Minimierung des Graping-Effekts

Leute,

dieser Beitrag ist ein Auszug aus der kürzlich von der Indium Corporation veröffentlichten Broschüre The Printed Circuits Assemblers Guide to Solder Defects über den Graping-Effekt.

Einleitung 

Das zunehmende Verwendung persönlicher elektronischer Geräte treibt den Bedarf an immer kleineren aktiven und passiven elektrischen Bauteilen weiter voran. Dieser Miniaturisierungstrend hat zusammen mit den Anforderungen an eine RoHS-konforme bleifreie Bestückung zu weiteren Herausforderungen geführt, zu denen auch der Graping-Effekt gehört.

Je kleiner ein Lotpastendepot, desto größer ist die relative Oberfläche der freiliegenden Lotpartikel, wobei die Menge des verfügbaren Flussmittels zur Entfernung von Oberflächenoxiden abnimmt. Hinzu kommt die zusätzliche Wärme, die für das Reflow-Verfahren der meisten bleifreien Lote erforderlich ist, was die Entstehung des Graping-Phänomens begünstigt. Während des Erwärmungsprozesses, wenn die Viskosität des Flussmittels abnimmt und es beginnt, sich nach unten und außen auszubreiten, werden die Lotpartikel an der Oberseite der Lotpaste freigelegt. Wenn kein Flussmittel in der Nähe ist, können diese Lotpartikel oxidieren, wenn die Lotpaste in die Rampen- oder Soak-Phase des Reflow-Prozesses eintritt. Diese Oxide verhindern das vollständige Zusammenwachsen der Partikel zu einer einheitlichen Lötstelle, wenn das Lot flüssig ist. Die Partikel ohne Reflow-Verfahren haben oft das Aussehen einer Traube, wie in Abbildung 1 zu sehen ist.

Abbildung 1. Der Graping-Effekt.

Schablonendruck

Das Flächenverhältnis (Area Ratio, AR) ist eine kritische Größe für den erfolgreichen Schablonendruck. Es ist definiert als die Fläche der Schablonenapertur geteilt durch die Fläche der Aperturseitenwände. Abbildung 2 zeigt ein Schema für quadratische/rechteckige und kreisförmige Aperturen. Eine einfache Berechnung zeigt, dass sich 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 Aperturen dasselbe, wobei D nun den Seiten des Quadrats entspricht. Für das AR einer rechteckigen Apertur ist die Formel ein wenig komplizierter: ab/2(a+b)t, wobei a und b die Seiten des Rechtecks sind.

Abbildung 2. Schema für rechteckige und kreisförmige Aperturen.

Es ist in der Branche weithin anerkannt, dass der AR-Wert größer als 0,66 sein muss, um einen guten Schablonendruck zu erzielen. Die Erfahrung hat gezeigt, dass bei einem AR < 0,66 die Transfereffizienz gering und unregelmäßig sein kann, obwohl sich dies mit den Fortschritten in der Lotpastentechnologie verbessert hat.

Transfereffizienz:

Die Transfereffizienz, eine weitere wichtige Kennzahl für den Schablonendruck, ist definiert als das Volumen des Lotpastendepots geteilt durch das Volumen der Apertur. Um den Fine-Feature-Schablonendruck zu ermöglichen, ist es nicht ungewöhnlich, Lotpaste mit einem feinen Pulver zu verwenden, um den Druckprozess zu optimieren. Mit abnehmender Größe der Pulverpartikel in der Lotpaste nimmt jedoch die relative Größe 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 des Pulvers, der Komponenten und der Leiterplattenmetallisierungen während des gesamten Reflow-Prozesses zu schützen.

Auf einer 76 Mikrometer (3 mil) dicken Schablone ist das AR für eine quadratische Apertur von 152 Mikrometer (6 mil) das gleiche wie das AR für eine runde Apertur von 152 Mikrometer (6 mil): 0,50. Allerdings ist das Volumen des quadratischen Lotpastendepots größer (~0,07 mm² (108 Quadrat-Mil)) als das des kreisförmigen Depots (~0,055 mm² (85 Quadrat-Mil)). Das zusätzliche Volumen der Lotpaste, das durch die quadratische Apertur bereitgestellt wird, kann dazu beitragen, den Graping-Effekt zu reduzieren. Von größerer Bedeutung ist jedoch die höhere Transfereffizienz, die durch die quadratische Apertur erreicht wird. Das Design der quadratischen Apertur bietet eine gleichmäßigere Transfereffizienz, was einen potenziellen Graping-Effekt weiter reduziert, da uneinheitliche Ablagerungen weniger Volumen bedeuten können.

SMD- im Vergleich zu NSMD-Pads

Die Ergebnisse von Versuchen mit Lötstopplack haben gezeigt, dass der Graping-Effekt bei SMD-Pads weniger stark ausgeprägt ist. Es wird angenommen, dass der Lötstopplack eine Barriere (Damm) bildet, die die Ausbreitung des Flussmittels während der Erwärmung einschränkt und die potenzielle Verfügbarkeit des Flussmittels zur Entfernung von Oxiden und zum Schutz vor weiterer Oxidation erhöht. Der Lötstopplack kann auch als Barriere dienen, um die in unmittelbarer Nähe befindlichen Lotpastenpulverpartikel vor weiterer Oxidation zu schützen.

Wasserlöslich im Vergleich zu No-Clean

No-Clean-Flussmittel sind in der Regel auf Kolophonium/Harzbasis (im Folgenden nur als Harz bezeichnet) formuliert. Da Harze in den in wasserlöslichen Flussmitteln verwendeten Lösungsmitteln nicht sehr gut löslich sind, werden sie in wasserlöslichen Flussmitteln in der Regel durch großmolekulare Verbindungen wie z. B. Polymere ersetzt. Der/die Aktivator(en) in der Flussmittelchemie entfernt/entfernen die aktuellen Oxide auf den Verbindungsoberflächen 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 einer Reoxidation schützen, können wasserlösliche Mittel aufgrund des Mangels an Harzen keine Oxidationsbeständigkeit bieten.

Bei den gleichen Reflow-Profilen – obwohl wasserlösliche Flussmittel im Allgemeinen aktiver sind – macht die geringere Oxidationsbeständigkeit wasserlöslicher Produkte diese bei langen und/oder heißen Profilen empfindlicher, wodurch sich das Potenzial eines Graping-Effekts erhöht.

Ramp-To-Peak im Vergleich zu Soak

Viele Jahre lang war das Reflow-Profil des „Soak-Typs“ weit verbreitet. Im Laufe der Zeit hat sich der Schwerpunkt jedoch auf Ramp-to-Peak (RTP) als bevorzugtes Reflow-Profil verlagert. Dazu beigetragen haben die höheren Reflow-Prozesstemperaturen, die mit bleifreien Loten einhergehen, sowie die Notwendigkeit, die Gesamtwärmeeinwirkung auf die kleineren Pastendepots und die temperaturempfindlichen Komponenten und das Leiterplattenlaminat zu verringern. Ein weiterer Vorteil des Soak-Profils ist seine Verwendung zur Reduzierung der Voidbildung. Allerdings ist es bei bleifreien Loten aufgrund der höheren Oberflächenspannung und Temperatur, die für den Reflow-Vorgang verwendet wird, nicht so effektiv.

Um den Graping-Effekt zu minimieren, ist eine kürzere Ofenzeit besser, vorausgesetzt, Sie verwenden die gleiche Zeit über der Liquidus-Temperatur (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. Wenn Sie die Gesamtwärme reduzieren, verringert sich der Graping-Effekt drastisch. Im Allgemeinen wird eine Rampenrate (von der Umgebungstemperatur bis zur Spitzentemperatur) von 1 °C/Sekunde empfohlen, was ungefähr 3 Minuten und 40 Sekunden bis zu einer Spitzentemperatur von 245 °C entspricht.

Abbildung 3. Typische bleifreie Reflow-Profile.

Schlussfolgerungen:

Um den Graping-Effekt zu reduzieren, ist es wichtig, einen optimalen Druck- und Reflow-Prozess zu gewährleisten. Die Anwendung der Richtlinien für das Flächenverhältnis und eine gute Prozess-/Ausrüstungskonfiguration gewährleisten eine gute Transfereffizienz. Obwohl das Flächenverhältnis für kreisförmige und quadratische Aperturen gleich sein kann, steigt das Potenzial für den Graping-Effekt bei kreisförmigen Aperturen aufgrund des geringeren Pastenvolumens und der geringeren Transfereffizienz.

Vom Standpunkt des Reflow-Prozesses aus gesehen verringert eine geringere Gesamtwärmezufuhr die Wahrscheinlichkeit dieses Effekts. Es wird empfohlen, ein RTP-ähnliches 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.

Danke,

Dr. Ron