Schwerpunkte

Typische Fehlerbilder im Fokus

Lötfehler durch Stickstoff­atmosphäre vermeiden

04. März 2021, 10:47 Uhr   |  Anja Zierler

Lötfehler durch Stickstoff­atmosphäre vermeiden
© Rehm Thermal Systems

Bildaufnahme eines Graping-Defektes

Was bringt eine Stickstoffatmosphäre? Dieser Frage geht Rehm Thermal Systems für die typischen Fehlerbilder wie Lotperlen, Voiding oder Whisker nach. Denn je nach gewählter Lötatmosphäre können Lötfehler entstehen oder auch verhindert werden.

Was kann schiefgehen im Lötprozess? Und welchen Einfluss darauf hat die Atmosphäre? Einige hin und wieder auftretende Fehlerbilder hat Rehm Thermal Systems daraufhin untersucht, wie ihre Häufigkeit sich unter Stickstoffatmosphäre im Verhältnis zu normaler Umgebungsluft verändert.

Lotperlen

Ein sehr häufiger Fehler sind Lotperlen an zweipoligen Bauelementen (Chips), im Amerikanischen Beading genannt. Beading entsteht durch unter das Bauelement geratene Lotkörner der Paste, die beim Umschmelzen seitlich aus dem Spalt unter dem Chip herausgequetscht werden. Bei allen untersuchten Lotpasten wurde ein geringeres Beading nach dem Reflow-Löten unter Stickstoff nachgewiesen. Der Grund hierfür liegt vermutlich im besseren und schnelleren Zusammenschmelzen der einzelnen Lotkörner der Paste zu einem einheitlichen Lotvolumen. Der nicht vorhandene Sauerstoff kann keine Oxidhäute an der Lotkornoberfläche bilden, die ein Zusammenschmelzen behindern würden. Dadurch sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass einzelne Lotkörner unter den Spalt des Chips gelangen.

Rehm Thermal Systems
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Bildaufnahme der Analyse eines Head-in-Pillow BGA Ball

Voiding

Ebenso lässt sich die geringere Porenbildung, das Voiding, bei Flächen- und QFN-Lötungen auf die bessere Benetzung zurückführen. Das schnell benetzende Lot kann die beim Reflow-Löten entstehenden Gase effizienter aus seinem flüssigen Volumen austreiben. Allerdings können diese Ergebnisse nicht auf alle Lötstellen verallgemeinert werden.

Graping

Die Flussmitteleigenschaften werden ständig verändert und verbessert. Allerdings sind die klassischen Eigenschaften wie Cold und Hot Slump bei der Reflow-Profilerstellung nicht zu vernachlässigen. Nicht allein die Zeit über Liquidus und Anstiegsgradienten sind entscheidend. Bei der Miniaturisierung ist auch die Pastenkörnung eingeschlossen. Je kleiner die Durchmesser werden, desto mehr muss das Flussmittel diese schützen. Ist das schützende Flussmittel durch „Ausbluten“ im Vorheizbereich (Hot Slump) vom Pastenkorn verschwunden, oxidiert dieses und wird danach zwar umschmelzen, aber sich nicht mehr mit anderen Pastenteilen verschmelzen. Die Oxidschicht ist undurchdringlich und das Aussehen ähnelt einem Strang Weintrauben (Grapes). Die inerte Atmosphäre vergrößert das Prozessfenster, aber der Einfluss des Flussmittels wird nicht gänzlich ausgeschlossen.

Head in Pillow (HiP)

Der Head-in-Pillow- oder auch Head-on-Pillow-Effekt wird durch eine Oxidschicht auf dem BGA-Ball verursacht, der ein Verschmelzen der Pastenkörner verhindert. Typischerweise wird durch Verwindung und Wölbung des BGA und/oder der Leiterplatte eine Trennung des Pastendepots vom BGA-Ball hervorgerufen. Durch die fehlende Flussmittelaktivierung bildet sich eine Oxidschicht auf dem Ball, der später das Verschmelzen mit dem Pastendepot verhindert, obwohl dieser wieder in das umgeschmolzene Pastendepot eintaucht. Da zu diesem Zeitpunkt das Flussmittel verbraucht ist, kann die Oxidschicht nicht mehr reduziert werden und es tritt keine Verbindung ein; deswegen hat man den Eindruck, dass der Ball wie in einem Kissen ruht (Head in Pillow; HiP) oder auf einem Kissen ruht (Head on Pillow). Wird die Oxidation während der Trennung durch eine inerte Atmosphäre (N2 oder Dampfphase) verhindert, können sich Pastendepot und Ball verschmelzen. Eine geringe Restaktivation durch das Flussmittel muss aber noch vorhanden sein. Auch hier schont eine inerte Atmosphäre das Flussmittel, da weniger Oxide reduziert werden müssen.

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Phasen der Entstehung eines Tombstones

Benetzungsstörungen

Die guten Benetzungsverhältnisse unter Stickstoff führen in der Regel zu einer besseren Ausbreitung des Lotes und verhindert Lötfehler durch Benetzungsdefizite der Lötoberflächen (IPC 610). Das ist bekannt, doch nicht immer werden die erwarteten verbesserten Lötergebnisse erreicht. Chiplötungen werden unter anderem durch die Ausprägung des realisierten Meniskus charakterisiert. Dabei ist die Höhe des angestiegenen Lotes ein Qualitätsmerkmal. Unter einer Stickstoffatmosphäre kann die nachgewiesene Benetzungshöhe geringer ausfallen als unter Luft. Anders gesagt: Der nicht benetzte Bereich (Gap) nimmt zu. Ursache hierfür ist tatsächlich die bessere Lotspreitung unter Stickstoff. Da das Lot zum Benetzen des Bauelementeanschlusses gegen seine Schwerkraft arbeiten muss, ist das zu benetzende Leiterplatten-Pad bevorzugt; zusätzlich ist die Sphärenhöhe bei größerer Spreitung geringer. Es steht also weniger Lot zur Verfügung, das am Bauelementeanschluss aufsteigen kann.

Grabsteine

Tombstones (Grabsteine) entstehen durch Differenzen der Benetzungszeiten zwischen den beiden Seiten eines Zweipolers. Schmilzt eine der Lötstellen vor der anderen auf, richten die angreifenden Benetzungskräfte und die Oberflächenspannung des flüssigen Lotes das Bauelement auf. Das zeitverzögert aufschmelzende zweite Lotdepot hat dann keine Chance mehr, den zweiten Bauteilanschluss zu benetzen. Unter einer Stickstoffatmosphäre werden oft mehr Tombstones nach dem Reflow-Löten beobachtet. Die Ursache hierfür liegt wiederum in der besseren Benetzung, womit die Benetzungszeitdifferenz zwischen den beiden Bauteilanschlüssen meist größer wird. Allerdings sind auch beim Tombstoning die Wechselwirkungen mit den anderen Einflussfaktoren teilweise erheblich.

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