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Brückenbildung und schlechte Lötstellen

Bleifreies Selektivlöten mit benetzbaren und nicht-benetzbaren Lötdüsen
Brückenbildung und schlechte Lötstellen

Die Auswahl der Lötdüse nach Typ und Größe hat beim Selektivlöten entscheidenden Einfluss auf die Qualität der Lötergebnisse. Viele Größen beeinflussen die Bildung der Lötstellen. Die physikalischen Eigenschaften der Lotlegierung wie Viskosität, Schmelzpunkt und Oberflächenspannung zusammen mit dem Lötdüsenmaterial sind ebenso wichtig wie die Prozessparameter. In diesem Beitrag ist dargestellt, welchen Einfluss benetzbare bzw. nicht-benetzbare Lötdüsen sowie deren Durchmesser auf die Ergebnisse beim Selektivlöten von Baugruppen haben. Die Sichtprüfung sowie die Auswertung der Lotbrücken zeigten, dass benetzbare Lötdüsen weniger Brücken erzeugen als die nicht-benetzbaren Ausführungen.

Ursula Marquez de Tino, Linlin Yang, Vitronics Soltec, Inc., Stratham (USA)

Die Untersuchung des Lotdurchstiegs mittels Röntgenanalyse ergab, dass die mit benetzbarer Düse hergestellten Lötstellen eine sehr gute Lotfüllung zeigten. Sie erfüllen auch die Anforderungen gemäß Standard IPC-610D, Klasse 3 (höchste Qualifikation). Generell lag der Füllgrad der Durchkontaktierungen etwas höher als bei Lötungen mit nicht-benetzbaren Lötdüsen. Der beste Füllgrad der Durchkontaktierungen wurde bei einer Lottemperatur von mehr als 300 °C und Düsendurchmessern von 8 mm (benetzbare Lötdüsen) bzw. 4 mm (nicht-benetzbare Lötdüsen) erreicht.
Die stetig steigende Komplexität und Bestückungsdichte der Baugruppen führt zu einer wesentlich höheren Anwendung von Selektivlötanlagen bei gemischt bestückten Boards. Beim Löten von geringeren Zahlen bedrahteter Bauelemente zeigt das Selektivlöten im Vergleich zum traditionellen Handlöten oder Wellenlöten mit Selektivlötrahmen sowohl bei der Qualität als auch bei der Durchlaufzeit deutliche Vorteile [1, 2]. Inzwischen sind die Erwartungen der Elektronikindustrie an die Leistungsfähigkeit der Selektivlötsysteme deutlich gestiegen. Zu den Anforderungen gehören unter anderem stabile und prozessfähige Lötprozesse, niedrige Fehlerraten und minimale thermische Auswirkungen auf die wärmeempfindlichen Bauelemente. Die Beherrschung der Prozessparameter im Selektivlöten ist grundlegend wichtig für den Erfolg der gesamten Boardfertigung. Diese Parameter ähneln teilweise denen des Wellenlötens, gleichzeitig folgen jedoch einige Parameter auch anderen Gesetzen. Zu den kritischen Parametern gehören Temperatur und Zeit der Vorheizung, Flussmittelmenge und Lottemperatur. Neben diesen Faktoren, die auch beim klassischen Wellenlöten eine Rolle spielen, sind beim Selektivlöten weitere Parameter zu beachten, die speziell vom Prozess und der Maschinenkonstruktion abhängen. Bei sequenziellen Roboter-Lötsystemen spielen die Wahl des Lötdüsentyps (benetzbar oder nicht-benetzbar), Düsengröße, Bewegungsablauf und Schleppgeschwindigkeit eine große Rolle für Qualität der Lötstellen und Durchlaufzeit [3, 4].
Lötdüsen im Fokus
Den Schwerpunkt dieser Studie bildet die Bewertung der Lötqualität in Abhängigkeit vom Lötdüsentyp. Bei einer benetzbaren Lötdüse fließt das Lot über alle Seiten entlang der Oberfläche ab. Bei nicht-benetzbaren Lötdüsen bildet sich ein definierter Meniskus über den Rand der Düse hinaus, denn das Lot fließt nicht entlang der Oberfläche. Düsenkonstruktion und Pumpgeschwindigkeit beeinflussen bei beiden Düsentypen die ausgebrachte Lotmenge. In Bezug auf Prozessfenster, Maschinenkonstruktion und Lötqualität haben beide Lötdüsentypen jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile.
Werden benetzbare Lötdüsen verwendet, können die Baugruppen aus jeder Richtung herangeführt und horizontal gehalten werden. Es gelten für alle Lötstellen gleiche Prozessbedingungen, unabhängig von der Transportrichtung hin zur Lötdüse. Die Wartung der Lötdüsen ist wichtig, um Stabilität und Leistung in Bezug auf Lothöhe, Oxidbildung und Prozess-Wiederholbarkeit sicherzustellen. Die Festlegung der Wartungsintervalle ist stark abhängig vom Material der Lötdüsen, Oberflächenbeschaffenheit, Flussmittel und Lot sowie Arbeitstemperatur.
Verwendet man nicht-benetzbare Lötdüsen, fließt das Lot an der hinteren Seite des Bauteilanschlusses ab. Dies unterscheidet sich nicht vom klassischen Wellenlöten. Ähnlich wie beim Wellenlöten wird die Baugruppe unter einem bestimmten Winkel gelötet, um die Bildung von Lotbrücken zu minimieren. Auch der nötige Abstand zu benachbarten Lötstellen verringert sich dadurch.
Bei der Untersuchung wurden 2,4 mm dicke Leiterplatten mit organischer Schutzbeschichtung (OSP) sowie drei unterschiedliche Bauteiltypen in Durchstecktechnik (THT) verwendet. Im Leiterplattenlayout sind durchkontaktierte Löcher vorgesehen, an die Leiterbahnen verschiedener Innenlagen angebunden waren. Bei den Pads wurde auf unterschiedliche Verhältnisse (Ratio) der Durchmesser von Pad/Durchkontaktierung geachtet. Die Bewertung der Baugruppen erfolgte durch Sichtkontrolle und Röntgenanalyse, um die Lötqualität bezüglich Brückenbildung und Lotdurchstieg quantifizieren zu können.
In der Studie wurden sowohl die Parameter der Maschine als auch der Lötdüsen berücksichtigt. Zu den Maschinenparametern gehören die Schleppgeschwindigkeit des Transportroboters und die Lottemperatur, als Lötdüsenparameter wurden Durchmesser und Typ der Düse bewertet. Es zeigte sich, dass diese Parameter einen entscheidenden Einfluss auf die Prozessausbeute haben. Der Düsendurchmesser beeinflusst in hohem Maß den Lotdurchstieg, insbesondere bei dickeren Leiterplatten wird mehr Wärmeenergie benötigt. Größere Durchmesser können mehr Energie liefern, ihre Größe ist jedoch durch die benachbarten Bauelemente begrenzt. Bei der Verwendung größerer Durchmesser können eventuell mehrere Vias gleichzeitig gelötet werden, wodurch sich die Zykluszeiten verkürzen.
Für den Versuch wurde eine 16-lagige, 2,4 mm dicke FR4-Leiterplatte verwendet. Als Leiterplattenmaterial wurde TU 752 mit einer Glasübergangstemperatur Tg von 170 °C und einer Zersetzungstemperatur Td von 350 °C gewählt. Die Lötstoppmaske besteht aus Probimer 65. Die Größe der Leiterplatte ist 140 mm x 178 mm. Die Leiterplattenoberfläche war mit organischem Überzug (OSP) gegen Umwelteinflüsse geschützt. Dieser Oberflächenschutz wurde gewählt, weil er sehr häufig als Ersatz für Heißluftverzinnung (HAL) eingesetzt wird und beim Lochdurchstieg sehr hohe Anforderungen stellt.
Das Layout der Leiterplatte umfasst sowohl Strukturen für SMDs als auch für bedrahtete Komponenten. Hier wurden jedoch ausschließlich bedrahtete Teile bestückt. Drei verschiedene bedrahtete Bauteiltypen wurden verwendet, sie sind für den Bleifreiprozess spezifiziert mit bleifreien Anschlüssen. Die vier 64-poligen, für hohe Temperaturen ausgelegen Steckverbinder weisen vergoldete Kontakte auf. Der Pindurchmesser ist 0,635 mm, das Rastermaß 2,54 mm. Die drei Plastik-Dual-Inline ICs (PDIP 16) mit matten Reinzinn-Anschlüssen haben Pindurchmesser von 0,381 mm und ebenfalls das Rastermaß 2,54 mm. Die 25 axialen Widerstände weisen Anschlüsse mit Reinzinn-Oberfläche und einem Durchmesser von 0,56 mm auf. Abgesehen von den DIPs wurden die Pins aller Bauelemente so abgelängt, dass sich ein Drahtüberstand von 1 mm ergab. Die DIPs hatten einen minimalen, noch erkennbaren Überstand. Dies entspricht den Anforderungen dem Standard IPC-610D, Kriterien der Baugruppen.
Es wurden zwei Düsentypen verwendet: nicht-benetzbare (NW, non-wettable) und benetzbare (W, wettable) Ausführungen. Der Hauptunterschied liegt im Fließverhalten des Lots. Bei den nicht-benetzbaren Lotdüsen fließt das Lot in einer Vorzugsrichtung ab. Deshalb ist hier eine Robotereinheit erforderlich, die beim Löten das Board neigt und dreht, um die Anschlüsse der Bauelemente zu erreichen. Bei den benetzbaren Lotdüsen fließt das Lot allseitig an der Düse ab. Deshalb ist weder eine Drehung, noch eine Neigung der Baugruppe erforderlich. Beide Düsentypen wurden mit unterschiedlichen Durchmessern verwendet. Die Innendurchmesser betrugen 4, 6 und 8 mm. Der Düsendurchmesser ist sehr kritisch, da er den Lochdurchstieg beeinflusst, speziell bei dickeren Leiterplatten, die eine höhere thermische Energie benötigen. Größere Düsendurchmesser können zwar mehr Energie liefern, ihre Größe ist jedoch durch die benachbarten Bauelemente begrenzt. Das Flussmittel Interflux IF2005 weist einen niedrigen Feststoffgehalt (1,8 %) auf. Es hat eine Wasserbasis und entspricht der L0-Klasse. Als Lot wurde die Legierung Sn 3 %Ag 0.5 %Cu (SAC 305) verwendet.
72 Leiterplatten wurden insgesamt bestückt, jede Kombination der Parameter im Versuch zweimal durchgeführt und die bedrahteten Bauelemente manuell bestückt. Die Selektivlötung erfolgte mit einer 6748 MySelective Lötmaschine, die mit Drop-Jet Fluxer, zwei Vorheizzonen mit IR-Lampenheizungen und einer Select-Welle ausgestattet war. Die Lötprofile wurden anhand von Spezifikationen des Flussmittelherstellers sowie eigenen Beobachtungen bei den ersten Durchläufen erstellt und optimiert. Die Einstellungen für die Öffnungszeit und die Frequenz des Drop-Jet-Fluxers lagen bei 2 ms und 150 Hz. Die Vorheizung wurde auf 55 % für 65 Sekunden eingestellt. Die mittlere Temperatur auf der Leiterplattenoberseite betrug zum Ende der Vorheizung 116 °C. Abhängig von Durchmesser und Typ der Lötdüse wurden die Steckverbinder in mehreren Durchläufen gelötet und in zwei Gruppen zu je zwei Steckverbindern angeordnet. Jeder Steckverbinder hat zwei Pinreihen. So müssen insgesamt vier Reihen gelötet werden.
Mit den benetzbaren Düsen (W) konnten bei den Durchmessern von 4 mm und 6 mm je zwei Pinreihen in einem Durchlauf gelötet werden. Bei Verwendung einer 8-mm-Düse waren es vier Reihen in einem Durchlauf bei einem Bewegungsmuster von vorwärts und rückwärts. Bei den nicht-benetzbaren Düsen (NW) wurden die Baugruppe für gute Lötergebnisse um 10 Winkelgrade geneigt. Bei 4-mm-Düsen konnte nur eine Pinreihe je Durchgang gelötet werden. Bei den 6- und 8-mm-Düsen konnten in einem Durchlauf zwei bzw. drei Pinreihen gleichzeitig gelötet werden. Das Bewegungsmuster war ausschließlich vorwärts.
Bewertung der Ergebnisse
Die fertigen Baugruppen wurden sichtgeprüft und Fehler wie Brückenbildung, Lotüberschuss und nicht gelötete (freiliegende) Padflächen protokolliert. Der häufigste Fehler war die Brückenbildung. Sie wurde durch Erfassung der an einer Brücke beteiligten Pins quantifiziert. Die mit benetzbaren Düsen hergestellten Lötstellen zeigten weniger Brückenbildung als die mit nicht-benetzbaren Düsen. Die anderen Fehlerarten zeigten bei einem Alpha-Level von 0,05 keine signifikanten Unterschiede. Als wesentliche Einflussgrößen für NW-Düsen bei der Brückenbildung sind Düsengröße, Lottemperatur und Bauteiltyp. Die Ergebnisse legen eine Lottemperatur von 300 °C oder mehr nahe. Bei den Steckverbindern trat die Brückenbildung verstärkt auf. Das ist jedoch auf die wesentlich größere Zahl der Fehlermöglichkeiten zurückzuführen. Bei den Düsendurchmessern zeigte sich eine verstärkte Brückenbildung bei der 6-mm-Größe. Für diesen Effekt liegt noch keine Erklärung vor. Für W-Düsen sind die Haupteinflussgrößen einer Brückenbildung Düsengröße, Bauteiltyp und Schleppgeschwindigkeit. Die Ergebnisse legen eine Düsengröße von mindestens 6 mm und eine Schleppgeschwindigkeit von 2 mm/s nahe. Bei den Widerständen trat die Brückenbildung verstärkt auf. Generell führten höhere Temperaturen (über 300 °C) und höhere Schleppgeschwindigkeiten (2 mm/s) zu geringeren Fehlerraten.
Bei der Betrachtung der Brückenbildung und deren Entstehungsmechanismen darf nicht vergessen werden, dass die Vermeidung von Lotbrücken durch Anwendung einer patentierten Anti-Brückenlösung (SDC-Modul) in der Lötanlage möglich ist. Diese Technik ist ausschließlich für nicht-benetzbare Lotdüsen verfügbar und wurde in diesem Versuch nicht angewendet. Sie hätte dazu geführt, dass sich die Ergebnisse für nicht-benetzbare Düsen in Bezug auf Brückenbildung deutlich verbessert hätten. Ziel dieses Versuchs ist es jedoch, für beide Düsentypen optimale Prozessbedingungen ohne solche Maschineneingriffe zu ermitteln und zu vergleichen.
Die Bewertung des Lotdurchstiegs erfolgte per Röntgenanalyse. Bei den Steckverbindern wurden nur die Durchkontaktierungen geprüft, die an acht Lagen angebunden waren. Als Inspektionsergebnisse wurden 0 und 1 vergeben: Wert 0 für Lötstellen, deren Lotdurchstieg weniger als 75 % betrug. Wert 1 für Lötstellen, deren Lotdurchstieg 75 % oder mehr betrug. Die Ergebnisse zeigten, dass benetzbare Lötdüsen etwas bessere Ergebnisse brachten als die nicht-benetzbaren. Der mittlere Prozentwert guter Lötstellen lag bei 67 % bzw. 62 %.
Haupt-Einflussgrößen für benetzbare Düsen bei einem Alpha-Level von 0,05 sind Durchmesser, Temperatur sowie der Bauteiltyp. Die Ergebnisse legen eine Düsengröße von 8 mm sowie eine Lottemperatur von 300 °C nahe.
Für nicht-benetzbare Düsen bei einem Alpha-Level von 0,05 zeigen sich als Haupt-Einflussgrößen der Durchmesser, Temperatur sowie der Bauteiltyp. Das optimale Prozessfenster für nicht-benetzbare Düsen liegt bei einem Durchmesser von 4 mm und einer Lottemperatur von über 300 °C. Bei benetzbaren Düsen ergaben sich mehr ungenügende DIP-Lötstellen, wenn die durchkontaktierten Löcher an sechs Lagen angebunden waren. Bei den Widerständen zeigten sich mehr schlechte Lötstellen, wenn vier Lagenanbindungen vorlagen. Der Steckverbinder zeigte eine eher geringe Abhängigkeit der Fehlerrate von der Zahl der angebundenen Innen- lagen. Bei den nicht-benetzbaren Düsen wurden für die Bauteiltypen DIP und Widerstand ähnliche Trends festgestellt. Bei den Steckverbindern gab es mehr schlechte Lötstellen, wenn die Lochdurchmesser größer als 1,09 mm und die Paddurchmesser größer als 1,78 mm waren.
Ausblick
Die Ergebnisse zeigen, dass benetzbare Lotdüsen weniger Lötfehler zur Folge haben, als nicht-benetzbare Lotdüsen. Die Neigung zur Brückenbildung geht deutlich zurück, wenn Düsendurchmesser von mindestens 6 mm verwendet werden und mit einer hohen Schleppgeschwindigkeit (2 mm/s) gearbeitet wird. Die Löttemperatur zeigte bei den benetzbaren Düsen keinen signifikanten Einfluss auf die Brückenbildung. Bei nicht-benetzbaren Versionen sind mindestens 300 °C Lottemperatur erforderlich. Bei der Röntgenanalyse des Lotdurchstiegs brachten benetzbare Düsen etwas bessere Ergebnisse, als die nicht-benetzbaren Ausführungen. Der beste Füllgrad der Durchkontaktierungen wurde bei einer Lottemperatur von mehr als 300 °C und Düsen-Durchmessern von 8 mm (benetzbare Lötdüsen) bzw. 4 mm (nicht-benetzbare Lötdüsen) erreicht. Die Optimierung der Designparameter für Durchkontaktierungen ist abhängig von den bestückten Bauelementen.
SMT/Hybrid/Packaging
Stand 7-430
 

Literatur
[1] O’Neil, T.: Selective Soldering in Lead-free Assemblies. SMT Journal, November 2006
[2] Klenke, B.: Implementing Selective Soldering-Selective Soldering Significantly Improves the Conversion Cost and Quality of Through-hole Interconnections in Complex PCB Assemblies. Circuit Assembly Magazine, May 2001
[3] Marquez, U., Barbini, D., Szymanowski, R.: Selective Soldering with Sn3.9Ag0.6Cu Process Development. SMTA International Proceedings, October 2004
[4] Marquez, U.:Selective Soldering with Pb-Free Alloys. Circuit Assembly Magazine, January 2008
[5] Thompson, B.: Selective Soldering: The New Wave. SMT Journal, November 2006
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