Minimierung der Grabsteine

Leute,

Dieser Beitrag ist ein Auszug aus demBuch The Printed Circuits Assemblers Guide to Solder Defects der IndiumCorporation .

Einführung

Probleme mit Leiterplatten (PCB) können eine Herausforderung sein, aber nicht alle davon können Ihre Leiterplatte in ein frühes Grab schicken, wie z. B. Tombstoning. Tombstoning wird durch ungleiche Oberflächenspannungskräfte verursacht, die beim Schmelzen der Lötpaste auf den gegenüberliegenden Seiten eines passiven Bauteils entstehen. Diese ungleichen Kräfte führen dazu, dass sich das passive Bauteil an einem Ende abhebt und den Kontakt mit der Schaltung unterbricht. Das Ergebnis ist etwas, das einem Grabstein auf einem Friedhof unheimlich ähnlich sieht (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Komponenten eines Kondensators mit Grabsteinen.

Mechanismus der Grabsteine

Verschiedene Faktoren tragen zur Bildung von Grabsteinen bei. Tombstoning ist fast immer das Ergebnis ungleicher Benetzungskräfte an den Anschlüssen des Bauteils. Wenn ein Ende vor dem anderen "benetzt" wird, "zieht" die nun unausgewogene Benetzungskraft des Lots das Bauteil und dreht es, so dass es auf dem Kopf steht. Auch bei ungleichmäßiger Erwärmung der Leiterplattenbaugruppe kommt es zu Grabsteinbildung. Wenn die Leiterplatte den Reflow-Ofen durchläuft, wird die vordere Seite des passiven Bauteils oft zuerst erhitzt (siehe linke Seite des passiven Bauteils in Abbildung 2). Diese ungleichmäßige Erwärmung führt dazu, dass die Lötpaste, die der Wärmequelle am nächsten ist (die linke Seite in Abbildung 2), zuerst schmilzt. Wenn dieses Lot schmilzt, bewirkt seine Oberflächenspannung, dass das Passivteil aufrecht steht, wie in den Abbildungen 1 und 2 zu sehen ist.

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Abbildung 2: Der Mechanismus der Grabsteine im Detail.

Lötlegierung

Ein Ansatz zur Minimierung von Grabsteinen ist die Verwendung einer Lotlegierung, die beim Schmelzen einen großen "pastösen" oder "plastischen" Bereich aufweist. Der plastische Bereich ist der Temperaturbereich, in dem das Lot geschmolzen und fest ist. Bei einem eutektischen Lot, wie z. B. Sn63/Pb37-Lot, gibt es keinen plastischen Bereich, da das Lot bei knapp unter 183 °C vollständig fest und bei knapp über 183 °C vollständig flüssig ist. SnPbAg-Legierungen, wie Sn62 oder ^{Indalloy®100}, werden aufgrund ihres größeren plastischen Bereichs häufig verwendet, um Tombstoning-Probleme bei verbleiten Baugruppen zu beseitigen.

Bei Pb-freien Loten hat SAC3510 (Sn/3,5Ag/1Cu) einen engen Kunststoffbereich, während SAC305 einen breiteren Bereich aufweist. Daher würde man erwarten, dass SAC305 bei der Minimierung von Grabsteinen besser abschneidet - und das tut es auch. Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse von Experimenten zur Bestimmung der Gruftsteinbildungsrate. Man beachte, dass die Grabsteine bei SAC3510 mehr als sechsmal so häufig auftreten wie bei SAC305. Da SAC305 eine der gebräuchlichsten Pb-freien Legierungen ist, hat das Auftreten von Grabsteinen in der Pb-freien Ära stark abgenommen.

Abbildung 3: Vergleich von anderen Legierungen als SAC305 bei der Tombstone-Herstellung. Die grünen Balken sind bleifreie Legierungen, die schwarzen sind bleihaltige Legierungen.

Board-Design

Es ist äußerst wichtig, dass Fertigungsingenieure eng mit Designingenieuren zusammenarbeiten, um Probleme und Fehler bei der Leiterplattenherstellung zu beseitigen. Tombstoning ist ein Defekt, der durch ein geeignetes Design beseitigt werden kann. Wenn das Leiterplattendesign eine Wärmesenke (z. B. eine Kupferschicht) unter oder in der Nähe einer Seite eines passiven Bauteils aufweist und die andere Seite weiter entfernt ist, könnte die Wärmesenke das thermische Gleichgewicht der Baugruppe beeinträchtigen; die Lötpaste auf der Seite ohne Wärmesenke könnte zuerst flüssig werden, was einen Tombstoning-Fehler verursachen könnte.

Schablonen-Design

Eine Minimierung der auf die Leiterplattenpads gedruckten Lotpaste verringert ebenfalls die Grabsteine. Besonders hilfreich ist es, die Menge des direkt hinter den Enden des Passivs gedruckten Lots zu reduzieren, wodurch fast alle Tombstoning-Kräfte eliminiert werden. Ein typisches Schablonendesign, mit dem dieses Ziel erreicht werden kann, ist in Abbildung 4 dargestellt. In einigen Experimenten konnte mit diesem Design das Tombstoning vollständig eliminiert werden.

Abbildung 4: Ein Schablonendesign zur Minimierung von Tombstoning in 0402-Passivteilen.

Drucken

Der Druckprozess und die Übertragungseffizienz sind Schlüsselkomponenten für viele End-of-the-Line-Fehler, einschließlich Tombstoning. Wenn auf einer Seite eines passiven Bauteils mehr Lotpaste vorhanden ist als auf der anderen Seite, könnte das Bauteil in einer Position platziert werden, in der es nur mit der höheren Ablagerung in Kontakt kommt. Dies würde höchstwahrscheinlich zu einem Tombstone-Fehler führen. Durch den Einsatz von SPI-Geräten (Solder Paste Inspection) kann sichergestellt werden, dass die Lotpastenablagerungen innerhalb der Spezifikation liegen und dass eine Ablagerung nicht höher ist als die andere. Die Optimierung der Größe und Form der Öffnung trägt ebenfalls dazu bei, die Schwankungen des Lotpastenvolumens zwischen den Pads zu minimieren.

Platzierung

Der Platzierungsdruck und/oder eine ungeeignete Z-Höhe sind häufig der Grund für das Auftreten von Tombstoning. Es ist wichtig, sicherzustellen, dass der Platzierungsdruck und die Z-Höhe für die Baugruppe geeignet sind und vor der Produktion optimiert werden. Es ist auch möglich, dass die Teile beim Platzieren schief sind. Obwohl Lot dazu neigt, sich selbst auszurichten, können falsch platzierte und nicht ausgerichtete Bauteile zu Tombstoning führen.

Reflow

Ein Ansatz zur Minimierung der Grabsteine ist die Verringerung der Gesamtwärmezufuhr während des Reflows durch allmähliche Erhöhung der Rampenrate; diese Bedingung kann jedoch in einem Reflow-Ofen schwer zu erreichen sein. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung eines Reflow-Profils vom Typ Soak, um ein thermisches Gleichgewicht zwischen den beiden Lotpastenablagerungen zu erreichen, so dass beide Ablagerungen gleichzeitig in die Liquidusphase übergehen.

Abgesehen davon, dass Lote ohne Kunststoffanteil vermieden werden sollten, führt eine Stickstoffatmosphäre im Reflow-Ofen eher zu einer Verschlimmerung der Grabsteine, da Stickstoff die Benetzungsgeschwindigkeit erhöht und die Oberflächenspannungskräfte schneller auftreten. Sofern es sich nicht um feine Lotpastenablagerungen oder Package-on-Package (PoP)-Baugruppen auf der Leiterplatte handelt, gibt es höchstwahrscheinlich keinen Grund, Stickstoff zu verwenden, da die meisten modernen Spitzenlotpasten auch in einer Luft-Reflow-Atmosphäre gut funktionieren.

Schlussfolgerungen

Grabsteine können durch Befolgung der in diesem Artikel beschriebenen Richtlinien minimiert werden. Eine zuverlässige Methode zur Minimierung von Tombstoning ist die Verwendung einer Lötlegierung, die einen großen Kunststoffbereich aufweist, wie ^{Indalloy®100}(verbleit) oder SAC305 (Pb-frei). Es ist auch wichtig, einen offenen Dialog mit den Leiterplattendesignern zu führen, um Kühlkörper in der Nähe oder unter einer Seite der passiven Komponenten zu minimieren. Verwenden Sie ein Reflow-Löttemperaturprofil, das sich langsam vom Solidus zum Liquidus bewegt, oder minimieren Sie die thermische Fehlanpassung durch ein Eintauchen. Setzen Sie SPI ein, um sicherzustellen, dass die Lotdepots ähnlich hoch sind und innerhalb der Spezifikation liegen, und drucken Sie ein kleines Lotdepot, insbesondere an den beiden Enden der passiven Bauelemente. Stellen Sie sicher, dass der Bestückungsdruck und die Z-Höhe angemessen sind und die Teile nicht schief platziert werden. Vermeiden Sie die Verwendung von Stickstoff im Reflow-Ofen; bei einer guten Lötpaste ist dies unnötig und verschlimmert das Tombstoning.

Zum Wohl,

Dr. Ron