Optimierung der Fertigungsqualität Denis Barbini, Ursula Marquez de Tino, Kaustubh Kalkundri, Vitronics Soltec, Inc., Stratham, NH, USA, und Gerjan Diepstraten, Vitronics Soltec BV, Oosterhout, Niederlande (inzwischen ausgeschieden)

So wurden erst mal die Tendenzen zu Defektbildung beim Wellenlöten in Relation zu den Prozessparametern Flussmittelmenge, Vorheiztemperatur, Lottemperatur und Kontaktzeit untersucht. Beim Selektivlöten wurde unterschieden in einen Prozess mit nur einer Lötdüse (SelectWave) sowie mit mehreren Lotdüsen (MultiWave). Auch hier wurden die relevanten Parameter definiert: Flussmittelmenge, Vorheizprofil, Löttemperatur sowie Kontaktzeit, die abhängig von der Schlepp- bzw. Eintauchzeit ist. Anschließend wurde der Prozess für jeden dieser Einflussfaktoren optimiert, wobei man die kritischen Defektbereiche analysierte, einschließlich Füllung der Durchkontaktierung, Benetzung, Brücken- und Lotperlenbildung. Es galt, jene kritischen Parameter zu erkennen und zu optimieren, die einen robusten Prozess garantieren. Zudem wurde auch experimentell festgestellt, welcher Zusammenhang existiert zwischen dem Füllungsgrad der Durchkontaktierung mit flüssigem Zinn oder ihrem Benetzungsgrad einerseits und andererseits der Zugbelastung, der eine Lötstelle widerstehen kann. Für diese Arbeit wurden Baugruppen in Ermüdungstests einer unterschiedlichen Zahl von thermischen Zyklen unterzogen, anschließend Pulltests an Pins vorgenommen und die Fehler analysiert.

Die weiteren Untersuchungen in dieser Studie galten den Auswirkungen von Temperaturzyklen unter üblichen atmosphärischen Bedingungen (AATC, Air-to-Air Thermal Cycling). Dazu wurden die Baugruppen, die mit den drei hier relevanten Techniken gelötet wurden, diversen Temperaturzyklen von 0 bis 100 °C in Luft unterzogen. Das Temperaturprofil dazu wies eine Anstiegs- und Abfallflanke mit einer Rate von 10 K/Minute auf (1 K thermodynamische Temperatur entspricht etwa 1 °C). Die Verweilzeit an den beiden Eckpunkten betrug jeweils 30 Minuten. Vier der jeweils fünf verfügbaren Boards, die mit den drei Verfahren gelötet wurden, wurden jeweils in Dreiergruppen in der Kammer eines AATC-Systems mit 500, 1000, 2000 und 3000 Temperaturzyklen beaufschlagt. Die jeweils fünfte Baugruppe aus dem Set jedes Lötverfahrens diente hier als „Referenz“ um festzustellen, wie sich ein Board verhält, das keine Temperaturzyklen (Time Zero) durchlaufen hat.

Die Prüfung der Festigkeit von Bauteilanschlüssen für die Boards, die mit thermischen Zyklen oder auch mit keinen Zyklen beaufschlagt waren, erfolgte durch eine definierte Zugkraft an den Pins eines Steckverbinder-Bauteils. Dazu wurde an einem Pulltester Instron Modell 5500R ein spezieller Vorrichtungs-Mechanismus (Fixture) angebaut. Das Fixture wies ein Paar gezähnter, einstellbarer Greifhaken auf, mit dem an einem Anschluss zur Bestimmung der Zugfestigkeit gezogen werden kann. Diese experimentelle Anordnung ist in Bild 6 dargestellt.

Für den Pulltest wurde ein dreireihiges Steckverbinder-Bauteil mit 48 Anschlüssen verwendet. Diese Anschluss-Pins sind in drei Reihen zu jeweils 16 abgewinkelten Stiften angeordnet (siehe Bild 7). Jedes Board wurde auf einer XY-Arbeitsbühne fixiert, die wiederum auf der Instron-Messbasis montiert ist, und dabei so orientiert, dass die gelöteten Anschlüsse, die getestet werden, vertikal in Relation zum Fixture ausgerichtet sind. Das Fixture wurde mit einem beweglichen Zugstangenkopf (Y-Achse) verbunden. Eine kalibrierte Lastzelle von Instron (5 kN Messbereich) erfasst und registriert die Kraft – und dabei wird aufgezeichnet, bei welchem anliegenden Zug die Lötverbindung der Pins nachgibt. Eine niedrige Pullrate bzw. Zug-Geschwindigkeit von 0,5 mm/min am Zugstangenkopf (Crosshead) wurde angewendet, damit die Ausfälle im Lot gut beobachtet werden konnten.

Das Experiment wurde so vorbereitet, dass vor dem Pulltest an der 90 °-Abwinkelung der Pins der Zug-Clip angeklemmt wurde. Damit konnte das Fixture die Anschlüsse wirkungsvoll an ihrer Basis ergreifen – und damit lässt sich auch die gleichförmig ausgeübte Zugkraft ansetzen, die von der Bewegung des Instron-Crosshead ausgeht. Durch diese Anordnung konnte ein Abrutschen beim Pulltest sicher ausgeschlossen werden. Nur die äußere und die innere Reihe der gelöteten Pins wurde so überprüft, wobei die Kraft, die ausgeübt wurde, als die Lötstelle aufging, erfasst und aufgezeichnet wurde. Dabei wurde auch die Ausfallart registriert. Die innerste Pin-Reihe blieb jedoch unangetastet, weil damit die Querschnitte bzw. Schnittbilder für die Post-Defekt-Analyse angefertigt wurden.

Im Pulltest konnten drei verschiedene Ausfallbereiche beobachtet werden, in denen Fehler auftraten: Durchkontaktierungen (Lötösen bzw. Kupferhülsen), Lötstellen sowie jene Defekte, die sich sowohl in der Durchkontaktierung als auch an der Lötstelle zeigten. Bei Ausfällen der Durchkontaktierung ist innen die gesamte Kupferhülse von der Leiterplatte abgelöst, dabei ist nach dem Zugtest die Lötbuchse nur noch mit dem Pin des Bauteils verbunden. In Bild 8 a ist ein Anschluss mit einem Defekt der Durchkontaktierung nach der Pullprüfung zu sehen. Die Kupferhülse ist das schwächste Glied in diesem System. Bei Ausfällen der Lötstelle im Zugtest treten Frakturen oder Risse in der gelöteten Metallmasse selbst auf, denn bei ihr handelt es sich um das schwächste Teil der Lötstelle. In Bild 8 b ist ein Anschluss zu sehen, an dem die Lotmasse beim Test gebrochen ist. Sind sowohl Ausfälle der Lötstelle als auch der Durchkontaktierung festzustellen, so treten diese als weitgehend gleichmäßig verteilte Frakturen in diesen beiden Bereichen auf. In Bild 8 c ist solch ein Beispiel zu sehen.

Es gibt auch noch einen weiteren Ausfallmechanismus, der hier aber nicht im Mittelpunkt der Untersuchung stand. Das sind die Defekte an den Bauteilanschlüssen selbst, die durch die Zugkraft entstehen können. Doch bei der Durchführung dieser Studie gab es an dieser Stelle keine Ausfälle zu verzeichnen. Die Komponenten-Pins, die sich vom Bauteilkörper unter Belastung lösen können, sind allerdings hier das schwächste Glied.

Die wesentlichen Faktoren, welche die Lötstellenqualität beim Wellenlöten beeinflussen, sind folgende Punkte: Flussmittelmenge (mg/cm2), Vorheiztemperatur (°C) und Durchlaufgeschwindigkeit (cm/min). Diese Parameter verhalten sich direkt proportional zur Kontaktzeit und der Löttemperatur [8]. Wie in Teil 1 beschrieben, wurde jeder dieser Faktoren in drei verschiedenen Größen im Lötprozess angewendet. Die durch die Analyse erhaltenen Defektergebnisse sind in vier Diagrammen dargestellt: für das Fließverhalten des Lötzinns in der Durchkontaktierung, Lotfehlstellen (nicht gelötete Bereiche), Bildung von Lotspritzern (Solder Balling) sowie Zinnbrücken. Diese Ergebnisse sind für den Wellenlötprozess in Diagrammen aufgezeichnet, siehe Tabellen 5, 6, 7 und 8.

Auf der Basis dieser Ergebnisse wurden die optimalen Werte für die Prozessparameter im Wellenlötprozess (Tabelle 9) definiert. Anhand dieser Parameter wurden in fünf Durchgängen testweise die Baugruppen gelötet. Die Analyse der Ausfälle zeigt, das sich die berechneten und optimierten Prozessdaten vorteilhaft auf den Flussmittelverlauf in der Durchkontaktierung sowie der Bildung von Lötfehlstellen und Zinnspritzern ausgewirkt haben. Allerdings war dennoch die Bildung von Lötzinnbrücken beobachtet worden. Diese Analyse sowie die Fertigungsdurchgänge zur Kontrolle der Parameter zeigen, dass eine Prozessoptimierung für alle involvierten Parameter sehr komplex ist.

Im SelectWave-Lötprozess wurde das Flussmittel mit einem Tropfenzerstäuber (Dropjet-Fluxer) aufgetragen. Gelötet wurde in einer inerten und überwachten Stickstoff-Atmosphäre [3]. Die wesentlichen Faktoren, welche die SelectWave-Lötqualität [4] beeinflussen, sind die Flussmittelmenge, Vorheiztemperatur, Löttemperatur und die Schleppgeschwindigkeit des Lotguts (mm/s). Die relevanten Werte wurden natürlich auch hier im Experiment herausgefunden. Die Evaluationskriterien waren dabei der Lötzinnfluss in der Durchkontaktierung, Brückenbildung und Pin-Abheber (Pin Lifting). In der Tabelle 10 sind die Parameter dargestellt, die sich als optimal erwiesen. Anhand dieser Parameter, wie in Tabelle 10 gezeigt, wurden fünf Boards gelötet und anschließend die mechanische Festigkeit der Lötstellen durch den Pulltest verifiziert.

Im MultiWave-Lötprozess wurde das Flussmittel auch mit einem Dropjet-Fluxer aufgebracht. Gelötet wurde ebenfalls in einer inerten und überwachten Stickstoff-Atmosphäre [6]. Die wesentlichen Faktoren, welche die MultiWave-Lötqualität [4] beeinflussen, sind die Flussmittelmenge, Vorheiztemperatur, Löttemperatur und die Eintauchzeit in Sekunden (s). Die kritischen Werte wurden auch hier im bereits geschilderten Experiment herausgefunden. Die Evaluationskriterien waren dabei die Lotfüllung der Durchkontaktierung und die Brückenbildung. In der Tabelle 11 sind die Parameter zu sehen, die sich in diesem Prozess als optimal erwiesen. Anhand dieser Parameter, wie in Tabelle 11 gezeigt, wurden fünf Boards gelötet und anschließend die mechanische Festigkeit der Lötstellen durch den Pulltest verifiziert.

Der Wert der an jedem Pin angelegten Zugkraft wurde bis zum Fehlerereignis aufgezeichnet, wobei noch folgende Angaben mit erfasst wurden: äußere oder innere Pin-Reihe, das angewendete Lötverfahren sowie Zahl der Temperaturzyklen, die das betreffende Board durchlaufen hatte. Die Zugkraft wurde als Funktion der Temperaturzyklen geplottet, um Rückschlüsse auf den Trendverlauf zu ermöglichen.

Wellenlöten

Im Wellenlötprozess – Plot der Zugkraft-Verteilung siehe Bild 9 – konnte beobachtet werden, dass abhängig von der steigenden Zahl der Temperaturzyklen die Kupferhülse der Durchkontaktierung immer schwächer wurde. Die Festigkeit der Lötstelle nahm nach den ersten 500 Temperaturzyklen um etwa 15 % ab. Nach diesem erstmaligen Nachlassen stabilisierte sich der Wert der nötigen Zugkraft, die zum Wegziehen der Pins nötig ist, nach 300 weiteren Zyklen mit nur noch kleinen Variationen. Aufschlussreich für die Untersuchung der Fehlermechanismen ist, dass bei den Mustern ohne Temperaturzyklen die Ausfälle gleichmäßig zwischen Durchkontaktierung und Lötstelle verteilt waren, während bei jenen Mustern mit mehr als 1000 Temperaturzyklen die Ausfälle zu 90 % in der Durchkontaktierung auftraten.

SelectWave-Löttechnik

Im SelectWave-Lötprozess – Plot der Zugkraft-Verteilung siehe Bild 10 – konnten keine deutlichen Unterschiede bei der nötigen Zugkraft-Stärke als Funktion zur Zahl der Temperaturzyklen beobachtet werden. Hier war jedoch in puncto Ausfallart festzustellen, dass die Durchkontaktierung in ihrer Festigkeit bis 2000 Temperaturzyklen sogar zunahm, wobei die Ausfallhäufigkeit zwischen Durchkontaktierung und Lötstelle gleichmäßig verteilt war. Bei 3000 Temperaturzyklen hingegen waren 90 % der Ausfälle den Defekt-Mechanismen in der Durchkontaktierung zuzuordnen.

MultiWave-Löttechnik

Im Fall des MultiWave-Lötprozesses – Plot der Zugkraft-Verteilung siehe Bild 11 – konnte festgestellt werden, dass auch hier die Durchkontaktierung in ihrer Festigkeit mit der Zahl der Temperaturzyklen zunahm. Eine zunehmende Spreizung der Zugkraftwerte trat mit steigender Zahl der Temperaturzyklen auf, wobei die Ausreißer bei den Defekten für die unterschiedlichen Ausfallarten stehen. Eine relativ große Zahl von Defekten (rund 90 %) sowohl in der Lötstelle als auch bei den gemischten Ausfallarten konnten an Baugruppen beobachtet werden, die einer höheren Zahl von Temperaturzyklen ausgesetzt waren.

Schließlich galt es festzustellen, ob diese Ergebnisse aus den Pulltests auch statistisch signifikant sind. Dazu wird eine ANOVA-Untersuchung (Analysis of Variance) vorgenommen, vollständig als ANOVA Gauge Repeatability & Reproducibility bezeichnet. Diese Verifikation erfolgt unter Bezug auf den Lötzinntyp, die Zahl der Temperaturzyklen (AATC) und die Position in der Pin-Reihe (innen/aussen) am Bauteil. Die hierbei erhaltene Variable steht für die im Experiment verwendete Zugkraft. Alle Pins in der gleichen Reihe betrachteten wir zur Vereinfachung als gleich. Für all die anderen, nicht kontrollierbaren Faktoren nahmen wir an, dass ihre Auswirkungen auf die nötige Zugkraft im Grunde vernachlässigbar sind. Auf der Basis der ANOVA-Ergebnisse konnte klar festgestellt werden, dass alle drei Faktoren (Lötzinntyp, Zahl der Temperaturzyklen, Position der Pin-Reihe) tatsächlich signifikante Auswirkungen auf die ausgeübte Zugkraft hatten.

Einige der Zwei-Wege-Interaktionen, obwohl signifikant, wurden in dieser Studie nicht berücksichtigt. Die Drei-Wege-Interaktionen hingegen waren insignifikant. Wir haben an dieser Stelle der Studie jedoch keine Erklärung dafür, warum in diesem Prozess die Position der Pin-Reihe einen Einfluss auf die nötige Zugkraft hat.

Das Auftreten von unterschiedlichen Ausfallarten verstärkt allerdings die Komplexität bei der Interpretation des Trends, der sich aus den Ergebnissen ergab. Wir können jedoch einen relativen Vergleich der absoluten Werte der erfassten Zugkraft vornehmen. Dabei lässt sich generell feststellen, dass sich das normale Wellenlöten nachteilig auf die Leiterplatte und die Bauteile auswirkt. Deutlich wird das daran, dass hier alle Lötstellen bei wesentlich niedrigeren Zugkräften (zwischen 150 bis 175 N) ausfallen, hingegen kann man bei SelectWave und MultiWave eine höhere Ausfall-Resistenz feststellen, denn hier liegen die Werte im Bereich von 200 bis 225 N. Dennoch sind alle diese Lötstellen, unabhängig davon ob sie nun Temperaturzyklen durchlaufen haben oder nicht, im Vergleich zu Reflow-Lötstellen als solide zu bezeichnen.

Von jedem der mit den unterschiedlichen Verfahren gelöteten Boards wurden Muster genommen, die zur Untersuchung des Querschnitts als Schliffbilder poliert und geätzt wurden. Damit konnte dann die Dicke der intermetallischen Schicht (IMC, Intermetallic Compound) zwischen der Wandung der Kupferhülse und der Lötstelle bestimmt werden. In Tabelle 12 sind die Mittelwerte aus 30 Messungen der intermetallischen Schichtdicke zusammengestellt (alle Angaben in µm). Eingesetzt haben wir hier für die Untersuchung der Muster die Rasterelektronenmikroskopie (REM). Wir konnten damit nachweisen, dass die Dicke der intermetallischen Schicht als Funktion der thermischen Zyklen anwächst, unabhängig vom jeweiligen Lötverfahren. Einige Ausnahmen konnten wir zwar beobachten, doch der allgemeine Trend ist, dass das Wachstum der intermetallischen Schicht mit einem exponentiellen Abklingverhalten zunimmt. Dieses Verhalten wurde im Grunde erwartet, entsprechend der Verteilung (Diffusion) der thermischen Energie während der Temperaturzyklen.

Zudem konnten wir anhand der Schnittbilder feststellen, dass in allen hier untersuchten Lötverfahren die Mikrorisse in Lötstellen oder Durchkontaktierungen von Stellen nahe des Lötstellen-Filets (Übergang bzw. Kehle zwischen Lot und Kupferhülse) ausgingen. Diese Rissbildung, die unter dem REM-Mikroskop an den Schliffbildern deutlich wird, waren am ausgeprägtesten wenn die Baugruppe über eine lange Zeit hohen Löttemperaturen ausgesetzt war. In den Bildern 13 und 14 sind die Querschnitte der Lötstellen mit diesen Effekten zu sehen.

Zusammenfassend lässt sich am Schluss kurz festhalten, dass es das Ziel dieser Studie war, die Ausbildung von Lötstellen bei den drei Verfahren Wellenlöten, SelectWave und MultiWave in ihrer Festigkeit zu untersuchen und zu vergleichen. Mit den Daten, die hierbei gewonnen wurden, lassen sich die Fertigungsprozesse optimieren und somit Lötfehler auf den Baugruppen minimieren. Zwar weist jedes dieser Lötverfahren spezielle Vorteile auf, doch war es auch Ziel dieser Studie, jene kritischen Bereiche zu definieren, die zu vermehrten Ausfällen führen können. Die mechanische Festigkeitsprüfung der Lötstellen zeigt, dass diese alle ziemlich solide sind, dennoch konnten wir wesentliche Unterschiede feststellen. Hier ist dann von entscheidender Bedeutung, welchen Temperaturen eine Baugruppe über welche Zeitspannen ausgesetzt ist.

 

EPP 419