In den Tests zur Leistungsfähigkeit von Lotpastenmaterialien treten häufig prozessbedingte Schwankungen auf. Das erschwert einen Vergleich. Doch gerade auf Masseflächen ist es zwingend notwendig, Materialien zu finden, welche geringe Voiding-Bildung (Fehlstellen) aufweisen. Auch in BTC-Komponenten (bottom termination components) ist Voiding häufig ein Problem. Hersteller geben Prozessempfehlungen, wie zum Beispiel Werkstoffmodifikationen oder Ergänzungen wie Preforms, oder Hinweise auf das Pad- oder Schablonendesign, auf die Via-Positionierung oder das Reflowprofil. Übereinstimmend heißt es in ihren Veröffentlichungen: Sollte die Benetzung der Bauteile und der Leiterplatte schlecht sein, gibt es eine Zunahme von Voiding; reicht das Lotvolumen nicht aus, nimmt Voiding ebenfalls zu. Der zweite Mechanismus, der zur Void-Bildung beiträgt, ist das Einschließen von flüchtigen Lot-Bestandteilen.

standardisiertes Testboard für die Tests zum Voiding

Die Testingenieure von Indium verwendeten für ihre Tests ein standardisiertes Testboard. Im Bild ein Beispiel für die Komponenten und Pads auf dem Board. Indium

Indium Corporation, ein amerikanischer Hersteller von Lötmaterialien, untersucht nun den Zusammenhang zwischen Schablonendesigns und Lotvolumen in Bezug auf das Voiding. Anhand mehrerer Studien gewannen die Testingenieure eine Reihe aufschlussreicher Daten. Sie griffen dabei auf standardisierte Testmethoden zurück. Diese verfeinerten sie anschließend im Advanced Materials and Process Development Lab des Unternehmens.

Schablonen-Design mit unterschiedlicher Lotbedeckung des Thermopads

Von Amkor Technology, einem großen Halbleiterhersteller, vorgeschlagenes Schablonen-Design mit unterschiedlicher Lotbedeckung des Thermopads. Indium

Vier Testreihen zum Voiding-Verhalten

Für die Tests im Indium-Lab wurde ein kommerziell verfügbarer Versuchsträger mit 12 QFN-Bauelementen auf der Reflowseite verwendet. Bei diesen Komponenten handelt es sich um Amkor MLF68s, Abmessung 10 mm, platziert mit einem Pitch-Abstand von 0,5 mm, mit einem matten Sn-Finish. Die Leiterplatten weisen eine OSP-Oberfläche auf.

Ein kurzer Überblick über die einzelnen Studien:

  • Fallstudie 1:   Um SAC305-Lotpasten miteinander zu vergleichen, wurden zwei verschiedene Reflowprofile angewendet. Diese Prüfung führten die Testingenieure mit der ursprünglichen Schablone für die Testplatine durch.
  • Fallstudie 2:   Screening-Test bei entwicklungsbegleitenden Arbeiten für hochzuverlässige Legierungen mit unterschiedlichen Flussmitteln. Diese Prüfung wurde mit der originalen Schablone durchgeführt, die für das Board entwickelt wurde. Indium erläutert die Daten zweier verschiedener Reflowprofile.
  • Fallstudie 3:   Hier werden Legierungen aus feinem Pulver mit niedrigem Silberanteil verglichen. Die Testingenieure testen Materialkombinationen mit einem modifizierten Schablonen-Design.
  • Fallstudie 4:   Best- und Worst-Case Vergleich: In diesem Vergleich wurden zwei Standardmaterialien, die jeweils als Best- und Worst-Case ausgewählt wurden, mit den drei verschiedenen Schablonen-Designs aufgedruckt.
Bild 3: Die Abdeckung der Fläche durch das vorgegebene Schablonen-Design von Amkor Technology beträgt 75,1 %.

Bild 3: Die Abdeckung der Fläche durch das vorgegebene Schablonen-Design von Amkor Technology beträgt 75,1 %. Indium

In allen Tests wurde die Paste per Schablone mit minimalem Rakeldruck bei 100 mm/s auf die Testboards gedruckt. Die Komponenten wurden mit Bestückungsautomaten platziert. Die Boards durchliefen dann einen 10-Zonen-Reflowofen mit Luftatmosphäre. Das Profil war ein übliches Rampe-Peak-Profil, sofern nicht anders angegeben ist.

Einfluss des Schablonen-Designs

Bild 4: Die Testingenieure der Indium Corporation änderten das Schablonen Design ab, um das Voiding-Verhalten zu überprüfen.

Bild 4: Die Testingenieure der Indium Corporation änderten das Schablonen Design ab, um das Voiding-Verhalten zu überprüfen. Indium

Die vorgeschlagenen Designs des Elektronik-Herstellers Amkor Technology in seinen ‘Application Notes‘ weisen alle eine unterschiedliche Lotbedeckung auf. Die Flächenbedeckung liegt bei diesen Designs zwischen 37 und 81 %.

Das ursprüngliche Schablonendesign teilte den Thermopad-Bereich in neun quadratische Depots mit einem weiten fensterförmigen Muster auf. Die Flächen zwischen den einzelnen Depots waren 20 mil (500 µm) breit. Die Berechnungen der Grundflächen ergaben, dass die Abdeckung der Fläche 75,1 % beträgt. Dies liegt innerhalb des vorgeschlagenen Bereichs.

Wird eine geometrische Berechnung für die 5-mil-Schablone (125 um dick) durchgeführt und dabei davon ausgegangen, dass das Lotvolumen zu etwa 50 % aus Feststoff besteht, so unterschreitet das Deposit um 13,5 % das ideale Volumen. Das ideale Volumen basiert auf der Padgröße, wobei in der Applikationsschrift des Bauteils einen Mindestabstand zur PCB (Stand-off) von 50 Mikron empfohlen wird, um eine hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Bild 5: In Fallstudie 1 treten unterschiedliche Voiding-Ergebnisse bei dem Test von vier verschiedenen handelsüblichen Loten, zwei Reflow-Profilen und einem Design von 5 mil Dicke auf.

Bild 5: In Fallstudie 1 treten unterschiedliche Voiding-Ergebnisse bei dem Test von vier verschiedenen handelsüblichen Loten, zwei Reflow-Profilen und einem Design von 5 mil Dicke auf. Indium

Die Indium-Ingenieure entwickelten daraufhin neue Schablonen, um die Bedeckung mit Lotpaste zu erhöhen und das Lotvolumen zu variieren, und damit den Einfluss auf die Voiding-Ergebnisse zu untersuchen. Die vier gewählten Designs sahen eine vollflächige Bedruckung des Pads vor. Sie bestehen aus neun Fenstern mit feinerem Abstand (10 mil, 250 µm), aus quadratischen Flächen mit dem gleichen feineren Abstand sowie aus quadratischen Elementen mit größerem 20-mil-Abstand (500 µm).

Die neuen Designs weisen einen Bereich der Flächendeckung von 0,0 bis 12,9 % auf. Durch die Verwendung von Schablonen mit Dicken von 4 als auch 5 mil erzielten die Ingenieure Lotvolumina von unzureichend bis zu überhöht, wie in Tabelle 1 dargestellt.

Unterschiede deutlich sichtbar

Bild 6: In dunklem grün hervorgehoben wurden die Testergebnisse der Benchmark-Paste A. Je nach Reflow-Profil fallen die Verteilungen unterschiedlich hoch aus.

Bild 6: In dunklem grün hervorgehoben wurden die Testergebnisse der Benchmark-Paste A. Je nach Reflow-Profil fallen die Verteilungen unterschiedlich hoch aus. Indium

Fallstudie 1 zeigt einen typischen Datensatz, der mit dem ursprünglichen Schablonen-Design von 5 mil erhoben wurde. Es wurden zwei Profile verwendet, um die niedrige als auch hohe Seite des Reflow-Profilfensters zu verdeutlichen.

Die Ingenieure testeten vier verschiedene handelsübliche Lote auf jeweils drei Boards, um festzustellen, ob die Position der Bauteile einen Einfluss auf die Ergebnisse hat. Es scheint, dass höhere Reflow-Profile niedrigere Prozentsätze beim Voiding und geringere Schwankungen für alle vier Pasten ergeben. Das Ergebnis ist deutlich sichtbar, ebenso wie die intermittierenden Ergebnisse mit hohem Voiding.

Bild 8: Bauteile mit niedrigem Voiding aus Fallstudie 2 lassen sich mit dem bloßen Auge schlecht beurteilen. Röntgenbilder lassen die Voiding-Muster deutlich hervortreten.

Bild 8: Bauteile mit niedrigem Voiding aus Fallstudie 2 lassen sich mit dem bloßen Auge schlecht beurteilen. Röntgenbilder lassen die Voiding-Muster deutlich hervortreten. Indium

Der Vergleich aller Ergebnisse zeigt, dass es eine Gruppe von Voiding-Ergebnissen gibt, die deutlich höher liegt als die allgemeine Verteilung. Hebt man ausschließlich die Benchmark Paste A (dunkles Grün) hervor, sind die Verteilung und die Durchschnittswerte zwar niedrig, aber es gibt ein paar Ausreißer mit Voids von >35%.

Bild 7: Tests mit unterschiedlichen Material-Kombinationen zeigen zum Teil akzeptable Ergebnisse.

Bild 7: Tests mit unterschiedlichen Material-Kombinationen zeigen zum Teil akzeptable Ergebnisse. Indium

Neues Schablonendesign verbessert Lötprozess

Indium Corporation, ein amerikanischer Hersteller von Lötmaterialien, untersucht in umfangreichen Teststellungen das Voiding-Verhalten. In vier Fallstudien werden unterschiedliche Reflowprofile, Pasten und Schablonendesigns miteinander kombiniert. Die Analyse aller Daten zeigte den starken Einfluss von Reflowprofil und Schablone. Ein daraufhin verbessertes Schablonendesign führt zu deutlich minimiertem Voiding an den getesteten QFN-Bausteinen.

In Fallstudie 2 vergleichen die Ingenieure verschiedene Lotpasten mit unterschiedlichen Kombinationen von Flussmitteln und Legierungen. Es wurden je Paste zwei Boards mit einem typischen Ramp-to-Peak-Profil gelötet. Paste E mit Legierung 1 zeigt akzeptable Ergebnisse in Bezug auf die Voiding-Prozente sowie eine geringe Variation. Die experimentellen Material-Formulierungen kommen diesem Ergebnis nicht nahe. Da einige Pasten sporadisch niedriges Voiding an einigen Komponenten aufwiesen, röntgten die Ingenieure diese.

Das Bauteil mit der geringsten Void-Bildung zeigt unterschiedliche Voiding-Charakteristiken in Abhängigkeit von der Lotpaste. Die Komponente mit dem höchsten Voiding weist zudem drastisch größere Voids auf.

Die großen Voids der Benchmark Paste B scheinen keinem Muster zu folgen. Experimentelle Pasten zeigen ein ähnliches Verhalten mit „Stirnrunzeln“-Muster.

Bild 9: In der Fallstudie 3 zeigt sich, dass die Schwankungsbreite der Voiding-Ergebnisse unter 10% gesunken ist.

Bild 9: In der Fallstudie 3 zeigt sich, dass die Schwankungsbreite der Voiding-Ergebnisse unter 10% gesunken ist. Indium

Benchmark C zeigt große Voids, die den Deposits in den Pattern mit den neun Fenstern zu entsprechen scheinen. Vergleicht man die zahlreichen Datensätzen von Bauteilen mit maximalem Voiding, so ergibt sich das gleiche Muster.

Eine mögliche Ursache für die hier beobachtete Inkonsistenz könnten die unterschiedlichen Bestückungshöhen sein.

Da die Abweichungen eine Folge der Lotpastenformulierung sein könnten und die Ausgasung der Lotpaste durch die Wahl des Designs der Schablonenöffnung beeinflusst werden könnte, wählten die Testingenieure Schablonen mit anderen Öffnungen aus.

Insgesamt war es das Ziel, den Prozentsatz der Voids zu minimieren, die größten Voidstellen zu begrenzen und die Schwankungen der Voiding-Testergebnisse zu reduzieren.

Bild 10: Voiding-Ergebnisse von Fallstudie 3, auf das Design der Schablonenöffnungen bezogen.

Bild 10: Voiding-Ergebnisse von Fallstudie 3, auf das Design der Schablonenöffnungen bezogen. Indium

Voiding-Werte unter 10 Prozent

Fallstudie 3 wurde mit verschiedenen Flussmitteln durchgeführt. Die Paste enthielt eine silberarme Legierung. Alle Boards wurden mit dem üblichen Ramp-to-Peak-Profil gelötet. Die Standardabweichungen sind durch das neue Schablonen-Design unter 10 % gesunken. Nur noch wenige Ergebnisse haben hohe Voiding-Werte. Diese korrelieren allerdings nicht mit einem speziellen Schablonendesign. Ebenso wenig weisen die zugehörigen Röntgenbilder (Bild 11) auf ein bestimmtes Schema hin.

Bild 11: Röntgenbilder der Bauteile mit höchstem Voiding aus der Fallstudie 3.

Bild 11: Röntgenbilder der Bauteile mit höchstem Voiding aus der Fallstudie 3. Indium

In der Fallstudie 4 vergleichen die Ingenieure die Schablonendesigns. Alle anderen Parameter beließen sie unverändert. Dieser Versuch wurde mit SAC305-Pasten durchgeführt – eine mit typischem Low-Voiding und geringen Abweichungen, die andere mit typischem höherem Voiding. Die Ergebnisse zeigen relativ gleichmäßige Resultate für die Benchmark-Paste A. Bei der anderen Paste ergaben sich höhere Schwankungen. Das durchschnittliche Voiding mit den neuen Schablonendesigns war minimal geringer.

Tabelle 1: Die geometrisch ermittelten Werte für die Bedeckung, aufgeschlüsselt nach Fläche und Volumen.

Tabelle 1: Die geometrisch ermittelten Werte für die Bedeckung, aufgeschlüsselt nach Fläche und Volumen. Indium

Einflüsse des Reflowprofils

Insgesamt zeigten die Tests der Indium-Ingenieure, dass ein längeres und heißeres Profil zu geringerem Voiding führt. Variationen des Reflowprofils zeigten eine geringe Korrelation zwischen dem Profil und den Voiding-Ergebnissen. Jede Pastenkombination kann einen anderen Trendverlauf aufweisen.

Bild 12: Ergebnisse der Fallstudie 4, in der Schablonen- und Apertur-Designs verglichen wurden, zeigen relativ gleichmäßige Resultate für die Benchmark-Paste A.

Bild 12: Ergebnisse der Fallstudie 4, in der Schablonen- und Apertur-Designs verglichen wurden, zeigen relativ gleichmäßige Resultate für die Benchmark-Paste A. Indium

Der Einfluss des Profils:

  • Erfolgt die Vorheizung zu schnell, bleibt nicht genügend Zeit, damit sich flüchtige Stoffe vollständig ausbilden und entweichen können, bevor das Lot geschmolzen wird, die Paste kann stärker absacken, was den Abstand zwischen Bauteil und PCB reduziert und das Entweichen von flüchtigen Bestandteilen verhindert.
  • Ein zeitlich zu kurzes Profil hilft dabei, flüchtige Bestandteile in die Paste einzubinden.
  • Niedrige Spitzentemperaturen erfordern tendenziell mehr Zeit für eine vollständige Lotbenetzung.
  • Eine überhöhte Spitzentemperatur oder zu lange Dauer des Reflowprofils führt zu Oxidation auf Oberflächen und erhöht das Risiko für Voiding.

Die zwei neuen Schablonen lieferten Ergebnisse mit geringeren Abweichungen als die ursprüngliche Schablone. Sporadische Ergebnisse mit hohem Voiding traten hier weniger häufig auf.

Bild 13: In der Fallstudie werden verschiedene Reflowprofile verglichen. Es zeigt sich, dass eine geringe Korrelation zwischen dem Profil und den Voiding-Ergebnissen besteht.

Bild 13: In der Fallstudie werden verschiedene Reflowprofile verglichen. Es zeigt sich, dass eine geringe Korrelation zwischen dem Profil und den Voiding-Ergebnissen besteht. Indium

Bei Schablonendesigns für größere Pastenvolumina ergaben sich keine Anzeichen von Fehlern durch zu viel Lot. Designs mit weniger Volumen (4-mil-Schablone) zeigten an sich nicht mehr Voiding oder größere Schwankungen. Es gibt also keinen direkten Zusammenhang zwischen dem Prozentsatz von Voiding und dem Lotvolumen. Bei einigen Pasten können für eine Vielzahl von unterschiedlichen Designs und Anwendungsbedingungen gute Ergebnisse erzielt werden.

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