Lotkugeln im Test
Fortsetzung des Artikels von Teil 4
Ergebnisse
Das Hauptziel dieser Untersuchung war es, stark bleihaltige und bleifreie Lötverbindungen zuverlässig zu evaluieren und nachzuweisen, dass sie mindestens 1000 Temperaturwechselzyklen zwischen -40 °C und +125 °C ohne Defekte standhalten können. Dieses Ziel haben alle drei Konfigurationen übertroffen. Jedoch zeigten polymergefüllte Lotkugeln ein weit besseres Verhalten als sowohl stark verbleite als auch SAC-305-Lotkugeln, was die Tester dazu veranlasste, den ursprünglichen Qualifikationsplan neu zu bewerten und die Gesamtzahl der Zyklen von 3000 auf 6000 zu erhöhen. Alle akkumulierten Fehler wurden in einem Weibull-Diagramm dargestellt (Bild 6).
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Der erste Defekt bei den stark bleihaltigen Lotkugeln ereignete sich nach 1896 Zyklen, der letzte nach 2928. Hier soll daran erinnert werden, dass bleihaltige Lotkugeln seit Jahren Verwendung finden und in dieser Studie als Referenz dienen [5]. Die bleihaltigen Lotkugeln schmelzen während des Reflow-Lötens nicht. Beide Lötverbindungen sind ausschließlich vom Bonding des eutektischen Sn63Pb37 zwischen den Anschlussflächen des Substrats und den verbleiten Lotkugeln sowie zwischen der Leiterplatte und den Lotkugeln abhängig.
Der erste Ausfall bei den SAC-305-Lotkugeln trat nach 1896 Zyklen auf (ebenso wie bei den stark bleihaltigen Lotkugeln), der letzte nach 5298 Zyklen. Interessant ist, dass sich der zweite Defekt nach 2724 Zyklen ereignete. Dieser Abstand von 828 Zyklen zwischen dem ersten und zweiten Defekt kann eventuell auf einen früher entstandenen Defekt zurückzuführen sein. Leider war es nicht möglich, irgendwelche Schlüsse aus dieser Post-Fehler-Analyse zu ziehen. Demzufolge floss das erste Auftreten des Defekts in das Weibull-Diagramm ein.
Der erste Ausfall einer polymergefüllten Lotkugel ereignete sich nach 3433 Zyklen. Zu diesem Zeitpunkt waren bereits sämtliche mit stark bleihaltigen Lotkugeln versehenen Daisy-Chains seit über 500 Zyklen ausgefallen. Der letzte Defekt bei Lotkugeln mit Polymerkern wurde nach 5941 Zyklen beobachtet. Nach 6000 Zyklen funktionierten noch drei Daisy-Chains mit polymergefüllten Lotkugeln. Somit liegt der Schluss nahe, dass Lotkugeln mit Polymerkern im Vergleich mit herkömmlichen stark bleihaltigen Lotkugeln eine exzellente Zuverlässigkeit aufweisen. Die polymergefüllten Lotkugeln sind, wenn es um hohe Zuverlässigkeit auf Board-Ebene geht, definitiv eine gute Alternative zu festen Lotkugeln wie etwa stark bleihaltigen. Der Einsatz solcher Lotkugeln mit Polymerkern erfordert keine besonderen Anpassungen im Fertigungsprozess, weder bei der Bauteileherstellung noch bei der SMD-Bestückung. Ihr geringes Gewicht unterstützt sogar noch die Selbstzentrierung während der Anbringung der Lotkugeln.
Mechanische Analyse
Insgesamt fanden 21 mechanische Stichproben in der Kammer Platz. Sie wurden zwar den Temperaturwechseln unterworfen, allerdings fand keine Überwachung der elektrischen Größen statt. Die Bausteine wurden der Kammer nach 500, 1000, 1500, 2000, 2500 und 3000 Zyklen entnommen. Der Vergleich von externen SEM-Ansichten mit HPLM-Querschnitten erlaubt den Schluss, dass zu Beginn keine Risse vorlagen. Die Analyse mit Hochleistungs-Lichtmikroskopie zeigt gute Benetzung mit Lot und anscheinend auch gute Bildung von Lötverbindungen während des Prozesses. Eine Defektanalyse am Ende der Temperatur-Zyklustests zeigt die klassischen Defekte für die drei untersuchten Konfigurationen. Die Bildung von Rissen beginnt im Lot an der Schnittstelle zwischen Gehäuse und Lotkugeln sowie zwischen Lotkugeln und Leiterplatte. Beide Stellen sind starken Belastungen ausgesetzt. All diese Analysen wurden an den äußeren Lotkugel-Reihen durchgeführt, die für besonders hohes Ausfallrisiko bekannt sind.
