Übersicht über die häufigsten Fehlerursachen

Für den Lötprozess selbst werden Konduktionsöfen (Temperatureinbringung über Kontakt) verwendet. Dabei sind Lunkerraten (Void-rates) von <<1% möglich, sofern wichtige Randbedingungen beachtet werden. In diesem Artikel werden die häufigsten Fehler beim pastenfreien Löten diskutiert. Abbildung 1 zeigt einen Überblick über die häufigsten Fehler sowie deren Auftreten (Häufigkeit) in Prozent.

Nummer 1: Materialqualität

Die Materialqualität ist der häufigste Grund, warum Lunkerraten <<1% bzw. meist sogar <5% nicht erreicht werden. Diese gilt speziell für vernickelte Bauteile (z.B. Grundplatten von Leistungsmodulen). Je nach Beschichtungsverfahren (galvanisch oder chemisch), Schichtdicke und Zusatzstoffen (wie Phosphor) ergeben sich unterschiedliche Oberflächeneigenschaften und ein abweichendes Benetzungsverhalten. Mit der Lagerung an Luft kommt es zudem zu Oxidationsprozessen. Die Oxidationsproblematik gilt auch für Preforms. Diese können, je nach Legierung, eine maximale Verarbeitungszeit von 20min aufweisen. Nach dieser Zeit ist die Oxidschicht derart stark angewachsen, sodass das Reduktionsmittel die Oxide nicht mehr vollständig reduzieren kann. Die Chipmetallisierungen bzw. Schaltungsträgeroberflächen von etablierten Zulieferern stellen im Normalfall kein Problem dar. Jedoch sollte deren Benetzungsverhalten immer geprüft werden. Alle Materialien sollten stets vakuumverpackt verschickt werden. Nach dem Öffnen sind diese in einem Trockenlagerschrank aufzubewahren und schnellstmöglich zu verbrauchen.

Abbildung 1: Häufigsten Fehlerursachen bei flussmittelfreien Lötverfahren

Temperaturprofil

Die zweithäufigste Ursache für schlechte Lötergebnisse ist das Temperaturprofil. Beim Preform-Löten muss die Temperatur für das reduzierende Gas exakt passen. Ameisensäure zeigt die beste reduzierende Wirkung bei 180°C. Liegt die Temperatur niedriger, erfolgt keine Aktivierung der Oberflächen. Liegt die Temperatur zu hoch, zerfällt die Säure bevor sie die Oxide entfernen kann. Weitere wichtige Punkte des Lötprofils stellen Heizrampen bzw. die Kühlgeschwindigkeit dar. Wird zu schnell erhitzt, kann es zu einer starken Verwölbung der Substrate und zu einer starken Temperaturdifferenz innerhalb des Lötgutes kommen. Wird zu schnell gekühlt, können Erstarrungslunker resultieren. Die Dauer über dem Schmelzpunkt ist entscheidend für die Bildung intermetallischer Phasen. Ist die Zeit über Liquidus zu lange, führt dies zur starken Intermetallikbildung und damit zu einer Versprödung des Lotes. Wird anschließend zu schnell gekühlt, können Risse im Lot bzw. an den Grenzflächen entstehen. Mit der Kühlgeschwindigkeit wird auch das Gefüge des Lotes eingestellt. Im Hinblick auf die Zyklenfestigkeit bzw. Lebensdauer des Lotes ist eine kontrollierte Kühlrampe notwendig. Abbildung 2 zeigt ein typisches Lötprofil für Ameisensäure.

Abbildung 2: Standard flussmittelfreies Lötprofil mit Ameisensäure und SAC-Loten

Eine weitere Ursache für einen hohen Temperaturgradienten innerhalb der Lötproben stellt die Verbiegung der einzelnen Fügepartner dar. Beispielsweise verformen sich Schaltungsträger oftmals aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien. Durch die Verwölbung wird der Wärmeübergang zwischen Heizplatte und Lötgut verringert, bzw. es kommt zu einer punktuellen Wärmeübertragung. Dies muss entsprechend durch Löthilfen oder Niederhaltersysteme kompensiert werden. Abbildung 3 zeigt links eine Heizplatte mit einem stark verzogenen Produkt. Durch die Verbiegung des Produkts wird dieses inhomogen aufgeheizt. Das Lötgut rechts zeigt keinen Verzug, wodurch sich dieses gleichmäßig aufheizt.

Abbildung 3: Links: Schlechte Wärmeübertragung von der Heizplatte in das Lötgut, wenn sich die Bauteile verziehen. Rechts: Gute Wärmeübertragung, da der Aufbau keine Verwölbung aufweist.

Atmosphäre

Die Atmosphäre innerhalb der Lötkammer ist entscheiden für die Qualität der Verbindung. Sowohl der Restsauerstoffgehalt als auch die Ameisensäurekonzentration beeinflussen das Lötergebnis. Die Ameisensäurekonzentration hängt von einigen Faktoren wie der Geometrie oder dem Füllstand des Bubblers ab. Durch einen Sauerstoffgehalt >5 ppm wird die Benetzungseigenschaft des Lotes verändert bzw. die reduzierende Wirkung von Ameisensäure herabgesetzt. Aus diesem Grund ist eine entsprechend niedrige Leckrate der Kammer und Zuleitungen einzuhalten. Aber auch die Zuleitungen der Ameisensäure müssen eine konstante Konzentration aufweisen und entsprechend sauerstofffrei sein. Das bedeutet, dass einige Leerfahrten durchgeführt werden müssen, damit die Zuleitungen sich in einem eingeschwungenen Zustand befinden. Das folgende Video 1 zeigt den Einfluss von Ameisensäure während des Lötvorgangs.

Video 1: Lötvorgang mit und ohne Ameisensäure, Quelle: Youtube