Die typische Frage an einen Hersteller von Reflowlötanlagen wie Rehm Thermal Systems lautet oft: „Was bringt eine Stickstoffatmosphäre?“ Dieser Frage gehen wir hier für die typischen Fehlerbilder nach: Es geht um Lotperlen, Beading, Voiding, Whisker, Graping, Head-in-Pillow, Benetzungsstörungen und Tombstone. Denn durch die gewählte Lötatmosphäre können unterschiedliche Lötfehler entstehen oder beschleunigt werden, jedoch auch verhindert oder vermindert werden. Die Konvektionslötsysteme der Vision-Serie von Rehm Thermal Systems sind als Luft- oder Stickstoffanlagen konzipiert.

Lotperlen / Beading


Ein sehr häufiger Fehler sind Lotperlen an zweipoligen Bauelementen (Chips), was im Amerikanischen Beading genannt wird. 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 Reflowlöten unter Stickstoff nachgewiesen. Der Grund hierfür wird im besseren und schnelleren Zusammenschmelzen der einzelnen Lotkörner der Paste zu einem einheitlichen Lotvolumen gesehen. 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 können.

Voiding

Ebenso wird die geringere Porenbildung, das Voiding, bei Flächen- und QFN-Lötungen auf die bessere Benetzung zurückgeführt. Das schnelle benetzende Lot kann die beim Reflowlöten 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 Reflowprofilerstellung 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 müssen diese durch das Flussmittel „beschützt“ werden. 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. Durch die inerte Atmosphäre wird das Prozessfenster vergrößert, aber der Einfluss des Flussmittels 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’s und/oder 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 verhindert durch eine inerte Atmosphäre (N2 oder Dampfphase) können sich Pastendepot und Ball verschmelzen. Eine geringe Restaktviation durch das Flussmittel muss aber noch vorhanden sein. Auch hier schont eine inerte Atmosphäre das Flussmittel, da weniger Oxide reduziert werden müssen.

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 zu erwarteten verbesserten Lötergebnissen 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 Leiterplattenpad bevorzugt; zusätzlich ist die Sphärenhöhe bei größerer Spreitung geringer. Es steht also weniger Lot zur Verfügung, das am Bauelementeanschluss aufsteigen kann.

Grabsteine / Tombstones

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 Reflowlöten 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.

Über die Rehm Thermal Systems GmbH

Die Firma Rehm zählt als Spezialist im Bereich thermische Systemlösungen für die Elektronik- und Photovoltaikindustrie zu den Technologie- und Innovationsführern in der modernen und wirtschaftlichen Fertigung elektronischer Baugruppen. Als global agierender Hersteller von Reflow-Lötsystemen mit Konvektion, Kondensation oder Vakuum, Trocknungs- und Beschichtungsanlagen, Funktionstestsystemen, Equipment für die Metallisierung von Solarzellen sowie zahlreichen kundenspezifischen Sonderanlagen sind wir in allen relevanten Wachstumsmärkten vertreten und realisieren als Partner mit mehr als 30 Jahren Branchenerfahrung innovative Fertigungslösungen, die Standards setzen.

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