Solder Spreading Test

Bild 1: Solder Spreading Test, bedruckte Fläche links, benetzte Fläche nach Lötung rechts (Bild: Fraunhofer ISIT)

Die Aufbau- und Verbindungstechnik steht durch Kostendruck und aus klimatechnischen Gründen vor der Aufgabe, Fertigungsprozesse kostengünstiger sowie energiesparender und damit klimaschonender zu gestalten. Eine Antwort auf diese Herausforderung ist die Entwicklung und der Einsatz von Niedertemperaturloten, die bereits heute Anwendung in vielen Bereichen finden kann wie z.B. der Herstellung weißer Ware (Haushaltsgeräte), Consumerelektronik, Beleuchtung mit LED-Technik und vielen weiteren Applikationen. Aufgrund der geringen Umgebungs- und Betriebstemperaturen dieser elektronischen Baugruppen und Systeme ist eine Lotlegierung mit niedrigem Schmelzpunkt für die Herstellung geeignet.

Bismuthaltige Niedertemperaturlote bieten hier eine Reihe an Vorteilen:

  • deutlich geringerer Energieverbrauch im Reflowlötprozess durch die geringeren Reflow-Peaktemperaturen im Vergleich zum Standard SAC-Lötprozess (ca. 250°C im SAC-Lötprozess à ca. 180-200°C im Low-Temperature-SnBiX-Lötprozess),
  • geringeres Warping (Verbiegen) der Verbundpartner durch geringere thermische Ausdehnung im Lötprozess,
  • eine geringere thermische Belastung der Baugruppen im Fertigungsprozess.

Die Qualifizierung wurde an drei Lotpasten (Paste A, B, C) mit ähnlicher Legierung durchgeführt. Die Lotpasten weisen folgende Merkmale auf:

  • Legierung: SnBiXx (Zinn-Bismut-Xx),
  • Standard Pulvergröße Typ 4 nach J-STD-005 (Typ 4: 20-38µm Kugeldurchmesser),
  • Schmelzbereich ca. 138°C-140°C.

Für die Lotpastenqualifizierung am Fraunhofer ISIT werden Tests herangezogen, die alle wesentlichen Fertigungsprozesse elektronischer Baugruppen umfassen. So gilt es, eine Lotpaste im Lotpastendruck, in der Bestückung von Bauelementen und dem Lötprozess zu bewerten:

  • Lotpastendruck
    o Auslöseverhalten aus der SMD-Schablone
    o Konturenstabilität der Lotpastendepots (Slump Test)
  • Bestückprozess
    o Klebrigkeit der Lotpasten (Tackiness Test)
  • Lötprozess
    o Benetzungseigenschaften der Lotpasten (Solder Spreading, Wetting Test)
    o Aufschmelzverhalten (Solder Ball Test)
    o Porenbildung im Lotgefüge (Voiding Test)
    o Oberflächenisolationswiderstand (SIR-Test)

Expertise am Fraunhofer ISIT

Am Fraunhofer ISIT können Lotpastendruckprozesse vollumfänglich analysiert werden, z.B. mit Untersuchungen zur Auswahl der geeigneten Lotpasten-Druckschablonen-Kombination, dem Vergleich verschiedener Lotpasten oder der Ausarbeitung von Layoutempfehlungen in Form von „Application Notes“. Ein Schwerpunkt der Tätigkeiten in der Arbeitsgruppe „Modul-Services“ liegt seit mehr als 25 Jahren in Qualitäts- und Zuverlässigkeitsanalysen elektronischer Baugruppen, Komponenten und Systemen. Das Institut hat sich zum Ziel gesetzt, nicht nur Fehler darzustellen, sondern auch Vorschläge zur Fehlervermeidung zu machen und Optimierungspotenzial aufzuzeigen.

Im Folgenden werden Solder Spreading Test sowie Slump Test exemplarisch näher erläutert.

Solder Spreading Test

Der Solder Spreading Test ist ein Test zur Analyse der Benetzungsfähigkeit einer Lotpaste. Hierbei wird ein rundes Lotpastendepot auf eine benetzungsfähige, metallisierte Oberfläche gedruckt und anschließend umgeschmolzen.

Die Bewertung der Benetzung erfolgt, indem die benetzte Fläche nach dem Lötprozess ins Verhältnis zur ursprünglich mit Lotpaste bedruckten Fläche gesetzt wird. Ein Vergleich der bedruckten sowie anschließend benetzten Fläche auf einer NiAu Metallisierung ist in Bild 1 zu sehen. Zur Auswertung des Solder Spreading Tests können die Strukturen nach dem Vergleich folgenden Benetzungskategorien zugeordnet werden:

Kategorie 1: Benetzung ist größer als die bedruckte Fläche: Ideal / bestanden
Kategorie 2: Benetzung ist genau so groß wie die bedruckte Fläche: Ausreichend / bestanden
Kategorie 3: Benetzung nur partiell: Schlecht / nicht bestanden
Kategorie 4: Benetzung ist kleiner als die bedruckte Fläche à Schlecht / nicht bestanden

Slump Test
Bild 2: Slump Test, Einfluss der Lagerungstemperatur, links 25°C (Raumtemperatur), rechts 100°C, Vorheizzone im Reflowprozess (Bild: Fraunhofer ISIT)

Slump Test

Im Slump Test wird die Konturenstabilität einer Lotpaste nach dem Druck untersucht. Hier wird das horizontale und vertikale „Verfließen“ einer Lotpaste analysiert. Das englische Wort „Slump“ steht hierbei für das Einbrechen oder Zusammensinken der Lotpastendepotkanten nach dem Lotpastendruck, was letztendlich in einem Zusammenfließen benachbarter Lotpastendepots und damit zur Bildung von Kurzschlüssen im Lötprozess führen kann. Insbesondere bei Fine-Pitch-Anwendungen, also bei Bauelementen mit geringen Pin-Abständen und demzufolge auch Lotpastendepots mit minimalen Abständen ist eine Paste mit ungenügenden Slumpeigenschaften nicht geeignet, da diese keine ausreichende Konturenstabilität gewährleistet.

Für die Durchführung des Slump Tests werden vollflächig metallisierte Bereiche von Testleiterplatten bedruckt und anschließend bei definierten Konditionen unter unterschiedlichen Temperaturen gelagert. Bild 2 zeigt den Einfluss einer höheren Lagerungstemperatur (Simulation der Vorheizphase im Reflowlötprozess). Höhere Temperaturen sorgen durch das Absenken der Lotpastenviskosität dafür, dass diese zu fließen beginnt. Die Folge daraus können Kurzschlüsse zwischen den Lotpastendepots sein.

Bild 3 zeigt einen Vergleich von akzeptablem Slump Verhalten (links) und nicht akzeptablem Slump Verhalten (rechts). Mit Pfeilen wurden die Strukturen mit einem Abstand von 200µm markiert. Dieser stellt den minimal geforderten Strukturabstand ohne Zusammenlaufen der Lotpastendepots dar.

Die dargestellten Ergebnisse stellen nur Auszüge aus einer umfangreichen Fertigungs- und Zuverlässigkeitsuntersuchung niedrig schmelzender Lote dar.

akzeptables Slump Verhalten (links) und nicht akzeptables Slump Verhalten (rechts)
Bild 3: Vergleich von akzeptablem Slump Verhalten (links) und nicht akzeptablem Slump Verhalten (rechts), geforderter Mindestabstand ohne Zusammenlaufen der Strukturen ist 200µm (Bild: Fraunhofer ISIT)
Artem Kormann, Fraunhofer ISIT

Artem Korman

Mikrotechnologe im Geschäftsfeld Mikrofertigungsverfahren, Fraunhofer ISIT, Itzehoe

Helge Schimanski, Fraunhofer ISIT

Helge Schimanski

Gruppenleitung Modul-Services, Fraunhofer ISIT, Itzehoe

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