Der zunehmende Einsatz von Leistungsbauteilen und die stetig steigende Leistungsdichte von elektronischen Komponenten erfordern fehlerfreie Lötverbindungen. Lunker oder Poren – also Lufteinschlüsse in der Lötverbindung, die meist auf Gasblasen nicht aus der Lötverbindung verdrängter Flussmittelbestandteile resultieren – reduzieren die elektrische und thermische Leitfähigkeit und verursachen Wärmestaus. Auch auf die elektrischen und thermischen Eigenschaften können jene Poren einen negativen Einfluss haben, indem sie die Homogenität der Lötverbindung beeinträchtigen und in der Folge eine lokale Konzentration von Leistung und Wärme bewirken. Hinzu kommt, dass bleifreie Lote zu einer verstärkten Lunkerbildung führen und eine höhere Viskosität haben: Mit der Einführung von bleifreien Loten hat sich das schon länger bekannte Problem der Bildung von Lunkern in den Lötverbindungen verschärft. Wichtigste Erkenntnis: Die Lunkerbildung ist kein reproduzierbarer Prozess!

Quelle

Der Artikel basiert in Teilen auf der Veröffentlichung „Porenfreie Löttechnologie – Eine Alternative zum Vakuum“, Nowottnick, M.; Pape U.; Diehm R.; 2007

Um die Porenbildung zur minimieren, ist gemäß der Norm IPC A 610 in Klasse 1, 2 und 3 bei BGA-Bauteilen ein Porenanteil von maximal 25 Prozent pro Lotkugel, bezogen auf die im Röntgenbild sichtbare Fläche zulässig. Designbedingte Poren, wie etwa Microvias in der Anschlussfläche, sind von dieser Anforderung ausgenommen. In diesen Fällen müssen die Abnahmekriterien zwischen Hersteller und Anwender vereinbart werden. Gleiches gilt für BTCs (Bottom Termination Components), für die bislang noch keine Angaben zur zulässigen Porosität existieren. Es ist aber davon auszugehen, dass eine Lotbedeckung unter 50 Prozent zu Problemen bei der Wärmeableitung führt. Auch für Lötverbindungen von SMT-Standardbauteilen gibt es noch keine Vorgaben. Für Anwendungen in Klasse 3 orientieren sich Unternehmen jedoch häufig an die Kriterien aus IPC A 610, die teilweise sogar ein Porenanteil von maximal 10 bis 15 Prozent bezogen auf das Volumen der Lötverbindung fordert.

Prozess- und Materialeinflüsse

Der Porenanteil kann durch verschiedene Maßnahmen beeinflusst werden. Hierzu zählt eine optimale und vor allem schnelle Benetzung, die speziell bei bleifreien Lotlegierungen nicht immer einfach zu erzielen ist. Die nach oben begrenzte Löttemperatur wird häufig durch eine längere Lötzeit ausgeglichen, wodurch sich zwar der gleiche Wärmeeintrag und ein vergleichbares Benetzungsergebnis erreichen lässt, jedoch wird die Dynamik des Lötprozesses beeinflusst. Durch das langsamere Fließen des Lotes können Flussmittelreste schlechter entweichen wodurch sich Poren bilden. Einen Ausgleich können Lotpasten mit speziell angepassten Lösemitteln und gut benetzbare Oberflächenmetallisierungen schaffen.

In den flächigen Lötverbindungen von Leistungsbauelementen entscheidet eine homogene elektrische und thermische Leitfähigkeit über die Funktion und Lebensdauer. Da Gasblasen und Flüssigkeitseinschlüsse das Bestreben haben, eine möglichst kleine Oberfläche anzunehmen, ziehen sich diese je nach Größe und Lotspaltdicke zusammen. Im Idealfall bilden kleine Poren eine Kugelform, größere Poren heben aber, wegen der begrenzten Lotspaltdicke, das Bauelement beziehungsweise den Chip lokal an. Da die Verteilung der Poren im Lotspalt selten gleichmäßig ist bzw. sich mehrere kleinere Poren auch zu größeren vereinigen können, kommt es in der Regel zum Verkippen der gelöteten Komponenten. Eine starke Verkippung verstärkt natürlich die Inhomogenitäten, die ungleichmäßige Verteilung der Ströme und Temperaturen, vor allem aber die thermo-mechanischen Spannungen. Daher wird speziell bei flächigen Lötverbindungen versucht, durch die Optimierung des Lotpastendrucks eine möglichst große Lotbedeckung zu erreichen. Das kreuzförmige Drucken der Lotpaste scheint dabei die vergleichsweise besten Ergebnisse zu liefern.

Auch das richtige Layout kann für weniger Lunker sorgen: Dabei ist vor allem auf das Lotmaskendesign zu achten. Die Restringbreite und die Breite des Leitbahnzugsanschlusses bei NSMD (Non Solder Mask Define Design) sollten nicht zu groß sein. Im Gegensatz dazu besteht bei den Solder-Mask-Defined-Layouts keine Inhomogenität, weil das Pad durch die Maske eindeutig definiert wird. Aber auch das Paddesign sollte so ausgelegt sein, dass Bauelemente und Leiterplatten-Pads den gleichen Durchmesser aufweisen, damit es nicht zu unnötigen mechanischen Spannungen und damit Rissen in der Lötstelle kommt. Ebenso nachteilig wirkt sich eine Verbiegung der Leiterplatte oder gar des BGAs selbst aus, auch wenn das Leiterplattenmaterial in den letzten Jahren in dieser Hinsicht besser geworden ist.

Alle diese Maßnahmen können bis zu einem gewissen Grad dazu beitragen, den Porenanteil zu verringern, eine vollständige Vermeidung von Poren ist hierdurch jedoch kaum möglich. Für nahezu porenfeie Lötverbindungen wurde bislang ein Vakuumprozess eingesetzt, bei dem die Gas- und Flussmitteleinschlüsse aus der Verbindung herausgesaugt werden, solange das Lot noch flüssig ist.

Was beeinflusst die Bildung von Lunkern bei BGAs?

Lunker entstehen durch das Zusammenwirken von Flussmittelchemie und Lotlegierung beim Reflow-Lötprozess. Dabei spielen die Lotpaste, der Reflowprozess und die Leiterplattenoberfläche ebenso eine Rolle, wie eventuell unterschiedliche Legierungen der Lotpaste und der Balls sowie die Konstruktion des BGAs selbst. Lunker führen zu Brückenbildung, zu Kontaktabrissen oder zu schwachen Anbindungen und mögen kein Vakuum um sich (Luft- und Raumfahrt).

Alles Vakuum?

Gemeinhin sind Experten der Ansicht, dass die einzige Möglichkeit Lunker vollständig aus dem flüssigen Lot zu entfernen, im gezielten Einsatz von Vakuum während des Lötprozesses besteht. Allerdings ist ein Vakuumprozess mit einigen wesentlichen Nachteilen verbunden. Abgesehen von dem sehr hohen technischen Aufwand für Vakuumpumpen und -schleusen, ist die Verwendung von Konvektion zur Wärmeübertragung in einem Vakuumprozess nicht möglich. Darüber hinaus gasen Leiterplattenmaterialien und auch verschiedene Bauelemente im Vakuum stark aus, und speziell einige Elektrolytkondensatoren vertragen den Vakuumprozess wegen der hermetisch eingeschlossenen Flüssigkeiten überhaupt nicht. Generell ist für viele Bauteile nicht geklärt, welche Auswirkungen ein massiver relativer Unterdruck haben kann. Bei Gaseinschlüssen unter dünnwandigen Komponentenhüllen, Etiketten oder Lötstopplacken kann es zudem zu Materialablösungen kommen.

Ein häufig auftretendes Manko ist jedoch die Verunreinigung durch Flussmittelrückstände und Lotperlen. Durch die erzwungene Porenausbringung im relativen Unterdruck wird auch die flüssige Legierung mit herausgesaugt, was zu einer Kontamination der Baugruppe führt. Signifikante Rückstände, beispielsweise von Flussmitteln, erfordern ein Reinigen der Baugruppe. Gleiches gilt für Lotperlen, die unter Umständen zum Ausfall der Baugruppe führen können. Bilden sich Lotperlen jedoch unter einem Bauteil (zum Beispiel bei einem BGA), ist eine Nacharbeit in Form von Reinigung nicht möglich.

Löten im Überdruck

Basierend auf der Tatsache, dass die Druckdifferenz zwischen der Pore und der Umgebung ausschlaggebend ist, lässt sich das Prinzip des Vakuumlötens auch bei höheren Drücken anwenden. Wenn die Pore in der Lötverbindung im Überdruck entsteht, reicht der normale Atmosphärendruck aus, das eingeschlossene Gas zu entfernen. Diesen innovativen, neuen Weg geht Seho mit der Lötanlage Maxireflow HP, die Konvektionswärme und ein spezielles Überdruckmodul ideal kombiniert und damit nahezu porenfreie Lötverbindungen erreicht.

Während der Vorheizbereich der Maxireflow HP einer konventionellen Konvektionsanlage entspricht und über sechs obere und untere Heizzonen verfügt, ist direkt im Peakbereich eine Druckkammer, kombiniert mit zwei Konvektions-Heizzonen, integriert. Im Vergleich zu einer Vakuumanlage bietet diese Lösung mehrere Vorteile, wie beispielsweise die sehr gleichmäßige und effiziente Erwärmung der Baugruppen mit Konvektion und damit ein niedriges Delta T. Dadurch lassen sich konventionelle Komponenten verwenden und die Gestaltung üblicher Temperaturprofile ist problemlos möglich.

Die Druckkammer ist mit einem Gesamtvolumen von 240 l für einen Überdruck von 4,2 bar ausgelegt und bietet damit genügend Flexibilität für unterschiedlichste Applikationen. Der Druckaufbau erfolgt mit Stickstoff, um Oxidation zu vermeiden und die Benetzungsaktivität zu erhöhen. Während des Lötens wird der Prozess so gestaltet, dass die Legierung bereits vor Eintritt in die Druckkammer aufgeschmolzen ist. In der ersten Zone der Druckkammer wird das flüssige Lot mit einem Überdruck von max. 4 bar beaufschlagt. Gleichzeitig sorgt die Kombination aus Konvektion und Quarzheizung für stabile und reproduzierbare Temperaturbedingungen. Der Druck wird nach kurzer Zeit ruckartig wieder abgebaut, wodurch vorhandene Poren aus dem flüssigen Lot verdrängt werden.

Mit dem getakteten Transport wird die Baugruppe anschließend in die zweite Konvektionszone der Druckkammer gefahren und erneut ein Überdruck aufgebaut. In dieser Zone liegt die eingestellte Temperatur bereits unter dem Solidus, so dass das Lot unter Druck erstarren kann. Mit diesem innovativen Konzept können auch letzte, noch verbliebene Poren aus den Lötverbindungen entfernt werden. Unmittelbar nach Erstarren des Lotes wird der Druck abgebaut und die Baugruppe an die Kühlzone übergeben. Im Falle von unkritischen Baugruppen lässt sich die Anlage auch ohne Aktivierung der Druckkammer betreiben. Die Leiterplatten durchlaufen dann einen herkömmlichen Reflow-Lötprozess, ohne zusätzlichen Platzbedarf.

Verschiedene Testreihen mit der Anlage bestätigen die zuvor gewonnenen, positiven Laborergebnisse. Vor allem die Dynamik des Prozesses sorgt für eine sehr hohe Effizienz und bietet mehr Flexibilität als ein Vakuumprozess. Während sich der Druckbereich für Vakuumprozesse zwischen 1 bar atmosphärischem Druck und 0 bar bewegt, ermöglicht eine Überdruckzone einen deutlich größeren Bereich zwischen 1 bar und 4 bar.

Minimierter Porengehalt

Wesentliche Vorteile gegenüber dem Vakuumlöten zeigt das Löten im Überdruck im Prozess selbst. Einschränkungen bei der Verarbeitung spezieller Bauteile, wie etwa von Elektrolytkondensatoren, sind nicht vorhanden. Verunreinigungen im Bereich der Lötstellen treten nur in einem sehr geringen Umfang auf. Das Reinigen der Baugruppen als zusätzlicher Prozessschritt entfällt daher. Vor allem aber entstehen beim Löten im Überdruck keine Lotperlen, wie sie häufig im Vakuumprozess beobachtet werden. Die Gefahr von elektrischen Kurzschlüssen durch locker anhaftende Lotperlen unter Bauteilen und damit das Risiko des Ausfalls der Baugruppe geht beim Löten im Überdruck gegen Null.

(mrc)

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