Minimierung des Grabsteineffekts

Leute,

dieser Beitrag ist ein Auszug aus der kürzlich von der Indium Corporation veröffentlichen Broschüre The Printed Circuits Assemblers Guide to Solder Defects.

Einleitung

Probleme mit Leiterplatten (PCB) können eine Herausforderung darstellen, doch nicht alle können Ihre PCB wie z. B. der Grabsteineffekt in ein frühes Grab schicken. Der Grabsteineffekt wird durch ungleiche Oberflächenspannungskräfte verursacht, die beim Schmelzen der Lotpaste auf gegenüberliegenden Seiten eines passiven Bauteils entstehen. Diese ungleichen Kräfte führen dazu, dass sich das passive Bauteil an einem Ende anhebt 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: Grabsteineffekt bei Kondensatorkomponenten

Grabsteineffekt-Mechanismus

Verschiedene Faktoren tragen zum Grabsteineffekt bei. Der Grabsteineffekt 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, sodass es sich aufstellt. Auch nach einer ungleichmäßigen Erwärmung der Leiterplattenbaugruppe kommt es zum Grabsteineffekt. Wenn die Leiterplatte (PWB) durch den Reflow-Ofen läuft, 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 Lotpaste, die der Wärmequelle am nächsten ist (die linke Seite in Abbildung 2), zuerst schmilzt. Wenn dieses Lot schmilzt, sorgt die Oberflächenspannung dafür, dass das Passivteil aufrecht steht, wie in Abbildungen 1 und 2 zu sehen ist.

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Abbildung 2. Der Grabsteineffekt-Mechanismus im Detail.

Lotlegierung

Ein Ansatz zur Minimierung des Grabsteineffekts 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 schmelzflüssig und fest ist. Bei einem eutektischen Lot wie z. B. Sn63/Pb37 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 Probleme mit dem Grabsteineffekt bei bedrahteten Baugruppen zu vermeiden.

Unter den bleifreien Loten weist SAC3510 (Sn/3,5Ag/1Cu) einen engen plastischen Bereich auf, während SAC305 einen breiteren Bereich hat. Daher würde man erwarten, dass SAC305 besser abschneidet, wenn es darum geht, den Grabsteineffekt zu minimieren – und das tut es auch. Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse von Versuchen zur Bestimmung der Häufigkeit des Grabsteineffekts. Beachten Sie, dass der Grabsteineffekt bei SAC3510 mehr als sechsmal so häufig auftritt wie bei SAC305. Da SAC305 eine der gebräuchlichsten bleifreien Legierungen ist, hat der Grabsteineffekt in der bleifreien Ära stark abgenommen.

Abbildung 3: Vergleich anderer Legierungen als SAC305 in Bezug auf den Grabsteineffekt. Die grünen Balken sind bleifreie Legierungen; die schwarzen sind bleihaltige Legierungen

Leiterplattendesign

Für Fertigungsingenieure ist es äußerst wichtig, eng mit Designingenieuren zusammenzuarbeiten, um Herausforderungen und Fehler bei der Leiterplattenherstellung auszuräumen. Der Grabsteineffekt ist ein Fehler, der durch ein geeignetes Design vermieden 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 Lotpaste auf der Seite ohne Wärmesenke verflüssigt sich dann unter Umständen zuerst, was zum Grabsteineffekt führen könnte.

Schablonenausführung

Eine Minimierung der auf die PCB-Pads gedruckten Lotpastenmenge verringert ebenfalls den Grabsteineffekt. Besonders hilfreich ist es, die Menge des direkt hinter den Enden der passiven Bauelemente aufgedruckten Lots zu reduzieren, wodurch fast alle Grabsteineffekt-Kräfte eliminiert werden. Eine typische Schablonenausführung, mit der dieses Ziel erreicht werden kann, ist in Abbildung 4 dargestellt. In einigen Experimenten hat diese Ausführung den Grabsteineffekt vollständig eliminiert.

Abbildung 4. Eine Schablonenausführung zur Minimierung des Grabsteineffekts bei 0402-Passivteilen.

Drucken

Der Druckprozess und die Übertragungseffizienz sind die Schlüsselkomponenten für viele End-of-the-Line-Defekte, einschließlich des Grabsteineffekts. Wenn auf einer Seite eines passiven Bauteils mehr Lotpaste vorhanden ist als auf der anderen, könnte das Bauteil so platziert werden, dass es nur mit dem höheren Lotpastendepot in Kontakt kommt. Dies würde höchstwahrscheinlich zu einem Grabsteineffekt führen. Durch den Einsatz von SPI-Geräten (Solder Paste Inspection) können Sie sicherstellen, dass die Lotpastendepots innerhalb der Spezifikation liegen und dass ein Depot nicht höher als das andere ist. Die Optimierung der Größe und Form der Apertur trägt ebenfalls dazu bei, die Schwankungen des Lotpastenvolumens zwischen den Pads zu minimieren.

Platzierung

Der Anpressdruck bei der Bestückung und/oder eine falsche Z-Höhe sind oft der Grund für einen Grabsteineffekt. Stellen Sie daher unbedingt sicher, dass der Anpressdruck und die Z-Höhe für die Baugruppe geeignet sind und vor der Produktion optimiert werden. Es ist auch möglich, dass die Teile schief platziert werden. Obwohl Lot dazu neigt, sich selbst auszurichten, können falsch platzierte und schief liegende Bauteile zum Grabsteineffekt führen.

Reflow

Ein Ansatz zur Minimierung des Grabsteineffekts besteht darin, die Gesamtwärmezufuhr während des Reflow-Verfahrens zu verringern, indem die Rampenrate allmählich erhöht wird. Diese Bedingung ist jedoch in einem Reflow-Ofen möglicherweise schwer zu erreichen. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung eines Reflow-Profils, das ein thermisches Gleichgewicht zwischen den beiden Lotpastendepots herstellt, sodass beide Depots gleichzeitig in die Liquidus-Phase übergehen.

Neben der Vermeidung von Loten ohne plastischen Bereich führt eine Stickstoffatmosphäre im Reflow-Ofen eher zu einer Verschlimmerung des Grabsteineffekts, da Stickstoff die Benetzungsgeschwindigkeiten erhöht und ein schnelleres Auftreten der Oberflächenspannungskräfte ermöglicht. Sofern es sich nicht um Fine-Pitch-Lotpastendepots oder Package-on-Package (PoP)-Baugruppen auf der Leiterplatte handelt, gibt es höchstwahrscheinlich keinen Grund, Stickstoff zu verwenden, da die meisten hochwertigen modernen Lotpasten auch in einer Luft-Reflow-Atmosphäre gut funktionieren.

Schlussfolgerungen:

Der Grabsteineffekt kann minimiert werden, wenn Sie die in diesem Artikel dargelegten Empfehlungen befolgen. Eine zuverlässige Methode zur Minimierung des Grabsteineffekts ist die Verwendung einer Lotlegierung mit einem großen plastischen Bereich wie Indalloy®100 (bleihaltig) oder SAC305 (bleifrei). Es ist auch wichtig, einen offenen Dialog mit den Designern der Leiterplatte zu führen, um Wärmesenken in der Nähe oder unter einer Seite der passiven Komponenten zu minimieren. Verwenden Sie ein Temperaturprofil für das Reflow-Löten, das sich langsam von der Solidus- zur Liquidus-Temperatur bewegt, oder minimieren Sie das thermische Ungleichgewicht durch eine Haltezeit. 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 Komponenten. Stellen Sie sicher, dass der Anpressdruck der Bestückung 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 Lotpaste ist dies unnötig und verschlimmert den Grabsteineffekt.

Danke,

Dr. Ron