SMT-Optimierung für Erfolg Teil 3: Flussmittelchemikalien

SMT-Optimierung für Erfolg

Teil 3: Flussmittelchemikalien

In unserer fortlaufenden Diskussion über die Optimierung des Schablonendruckverfahrens (siehe Teil 1, Teil 2), spielt die Art der Flussmittelchemikalie, vor allem wasserlösliches gegenüber No-Clean, auch eine wichtige Rolle. Lötpasten sind gegenüber der Umgebung, der sie ausgesetzt werden, empfindlich.  Wasserlösliche Chemikalien sind von Natur aus wesentlich temperatur- und feuchtigkeitsanfälliger, da sie hygroskopischer als die No-Clean-Chemikalien auf Kolophonium/Harz-Basis. Die Empfindlichkeit wird drastisch gesteigert, da die Lötpastenablagerungen, die für den ultrafeinen Schablonendruck erforderlich sind, für Fine-Pitch Komponenten immer kleiner werden.

Flussmittelchemikalien dienen vielen komplizierten Funktionen, einschließlich:

CHEMISCH:

• Vorhandene Oberflächenoxide entfernen
• Fördert die Benetzung
• Transfer von thermischer Energie
• Oxidationsbarriere bilden (um die erneute Oxidation während des Reflows zu steuern)

PHYSIKALISCH:

• Dient als Leiter oder Medium
• Suspendieren von Lötpulverpartikeln
• Gewährleistet Klebrigkeit, um Komponenten fest zu halten
• Ermöglicht der Lötpaste auf der Schablone zu rollen
• Aperturform wird nach dem Druck beibehalten
• Agiert im Bereich der No-Clean-Rezepturen als schützende Einkapselung nach dem Reflow

Um diese Funktionen durchführen zu können, enthalten Flussmittelchemikalien bestimmte Kategorien an Chemikalien: Lösungsmittel, Aktivator(en) oder Aktivatorenpakete, rheologische Zusatzstoffe und bei No-Clean-Rezepturen, Kolophonium/Harz. Lesen Sie hier weiter, wenn Sie tiefgehendere Informationen zu Flussmittelchemikalien  erhalten möchten.

Bei der Diskussion über Verbesserungen des SMT Verfahrens werde ich mich lediglich auf den Kolophonium-/Harzgehalt, oder dessen Mangel, in der Flussmittelchemikalie konzentrieren (von nun an Harz genannt). Vom Herstellungsdatum an, bevor das Fass oder die Kartusche geöffnet wird, weisen No-Clean-Rezepturen ein besseres Verhalten auf. Auf Harz basierende Rezepturen bieten: längere Haltbarkeit wenn sie ordnungsgemäß ungeöffnet und gekühlt gelagert werden; eine längere Schablonenstandzeit; beständigeres Verhalten während der Wechsel der Jahreszeiten; bessere Druckleistung im Allgemeinen (wie unten zu sehen ist); bessere Klebrigkeit, um Komponenten in Position zu halten; und sie bieten eine bessere Resistenz gegenüber Oxidation beim Lötpulver während des Reflowverfahrens.

Abbildung 1. Schablonendruckergebnisse.

Als Ingenieur des technischen Supports habe ich viele Schablonendrucktests durchgeführt. Abbildung 1 bestätigt Schablonendruckergebnisse, die ich immer wieder erfahren habe und stellen einen typischen Vergleich der Druckleistungen von No-Clean gegenüber wasserlöslicher Rezepturen dar. Harze sind klebrige Substanzen, die ihre adhäsiven (äußere Anziehung, Lötpaste zu anderen Oberflächen) und kohäsiven (innere Anziehung, Lötpaste mit sich selbst) Eigenschaften erhöhen. Wie bei allem braucht es eine Balance. Hier hilft die Kohäsion jedoch der Lötpaste dabei, sie von der Schablonenapertur zu lösen, wodurch die Form beibehalten wird und ein zusammensacken verhindert wird. Die adhäsive Eigenschaft ist in der Lötpaste integriert, wenn die Paste auf das PCB-Pad aufgetragen wird. Das Anhaften der Lötpaste am Pad hilft der Pastenablagerung dabei, sich von der Schablonenapertur zu lösen, wenn das PWB von der Schablone abgesenkt wurde Beim ultrafeinen Schablonendruck sind diese Kräfte wichtig, um den Erfolg zu gewährleisten, da nur ein so geringer Oberflächenbereich vorhanden ist, an dem die Lötpaste anhaften kann.

Abbildung 2. Wasser-löslich, links; No-Clean, rechts.

Bis zu diesem Punkt würden mir vermutlich viele zustimmen. Meine nächste Aussage wird jedoch manche überraschen: Ich würde sogar behaupten, dass eine No-Clean-Lötpaste in den meisten Fällen bessere Reflow-Ergebnisse als eine wasserlösliche Rezeptur erzielen würde. Dies gilt vor allem für ultrafeine Lötpastenablagerungen, wie in Abbildung 2 zu sehen ist.

Die verwendeten Materialien waren Pulverlötpasten des Typs 6 und 6 mm Schablonenaperturen mit einer 3 mm dicken Schablone unter Verwendung eines Profils mit kurzer Hochtemperaturzeit. Diese Bedingungen stellen ein Worst-Case-Szenario für eine Reflowumgebung dar, kennzeichnen jedoch einen gewöhnlichen Trend beim Vergleichen von No-Clean und wasserlöslicher Lötpasten. Die Bilder zeigen, dass die wasserlösliche Lötpaste eine scheinbar kalte Lötnaht erzeugt, wobei tatsächlich der Aktivator erschöpft ist. Die Pulverpartikel oxidierten und konnten sich nicht verbinden, da sie nur eine niedrige Resistenz gegenüber Oxidation besitzen. Dieses Phänomen wird als Graping bezeichnet. Der Reflow und das Verbinden bei der No-Clean Lötpaste verlief beim genau gleichen Reflow-Profil recht gut.­­

Harze bieten einfach eine bessere Resistenz gegenüber der Oxidation als ihre wasserlöslichen Gegenstücke. Obwohl sie anfänglich beim Entfernen vorhandener Oberflächenoxide aktiver sind, schützen wasserlösliche Rezepturen nicht so gut vor einer erneuten Oxidierung während des Reflowverfahrens.

In unserer nächsten Diskussion werden wir den Unterschied in der Transfereffizienz zwischen kreisrunden und quadratischen Aperturen bei gleichem Flächenverhältnis untersuchen.

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