Strömungsempfindliche Small-Outline-Dioden sicher verlöten

Die voranschreitende Miniaturisierung der SMD-Komponenten bringt nicht nur Vorteile wie eine kompaktere Bauweise und geringes Gewicht der Produkte, sondern auch einige Herausforderungen an die Prozesstechnik mit. In vergangenen Jahren ist viel über die Anpassung des Lotpastendrucks, der Bestückung und der Inspektion an die neuen Herausforderungen berichtet worden. Während dieser Zeit ist auch vermehrt der Defekt der verblasenen Komponenten beim Konvektionslöten elektronischer Baugruppen aufgetreten. Insbesondere ist sehr häufig die SOD323 (Small Outline Diode) Bauform davon betroffen. In dieser Publikation werden die für diesen Defekt verantwortlichen Mechanismen, deren Wechselwirkungen und mögliche Abhilfemaßnahmen anhand von CFD (Computational Fluid Dynamics) Simulationen, analytischen Modellen und Experimenten erläutert.

Grundlagen der Wärmeübertragung

In Konvektionslötanlagen basiert die Wärmeübertragung auf dem Prinzip der erzwungenen Konvektion. Als Wärmeübertragungsmedium wird die Umgebungsluft oder auch Stickstoff verwendet. Nach dem Erwärmen wird z.B. die Luft durch ein Düsenfeld auf eine Baugruppe geleitet und es findet der Wärmeübergang statt. Die Wärmeübertragung hängt von der Temperatur der Baugruppe und des Mediums, und von dem Wärmeübertragungskoeffizienten ab. Die Strahlen aus einem Düsenfeld, welche auf einem darunter liegenden Produkt auftreffen, werden sehr oft in thermischen Systemen zum Kühlen, Heizen oder Trocknen angewendet. Bild 1 zeigt das Strömungsfeld eines aufprallenden Strahles mit den typischen Gebieten: Freistrahl-, Stauströmungs- und Wandstrahlgebiet.

Der Wärmeübergangskoeffizient hängt von der Geometrie der Düse, deren Abstand zur Aufpralloberfläche, Temperaturdifferenz und der Strömungsgeschwindigkeit ab. In Bild 2 ist beispielhaft die simulierte Geschwindigkeitsverteilung für eine Anordnung bestehend aus Düsenfeld und Baugruppe mit Elektrolytkondensatoren dargestellt. Die oben beschriebenen Strömungsgebiete sind in dieser Abbildung anhand der Strömungslinien visualisiert. Der maximale Wärmeübergang liegt am Ende des Freistrahls im Staupunkt der Strömung vor [1].

Bild 3 zeigt beispielhaft die simulierte Verteilung des Wärmeübergangskoeffizienten für eine Anordnung mehrerer Düsen und einer Baugruppe mit Elektrolytkondensatoren. Diese Visualisierung stellt nur eine Momentaufnahme aus transienter Berechnung dar. Im realen Prozess bewegt sich die Baugruppe, so dass diese in Transportrichtung abwechselnd mit niedrigeren und höheren Wärmeübergangskoeffizienten beaufschlagt wird.

Bei der Auslegung der Düsenfelder werden insbesondere die Anforderungen an Längs- und Querprofil sowie die Temperaturdifferenz der kleinen und großen thermischen Masse berücksichtigt. Des Weiteren kommen die Anforderung an optimale Wärmeübertragung und möglichst geringe Windlasten hinzu, welche in einer konträren Wechselwirkung zueinanderstehen. Düsenfelder sind statische Anlagenteile, so dass diese bei einer Vielzahl von Baugruppen und Komponenten funktionieren müssen. Dabei gibt es, insbesondere bei hohen Frequenzen/Lüfterleistungen, auch Grenzfälle, wie es für SOD-323 Komponenten der Fall ist.

Experimentelle Untersuchungen

Messung der Strömungsgeschwindigkeiten

Im ersten Schritt der Untersuchungen sollen die Windlasten in Abhängigkeit von der Lüfterleistung auf diese Komponente experimentell ermittelt werden. Während die Messung der Temperaturen in einem Ofen zum Stand der Technik gehört und es dafür eine Vielzahl an Profilen etc. gibt, stellt die Messung der Strömungsgeschwindigkeiten in der Nähe der Baugruppe eine Herausforderung dar. Der Grund dafür liegt insbesondere in sehr hohen Anwendungstemperaturen und komplizierten Strömungszuständen. Im Rahmen eines internen Forschungsprojektes wurde bei Rehm Thermal Systems auf Basis eines Flügelradanemometers ein Messsystem entwickelt, welches in der Lage ist, die Strömungen in allen 3 Raumrichtungen und inklusive der Richtungsänderung bei typischen Löttemperaturen zu erfassen. Bild 4 zeigt die Ergebnisse aus einer Messreihe mit diesem System. Der Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit weist im Bereich der Düsenfelder einige Richtungsumkehrungen auf. Der Grund dafür liegt im Durchlaufen der einzelnen Düsenstrahlen: Bewegt sich das Flügelrad auf einen Strahl zu, dreht es sich in eine Richtung. Nach dem Durchlaufen des Staupunktes kehrt sich die Strömung um. Diese Erklärung korreliert auch mit dem Temperaturverlauf, welcher auch geringe Temperaturschwankungen beim Durchlauf von einzelnen Düsen anzeigt (rote Markierung). Die Geschwindigkeiten liegen im Bereich zwischen ± 0,75 m/s. Aufgrund der Flügelradgröße von ca. 15 mm weisen die Messergebnisse eher eine grobe Auflösung auf und lassen sich nicht auf deutlich kleinere Komponenten übertragen.

Verblastest

Um den Einfluss der Strömung und der Temperatur auf das Verblasen von SOD323 zu untersuchen, wurden die in Tabelle 1 enthaltenen Einstellungen geprüft. Es wurde jeweils die Lüfterleistung ermittelt, ab welcher die Komponenten verblasen worden sind. Die Versuche bei 23°C und 180°C dienten dem Zweck, den Einfluss der Temperatur auf die Eigenschaften und der sich daraus resultierenden Haltekraft der Lotpaste zu ermitteln.

Ohne Lotpaste (1) und mit Lotpaste bei 180°C (3) wurde am häufigsten eine Verschiebung oder Drehung der Komponenten in der Nähe der Pads beobachtet. Die Ursache dafür liegt in der Geometrie der Komponente: Die Anschlüsse können nur maximal 0,05 mm länger sein als die Höhe der Komponente (Bild 5) und dadurch liegt die Komponente fast auf der Leiterplatte auf. Aus diesem Grund wird angenommen, dass die gedruckte Lotpaste bei Windlast auf Scherung beansprucht wird.

Außerhalb der Padfläche befanden sich viele Komponenten im umgekippten Zustand. Verantwortlich dafür sind die Unebenheiten (Leiterbahnen etc.) auf der Leiterplatte, an denen die Anschlüsse anstoßen und die Komponente dabei umkippt. Die von der Baugruppe verblasenen Komponenten befanden sich ausschließlich in Zone 2. Für Standardtemperatur und -lüftereinstellung bei 73 % der Lüfterleistung konnte kein Verblasen der Komponenten beobachtet werden.

Numerische Untersuchungen

Modellbeschreibung

Parallel zu den experimentellen Untersuchungen wurden Simulationen zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeiten durchgeführt. Dafür wurde das Simulationstool Solidworks Flow Simulation angewendet. Bild 5 zeigt die Abmessungen eines SOD232 aus einem Datenblatt und die daraus abgeleitete Geometrie.

Im Simulationsmodell werden die Komponenten mit der Leiterplatte fest verbunden. Um den Einfluss der Orientierung zu berücksichtigen, werden die Komponenten in Transportrichtung und quer dazu ausgerichtet. Die Lasten auf die Baugruppe werden im stationären Zustand ermittelt, also ohne die Baugruppe durch den Ofen zu bewegen. Bild 6 (links) zeigt den Berechnungsraum mit periodischer Randbedingung. Als externe Randbedingung wurde Umgebungsdruck definiert. Es wird die Verblaskraft von insgesamt 6 Gasstrahlen simuliert, welche auf 36 Komponenten mit Ausrichtung in und quer zu Transportrichtung wirken (Bild 6, rechts).

Durch diese statische Anordnung der Komponenten und Randbedingungen sollen die Kräfte, welche auf eine sich bewegende Baugruppe wirken, angenähert werden. Die Raumrichtungen sind definiert mit: X - in Transportrichtung negativ, Y - vertikal nach oben positiv und Z - quer zu Transportrichtung positiv nach links. Die Strömungsgeschwindigkeiten und sich daraus resultierenden Kräfte wurden für die experimentell ermittelten Lüfterleistungen von 100 %, 91 % und 45 % simuliert.

Simulationsergebnisse

Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die maximalen Kräfte an verschiedenen Komponenten angreifen und es keine Komponente gibt, bei der eine resultierende Kraft aus allen drei Wirkrichtungen als größte Kraft berücksichtigt werden muss.

Die maximale Kraft in X-Richtung wirkt auf die kleinere seitliche Fläche der Komponente Nr. 8. Die Kraft beträgt 45 µN (Bild 7). Die maximale Kraft in Y-Richtung (Auftriebskraft) wirkt auf die Oberseite der Komponente Nr. 14 und beträgt 25 µN (Bild 8).

Die maximale Kraft in Z-Richtung wirkt auf die größere seitliche Fläche der Komponente Nr. 25 und beträgt 52 µN (Bild 9).

Da die Kräfte in X- und Z-Richtung auf die gleich große Seitenfläche der Komponente wirken, wird im Folgenden nur die Kraft in Z-Richtung als Verblaskraft und in Y-Richtung als Auftriebskraft betrachtet. Tabelle 2 fasst die Simulationsergebnisse für die Y- und Z-Richtung zusammen.

Wenn die Strömungsgeschwindigkeit gemessen oder wie beschrieben numerisch ermittelt werden kann, lässt sich die Kraft auf ein Objekt infolge dieser Strömung mit Hilfe folgender Beziehung berechnen:

F_w=c_w 1/2pv²A

Im vorliegenden Fall handelt es sich um einen umströmten rechteckigen Körper. Bei einem umströmten Körper dieser Art besteht der Widerstandsbeiwert cW zu 100 % aus dem Formwiderstand des Körpers und beträgt 1,1 [3]. Mit der Dichte p von Luft von 1,225 kg/m³, der größten seitlichen Fläche A der Komponente von 1,53 x 10-6 m² und den Geschwindigkeitswerten aus Tabelle 1 können die Kräfte in Z-Richtung, wie in Bild 10 dargestellt, berechnet werden.

Aus dem Vergleich der Kräfte folgt, dass sich die Ergebnisse aus beiden Methoden insbesondere für höhere Geschwindigkeiten stark unterscheiden. Dieser Unterschied kann auf die feinere Auflösung der Strömungszustände inklusive der Ablöseerscheinungen usw. mit der CFD-Methode zurückgeführt werden. Im nächsten Abschnitt werden die Haltekräfte für die drei Fälle berechnet und mit den numerisch Ermittelten verglichen.

Berechnung und Vergleich der Kräfte

1. Ohne Lotpaste bei 45 % Lüfterleistung

In Y-Richtung

F_G=mg

Mit der Masse der Komponente m von 0,0045 g und der Erdbeschleunigung von 9,81 m/s² beträgt die Gewichtskraft 44 µN. Die Gewichtskraft ist größer als die Auftriebskraft von 16,2 µN, sodass die Komponente nicht angehoben werden kann. Bild 11 zeigt die Kräfteverhältnisse an einem SOD323-Modell beispielhaft für 45 % Lüfterleistung.

In Z-Richtung

F_H=µmg

Ohne Lotpaste beträgt die Haftreibungskraft nach obenstehender Gleichung mit mit dem Haftreibungskoeffizient µ von 0,74 für Zinn auf Zinn [4] 32,7 µN. Die Haftreibungskraft ist kleiner als die ermittelte seitliche Windlast von 33,7 µN, die Komponente wird damit verblasen.

2. Mit Lotpaste bei 100 % Lüfterleistung und 23 °C

Lotpastenrheologie

Während der Fertigung elektronischer Baugruppen muss eine Lotpaste eine Vielzahl verschiedenster Anforderungen erfüllen. Für jeden Prozessschritt muss das Flussmittel der Lotpaste bestimmte Eigenschaften mitbringen. Lotpaste ist der Kategorie der nicht-newtonschen und thixotropen Fluiden zuzuordnen. Aus diesem Grund ist die Viskosität und damit die Reaktion auf eine Kraft abhängig von der Scherrate.

In einer Lotpaste wird die Belastung durch Scherung in einen elastischen Dehnungsanteil und einen plastischen Verformungsanteil umgewandelt. Der elastische Dehnungsanteil bewirkt nach Beendigung der Beanspruchung eine Relaxation der Lotpaste. Der Übergang aus dem elastischen in einen plastischen Dehnungsanteil wird als Fließgrenze bezeichnet [5]. Die Fließgrenze ist temperaturabhängig und soll bei niedrigeren Schergeschwindigkeiten ermittelt werden. Bild 12 zeigt die Fließgrenzen verschiedener Lotpasten in Abhängigkeit von der Temperatur.

Ein weiteres Lotpastenmerkmal ist die sogenannte Nassklebekraft (Tackiness). Die Klebekraft der Lotpaste über einen bestimmten Zeitraum hinweg gewährleistet, dass die Komponenten nicht nur direkt nach dem Bestücken, sondern auch bis zum Lötprozess auf der gedruckten Paste haften bleiben. Die Nassklebekraft wirkt dem Abheben einer Komponente infolge der Auftriebskraft durch die Strömung entgegen.

In Y-Richtung
Die Auftriebskraft in Y-Richtung bei 100 % Lüfterleistung beträgt 34,5 µN und ist kleiner als die Gewichtskraft der Komponente mit 44 µN. Unter Berücksichtigung der zusätzlichen Nassklebekraft der Lotpaste kann die Komponente nicht durch die Windlasten in diese Richtung verschoben werden.

In Z-Richtung

Wie im Abschnitt „Experimentelle Untersuchungen“ beschrieben, weisen die verblasenen Komponenten (bei 91 % Lüfterleistung und 180 °C) in der Nähe der Pads ein Versagen infolge der Schubbelastung auf. Bild 13 zeigt schematisch die Scherbelastung der Lotpastenschicht infolge der seitlichen Windlast.
Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass die Scherbelastung auf die Lotpaste nicht schlagartig, sondern zunehmend erfolgt. Die Komponente bewegt sich mit 16,7 mm/s auf die Luftströmung zu und je näher diese an eine Düse kommt, desto größer wird die Verblaskraft. Wenn diese größer als die Fließkraft des Lotes wird, bewegt sich die Komponente.
Die Fließkraft F_F kann mit der Querschnittsfläche A von 1,35x10^-7 m², welche der Auflagefläche eines Anschlussbeinchens gleichzusetzen ist, und der Fließgrenze σ_F von 273 N/m² bei 23 °C nach Gleichung

F_F = 2Aσ_F

berechnet werden. Sie beträgt 73,7 µN. Die Verblaskraft in dieser Richtung beträgt 71,3 µm und ist kleiner als die berechnete Fließkraft. Zusätzlich ist zu beachten, dass die Lotpaste nach dem Bestücken um das Beinchen herum herausgequetscht wird, wodurch die effektive Fläche der zu scherenden Lotpaste zunimmt. Kommt dieser Effekt vor, muss mit größerer Fläche als der Anschlussfläche gerechnet werden.

3. Mit Lotpaste bei 91 % Lüfterleistung und 180 °C

Bei 180 °C und 91 % Lüfterleistung wurde ein Verblasen der Komponenten beobachtet. Wie Bild 12 zu entnehmen ist, sinkt die Fließgrenze der Lotpaste in Abhängigkeit von der Temperatur. In Zone 2, in der die heruntergefallenen Komponenten zu finden waren, lag die Baugruppentemperatur bei 67 °C. Für diese Temperatur liegen keine Ergebnisse für die Fließgrenze der Lotpaste vor. Aus diesem Grund wird die Fließgrenze für die Lotpaste 3 aus Bild 12 mit der Annahme eines linearen Verhaltens extrapoliert. Die Fließgrenze beträgt 162 N/m² und die sich daraus resultierende Fließkraft 43,74 µN. Im Vergleich zu simulierter Kraft von 65 µN ist diese kleiner und die Komponente wird verblasen. Die größere Abweichung beider Kräfte kann auf die fehlenden Angaben zur Fließgrenze bei höheren Temperaturen zurückgeführt werden.

Fazit

Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die SOD323 bei geeigneter Auswahl der Lotpaste und der Ofeneinstellungen sicher prozessiert werden können. Die Standard-einstellung von 73 % Lüfterleistung bietet einen ausreichenden Sicherheitsabstand zu ermittelten Grenzlasten bei 91 % Lüfterleistung. Bei manchen Baugruppen mit zum Beispiel sehr großen Spulen oder Pin-in-Paste müssen die Frequenzen und damit auch die Lüfterleistung erhöht werden, um die Wärmeübertragung in die Baugruppe zu intensivieren. Es empfiehlt sich, diese Baugruppen auf Vorliegen von strömungsempfindlichen SOD323 zu prüfen und gegebenenfalls bei einer Erhöhung der Frequenzen einen Test mit bestückten Baugruppen zu fahren.

Kommt es zu Schwankungen anderer Parameter wie Toleranzen der Anschlussflächen oder Eigenschaften der Lotpaste, muss mit anderen Verhältnissen gerechnet werden. So bewirkt die nach der Abbildung 5 toleranzbedingte Verkleinerung der Anschlussfläche auf 0,25 x 0,3 mm statt der typischen 0,3 x 0,45 mm eine Reduktion der Fließkraft auf 40,9 µN. Damit kann die Komponente der ermittelten Verblaskraft von 71,3 µN nicht mehr standhalten.

Literatur

[1] W. Schabel und H. Martin, Wärmeübertragung bei erzwungener Konvektion: Prallströmungen, Berlin, Heidelberg: Springer Vieweg, 2019.
[2] Infineon Technologies AG, Silicon PIN Diodes BAR63..., München, 2009.
[3] J. Zeitler und G. Simon, Physik für Techniker, München: Carl Hanser Verlag, 2016.
[4] P. J. Blau, Friction Science and Technology: From Concepts to Applications, Boca Raton: CRC-Press, 2008.
[5] G. Diepstraten und D. Wu, „Estimating Stencil Life and Ideal Heating Profile of Solder Paste Using Advanced Thermo-Gravimetric Analysis,“ [Online]. Available: https://www.circuitinsight.com/pdf/estimating_stencil_life_ipc.pdf. [Zugriff am 23 10 2021].
[6] A. Sharma, S. Mallik, N. Ekere und J.-P. Jung, „Printing Morphology and Rheological Characteristics of Lead-Free Sn-3Ag-0.5Cu (SAC) Solder Pastes,“ J. Microelectron. Packag. Soc, Bd. 21, pp. 1-7, 2014.