Das Problem Lunker

Das Problem Lunker Peng Das Problem Lunker

Der BGA-Lötprozess unter dem Röntgenmikroskop


Lunker sind vor allem im Zusammenhang mit dem Löten von BGAs eine ärgerliche und manchmal auch schädliche Angelegenheit. Kirron hat als EMS-Unternehmen und Dienstleister im Bereich Röntgeninspektion inzwischen eine Menge Erfahrung gesammelt, wie Lunker entstehen und vor allem, wie sie sich reduzieren lassen.

Kirron, 1985 gegründet, fertigt seit 1995 als EMS-Dienstleister Flachbaugruppen in SMD-Technik, vorwiegend Prototypen und kleine Serien. Seit ca. 8 Jahren werden BGAs verarbeitet und die Qualität mit Hilfe von Röntgenprüfungen sichergestellt. Mit der Einführung von bleifreien Loten hat sich das schon länger bekannte Problem der Bildung von Lunkern in den Lötverbindungen verschärft. Wichtigste Erkenntnis: Die Lunkerbildung ist kein reproduzierbarer Prozess! Vor allem beim Löten von BGAs entstehen durch Wärme und mechanische Belastung Spannungen, die z. B. zu Rissen in den Lötstellen führen können. Ein homogenes - also frei von mechanischen Spannungen - Lotgefüge wirkt dem entgegen. Diese wird begünstigt durch ein angepasstes Layout, die richtige Auswahl von Komponenten sowie eine durchdachte Prozessführung.

Layout für weniger Lunker
Beim Layout ist z. B. auf das Lotmaskendesign zu achten. Die Restringbreite und die Breite des Leitbahnzugsanschlusses bei NSMD (Non Solder Mask Define Design) sollten nicht zu groß sein. Im Gegensatz dazu besteht bei den Solder Mask Defined-Layouts keine Inhomogenität, weil das Pad durch die Maske eindeutig definiert wird. Aber auch das Paddesign sollte so ausgelegt werden, dass Bauelemente und Leiterplatten-Pads den gleichen Durchmesser aufweisen, damit es nicht zu unnötigen mechanischen Spannungen und damit Rissen in der Lötstelle kommt. Ebenso nachteilig wirkt sich eine Verbiegung der Leiterplatte oder gar des BGAs selbst aus, auch wenn das Leiterplattenmaterial in den letzten Jahren in dieser Hinsicht besser geworden ist.

Was beeinflusst die Bildung von Lunkern?
Lunker entstehen durch das Zusammenwirken von Flussmittelchemie und Lotlegierung beim Reflow. Dabei spielen die Lotpaste, der Reflowprozess und die Leiterplattenoberfläche ebenso eine Rolle, wie eventuell unterschiedliche Legierungen der Lotpaste und der Balls sowie die Konstruktion des BGAs selbst. Lunker führen zu Brückenbildung, zu Kontaktabrissen oder zu schwachen Anbindungen und mögen kein Vakuum um sich (Luft- und Raumfahrt). Praxis-Tipps gegen Lunker Untersuchungen, die 2006 durchgeführt worden sind, zeigen, dass unterschiedliche Druckgeometrien zu keiner Reduzierung der Lunkerbildung führten. Vielmehr reduziert die Auswahl einer für den Betrieb geeigneten Paste eindeutig die Bildung von Lunkern. Je nach Paste kann die Lunkerbildung zu- oder abnehmen. Mit den heute ausgereifteren bleifreien Lotpasten besteht dieses Problem immer noch, allerdings nicht mehr mit derartigen Auswirkungen. Eine Reduzierung des Lotpastenvolumens reduziert ebenso die Lunkerbildung, was sich mit der Reduzierung des Flussmittels erklären lässt. Wo keine Paste, da kein Lunker. Untersuchungen mit verschiedenen Leiterplatten zeigten, dass das größte Problem Buried und Unplugged Vias sind. Also ist es ratsam, die Vias zu pluggen, zu füllen. Dies löst noch nicht alle Probleme, ist aber zu empfehlen. Die Prozessparameter beeinflussen natürlich ebenso das Lötergebnis: Ist die Differenz zwischen Ober- und Unterhitze zu groß - meistens wird die Unterhitze zu hoch eingestellt - kommt es vermehrt zu Lunkern. Ein Video zur Entstehung von Lunkern von Kirron befindet sich auf der productronic Multimedia CD in dieser Ausgabe der productronic: kirron_xray-reflow.wmv

productronic 5 / 2008