EPP 10.2017

BAUGRUPPENFERTIGUNG
Neue Verfahren bei Low-Standoff-Bauteilen während dem Reflowlöten
Reduzierung von Voiding
Bottom Terminated Components (BTCs), also Bauteile, deren nach unten geführte elektrische
Anschlüsse vom Gehäuse verdeckt sind, gehören zu den am häufigsten vorkommenden Komponenten.
Bis zum Ende des Jahres 2017 werden weltweit etwa 50 Milliarden QFNs (Quad-Flatpack No Leads)
in Elektronikschaltungen eingesetzt, denn es handelt sich um die gebräuchlichste BTC-Bauform.
Das sind tatsächlich soviel, dass man jedem Erdbewohner, gleich ob Frau, Kind oder Mann, sieben
davon geben könnte. Wegen dieser großen Durchdringung der Elektronik mit BTCs ist es natürlich
von äußerster Wichtigkeit, dass diese Bauteile bestens funktionieren.
Andreas Karch, Regionaler Technischer Manager, Deutschland, Österreich, Schweiz bei Indium Corporation, Chris
Nash, Produktmanager PCB Assembly Materials, Indium Corporation; Ron Lasky, PhD, PE, Senior Technologe, Indium
Corporation, sowie Professor für Engineering und Direktor des Cook Engineering Design Center, Dartmouth College
Einen großen Bereich der Bedenken, der mit der Beeinträchtigung
des Betriebsverhaltens zusammenhängt, stellt die Tatsache dar,
dass die BTCs durchaus eine beträchtliche Abwärme während ihrer
normalen Funktion verursachen. Deshalb wird der Wärmeableiter
(Thermalpad) des Gehäuses direkt an sein korrespondierendes Gegenstück
auf der Leiterplatte zum Abführen dieser Verlustleistung angelötet
(Wärmesenke). Leider jedoch können Voids (Fehlstellen), die
während des Reflowlötens auftreten, diesen Prozess der Wärmeabfuhr
über die Masse der Leiterplatte hemmen oder gar blockieren.
Damit besteht das Risiko der Überhitzung für das Bauteil und somit
eine potentielle Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit des BTC. Eine
informelle Befragung von Fertigungsspezialisten zeigte tatsächlich,
dass dieses Voiding-Problem heute der größte Bereich von Bedenken
in der modernen Elektronikproduktion ist.
Warum bilden sich Voids?
Voids kommen zustande durch die Verflüchtigung des Flussmittels in
der Lotpaste beim Lötprozess. Denn Lotpasten besteht zu etwa
50 % ihres Volumens aus Fluxer. Mithin verdampft ein sehr beträchtlicher
Teil des ursprünglichen Materials während der Reflowprozedur.
Es gibt keine genormte Festlegung, wieviel Voiding noch akzeptierbar
ist. Aber man kann übereinstimmend davon ausgehen, dass insgesamt
ein Void-Bereich unter 50 % – und bei großen, zusammenhängenden
Voids (Lake, seeförmige Struktur) unter 40 % – als unabdingbare
Anforderung dringend einzuhalten sind. Jedoch visiert man, um
auf der sicheren Seite zu sein, einen Void-Bereich nicht über 25 % an.
In einigen kritischen Anwendungen wie Fahrzeug- oder Sicherheitselektronik
sind sogar nur 10 % oder noch weniger verlangt.
Referenzen
[1] N.C. Lee et al. http://www.indium.com/technical-documents/white
paper/voiding-control-for-qfn-assembly
[2] Homer, S., Lasky. R.: MinimizingVoiding In QFN Packages Using -
SolderPreforms, SMTAI 2011, Fort Worth, TX
[3] http://www.circuitnet.com/news/uploads/2/SMT Vacuum void
reduction, Sept2012.pdf
[4] http://www.hellerindustries.com/Inline-Vacuum-Reflow-System.pdf
[5] Diese Arbeit wird detailliert diskutiert in unserem Papier:
Mini mizingVoiding In SMT Assembly Of BTCs, SMTAI 2016, Chicago, IL
Foto: Indium Corporation
Das QFN-Package ist das
am häufigsten eingesetzte
BTC. Das Thermalpad dient
zusammen mit s einem korrespondierenden
Gegenstück
auf der Leiterplatte als unverzichtbare
Temperatursenke.
Minimieren von Voids: frühere Bemühungen
In der Vergangenheit mussten Prozessingenieure sorgfältig vorbereitete
Experimente mit vielen Prozessvariablen vornehmen, um
diese zu optimieren, beispielsweise Arbeiten an Reflowprofilen
oder Schablonendesign. Mit beträchtlichen Aufwendungen untersuchte
man die Effekte aus dem Schablonendesign, damit hier Pfade
für ein geordnetes Entweichen des verdampfenden Flussmittels
vorhanden sind [1]. Andere Arbeiten befassten sich mit den Vorteilen
von Lot-Preforms, mit deren Verwendung der Anteil an massiven
Lot in den Wärmesenken (Thermopads) zwischen BTC und Leiterplatte
maximiert werden kann [2].
Minimieren von Voids: heutige Arbeiten
mit Reflowofen
Es erfolgten erhebliche Entwicklungen in der Technik von Reflowöfen,
um das Voiding zu minimieren. Äußerst bemerkenswert ist die
Anwendung von Vakuum zur Verhinderung von Voids [3]. Berichte
zeigen, dass man damit den Anteil der Voids auf nur noch wenige
Prozent reduzieren kann. Das ist natürlich eine sehr wichtige Entwicklung,
doch muss ein Elektronikunternehmen für die Nutzung
dieser Technik entweder einen neuen Ofen kaufen oder zumindest
vorhandene Maschinen upgraden. Es gibt zwar einzelne Berichte
über vermehrtes Auftreten von Lötzinnspritzern, jedoch könnte mit
gezielten Prozessoptimierungen dieses Problem in den Griff zu bekommen
sein. Ähnliche Erfolge erzielt man Berichten zufolge mit
Reflowöfen, die mit der Anwendung von Ultraschall arbeiten [4].
Ofenhersteller Heller Industries vermerkte in einer Präsentation aus
dem Jahr 2016: „Ultraschall wird dann eingesetzt, wenn sich das
Lot im flüssigen Zustand befindet.“ Der Ultraschall erzeugt hierbei
eine Kavitation, welche die Voids so ausweitet, dass sich diese mit
anderen Voids vereinen und sich zum Rand des Lots bewegen oder
40 EPP Oktober 2017