In unserer fortlaufenden Diskussion zur Optimierung des Schablonendruckprozesses (siehe Teil 1, Teil 2) spielt auch die Art der Flussmittelchemie – insbesondere wasserlösliche gegenüber No-Clean-Flussmitteln – eine bedeutende Rolle. Lötpasten reagieren empfindlich auf die Umgebungsbedingungen, denen sie ausgesetzt sind. Wasserlösliche Formulierungen reagieren naturgemäß wesentlich empfindlicher auf Temperatur und Luftfeuchtigkeit, da sie hygroskopischer sind als ihre No-Clean-Pasten auf Kolophonium- bzw. Harzbasis. Diese Empfindlichkeit nimmt dramatisch zu, da die für den ultrafeinen Schablonendruck erforderlichen Lötpastenaufträge bei Fine-Pitch-Bauteilen immer kleiner werden.
Flussmittelchemien erfüllen viele komplexe Funktionen, darunter:
CHEMISCH:
- Vorhandene Oberflächenoxide entfernen
- Die Benetzung fördern
- Wärmeenergie übertragen
- Oxidationsbarriere bereitstellen (zur Verhinderung einer erneuten Oxidation während des Reflow-Lötvorgangs)
KÖRPERLICH:
- Als Träger oder Medium fungieren
- Lötpulverpartikel in Suspension halten
- Befestigungselemente zum Halten der Bauteile vorsehen
- Lassen Sie die Lötpaste auf der Schablone verlaufen
- Beibehaltung der Blendenform nach dem Druck
- im Bereich der No-Clean-Formulierungen nach dem Reflow als schützende Verkapselung dienen
Um diese Funktionen zu erfüllen, enthalten Flussmittel bestimmte Kategorien von Chemikalien: Lösungsmittel, Aktivator(en) oder Aktivatorpakete, rheologische Additive sowie – bei No-Clean-Formulierungen – Kolophonium/Harze. Weitere Informationen zur Flussmittelchemie finden Sie hier.
Um die Verbesserung des SMT-Prozesses zu erörtern, werde ich mich ausschließlich auf den Anteil an Kolophonium/Harz – oder dessen Fehlen – (im Folgenden als „Harz“ bezeichnet) in der Flussmittelzusammensetzung konzentrieren. Ab dem Herstellungsdatum, noch bevor der Behälter oder die Kartusche geöffnet wird, weisen No-Clean-Formulierungen ein überlegenes Verhalten auf. Harzbasierte Formulierungen bieten: eine längere Haltbarkeit bei ordnungsgemäßer Lagerung im ungeöffneten Zustand und im Kühlschrank; eine längere Lebensdauer der Schablone; ein gleichmäßigeres Verhalten bei saisonalen Schwankungen; insgesamt eine bessere Druckleistung (wie unten dargestellt); eine höhere Klebekraft, um Bauteile an Ort und Stelle zu halten; sowie eine bessere Oxidationsbeständigkeit des Lötpulvers während des Reflow-Prozesses.
Abbildung 1. Ergebnisse des Schablonendrucks.
Als Techniker im technischen Support habe ich zahlreiche Schablonendrucktests durchgeführt. Abbildung 1 bestätigt die Ergebnisse, die ich beim Schablonendruck immer wieder beobachtet habe, und zeigt einen typischen Vergleich der Druckleistung von No-Clean- und wasserlöslichen Lötpasten. Harze sind klebrige Substanzen, die sowohl die Adhäsion (äußere Anziehungskräfte, z. B. zwischen Lötpaste und anderen Oberflächen) als auch die Kohäsion (innere Anziehungskräfte, z. B. zwischen den Partikeln der Lötpaste) verbessern. Wie bei allem muss auch hier ein Gleichgewicht herrschen. In diesem Fall trägt die Kohäsion jedoch dazu bei, dass sich die Lötpaste aus der Schablonenöffnung löst, ihre Form beibehält und nicht „zusammenfällt“. Die Adhäsionseigenschaft der Lötpaste kommt zum Tragen, wenn die Paste auf das Leiterplattenpad aufgebracht wird. Die Haftung der Lötpaste am Pad hilft dabei, dass sich die aufgetragene Paste aus der Schablonenöffnung löst, während die Leiterplatte von der Schablone abgesenkt wird. Beim ultrafeinen Schablonendruck sind diese Kräfte entscheidend für den Erfolg, da nur eine sehr geringe Oberfläche zur Verfügung steht, an der die Lötpaste haften kann.
Abbildung 2.Wasserlöslich, links; No-Clean, rechts.
Bis hierhin würden wohl viele meiner bisherigen Ausführungen zustimmen. Meine nächste Aussage könnte jedoch einige überraschen: Ich würde sogar behaupten, dass eine No-Clean-Lötpaste in den meisten Fällen bessere Reflow-Ergebnisse liefert als eine wasserlösliche Formulierung. Dies gilt insbesondere für ultrafeine Lötpastenaufträge, wie in Abbildung 2 zu sehen ist.
Als Materialien wurden Lötpasten vom Typ 6 sowie Schablonenöffnungen von 6 mil bei einer Schablonendicke von 3 mil unter Verwendung eines Hochtemperatur-Halteprofils verwendet. Diese Bedingungen stellen zwar ein Worst-Case-Szenario für eine Reflow-Umgebung dar, spiegeln jedoch einen allgemeinen Trend beim Vergleich von No-Clean- und wasserlöslichen Lötpasten wider. Die Bilder zeigen, dass die wasserlösliche Lötpaste etwas erzeugt, das wie eine kalte Lötstelle aussieht, obwohl in Wirklichkeit der Aktivator aufgebraucht war. Aufgrund ihrer sehr geringen Oxidationsbeständigkeit oxidierten die Pulverpartikel und konnten nicht zusammenwachsen – ein Phänomen, das als „Graping“ bezeichnet wird. Die No-Clean-Lötpaste schmolz unter genau demselben Reflow-Profil recht gut und wuchs gut zusammen.
Harze bieten einfach eine bessere Oxidationsbeständigkeit als ihre wasserlöslichen Pendants. Obwohl wasserlösliche Formulierungen anfangs wirksamer bei der Entfernung vorhandener Oberflächenoxide sind, schützen sie während des Reflow-Prozesses nicht so gut vor erneuter Oxidation.
In unserer nächsten Diskussion werden wir den Unterschied in der Übertragungseffizienz zwischen kreisförmigen und quadratischen Öffnungen mit demselben Flächenverhältnis untersuchen.
