Leute,
Dieser Beitrag ist ein Auszug zum Thema Graphen aus demBuch ThePrinted Circuits Assemblers Guide to Solder Defects der IndiumCorporation.
Einführung
Das Wachstum von elektronischen Geräten für den Privatgebrauch treibt den Bedarf an immer kleineren aktiven und passiven elektrischen Bauteilen weiter voran. Dieser Miniaturisierungstrend hat zusammen mit den Anforderungen an eine RoHS-konforme Pb-freie Montage zu weiteren Herausforderungen geführt, darunter der Grapheffekt.
Wenn ein Lotpastendepot kleiner wird, vergrößert sich die relative Oberfläche der freiliegenden Lotpartikel, und die Menge an verfügbarem Flussmittel zur Entfernung von Oberflächenoxiden nimmt ab. Hinzu kommt die zusätzliche Wärme, die für den Reflow der meisten Pb-freien Lote erforderlich ist, was zu einer Formel führt, die das Graping-Phänomen begünstigt. Während des Erhitzungsprozesses, wenn die Viskosität des Flussmittels abnimmt und es beginnt, sich nach unten und außen auszubreiten, werden die Lotpartikel an der Oberseite der Lotpastendeposition freigelegt. Wenn kein Flussmittel in der Nähe ist, können diese Lotpartikel oxidiert werden, wenn die Lotpaste in die Rampen- oder Eintauchphase des Reflow-Prozesses eintritt. Diese Oxide verhindern das vollständige Zusammenwachsen der Partikel zu einer gleichmäßigen Lötstelle, wenn das Lot flüssig ist. Die nicht geflossenen Partikel haben oft das Aussehen einer Traube, wie in Abbildung 1 zu sehen ist.
Abbildung 1. Der Grapheffekt.
Schablonendruck
Das Flächenverhältnis (AR) ist eine entscheidende Kennzahl für den erfolgreichen Schablonendruck. Es ist definiert als die Fläche der Schablonenöffnung geteilt durch die Fläche der Öffnungsseitenwände. Abbildung 2 zeigt ein Schema für quadratische/rechteckige und kreisförmige Öffnungen. Eine einfache Berechnung zeigt, dass sich die AR vereinfacht aus dem Durchmesser (D) des Kreises geteilt durch die vierfache Schablonendicke (t) oder AR=D/4t ergibt. Überraschenderweise ist das Ergebnis für quadratische Öffnungen dasselbe, wobei D nun den Seiten des Quadrats entspricht. Für die AR einer rechteckigen Blende ist die Formel etwas komplizierter: ab/2(a+b)t, wobei a und b die Seiten des Rechtecks sind.
Abbildung 2: Öffnungsschemata für rechteckige und kreisförmige Öffnungen.
It is widely accepted in the industry that in order to get good stencil printing, the AR must be greater than 0.66. Experience has shown that if the AR <0.66, the transfer efficiency could be low and erratic, although this has gotten better with advances in solder paste technology.
Effizienz der Übertragung
Die Transfereffizienz, eine weitere wichtige Kennzahl für den Schablonendruck, ist definiert als das Volumen des Lotpastendepots geteilt durch das Volumen der Apertur. Um den Schablonendruck mit feinen Merkmalen zu ermöglichen, ist es nicht ungewöhnlich, Lotpaste zu verwenden, die feineres Pulver enthält, um den Druckprozess zu optimieren. Mit abnehmender Größe der Pulverpartikel in der Lötpaste nimmt jedoch die relative Menge der freiliegenden Oberfläche zu. Mit dieser Vergrößerung der Oberfläche steigt auch die Gesamtzahl der Oberflächenoxide. Diese Zunahme der Oberflächenoxide erfordert, dass die Flussmittelchemikalien noch härter arbeiten, um die Oxide zu entfernen und die Oberflächen der Pulver-, Bauteil- und Leiterplattenmetallisierungen während des gesamten Reflow-Prozesses zu schützen.
Bei einer 3mil dicken Schablone ist die AR für eine quadratische Öffnung von 6mil die gleiche wie die AR für eine kreisförmige Öffnung von 6mil: 0.50. Vergleicht man jedoch die beiden, so ist das Volumen des quadratischen Lotpastendepots größer (~108 Kubikmil) als das des kreisförmigen Deposits (85 Kubikmil). Das zusätzliche Lotpastenvolumen, das durch die quadratische Öffnung bereitgestellt wird, kann dazu beitragen, das Graphen zu reduzieren. Von größerer Bedeutung ist jedoch die höhere Übertragungseffizienz, die durch die quadratische Öffnung erzielt wird. Das Design der quadratischen Öffnung bietet eine gleichmäßigere Übertragungseffizienz, was das Potenzial für Graping weiter reduziert, da inkonsistente Ablagerungen weniger Volumen bedeuten können.
SMD vs. NSMD-Pads
Die Ergebnisse von Experimenten zur Lötstoppmaske haben gezeigt, dass der Grapingeffekt bei SMD-Lötstopplacken weniger stark ausgeprägt ist. Es wird angenommen, dass die Lötmaske eine Barriere (Damm) bildet, die die Ausbreitung des Flussmittels während des Erhitzungsprozesses einschränkt und die potenzielle Verfügbarkeit des Flussmittels zur Entfernung von Oxiden und zum Schutz vor weiterer Oxidation erhöht. Die Lötmaske kann auch als Barriere dienen, um die in unmittelbarer Nähe befindlichen Lotpastenpulverpartikel vor weiterer Oxidation zu schützen.
Wasserlöslich vs. No-Clean
No-clean-Flussmittel sind in der Regel Formeln auf Kolophonium-/Harzbasis (im Folgenden nur als Harz bezeichnet). Da Harze in den Lösungsmitteln, die in wasserlöslichen Flussmitteln verwendet werden, nicht sehr gut löslich sind, werden sie in wasserlöslichen Flussmitteln in der Regel durch großmolekulare Verbindungen wie Polymere ersetzt. Der/die Aktivator(en) in der Flussmittelchemie entfernt/entfernen die aktuellen Oxide auf den Verbindungsflächen sowie die Lotpastenpulverpartikel in der Lotpaste selbst. Eine weitere Oxidation/Reoxidation findet während der Erwärmungsphase statt. Während die Harze in No-Clean-Flussmitteln ausgezeichnete Oxidationsbarrieren darstellen und vor Reoxidation schützen, sind sie aufgrund des Mangels an Harzen in wasserlöslichen Chemikalien nicht in der Lage, Oxidationsbeständigkeit zu bieten.
Bei gleichen Reflow-Profilen - obwohl wasserlösliche Chemikalien im Allgemeinen aktiver sind - macht die geringere Oxidationsbeständigkeit der wasserlöslichen Chemikalien diese bei langen und/oder heißen Profilen empfindlicher, wodurch sich das Potenzial für Grapendefekte erhöht.
Ramp-To-Peak vs. Soak
Viele Jahre lang war das "Soak-Type"-Reflow-Profil recht weit verbreitet. Im Laufe der Zeit hat sich der Schwerpunkt jedoch auf das Ramp-to-Peak (RTP) als bevorzugtes Reflow-Profil verlagert. Dazu beigetragen haben die höheren Reflow-Prozesstemperaturen, die mit Pb-freien Loten verbunden sind, sowie die Notwendigkeit, die Gesamtwärmeeinwirkung auf die kleineren Pastenablagerungen und die temperaturempfindlichen Komponenten und das Leiterplattenlaminat zu verringern. Ein weiterer Vorteil des Soak-Profils ist seine Verwendung zur Reduzierung von Lunkerbildung. Allerdings ist es bei Pb-freien Loten aufgrund der höheren Oberflächenspannung von Pb-freien Loten und der höheren Temperatur, die für den Reflow verwendet wird, nicht so effektiv.
Um die Graphenbildung zu minimieren, ist eine kürzere Ofenzeit besser, vorausgesetzt, Sie verwenden die gleiche Zeit über dem Liquidus (TAL) und die gleiche Spitzentemperatur (siehe Abbildung 3). Das Soak-Profil erzeugt in der Regel mehr Graping als ein RTP-Profil. Der Graping-Effekt wird mit zunehmender Gesamtzeit im Ofen noch verstärkt. Eine Verringerung der Gesamtwärme verringert den Graping-Effekt drastisch. Im Allgemeinen wird eine Rampenrate (von der Umgebungstemperatur bis zur Höchsttemperatur) von 1 °C/Sekunde empfohlen, was etwa 3 Minuten und 40 Sekunden bis zu einer Höchsttemperatur von 245 °C entspricht.
Abbildung 3: Typische Pb-freie Reflow-Profile.
Schlussfolgerungen
Um den Grapingeffekt zu reduzieren, ist es wichtig, einen optimalen Druck- und Reflowprozess zu gewährleisten. Die Einhaltung der Richtlinien für das Flächenverhältnis und eine gute Prozess-/Ausrüstungskonfiguration gewährleisten eine gute Übertragungseffizienz. Obwohl das Flächenverhältnis für runde und quadratische Öffnungen gleich sein kann, steigt das Graping-Potenzial bei runden Öffnungen aufgrund des geringeren Pastenvolumens und der geringeren Übertragungseffizienz.
Vom Standpunkt des Reflow-Prozesses aus betrachtet, verringert eine Verringerung der Gesamtwärmezufuhr die Wahrscheinlichkeit des Effekts. Es wird empfohlen, ein RTP-artiges Profil mit einer Rampenrate von ~1°C/Sekunde zu verwenden.
Auch Materialfaktoren beeinflussen das Ergebnis. Der Graping-Effekt nimmt zu, wenn die Partikelgröße der Lotpaste abnimmt und die Fläche der Oberflächenoxide zunimmt. Wasserlösliche Lotpasten bieten nicht die Oxidationsbarriere, die Harze für No-Clean-Chemikalien bieten, und sind anfälliger für den Graping-Effekt.
Zum Wohl,
Dr. Ron
