Ersascope festgestellt werden, indem man während der Inspektion vorsichtig einen leichten Aufwärtszug mit einem feinen Instrument, z.B. einem Zahnhaken, auf das Bauteil ausübt. Man kann dann das Abheben der Komponente vom Lot bzw. der Landefläche direkt beobachten. Vorsicht ist natürlich gefragt, um keine Abrisse durch diese Untersuchung zu verursachen.
Mit Methoden wie In-Circuit-Tests, Funktionstests oder Röntgen kann dieses spezielle Problem sehr leicht übersehen werden. Wird der Fehler nicht entdeckt, so werden die betroffenen Schaltungen im Gebrauch mit hoher Wahrscheinlichkeit ausfallen.
Die Aufnahmen von CSPs und Flip-Chips in diesem Artikel entstanden unter Benutzung einer von Ersa neu entwickelten Optik (Bilder 9 und 10), welche erstmals und einzigartig die direkte Inspektion der Lötstellen unter solch stark miniaturisierten Komponenten erlaubt. Dies wurde durch eine Absenkung der optischen Achse von ca. 300 µm (bei etwa diesem Wert arbeiten heute am Markt erhältliche BGA-Inspektionssysteme) auf 12 µm über der Leiterplatte erreicht, was uns zum ersten Mal ermöglicht, die oberen Menisken der Lötbälle von extrem miniaturisierten Komponenten, wie CSPs und Flip-Chips, direkt zu inspizieren.
In der konventionellen, bleihaltigen Löttechnik war der Fertigungsprozess gegenüber Unsauberkeiten in der Löttemperatur und –dauer sehr tolerant. Befriedigende Ergebnisse wurden mit Spitzentemperaturen in dem weiten Bereich von ca. 205 bis 255°C und Durchwärmungszeiten von 60 bis 120 Sekunden erreicht. Doch selbst in diesem großzügigen Prozessfenster kommt es bereits zu Defekten wie beschrieben.
Die Situation wird sich mit der verbindlichen Einführung der bleifreien Löttechnik im Zusammenhang mit der EU-Richtlinie ROHS zum 1. Juli 2006 jedoch dramatisch verschärfen. Der Schmelzpunkt bleifreier Lote liegt höher als der der konventionellen, was das Prozessfenster auf Spitzentemperaturen zwischen 230 und 250°C verkleinert. Auch die Durchwärmungszeiten müssen besser überwacht werden, da das Flussmittel schneller aufgebraucht ist und Oxidation aufgrund der höheren Temperaturen zunimmt. Die Benetzungsfähigkeit des bleifreien Lotes ist schlechter als die des konventionellen, was zusätzliche Komplikationen mit sich bringt.
Alle diese Faktoren werden dazu führen, dass Probleme wie die geschilderten dramatisch zunehmen werden.
Für die Sicherstellung der Qualität wird der Erstprüfmusterinspektion unter Verwendung optischer Inspektionsmethoden wie dem Ersascope eine entscheidende Bedeutung zukommen, um den Lötprozess vor der bleifreien Serienfertigung zur Vermeidung von Prozessfehlern zu optimieren. Ersa will mit dieser neuen Reihe durch die Implementierungsphase von Bleifrei führen und auf wichtige Inspektionsmerkmale aufmerksam machen, die in diesem Zusammenhang besonders zu beachten sind.
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Die 3D-Messung und Inspektion des Lotpastendrucks ist ein wichtiges Qualitätswerkzeug. Dieses funktioniert nur mit den richtigen Toleranzen und Eingriffsgrenzen.
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