Was, wenn sich lange Steckverbinder nicht richtig verlöten lassen?

Testplatine mit kontrollierter Leiterplatten-Durchbiegung Vergleich der Lötgergebnisse für SMT-Steckverbinder Vielfalt an Form, Größe und Legierungen

Zusätzliche Lotdepots bei der SMT-Verarbeitung

Bei der klassischen SMT-Verarbeitung wird mit Lotpastenauftrag per Siebdruckschablone und anschließendem Reflowlöten gearbeitet. Allerdings können durch Toleranzen bei der Leiterplatte immer wieder offene Lötstellen auftreten, selbst bei präzise gefertigten Bauteilen. Zusätzliche Lotdepots (Preforms) könnten Abhilfe schaffen.

Der große Vorteil der Surface-Mount-Technologie ist die rationelle und schnelle Verarbeitung. Dieser positive Aspekt nutzt allerdings wenig, wenn sich hochpolige, lange Komponenten wie Steckverbinder nicht korrekt verlöten lassen, etwa wegen Leiterplatten-Toleranzen (Durchbiegung), und dadurch zeitraubend Nachberbeitungsprozesse erforderlich werden.

Eine Lösungsmöglichkeit, um selbst in kritischen Bereichen ausreichend Lot aufbringen zu können, ist der Einsatz von Lotformteilen oder Lot-Preforms: Mit den Pads verfügbare Lotvolumen für größere Bauteile zielgerichtet erhöhen, was zu verbesserten Lötergebnissen führt.

Weil der Einsatz von Preforms mit etwas erhöhten Kosten einher geht, ist darin nicht eine prinzipielle Alternative zu Siebdruckverfahren und Lotpasten zu sehen, sondern vielmehr eine Ergänzung für kritische oder besonders anspruchsvolle Applikationen. Natürlich spielt auch die Losgröße eine entscheidende Rolle, wenn es darum geht, die beste Verarbeitungstechnik auszuwählen.

Um den Einsatz von Preforms zusammen mit der sicheren und effektiven Verarbeitung von hochpoligen SMT-Steckverbindern zu testen, haben die Firmen Kirron, Cookson Electronics und Erni eine umfangreiche Versuchsreihe durchgeführt. Auf Basis der Testplatinen und der beschriebenen Komponenten wurden die Lötversuche mit unterschiedlichen Schablonenstärken von 100 µm, 150 µm und 200 µm durchgeführt, mit den folgenden Ergebnissen:

Der Versuchsaufbau
Die Versuche wurden bei Kirron durchgeführt, einem Ingenieurbüro und Dienstleister. Die Leiterplatten für die Versuche fertigte die Firma ts Leiterplattentechnik. Das Layout der zugrunde liegenden Testplatinen wurde mit etwas größeren Pads zur zusätzlichen Bestückung von Preforms der Baugröße 0402 und 0603 durchgeführt. Für die Tests kamen folgende Komponenten zum Einsatz:
- 8opolige SMC-Steckverbinder im 1,27mm Raster
- Preformteile aus Lötzinn in den Baugrößen 0402 und 0603
- Lötschablonen "electroformed Stencil" aus Nickel
- Lotpaste OMNIX 6023 (Sn62 PB36Ag2)
Verwendete Maschinen für den Prozess waren:
Schablonendruck: EKRA E5XS
Bestückung: MIMOT Advantage
Boardhandling: ASYS
Löten: IBL SLC 500

Auf Basis der Testplatinen und der beschriebenen Komponenten wurden die Lötversuche mit unterschiedlichen Schablonenstärken von 100 µm, 150 µm und 200 µm durchgeführt. Danach wurden die Lötstellen dür die verschiedenen Steckverbinder geprüft. Die Schritte:
- Bedrucken der Leiterplatte in ebenem Zustand (ohne Durchbiegung)
- Einspannen der Leiterplatte in die Lötvorrichtung. Durchbiegung der Leiterplatte an der langen Seite von 1mm. Bedingt durch die Vorrichtung ergibt sich so eine nahezu konstante Durchbiegung von 0mm auf 1mm bei einer Kantenlänge der Leiterplatte von 100mm x 80mm. Das entspricht einer maximalen Durchbiegung mit jeder Steckerreihe zu.
- Bestücken mit 8opoligen SMC-Steckverbindern
- Löten
- Auswerten

Bei den Versuchsdurchführungen mit zusätzlichen Preforms waren die Schritte entsprechend, nur dass vor der Bestückung der Steckverbinder noch die Preforms aufgebracht wurden. Für die Versuchsreihen mit den Lotformteilen wurden außerdem die Lotpads auf den Leiterplatten etwas größer ausgeführt als vom Hersteller empfohlen, um diese, wie vorgeschrieben, in die Lotpaste setzen zu können.

100 µm Schablone
Die Versuche ohne Preforms zeigten zunehmend offene Lötstellen bei steigender Durchbiegung. Erkennbare Mängel gab es bereits ab der zweiten Steckerreihe. Ab der dritten Steckerreihe traten erste offene Lötstellen auf, die bis zur fünften Reihe zahlenmäßig stark zunahmen. Der Einsatz der Preforms lieferte deutlich bessere Lötergebnisse. Erste offene Lötstellen traten hier erst ab der fünften Steckerreihe auf.

150 µm Schablone
Auch hier wurden zunehmend offene Lötstellen bei steigender Durchbiegung festgestellt, wobei erkennbare Mängel ab der zweiten Steckerreihe mit offenen Kontakten dokumentiert wurden. Mit Preforms gab es wiederrum erst in der fünften Steckerreihe nur wenige offene Lötstellen.

200 µm Schablone
Die dritte Steckerreihe wurde noch gelötet. Offene Lötstellen sind jedoch in der fünften Reihe festzustellen (die vierte Reihe wurde nicht bestückt). Auch mit Preforms wurden einzelne offene Lötstellen in der fünften Steckerreiche beobachtet. Des Weiteren haben die Unternehmen eine zunehmnede Brückenbildung zwischen den Anschlüssen bei abnehmender Durchbiegung registriert.

Alle Versuche belegen, dass zusätzlich zum durch den Siebdruck aufgebrachten Lotvolumen bestückte Preforms Durchbiegungen von Leiterplatten beim Löten ausgleichen können. Das gilt speziell für dünnere Schablonen (100 µm bis 150 µm). In den Testreihen wurden Durchbiegungen bis etwa 0,8 Prozent zuverlässig gelötet. Dieses Ergebnis lässt sich auch auf leicht verbogene Anschlusskontakte, hervorgerufen durch unsachgemäßes Handling, übertragen.

Auch bei Verwendung von Preforms mit Schablonen größer als 150 µm und 200 µm lassen sich die offenen Lötstellen weiter reduzieren. Allerdings ist hier eine Zunahme der Brückenbildung zu beobachten, sodass der Prozess an seine Grenzen stößt. Zusätzliche Lotdepots bieten folgende Vorteile:
- Es ist eine Verarbeitung von Bauteilen in großem und geringem (finepitch) Lotbedarf in einem Prozess möglich.
- Es lässt sich ein erhöhtes genau dosierbares Lotvolumen aufbringen, dort wo es benötigt wird.
- Es treten keine Probleme wie bei Stufenschablonen auf.
- Es sind keine Vor- und Nachlötverfahren erforderlich.
- Der Anteil des Flussmittels ist genau kontrollierbar.
- Es steht eine große Auswahl an Legierungen, Formen und Größen zur Verfügung.


Markt&Technik 11 / 2003
von Volker Loibl-Kähler, Ronny Kirschner und Magnus Henzler