Grabsteineffekt: Der Tod eines PCBA
Mittwoch, 30. November 2011, von Eric Bastow [Biographie ansehen]
Unter dem Grabsteineffekt (auch als der Manhattaneffekt, Zugbrückeneffekt oder Stonehenge-Effekt bekannt) versteht man (auf die einfachste und allgemeinste Weise), wenn sich ein Ende eines passiven Elements, wie zum Beispiel ein Widerstand oder Kondensator, aus dem Lot empor hebt und somit den Kontakt zur Schaltung unterbricht. Er ist aber nicht auf passive Elemente beschränkt. Andere Oberflächenmontageelemente können ebenfalls vom Grabsteineffekt betroffen sein (siehe den Grabsteineffekt im Bild mit der Diode - oben). Der Grabsteineffekt ist ein "tödlicher" Defekt, da er einen offenen Stromkreis verursacht.
Der Grabsteineffekt ist wieder einmal zu einem zentralen Problem geworden - Hauptsächlich auf Grund zweier Hauptprobleme:
- der Wechsel zu bleifreiem Lot (höhere Reflowtemperaturen und damit zusammenhängende Probleme mit dem Flussmittel)
- Miniaturisierung (0201s und 01005s)
Verschiedene Faktoren tragen zum Grabsteineffekt bei. Der Faktor, dem wir (als Lötpastenanbieter) normalerweise begegnen, ist die ungleichmäßige Erwärmung der PCB-Einheit. Dies führt dazu, dass -für jede Komponenten -eine Pastenablagerungen vor der anderen schmilzt und benetzt (wie oben beschrieben). Der Versuch höhere Reflowtemperaturen zu erreichen, wie sie von den neuen bleifreien Legierungen für den breiten Markt benötigt werden, kann das Wärmegefälle auf der PCB (und von einem Ende einer Komponente zum anderen) noch verschlimmern.
Wärmegradienten werden üblicherweise mit kleinen Veränderungen am Reflow-Profil behoben:
- Der Bediener des Reflow-Ofens kann die Anstiegsrate verlangsamen. Eine verlangsamte Anstiegsrate ermöglicht eine einheitlichere Erwärmung der PCBA.
- Eine weitere Technik ist das Anwenden einer "Haltetemperatur" direkt unter dem Schmelzpunkt (Solidus) der Legierung. Zum Beispiel, bei einem SAC305-Profil (217°C Solidus) kann man eine "Haltetemperatur" von 205 bis 210°C für 30 bis 120 Sekunden anwenden. Dies ermöglicht den kälteren Teilen der PCBA sich den wärmeren Teilen "anzupassen". Nachdem das thermische Gleichgewicht erreicht wurde, kann man die Temperatur auf die richtige Spitzentemperatur (d.h. 245°C) erhöhen. Diese Technik (rechts im Reflow-Profil dargestellt) ermöglicht ein nahezu gleichzeitiges Schmelzen der Lötpastenablagerungen und Benetzen der Komponentenenden, womit der Grabsteineffekt gemildert wird.
Verschiedene Flussmittelchemikalien und Typen können ebenfalls den Grabsteineffekt beeinflussen. Häufig ist es wünschenswert eine Lötpaste zu besitzen, die selbst auf alten oxidierten Komponenten gut benetzt. Ein möglicher schlechter Nebeneffekt einer hervorragend benetzenden Lötpaste ist der Grabsteineffekt. Wenn die Paste "aggressiv" die Komponentenenden benetzt, wodurch eine starke Benetzungskraft verursacht wird, kann selbst die kleinste Ungleichheit (Temperatur, Sauberkeit, Flussmittelbereich, usw.) eines Endes oder Pads zum anderen einen Grabsteineffekt der Komponente verursachen.
Die Benetzungsgeschwindigkeit und -kraft hängt auch direkt von der Rate ab, bei der das Lot schmilzt. Es sollte klar sein, dass eine Benetzung nur dann stattfindet, wenn das Lot sich im flüssigen Zustand befindet und nicht wenn es im festen Zustand ist. Aus diesem Grund können nicht-eutektische Lötlegierungen (Legierungen, die bei einer Temperatur anfangen zu schmelzen, aber bis zu einer bestimmten höheren Temperatur nicht vollständig flüssig sind) einen geringeren Grabsteineffekt verursachen als eine eutektische (klar definierter Schmelzpunkt) Legierung, bei der alle anderen Dinge gleich sind. Sn63 (63Sn 37Pb) ist eine eutektische Legierung und hat einen klaren Übergang von fest nach flüssig bei 183°C. Sn60 (60Sn 40Pb) ist nicht-eutektisch und beginnt bei 183°C zu schmelzen, ist aber erst bei 191°C vollständig flüssig. Im Falle einer "nicht-eutektischen" Legierung, wie der Sn60, koexistieren fest und flüssig zwischen 183°C und 191°C. Zu diesem Zweck haben manche Lötpastenhersteller Legierungen entwickelt, die schrittweise schmelzen (bewusst nicht eutektisch), um den Grabsteineffekt zu bekämpfen.
Es ist ebenfalls enorm wichtig, dass die Lötpastenablagerung und die Komponente direkt auf den Pads sitzen. Jegliche Verschiebung kann die Art und Weise, wie das Lot die Enden benetzt, beeinflussen und einen Grabsteineffekt verursachen.
Die Miniaturisierung, die durch kleinere, leichtere passive Komponente charakterisiert ist, wie zum Beispiel 0201er und 01005er, verursacht Probleme, bei denen der Grabsteineffekt von Belang ist. Probleme mit der Position der Lötpastenablagerung (siehe Bild rechts), Komponentenplatzierung und Lötpastenvolumen sind auf Grund des winzigen Maßstabs schwierig zu kontrollieren. Außerdem sind kleinere Komponenten grundsätzlich leichter und können deshalb einfacher an den Enden hochgezogen werden.
Das Kontrollieren des Grabsteineffekts ist in der SMT-Montage ein kritischer Punkt. Wenn man aber versteht, was den Grabsteineffekt verursacht, lässt er sich kontrollieren.
KONTAKTIEREN SIE MICH, um über den Grabsteineffekt zu diskutieren:
Eric Bastow: Leitender Ingenieur des technischen Supports
Telefon: +1.315.853.4900
E-Mail: ebastow@indium.com
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