Fachleute im Bereich der Leiterplattenbranche (PCB) Branche sind nur allzu gut mit häufigen Lötfehlern wie „Tombstoning“ und „Head-in-Pillow“ vertraut. Diese Fehler stellen erhebliche Risiken für die Leistungsfähigkeit sowohl der betroffenen Bauteile als auch der Leiterplatten selbst dar.
In meinen Gesprächen mit Kunden ist mir aufgefallen, dass die Begriffe für diese Fehlerarten oft falsch verstanden werden. Häufig werden beide in eine übergeordnete Kategorie zusammengefasst. Ich habe sogar schon erlebt, dass Kunden von „Head-in-Pillow“-Fehler als „Tombstoning“ bezeichnet haben. Dies führt zu Verwirrung, da diese Fehler unterschiedliche Ursachen haben und sich die Empfehlungen zur Fehlerbehebung deutlich unterscheiden.
Beide Fehler gehen auf einen fehlenden Kontakt und eine fehlende Lötverbindung zwischen zwei Oberflächen der Baugruppe zurück, was zu dieser Fehlinterpretation führt. In diesem Beitrag werden die Merkmale der einzelnen Fehler deutlich dargelegt, um Ihnen eine fundierte Grundlage für die effektive und genaue Diagnose Ihrer Fehler zu bieten.
Was ist „Tombstoning“?
„Tombstoning“ ist wohl einer der auffälligsten Fehler bei der Leiterplattenfertigung. Bei diesem Fehler sieht man ein Bauteil, das senkrecht auf seiner Kante steht und an einen Grabstein auf einem Friedhof erinnert.
Dies tritt vor allem bei kleinen passiven Bauteilen auf, wobei die Hauptursache in der ungleichmäßigen Benetzung der Lötpads liegt. Wenn ein Pad früher benetzt wird als das andere, zieht die Oberflächenspannung des benetzten Pads das Bauteil an. Diese Kraft bewirkt, dass es sich anhebt, wodurch die Bildung einer vollständigen Lötstelle auf dem gegenüberliegenden Pad verhindert wird.
(Anmerkung: Die Abbildungen 4.1 und 4.2 aus dem „Leitfaden für Leiterplattenmonteure zu Lötfehlern“ veranschaulichen dies sehr gut.)
Fehlerbehebung bei Tombstoning
Wir wenden verschiedene Methoden zur Fehlerbehebung an, um das Tombstoning-Phänomen zu beheben. Das Pad-Design ist einer der ersten Aspekte, die wir bei einer Untersuchung berücksichtigen. Wenn die Pads der betroffenen Bauteile unterschiedliche Größen oder Formen aufweisen, kann dies zu einer ungleichmäßigen Oberflächenspannung am Bauteil führen. Wir empfehlen häufig, darauf zu achten, dass die Pads eine ähnliche Größe und Form haben, um diese gegensätzlichen Kräfte zu minimieren.
Eine Anpassung des Reflow-Prozesses kann ebenfalls dazu beitragen, das Auftreten von „Tombstoning“ zu verringern. Durch die Einführung eines Schulterprofils oder einer kurzen Haltezeit lässt sich sicherstellen, dass beide Lötpads des betroffenen Bauteils gleichzeitig benetzt werden.
Was ist „Head-in-Pillow“?
Im Gegensatz zum „Tombstoning“ sind „Head-in-Pillow“-Defekte bekanntermaßen nur schwer visuell zu erkennen. Oft sind eine Röntgenprüfung oder ein Querschnitt erforderlich, um die genaue Stelle zu lokalisieren.
Dieser Defekt tritt vor allem bei BGAs auf und entsteht, wenn sich die Lötkugel auf dem BGA nicht mit der Lötpastenschicht auf der Leiterplatte verbinden kann. Die Verformung des BGA ist hier die Hauptursache. Während des Reflow-Lötvorgangs erwärmt sich das BGA und verzieht sich, was zu einer Ablösung der BGA-Lötkugeln von den Lötpastenaufträgen führen kann.
Sobald der Reflow-Prozess abgeschlossen ist und das BGA abgekühlt ist, nimmt der Verformungsgrad ab. Die Lötkugeln und die Lötpastenaufträge kommen schließlich wieder in Kontakt. Doch obwohl das Lot während des Reflow-Prozesses geschmolzen ist, weisen die Lötflächen beim Wiedervereinigen oft eine zu starke Oxidation auf. Dies verhindert, dass das Lot verschmilzt und eine ausreichende Lötstelle entsteht. Das Ergebnis ist ein Spalt zwischen der Lötkugel und dem Lötpastenauftrag, der an eine Person erinnert, die ihren Kopf auf ein Kissen legt.
(Anmerkung: Abbildung 3.1 aus dem „Leitfaden für Leiterplattenmonteure zu Lötfehlern“ ist hier eine gute Referenz.)
Fehlerbehebung bei „Head-in-Pillow“
Die Empfehlungen zur Fehlerbehebung bei „Head-in-Pillow“-Fehlern konzentrieren sich darauf, den Abstand zwischen den BGA-Lötkugeln und den Lötpastenaufträgen auf der Leiterplatte zu verringern.
- Druckeffizienz: Durch eine effektive Übertragungseffizienz beim Drucken wird sichergestellt, dass vor dem Reflow kein großer Abstand zwischen den Lötkugeln und der Lötpaste entsteht.
- Reflow-Optimierung: Ein weiterer Ansatz besteht darin, das Reflow-Profil zu optimieren, um die Verformung von BGAs zu minimieren. Dies lässt sich erreichen, indem man die Temperatur und die Zeit über dem Liquidus (TAL) verringert, um zu verhindern, dass sich das Bauteil während des Reflow-Schritts übermäßig erhitzt.
- Materialauswahl: Darüber hinaus wurden spezielle Lötpasten wie beispielsweise „Indium10.8HF“ von Indium Corporation® entwickelt, deren Eigenschaften dazu beitragen, das Auftreten von „Head-in-Pillow“-Fehlern zu reduzieren.
Auch wenn dies schwer zu erkennen ist, lassen sich Fehler beim „Head-in-Pillow“-Effekt durch gezielte Prozess- und Materialänderungen beheben.
Fazit
Die Begriffe „Head-in-Pillow“ und „Tombstoning“ werden oft synonym verwendet, doch handelt es sich dabei um zwei sehr unterschiedliche Phänomene bei Leiterplatten, die jeweils eigene Schritte zur Fehlerbehebung erfordern. Während Tombstoning in der Regel bei kleinen Bauteilen auftritt, bei denen ungleichmäßige Benetzungskräfte wirken, tritt Head-in-Pillow vor allem bei BGAs auf, die sich während des Reflow-Prozesses verziehen.
Das Verständnis der Unterschiede zwischen diesen beiden Fehlerkategorien trägt dazu bei, die Kommunikation zwischen Kunde und Hersteller zu optimieren. Indem sichergestellt wird, dass beide Seiten auf dem gleichen Stand sind, können Sie diese Probleme so schnell wie möglich erfolgreich beheben. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, lesen Sie den „Green Light Guide“ der Indium Corporation „The Green Light Guide to Eliminating Printed Circuit Assembly Soldering and Manufacturing Defects“ digital ansehen oder ein Exemplar bei Amazon kaufen.
