Alle waren sie da: vom Experten für Lotmaterialien, über Hersteller von Schablonendruckern, Druckschablonen und Lötanlagen bis hin zum Anbieter von Inspektionssystemen. Mit zehn Fachmännern avancierte die Podiumsdiskussion zur Elefantenrunde – ein neuer Rekord hinsichtlich der Podiumsdiskussion-Teilnehmer, denn noch nie stellten sich so viele Koryphäen auf einer productronica der einstündigen Diskussion. An Brisanz hat das Thema der voidarmen Lötprozesse nach wie vor nicht verloren. Vor allem seit der Umstellung auf die Bleifreitechnik sehen sich Elektronikfertiger mit diesem Phänomen im besonderen Maße konfrontiert. Im Zuge dessen, dass die Nachfrage nach hochzuverlässigen elektronischen Baugruppen stetig steigt, gilt es, den SMT-Fertigungsprozess weiter zu optimieren und aufeinander abzustimmen. Poren, Voids oder Lunker stellen nicht nur Qualitätseinbußen dar, sie können auch Risiken bergen, insbesondere dann, wenn sie sich an Stellen ausbilden, an denen bei Belastung erhöhte Spannungen innerhalb der Lötverbindung auftreten. Die nutzbare Leistung wird hierdurch begrenzt oder aber das Bauteil wird zerstört.
Im besonderen Fokus steht daher die Voidminimierung – und zwar so gut es geht. Auf dem Weg, Voids oder Poren möglichst vollständig aus dem flüssigen Lot zu entfernen, haben Lötanlagenbauer Technologien entwickelt, die für bestmögliche Lötprozesse bei gleichzeitig möglichst hoher Voidminimierung sorgen: Vakuum, Überdrucklöten, Silber-Sintertechnik, Dampfphasenlöten oder Diffusionslöten – der Anwender hat die Qual der Wahl. Um den Herausforderungen in der Leistungselektronik zu begegnen, sind allerdings noch weitere Stellhebel entlang des Fertigungsprozesses zu beachten, die in der Podiumsdiskussion erörtert wurden.

Den gesamten Prozess im Blick

Wie lässt sich also die Ausbildung einer optimalen intermetallischen Zone ohne Schädigung der Baugruppe und mit geringstmöglichem Porenanteil bewerkstelligen? Auf den Punkt gebracht: Das Allheilmittel ist noch nicht gefunden. Vielmehr ist es eine globale Frage, die sich in der Kürze einer einstündigen Podiumsdiskussion nicht so ohne Weiteres beantworten lässt. Für den Elektronikfertiger stellt sich das Problem besonders in der Power­elektronik, da haben sie eindeutig ein Zuverlässigkeitsproblem. Hingegen stellt sich in anderen elektronischen Applikationen die Frage, ob der Zuverlässigkeitsgrad über die gesamte Produktlebenszeit erforderlich ist oder nicht, weiß Viktoria Rawinski, Leiterin New Technology von Ersa, zu berichten: „Es gab auch Untersuchungen die zeigten, dass eine bestimmte Anzahl an Poren innerhalb einer Lötverbindung die Elastizität sogar erhöhen, allerdings nur, wenn sie homogen verteilt sind. Insofern ist die Frage, wann sind Voids kritisch? Bei Leistungselektronik sind sie es durchaus, denn die Luft – und damit auch die gasförmigen Einschlüsse – ist nunmal ein Isolator, weshalb die Wärmeabfuhr über große Flächen nicht gewährleistet ist und es somit zu Schädigungen des Bauteils kommen kann.“ Lotpastenhersteller können sicherlich einen Beitrag leisten, voidarme Verbindungen herzustellen, erläutert Dr. Nils Kopp, Leiter Forschung & Entwicklung von Elsold. Jedoch sind da alle Parteien entlang des Fertigungsprozesses gefragt: „Wir haben einfach zu viele Einflussfaktoren“, merkt er ergänzend an und schlägt dabei das Rad von der Lotpaste über den Druck- und Lötprozess.

Richtiger Lotpastenauftrag

Zusätzliche Poren resultieren meist aus Gasblasen von nicht aus der Lötverbindung verdrängten Flussmittelbestandteilen. Deshalb wird bei der Lotpastenauswahl ein großes Augenmerk auf das Flussmittel gelegt. Im Lötprozess selbst wird eine schnelle Benetzung angestrebt, was bei bleifreien Lotlegierungen nicht immer einfach zu erzielen ist. Auch spielen die Lotpaste, der Lötprozess und die Leiterplattenoberfläche ebenso eine Rolle wie eventuell unterschiedliche Legierungen der Lotpaste und der Balls sowie die Konstruktion des BGAs selbst. Ein wesentlicher Aspekt dabei ist der Lotpastenauftrag, weshalb Harald Grumm, Applikationsleiter von Christian Koenen*, betont: „Was nicht an gasbildenden Substanzen in der Lötverbindung ist, wird nicht ausgasen. Als Schablonenhersteller konzentrieren wir uns beim Schablonenlayout darauf, Lotpaste nur dahin zu bringen, wo sie hingehört und auch das Lot so zu verteilen, dass es möglichst gut ausgasen kann.“ Dabei entstünden viele der Gase erst wenn das Lot flüssig sei, räumt er ein: „Insofern sind wir etwas limitiert, aber Tatsache ist: Je weniger gasbildende Substanzen  wir  einbringen, umso positiver die Effekte.“ Deshalb spielt die Geometrie der Aperturen eine entscheidende Rolle. So darf das Pastendepot nicht so groß ausfallen wie die Abmessungen der Massefläche und ab 7 mm Öffnungslänge sollte ein Steg die Schablonenöffnung unterteilen, damit das Rakel nicht einen Teil der Lotpaste ausschöpft, also die Oberfläche wie eine Schale gestaltet. „Auch lässt sich über die Öffnungsanzahl und Größe bestimmen, wie die Lotpaste aufgetragen wird: ob ich sie sehr dünn aufbringe, vollflächig arbeite oder ob ich kleine Depots drucke, die höher sind und auf diese Weise einen Ausgasungskanal länger offenhalten, was wir auch schön nachweisen konnten“, berichtet Grumm, der von Dr. Hans Bell, Forschungsleiter von Rehm Thermal Systems, sogleich Gegenwind bekommt: „Den letzten Halbsatz würde ich streichen: Es gibt sehr schöne Untersuchungen, die am Fraunhofer ISIT unter der Leitung von Dr. Max H. Poech durchgeführt wurden.“ Dabei wurden mittels In-Situ-Röntgenuntersuchungen die Lotdeposite sozusagen aufgefächert, mit dem Ergebnis, dass „in dem Augenblick wo die Kanäle zur Ausgasung eigentlich da sein sollten, im schmelzflüssigen Zustand des Lotes es gar keine Kanäle mehr gibt. Sondern: Die Kanäle fließen schon in der Vorheizung zu, durch das Flussmittel, was wir nunmal in der Lotpaste haben“.

Die Tücken des Flussmittels

Beim Thema Flussmittel sind die Lotpastenhersteller gefragt. Für Dr. Nils Kopp von Elsold steht außer Frage, dass Flussmittel in Lotpasten verschiedene Effekte auslösen, die Voids beeinflussen – allen voran das Lösemittel. Während man früher dafür sorgte, dass das Lösemittel möglichst früh verdampfte, was ein sehr schnelles Erhärten der Lotpaste zufolge hatte, geht man heute dazu über, hochsiedende Lösemittel zu verwenden, um diese Gasentstehung von vornherein zu vermeiden. „Dadurch haben wir zum einen ein Austragen des Lösemittels mit den Harzresten und zum anderen ein langsames Verdunsten selbiger, wodurch deutlich weniger Gas entsteht“, erklärt er. Weitere Flussmittel-Komponenten wie das Harz spielen ebenfalls eine Rolle: Probleme wie das Cracken des Harzes bei zu hohen Temperaturen, wodurch sich auch Gase ausbilden können, werden heute durch chemisch-modifizierte Harze, die zudem thermisch sehr stabil sind, minimiert. „Was natürlich auch eine Rolle spielt, ist die Aktivität der Paste und die Benetzung selbst hat einen wesentlichen Einfluss auf die Voidbildung.“
Zum weiten Thema Chemie und Flussmittel schlägt Sebastian Clärding, Applikationsingenieur von Pink Thermosysteme, mit der Verwendung von Preforms eine alternative Technologie vor, die in der Leistungselektronik mittlerweile häufig angewendet wird. „Dabei handelt es sich um einen komplett flussmittelfreien Lötprozess, den wir in unseren Anlagen mit Ameisensäureaktivierung durchführen. In einem Handstreich sind viele der bereits genannten Voidursachen eliminiert.“ Nicht dass der Prozess voidfrei wäre, relativiert Clärding: „Da braucht man trotzdem noch eine aktive Voidreduzierung. Dies geschieht bei unseren Anlagen durch Vakuum. Aber ich habe schon eine ganz andere Startlinie und viele eventuell problematische oder zu optimierende Vorprozesse komplett beseitigt.“ Doch auch diese Technik kommt ohne Nachteile nicht aus, wie Clärding anmerkt: „In der Leistungselektronik sind Fixierungen notwendig, welche die Preforms und die Produkte an Ort und Stelle halten, weil die Klebefunktion des Lotmittels und der Paste fehlt. Aber das ist prozesstechnisch wieder ein neuer Aufwand, der hinzukommt. Und so hat jede Technologie wie immer ihre Vor- und Nachteile.“

Druckprozess im Visier

Mit Verweis auf den Arbeitskreis „Voidfreies Löten“ nimmt Dr. Hans Bell von Rehm den Faden hinsichtlich des Schablonendrucks wieder auf und merkt ergänzend an: „Eines der Ergebnisse war, dass mit der Erhöhung des Pastendeposits für Flächenlötungen wie etwa für Siliziumchips, Mosfets und QFNs gemeinhin eine Verringerung der Voidrate signifikant nachweisbar ist.“ In die gleiche Kerbe schlägt auch Jens Katschke, Produktmarketing Manager von ASM Assembly Systems: „Wir können im Schablonendesign den Lotpastenauftrag beeinflussen und dadurch die Möglichkeit bieten, dass die Gase entweichen können“, nimmt er Anlauf um sogleich auf einen weiteren Aspekt des Lotpastenauftrags aufmerksam zu machen: „Auch die Unterseitenreinigung ist sehr wichtig, sie muss einwandfrei funktionieren und präzise eingestellt sein.“ Wichtig seien auch die Materialien, mahnt er: „Sehr oft kommen Materialien aus China zum Einsatz, weil sie günstiger, jedoch für die Unterseitenreinigung nicht geeignet sind.“ Diese  führen häufig dazu, dass das aufgetragene Medium sich soweit im Papier beziehungsweise Vlies verteilt, dass keine trockene Reinigung mehr möglich ist.“
Wie wichtig die Schablonenreinigung ist, untermauert auch Torsten Vegelahn, Produktmanager von Ekra: „Mit dem Schablonendruck sind wir ja relativ weit vorne in der gesamten Prozesskette und dazu gehört auch eine Schablonenreinigung“, merkt er an und fügt hinzu: „Heutzutage haben wir Reinigungsmittel, die sehr stark wasserbasierend und wenig Lösemittel-basierend sind. Und da kommt es darauf an, dass eine Schablonenreinigung auch diese Schablone trocknet und nicht nass hält. Eine nasse Schablone würde diese Feuchtigkeit wiederum auf die Leiterplatte transferieren, was dann ziemlich fatale Folgen am Ende der Produktionskette hat.“
Vegelahn lenkt die Aufmerksamkeit auf die gern als Allzweckwaffe bezeichnete Plasmabeschichtung der Schablonenunterseite, die sich erheblich auf das Trocknungsverhalten auswirkt. „Wir konnten in Versuchen nachweisen, dass eine beschichtete Schablone wesentlich schlechter trocknet als eine unbeschichtete Schablone. Wenn man das nicht in der Fertigung beachtet, dann wundert man sich am Ende, warum seine Prozesse ganz anders sind, obwohl man doch eine besonders gute, eine besonders hochwertige Schablone einsetzt. Gerade die Oberflächenspannung wird ja da nennenswert verändert.“ Als Plasma-Pionier kann Harald Grumm von Christian Koenen nicht umhin, als dazu anzumerken: „Die Plasmaschicht hat die Aufgabe, ein Unterwandern der Schablone zu minimieren, sie bewirkt aber auch, dass sich eine Flüssigkeit zu Tropfen zusammenzieht. Dadurch wird ein Abtrocknen deutlich erschwert, weil die Oberfläche des Mediums kleiner wird. Das kann man in den Parametern der Reinigung wunderbar berücksichtigen.“ Auch wenn die Plasmabeschichtung eine höhere Standzeit erlaubt, beim späteren Reinigen müsse man den Trocknungsprozess genau im Blick haben und darauf achten, dass die Schablone wirklich gut getrocknet ist. „Das gilt aber nicht nur für Plasmaschablonen, sondern auch für normale Schablonen, weil alles was auf der Unterseite der Schablone ist, ist früher oder später auch auf eine der nächsten Leiterplatten. Eine qualitativ hochwertige Reinigung der Schablone ist, durch die Miniaturisierung der Bauteile, nicht nur in Hinsicht auf Voids wichtig, sondern für den Gesamtprozess von großer Bedeutung.“

Generische Effekte begünstigen Voids

Man muss natürlich auch unterscheiden zwischen den generischen Effekten, die Voids produzieren. Einen generischen Effekt hat tatsächlich auch die Leiterplatte an sich. „In der Norm
IPC 610 gibt es eine schöne Auflistung über die verschiedenen Voids wie etwa die Microvia-Voids oder Kirkendall-Voids“, nimmt Dr. Hans Bell von Rehm Anlauf und führt weiter aus: „Darin sind Indizien beschrieben, die eben nicht von der Chemie der Pasten und Druckprozesse stammen, sondern aus der Chemie der Leiterplattenoberflächen selbst. Das ist ein generischer Effekt, den man ernst nehmen muss.“ Man könne zwar als Lötanlagenbauer gute Vakuummaschinen bauen, aber: „Die nutzten natürlich wenig, wenn Anwender von schlechtem Material erwarten, der Vakuumanlage den ‚Wolpertinger‘ in der Fertigung zu haben.“ Das sieht Claus Zabel, Geschäftsführer von Asscon Systemtechnik-Elektronik ähnlich: „Das Thema beim voidarmen Löten ist doch, dass man die gesamte Prozesskette auf seinem Shopfloor auf eine andere Ebene bringen muss, und sich heute auch um Themen kümmern muss, die man vielleicht ohne die Vakuumlötung vorher etwas stiefmütterlich behandeln konnte. Dabei meine ich gewisse Design-No-Gos auf der Leiterplatte selbst.“
Ein Beispiel aus der Leistungselektronik soll dies veranschaulichen: Sehr häufig werden in der Wärmeableitfläche des Leistungsbausteins Vias gesetzt, um auch wärmeableitende Flächen im Inneren anzubinden. Durch den Kostendruck wird häufig auf ein Pluggen verzichtet. An jenen Bohrlöchern passiert es dadurch häufig, dass das Lot durch die Kapillarkräfte einfach „abgesaugt“ wird beziehungsweise an völlig anderen Stellen auf der Platine abwandert – also genau da, wo sich das Lot keinesfalls befinden sollte, weshalb Zabel bekräftigt: „Beim Thema Leiterplattenlayout haben wir die Erfahrung gemacht, dass es sinnvoll ist, den Kunden an die Hand zu nehmen.“ Dabei sei es unabdingbar, den Kunden die Problematik ausführlich darzustellen und ihnen begreiflich machen, dass „es einfach nicht reicht, etwas mehr Geld für eine Lötanlage auszugeben und alles wird gut.“ Vielmehr gelte es, „noch zusätzlich in den Wissensaufbau, also in F&E zu investieren, um am Ende einen rund laufenden Prozess zu haben.“
Das ist Musik in den Ohren von Jens Katsche von ASM. Mit Blick auf Design-for-Manufacturing mit wenig gelungenen Wechselspielen zwischen Leiterplattenbohrungen und Lotpads oder auch zu nah am Außenrand der Platine angebrachten Bauelementen wünscht er sich: „Nicht nur im Voidbereich, sondern in der elektronischen Baugruppenfertigung allgemein wird man manchmal mit Layouts konfrontiert, wo es das eine oder andere Mal sinnvoll wäre, mit dem Designer direkt in die Fertigung zu gehen um ihm zu zeigen, mit welchen vermeidbaren Schwierigkeiten man auf Grund seines Layouts konfrontiert wird.“
Dr. Andreas Reinhardt, Forschungsleiter von Seho Systems, springt auf den relativ großen Interpretationsspielraum der IPC-Norm auf: In der neuesten Normausgabe wurde der Wert des Voidanteils in der BGA-Lötstelle auf 30 Prozent erhöht: „Einerseits hat man das Gefühl, die Anforderungen in der AVT werden immer strikter. Andererseits geht die Normung eher großzügiger mit dem Voidanteil um“, moniert er und merkt weiter an: „Man kann eben nur betonen, dass man nicht ins Blaue hinein irgendeinen Grenzwert festsetzen sollte, der dann für die gesamte Baugruppe gilt.“ Es gelte vielmehr, wirklich bauteilspezifisch vorzugehen. „Werden bei einem digitalen IC irgendwelche Grenzen überschritten, dann hat dies absolut Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit des ICs, aber auch auf die Sicherheit der gesamten Baugruppe.“ Aber es gebe auch noch weitere Möglichkeiten, erklärt Reinhardt: „Mit dem richtigen Pastendruck kann man sich an Untergrenzen heranarbeiten und in der Lötanlage dann noch alles rausholen, was möglich ist. Aber das sollte sich dann wirklich auf Sonderanwendungen reduzieren, die dezidiert diese Notwendigkeit haben.“

Voids zuverlässig detektieren

Doch Claus Zabel von Asscon ist bereits einen Gedankenschritt weiter: „Viele Leute kommen völlig entrüstet zu uns, weil sie das erste Mal ihre Produkte unterm Röntgengerät gesehen haben.“ Der hohe Anteil an Gaseinschlüssen macht ihnen zu schaffen und mischt sich schnell mit der leisen Anklage ob der richtigen Lötanlage. Doch Zabel wehrt ab: „Seit der Mensch lötet, gibt es Blasen in den Lötverbindungen und viele Produkte funktionieren dennoch hervorragend.“
Das gelte auch für Leistungsbausteine: Selbst mit Voids ließen sie sich seiner Ansicht nach „sehr gut und langlebig auslegen. Ich darf jedoch dem Leistungsbaustein nicht 100 Prozent seiner theoretischen Leistung zumuten.“ Auch dass sie sich nicht nach Gusto definieren ließen, erschwert die Optimierungsbestrebungen hinsichtlich voidfreier Elektronikproduktion: „Wir alle leben auch von der Forschung und Entwicklung und es gibt halt leider keine Möglichkeit zu sagen, ich definiere mir jetzt 27 Prozent Voids, die ich in unterschiedlichen Maschineneinstellungen mit verschiedenen Lotmaterialien und Parametern ausprobiere. Die Voids kommen und gehen wie sie wollen, mal hier mal dort. Das macht es auch sehr, sehr schwierig, entsprechende Forschungsarbeit zu betreiben.“
Es sei deutlich zu erkennen, dass der Test oder die Inspektion immer weiter in Richtung Produktion vordringt, weiß Olaf Römer, Geschäftsführer von ATEcare, zu berichten. „Da treffen wir uns dann alle wieder“, lacht er in die Runde. Denn das wichtigste Instrument rund um den Lotpastenauftrag ist das SPI. Das Akronym steht für Solder Paste Inspection, zu Deutsch: Lotpasteninspektion. Ließen sich früher nur Bildvergleiche bewerkstelligen, so ist die Technik heute viel weiter, erlaubt sie doch, Strukturen zu erkennen und Voluminas aufzuzeigen. Doch damit ist noch lange nicht das Ende der Fahnenstange erreicht, erläutert Römer: „Mittlerweile kann ich den Lotpastenauftrag auch in 3D mittels AOI inspizieren. Selbst Ausgasungen an den Oberflächen sind – gerade im THT-Bereich – sehr gut strukturierbar testbar.“ Doch auch diese Technologie stößt an ihre Grenzen, weshalb er den Ball von Claus Zabel aufnimmt und nahtlos in die Röntgeninspektion überleitet: „Röntgen ist die Nummer 1, was das Detektieren der Einschlüsse anbelangt“, bekräftigt er und verweist ein Faktum: „Es ist nicht nur die Frage, ob ich jetzt ein Voiding oder Lunker habe oder welche Strukturen ich auch immer inspizieren will – ich will wissen WO die sind!“
Eine Gut-Schlecht-Sortierung reicht da schon lange nicht mehr aus: Inspektionssysteme sind heute Prozessindikatoren. Das Wissen, wie hoch der prozentuale Voidanteil ist, sei die eine Seite der Medaille, die andere wo genau sie sitzen und an welchen Stellschrauben man dann im Druckprozess schließlich drehen müsse. Am Beispiel eines BGAs veranschaulicht er dies: „Habe ich beispielsweise ein Voiding von 8 bis 10 Prozent in meinem BGA-Ball, will ich wissen, wo genau sich diese befinden: Sind sie vielleicht an der Kontaktfläche oder an irgendeiner anderen Stelle? Mit einer einfachen Durchleuchtung von oben wird dies nicht zu erkennen sein. Wenn ich allerdings dreidimensional röntge – und da gibt es mittlerweile einige Anbieter in dem Segment – dann kann ich sehr wohl das Ganze prozesstechnisch vermessen und hernehmen.“
Ähnlich wie Claus Zabel hat auch Römer oft die Erfahrung gemacht, dass Kunden zur Evaluierung eines Inspektionssystems kommen und ihre mitgebrachte Leiterplatte einer Röntgeninspektion unterziehen: „Manchmal auch aus bloßer Neugierde. Wir sind uns alle einig, dass sich in Lötverbindungen Blasen befinden können – die Frage stellt sich oft, wo und wie groß – und dennoch staunen sie, wie viel Luft darunter ist. Das ist das, was die Kunden überhaupt nicht erwarten.“ Dabei ginge es nicht um 5 oder 10 Prozent Luftanteile oder Einschlüsse, merkt er an, sondern um deutlich höhere Voidsanteile: „Und dann wird es wirklich kritisch, weil viele Kunden das überhaupt nicht auf dem Radar haben.“ Rein von der Optik her (im AOI-Bereich) schaut eine solche Lötverbindung „wunderbar aus, sie ist schön ausgeformt mit allem drum und dran.“ Doch erst die Röntgeninspektion offenbart, was zuvor nicht sichtbar war: „Bei Hochstromanwendungen, gerade im Automotive-Bereich, ist die Löstelle auch eine Verfestigung letztendlich und da sehr, sehr wichtig.“ Deshalb stünden Elektronikfertiger mit den vielen Mischformen auf der Platine vor der Herausforderung, das richtige Lötprofil zu finden. „Das ist immer eine Kompromisslösung.“ Das will Sebastian Clärding von Pink so nicht stehen lassen: „Die aktuellen Entwicklungen im Hochleistungsbereich gehen hin zu immer höheren Leistungsdichten und höheren Schaltfrequenzen wie mit Silizium-Carbid- oder Gallium-Nitrid-Halbleitern. Da sind wir dann in einer Welt, wo es wirklich um jedes Prozent und jedes einzelnen Void, jeden Lunker geht.“
Da müsse sich auch der Lötprozess mit der Weiterentwicklung von Technologien kontinuierlich anpassen: „Wir sehen das Silbersintern klar im Vorteil, weil Lunker dann schon gar keine Frage mehr sind und man sich in ganz anderen Qualitätsfragen bewegt. Lunker kommen zumindest bei den druckbeaufschlagten Sintern überhaupt nicht mehr vor.“ Das bleibt nicht ohne Seitenhieb von Dr. Hans Bell von Rehm: „Der Kristallograph muss hier auf den Sprachgebrauch kommen. Sie haben Recht: beim Sintern werden wir Lunker haben, beim Löten haben wir manchmal Lunker aber meist Poren, die wir Voids nennen. Es ist ganz wichtig, dass man das betont.“ Einen Lunker könne man nicht vermeiden, will man bleifrei Löten mit SAC – also Zinn-Silber-Kupfer. Da werde man immer Erstarrungslunker meist an der Lotoberfläche haben, da das Lot dendritisch erstarrt. „Deshalb sehen bleifreie Lötstellen stumpf aus. Wenn Sie sintern, was ja auf Ihren Maschinen und mit entsprechenden Pasten wunderbar geht, dann können Lunker entstehen und Sie werden kaum
Voids sehen. Wer lötet, hat  es im Wesentlichen mit Voids zu tun.“ Worauf Sebastian Clärding sich bemüßigt fühlt zu widersprechen: „Sie haben sehr wohl eine Möglichkeit, Erstarrungslunker während des Lötprozesses zu beeinflussen. Wir hatten erst vor kurzem den Fall bei einem großen deutschen Hersteller mit großflächigen Anbindungen von DBCs auf Grundplatten. Dabei haben sich immer Kühllunker an den Rändern gebildet, die wir erfolgreich verhindern konnten, nicht durch die Anwendung von Vakuum, sondern durch eine gezielte, gerichtete Kühlung und der Erzeugung eines Temperaturgradienten der Lötmasse. Es also durchaus möglich, auch Lunker zu verhindern und nicht nur Voids.“ Daraufhin lenkt Hans Bell ein: „Also im Einzelfall kann man natürlich gezielt Dinge beeinflussen. Da gebe ich Ihnen schon recht, das ist schon richtig.“n

*Harald Grumm hat Christian Koenen zum Jahresende verlassen, um sich bei Ersa als Projektmanger Schablonendruck neuen Herausforderungen zu stellen. Seit 01. Januar 2016 zeichnet daher Sebastian Bechmann als neuer Applikationsleiter bei Christian Koenen verantwortlich.

 

podiumsdiskussion während der productronica 2015

Die von Productronic exklusiv organisierte und durgeführte Podiumsdiskussion hatte zum Thema „Voidarme Lötprozesse für hochzuverlässige elektronische Baugruppen in der Automobilelektronik“ und fand am zweiten Messetag im Speakers Corner in Halle A1 statt. Die teils kontroverse Diskussion wurde von zehn Experten entlang des SMT-Lötprozesses durchgeführt. Die Teilnehmer waren (in alphabetischer Reihenfolge):

  • Dr. Hans Bell, Forschungsleiter von Rehm Thermal Systems
  • Sebastian Clärding, Applikationsingenieur für Vakuum- und Sinterlötanlagen von Pink Thermosysteme
  • Harald Grumm*, Applikationsleiter von CK Christian Koenen
  • Jens Katschke, Produktmarketing Manager ASM Assembly Systems
  • Dr. Nils Kopp, F&E von Elsold
  • Viktoria Rawinski, Leiterin New Technology von Ersa
  • Andreas Reinhardt, Forschungsleiter von Seho Systems
  • Olaf Römer, Geschäftsführer von ATEcare
  • Torsten Vegelan, Produktmanager von Ekra
  • Claus Zabel, Geschäftsführer von Asscon Systemtechnik-Elektronik

    voids, poren, Lunker

    Es gibt fundamentale Unterschiede zwischen Lunker und Voids. Voids sind Poren und Blasen, also gasgefüllte Hohlräume, die durch eine sphärische Form gekennzeichnet sind. Hingegen sind Lunker Erstarrungsphänomene, die aus der Metallurgie selbst heraus erwachsen. Lunker entstehen durch das Zusammenwirken von Flussmittelchemie und Lotlegierung beim Reflow-Lötprozess. Es ist sehr schwierig vom Standpunkt einer Ausbildung einer intermetallischen Phase etwas über die Zuverlässigkeit eines ganzen Systems zu sagen.

    schwammige ipc-Normen

    Die IPC-Normen haben es in sich, da sie viel Interpretationsspielraum zulassen. Daher dürfe man getrost die obere und untere Limitationsgrenze durchaus ausreizen, sind sich die Experten einig. Bliebe man im Spielraum, habe man immer noch eine „State-of-the Art“-Baugruppe und damit zunächst ein gutes Produkt produziert. Während die IPC610 für BGAs irgendwo sehr schwammig formuliert, eine Voidsrate von bis zu 30 Prozent zulässt, gibt es bei den Normen IPC7095, die LGAs (Botton Termination Components), etc. beschreibt und die IPC7093 für QFNs keine konkrete Festlegung, sondern lediglich den Verweis darauf, dass diese Bauteile wie BGAs (also wie IPC610) spezifiziert sind und damit ebenfalls eine Voidrate von bis zu 30 Prozent zulässig ist. Also bleibt es am Know-how der Elektonikfertiger und ihrem Kalkül, was für Voidraten für die jeweilige Power-Elektronik vertretbar sind. Indes, wenn hohe Leistungen abgeführt werden, dann ist es tatsächlich notwendig, die 1-Prozent-Marke zu unterschreiten.

    hat Luftfeuchtigkeit Einfluss auf Voids?

    Die Jahreszeiten Winter und Sommer mit ihren jeweiligen Ausschlägen ins Extreme sind immer wieder Gegenstand von Spekulationen. Sind etwa im Sommer mit einer Luftfeuchtigkeit von 40 bis 60 Prozent zu rechnen, rutschen diese Werte im Winter auf lediglich 10 bis 15 Prozent ab. Die Frage scheint daher nicht unberechtigt. Dr. Hans Bell von Rehm schöpft aus den Erfahrungen, die die TU Dresden anhand von diversen Untersuchungen erzielt hat. Dabei wurden Baugruppen mit Feuchte beladen und analysiert, wie sich die Voidrate im Vergleich zu Referenz-Boards verhalten. „Die Untersuchungen zeigten, dass es keinen signifikanten Zusammenhang zwischen einer Feuchtebeladung und den Voidraten gibt. Das Gros passiert tatsächlich durch die metallurgische Interaktion aller Chemie und aller Metalle, die miteinander reagieren“, erläutert er und gibt zu bedenken, dass sich die Feuchte innerhalb der Paste befinden müsste. Doch auch hier gibt es Vorschriften, die einzuhalten sind. Selbst eine Leiterplatte, die der Feuchtigkeit ausgesetzt wurde, könnte die Voidsbildung dergestalt nicht beeinflussen: „Die Oberflächenspannung eines schmelzflüssigen Lotes erlaubt es nicht, dass ein Gas in ein schmelzflüssiges Lot hineingeht. Die Feuchte, die von außen kommt – und sei es die Kondensfeuchte – macht keine Probleme, weil diese schon in der Vorheizung eliminiert wird.“ Hingegen hat Olaf Römer von ATEcare die Erfahrung gemacht, dass es bei der Inspektion durchaus sein kann, dass“das Volumen, was bei der Paste aufgenommen wird zwar relevant zu den Daten ist, die es eigentlich haben soll, aber: „Die Struktur stimmt nicht mehr. Es entstehen gewisse Peaks oder auch Kesselbildungen. Das ist in der Inspektion ein großes Thema, da wir nicht genau wissen, wo genau es herkommt.“ Jens Katschke von ASM verweist darauf, dass im Druckprozess weniger die Luftfeuchtigkeit als vielmehr Temperaturschwankungen ein Thema sind: „Der Druckprozess reagiert auf Temperaturschwankungen sehr empfindlich, weshalb durchaus die Frage berechtigt ist, wie hoch die Schwankungen sind und wie klimatisiert dementsprechend die Fertigung ist.“ Denn entsprechend würde die Lotpaste reagieren, weshalb der Druckprozess laufend angepasst werden muss, um eine konstant hohe Druckqualität sicherzustellen.