Eigenschaften moderner Lotmaterialien

Die aktuellen Entwicklungen in der Elektronikindustrie treiben die technologischen Anforderungen an die Herstellungsprozesse entschieden voran. Moderne Baugruppen umfassen ein sehr weites Applikationsspektrum, sie reichen von hoch-miniaturisierten Mobilgeräten, bei denen minimaler Platzbedarf und geringes Gewicht im Vordergrund stehen, bis zu Baugruppen mit extremer Bauteilvarianz und höchsten Zuverlässigkeitskriterien.

Lötphänomene wie zum Beispiel der „Trauben/Kugel oder Grapping- Effekt“. Indium

Wirkmechanismus von Head-in-Pillow. Indium

Zuverlässige Realisierung der 100%-Funktionalität

Neue Anwendungen im automotiven Umfeld wie zum Beispiel ADAS (Advanced Driver Assistance Systeme) erfordern die zuverlässige Realisierung der 100%-Funktionalität. Durch stabile Prozesse bei der Herstellung von SMT-Elektronikbaugruppen (Surface Mount Technology) kann man konsequent die Herausforderungen erfüllen, welche sich durch die Anwendung dieser komplexen Bauteile ergeben.

Es zeigen sich jedoch deutlich die gestiegenen Anforderungen an den Prozess Schablonendruck. Dazu gehört beispielsweise der Einsatz von Kondensatoren der Größe 0201M (Metrische Bauformen) oder CSPs mit einem Anschlussraster unter 0,4 mm, einer Area-Ratio von 0,6 und darunter. Oder die Anwendung von Schablonenöffnungen kleiner als 250 µm im Durchmesser, Schablonendicken zwischen 75 bis 110 µm, Pads auf den PCB mit und ohne Lötstoppmaske sowie unterschiedliches Oberflächenfinish wie OSP oder EniG. Zum Etablieren eines langzeitstabilen Schablonendruck-Prozesses mit einer Standard-Abweichung unter 10% müssen die beiden Hauptbestandteile ( Metall Pulver & Flussmittel Chemie) von Lotpasten angepasst und optimiert werden. Zur Auswahl des geeigneten Metall Pulver-Types wird häufig die „ fünf Kugel Regel“ angewandt. Hierbei ist zu beachten, dass immer der maximal größte Partikeldurchmesser zur Berechnung angewandt werden sollte. So gilt zum Beispiel für eine Kreisrunde Schablonenöffnung mit Durchmesser (D=190µm) = 5 x Partikel Type 4 (max.38µm). Der zweite Hauptbestandteil von Lotpasten, das Flussmittelsystem, definiert maßgeblich die maximale Stärke der Druckschablone und somit das applizierte Lotvolumen auf der Baugruppe. Dies ist besonders im Kontext der fortlaufenden Miniaturisierung und somit reduzierten Schablonenöffnungen entscheidend für Realisierung prozess-stabiler Druckergebnisse. Zur Berechnung der maximal zulässigen Schablonendicke wird hierbei generell eine Flächenverhältnisberechnung (Area Ratio) der Haftfläche des gedruckten Pads auf der Leiterplatte im Verhältnis zur Haftfläche der Schabloneninnenwand herangezogen. Traditionell wird hier ein Haftflächenverhältnis von >0,66 (APad / AInnenwand) angewendet.

Metrische Bauformen Indium

Von der Flussmittel-Chemie geprägt

Moderne Flussmittelsysteme müssen allerdings in der Lage sein, selbst mit ungünstigeren Haftflächenverhältnissen wie 0,63 stabile Serien Druck-Prozesse zu realisieren, da moderne Baugruppen einen Mix von sehr kleinen Bauteilen, mit geringen Schablonenöffungsweiten und zum Beispiel Konnektoren (Steckern) mit sehr hohen Lotpastenbedarf aufweisen. Untersuchungen verschiedenster Lotpastensysteme mit ein und derselben Lotlegierung (SAC305) und ein und dem gleichen Pulver (Type 4) auf ein und derselben Leiterplatte (PCB) zeigten, dass ein statistisch stabiles Auslöseverhalten maßgeblich von der Flussmittel-Chemie der Lotpaste geprägt wird. Die Auswertung im (Diagramm X) ergab, dass die Standardabweichung (Std Dev) der modernen Lotpaste 8.9HF im Druckergebnis deutlich innerhalb der 10% Grenze, ja sogar unterhalb von 8 Prozent liegt. Wobei traditionelle Lotpastenformulierungen im Vergleich deutlich in ihren Druckergebnissen fluktuieren, sodass die 8.9HF sogar mit Haftflächenverhältnissen von 0,63 und 0,53 auf SMD Pads (Solder Mask Defined) positiv prozessstabil erprobt wurde. Diese Druck- und Auslöseperformance ist in der Formulierung des Flussmittelsystems begründet. Die Anforderungen an die Entwickler des Flux-Systems 8.9HF waren maßgeblich durch automotive Anwendungen geprägt, sodass Themen wie 100% Halogenfrei, Verringern des Voiding, niedrigste Ionische Belastung der Rückstände oder erhöhte SIR-Beständigkeit bei hohen Temperaturen eine neue Strategie zur Umsetzung erforderten. Somit enthält das Flussmittel-System der 8.9HF nun eine Oxidationsbarriere, welche es ermöglicht, das Verhältnis von Aktivatoren und Lösemitteln komplett neu zu definieren. Dies bewirkt nicht nur das Vermeiden von Lötfehlern wie den bekannten Head in Pillow-Effekt, sondern ermöglicht auch die Herstellung einer gegen Umwelteinflüsse extrem robusten Lotpaste. Dies erlaubt dem Anwender die Prozessfenster in der Fertigung zu erweitern und das Handling zu vereinfachen, da die 8.9HF zum Beispiel bis zu 60 Stunden bei Raumtemperatur offen auf der Schablone verbleiben darf. Die Flussmittelformulierung macht die Lotpaste unempfindlich gegen Umwelteinflüsse wie Luftfeuchtigkeit oder Temperatur, sodass der Anwender die 8.9HF bis zu 30 Tage direkt an der Linie lagern kann. Damit wird die Materialbereitstellung massiv vereinfacht, denn mit traditionellen Lotpasten musste der Bedarf immer tagesgenau geplant werden. Dies war durch die Lagerfähigkeit der klassischen Lotpasten bei RT von maximal 24h vorgegeben.

Es zeigt sich somit, dass sich durch den Einsatz moderner Lotpasten wie die 8.9HF die Prozessfenster vor und während dem Druckprozess erweitern. Ebenso ist für ein robustes Fenster nach dem Schablonendruck gesorgt, da hier die Haftkraft des Flussmittels über Tage selbst bei ungünstigen Luftfeuchteverhältnissen die Bauteile an Ort und Stelle auf der PCB hält.

Bauteilmix als bestimmendes Thema

Im Prozess des Reflow-Lötens ist der immer größer werdende Bauteilmix auf einem Board das bestimmende Thema aktueller Baugruppen, da verschiedene Bauformen auch unterschiedliche Aufgaben an den Lötprozess stellen. So kennt man bauteiltypische Lötphänomene wie  den „Trauben/Kugel oder Grapping- Effekt“ bei sehr kleinen Bauteilen wie 0201 oder 0402M. Es sind aber auch Effekte wie „Exposed-Pad Voiding“ an QFN-Bauteilen oder der „Head in Pillow Effekt“ an BGA-Bausteinen bekannt. Zudem sind häufig Pin in Paste-Prozesse zur stabilen Anbindung von Steckerleisten auf ein und demselben Board zu realisieren. Somit wird es nahezu unmöglich, ein optimales Reflow-Profil für jedes Bauteil auf einem Board einzustellen. Moderne Lotpasten müssen daher weite Prozessfenster beim Reflow-Löten ermöglichen und dürfen dem Anwender nicht mehr enge Profilgrenzen vorgeben, welche bedingt durch die hohe Bauteilvarianz auf einem PCB nicht länger darstellbar sind. So ermöglicht die Flux-Formulierung der 8.9HF mit ihrer Oxidationsbarriere sehr milde Profile von Peak 230°C bis sehr starke Profile mit Peak 262°C und dies auch ohne N² Atmosphäre im Reflowofen (Beispiel für SAC305). Es sind sowohl klassische Sattel-Profile als auch kurze Linear-Profile anwendbar. Wenn es erforderlich ist, können Vorheizzeiten von 100 s benutzt werden. Dieses breite Prozessfenster ermöglicht dem Anwender das Erstellen robuster Lötprofile, angepasst an die zu verwendenden Bauteile, ohne sich immer im Grenzbereich einer Lotpaste bewegen zu müssen.

Partikelgrößen Indium

SMT/Hybrid/Packaging 2018: Halle 4, Stand 301

Ein robustes Fenster nach dem Schablonendruck ist gesichert, da sich die Haftkraft des Flussmittels über Tage selbst bei ungünstigen Luftfeuchte Verhältnissen die Bauteile an Ort und Stelle auf der PCB hält. Indium

Die Werte zeigen wo sich die Prozess-Fenster in der Fertigung erweitern lassen und das Handling vereinfachen. Indium

Head in Pillow-Effekt Indium

Tabelle zu den Partikelgrößen. Indium

Haftflächen Verhältnis Indium

(hw)