Elektrische Zuverlässigkeit von No-Clean-Lotpasten unter Thermowechsel-Belastungen

| Autor / Redakteur: Eric Bastow * / Dr. Anna-Lena Gutberlet

Bild 3: Rissbildung im Fluxer, Temperaturzyklen -55°C bis 175°C
Bild 3: Rissbildung im Fluxer, Temperaturzyklen -55°C bis 175°C (Bild: Indium Corporation)

No-Clean-Lotpasten werden in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt, bei denen die Elektronikbaugruppen während der Nutzungsdauer großen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Dabei können sich Risse in Flussmittelrückständen bilden. Diese Arbeit untersucht den Einfluss auf die elektrische Zuverlässigkeit des Fluxer-Rückstands.

Es wird vermutet, dass diese Risse durch Thermowechsel-Belastungen entstehen oder verstärkt werden können. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass der Flussmittelrückstand bei höheren Temperaturen erweicht oder sich verflüssigt und sogar fließt, wenn er parallel zur Schwerkraft ausgerichtet ist.

Bei Anwendungen wie in der Automobilelektronik, in denen erhebliche Temperaturschwankungen die Realität sind und hohe Zuverlässigkeit unerlässlich ist, besteht die Sorge, dass Rissbildung und die mögliche Erweichung oder sogar Verflüssigung des Rückstands einen negativen Einfluss auf die elektrische Zuverlässigkeit des Fluxer-Rückstands haben können.

Versuchsaufbau und -durchführung

Für diese Arbeiten werden zwei handelsübliche SAC305 No-Clean-Lotpasten vom Typ 4 untersucht, eine halogenfreie (ROL0) und ein halogenhaltige (ROL1) Formulierung. Gemäß IPC J-STD-004B wurden diese Lotpasten auf IPC-B-24 SIR Testplatinen gedruckt und mit einem üblichen Reflowprofil unter Luftatmosphäre gelötet. Nach dem Reflowprozess wurden die Boards entweder bei konstanter Raumtemperatur gelagert oder Temperaturzyklen (-40°C bis +125°C oder -55°C bis +175°C) ausgesetzt. Die Platinen, welche die Temperaturwechsel durchliefen, wurden in der Temperaturkammer sowohl senkrecht als auch parallel zur Schwerkraft ausgerichtet. Nach Abschluss der Temperaturzyklen wurden die Boards einer Oberflächenisolationswiderstandsprüfung (Surface Insulation Resistance, SIR) gemäß IPC-TM-650 2.6.3.7 unterzogen. Die SIR-Werte wurden für jedes Szenario aufgezeichnet und verglichen.

Zu beachten ist, dass sich diese Arbeit auf die kumulativen Auswirkungen von Temperaturzyklen konzentriert. In diesem Experiment wird nicht versucht, die Auswirkungen von Temperaturschwankungen in der praktischen Anwendung vor Ort zu untersuchen.

Tabelle 1 zeigt die Matrix der vorbereiteten und getesteten Platinen. Alle Leiterplatten wurden gemäß IPC-TM-650 2.6.3.3 vorbereitet. Für jede Lotpaste wurden pro Szenario zwei Platten vorbereitet, sowie zwei Platten pro Paste, die keinen Temperaturwechsel durchliefen. Alle Platinen wurden zusammen vorbereitet, auch diejenigen, die anschließend keinen Temperaturzyklen ausgesetzt wurden. Für jedes Temperaturzyklus- und Lotpastenszenario wurden jeweils zwei Leiterplatten horizontal und zwei vertikal in der Temperaturkammer ausgerichtet. Zudem wurden zwei unbedruckte Kontroll-Boards (ohne Lotpaste) verwendet, die auch keine Temperaturzyklen durchliefen. Bild 1 zeigt das Reflowprofil unter Luftatmosphäre mit dem alle Boards, abgesehen von den Kontroll-Platinen, gelötet wurden.

Die Platinen befanden sich circa 13 Tage in den Temperaturkammern. Mit einer Aufenthaltsdauer von 5 Minuten im Temperaturbereich von -40°C bis 125°C ergeben sich etwa 153 Zyklen, mit einer Aufenthaltsdauer von 10 Minuten bei der Temperaturspanne von -55°C bis 175°C ergaben sich ungefähr 535 Zyklen.

Bild 2 zeigt die Anordnung der Boards in einer der Temperaturkammern (-40°C bis +125°C). Das Bild wurde nach Abschluss des Tests aufgenommen. Die vertikal ausgerichteten Platinen im Metallgestell auf der linken Seite wurden so angeordnet dass die Luft ungehindert zwischen den Leiterplatten durchströmen konnte. Die Leiterplatten in der anderen Kammer waren gleich ausge­richtet.

Die Platinen, die den Temperaturzyklus von -55°C bis +175°C durchliefen, waren im Vergleich zu den Boards aus der Kammer von -40°C bis +125°C deutlich dunkler geworden. Abgesehen von der Verfärbung schien es jedoch keine Schäden an den Leiterplatten zu geben.

Bild 1: Reflowprofil unter Luftatmosphäre
Bild 1: Reflowprofil unter Luftatmosphäre (Bild: Indium Corporation)

Nach den Temperaturzyklen und vor der SIR-Prüfung wurden die Boards auf Rissbildung im Flussmittelrückstand untersucht. Der Grund dafür ist, dass einige Anwender in der Industrie entweder Probleme mit der Rissbildung des Flussmittelrückstandes aufgrund von Temperaturschwankungen haben oder dies als möglichen Effekt annehmen. Außerdem wird behauptet, dass diese Rissbildung die elektrische Zuverlässigkeit des Rückstandes beeinträchtigen könnte. Bild 3 zeigt die Rissbildung der Proben, die den Temperaturzyklen von -55°C bis +175°C ausgesetzt wurden.

Wichtig ist anzumerken, dass die Boards aus der Temperaturwechselkammer mit -55°C bis +175°C bei der Entnahme nahezu Raumtemperatur erreicht hatten. Die Platinen aus der Kammer von -40°C bis +125°C waren zum Zeitpunkt der Entnahme am kühleren Ende des Zyklus angekommen.

Bild 2: Anordnung der Boards in der Temperaturkammer -40°C bis +125°C.
Bild 2: Anordnung der Boards in der Temperaturkammer -40°C bis +125°C. (Bild: Indium Corporation)

Optische Inspektion und SIR-Prüfung

Alle Leiterplatten, die den Temperaturzyklen ausgesetzt wurden, zeigten eine geringe Rissbildung im Flussmittelrückstand, insbesondere dort, wo direkter Kontakt mit dem Lot bestand. Der Autor ist der Auffassung, dass bei Temperaturen über dem Erweichungspunkt des Kolophoniums diese Risse „heilen“ und sich erst wieder bilden können, wenn der Zyklus unter den Erweichungspunkt des Kolophoniums fällt. Es wird angenommen, dass Risse die SIR-Eigenschaften eines Flussmittelrückstandes negativ beeinflussen. Diese negativen Effekte, sofern sie vorhanden sind, sollten in diesem Experiment erfasst werden.

Es gab einen gewissen Flow (Verlaufen) des Flussmittels, obwohl es wahrscheinlich angebrachter wäre, dies als „Kriechen“ zu bezeichnen, denn der Effekt war weitaus weniger drastisch als vom Autor erwartet. Ein gewisses Maß an „Kriechen“ war nur in nennenswertem Umfang bei der halogenfreien Lotpaste vorhanden. Das „Kriechen“ des Fluxer-Rückstands schien nicht von der Ausrichtung des Boards abzuhängen, es scheint sich eher um ein Oberflächenbenetzungsphänomen als einen durch die Schwerkraft hervorgerufenen Effekt zu handeln. Möglicherweise könnte, wenn mehr Flussmittelrückstände vorhanden wären, der durch Schwerkraft induzierte Flow deutlicher
werden.

Nach der optischen Inspektion wurden die Boards gemäß J-STD-004B, dieser Standard verweist auf IPC-TM-650 2.6.3.7, dem SIR-Test unterzogen. Die Konditionen in der Klimakammer betrugen hierbei 90% r.F. und 40 °C. Eine Gleichspannung wurde angelegt, um eine Feldstärke von 25 ± 1 V/mm zwischen benachbarten parallelen Leiterbahnen zu erzeugen. Unter der Annahme, dass der Isolationswiderstand der Oberfläche größer als 1 MΩ ist, entspricht diese Feldstärke einer anliegenden Spannung von 5 ± 0,2 V für den Abstand von 200 µm. In einem Zeitraum von 168 Stunden (7 Tage) wurde mindestens einmal alle 20 Minuten eine Messung durchgeführt. Alle Messungen nach 24 Stunden müssen einen Wert von 100 MΩ oder höher aufweisen, damit die Prüfung gemäß J-STD-004B erfolgreich war – siehe Nachtrag 1.

Auswertung der Ergebnisse und Zusammenfassung

Nach kritischer Prüfung aller Messungen war deutlich zu erkennen, dass alle SIR-Werte den minimalen J-STD-004B-Wert von 1 x 108 Ohm überschreiten. Selbst der niedrigste erreichte Wert war mit 1 x 108,96 Ohm fast eine Größenordnung höher als der minimale geforderte Wert.

Bild 4: Die gemittelten Werte des Oberflächenwiderstands (SIR) aller Leiterplatten; mit HF = halogenfreie Lotpaste, HC = halogenierte Lotpaste, RT = Raumtemperatur, 125 = -40°C bis 125°C Temperaturzyklus, 175 = -55°C bis 175°C Temperaturzyklus, H = horizontale Lagerung, V = vertikale Lagerung
Bild 4: Die gemittelten Werte des Oberflächenwiderstands (SIR) aller Leiterplatten; mit HF = halogenfreie Lotpaste, HC = halogenierte Lotpaste, RT = Raumtemperatur, 125 = -40°C bis 125°C Temperaturzyklus, 175 = -55°C bis 175°C Temperaturzyklus, H = horizontale Lagerung, V = vertikale Lagerung (Bild: Indium Corporation)

Um den Vergleich zu erleichtern und einen aussagekräftigen Trend in den SIR-Daten zu erkennen, wurden die Werte für jedes Szenario gemittelt und dann in einem Diagramm nebeneinander dargestellt (Bild 4). Es kann argumentiert werden, dass die Mittelung von SIR-Daten nicht sinnvoll ist. Jedoch liegt der Schwerpunkt dieser Untersuchung auf der Betrachtung des allgemeinen Effekts von Temperaturzyklen und nicht auf der punktgenauen Analyse der SIR-Werte.

Ein paar Dinge sind sofort ersichtlich, wenn man die Daten auf diese Weise näher betrachtet:

  • Die gemittelten SIR-Werte aller Test-Szenarien sind nahezu identisch.
  • Die gemittelten SIR-Werte der thermisch belasteten Pasten sind nahezu identisch zu den entsprechenden Werten bei RT.
  • In allen Szenarien ergaben sich durchschnittliche SIR-Werte, die mit denen der Kontroll-Boards vergleichbar oder höher sind.
  • Alle gemittelten SIR-Werte sind mindestens vier Größenordnungen höher als die Mindestanforderung in J-STD-004B mit 1 x 108 Ohm.
  • Es gibt keinen signifikanten Unterschied darin, wie halogenfreie und halogenhaltige Lotpastenformulierungen auf Temperaturzyklen reagieren.
  • Die Ausrichtung der Platinen, ob horizontal oder vertikal, hat keinen Einfluss auf die SIR-Werte.
  • Die Zahl der Zyklen und der Temperaturbereich haben keine signifikante Auswirkung auf die gemittelten SIR-Werte.
  • Selbst unter Berücksichtigung von Mustern, die deutlich niedrigere Werte als der Rest der Muster für ein bestimmtes Szenario aufwiesen, war die Auswirkung auf den Durchschnitt minimal.

Diese Ergebnisse sind für den Autor keine Überraschung. In dem Wissen, dass die Temperaturbereiche beider Zyklen wahrscheinlich hoch genug sind, um den Flussmittelrückstand aufzuweichen oder sogar zu verflüssigen, ist es die Überzeugung des Autors, dass jedes Mal, wenn der Rückstand den Bereich hoher Temperaturen des Zyklus durchlief, die Risse die Möglichkeit haben würden zu „heilen“ und sich wieder zu verschließen. Daher kommt es bei der durch die Rissbildung verursachten Exposition des Aktivators im Rückstand sowie den Nebenprodukte von Aktivator/Metalloxid im Flussmittelrückstand entweder nicht wirklich zu einem signifikanten Anstieg dieses Effekts oder aber der Rückstand kapselt sie sogleich wieder ein. Es wäre aufschlussreich zu wissen, ob diese Rissbildung das Ergebnis einer CTE-Fehlanpassung zwischen den verschiedenen Materialien in und auf der SIR-Platine ist, oder ob der Rückstand einfach trocknet und/oder verbrennt und sich dabei das Volumen reduziert, oder eine Kombination aus beiden Vorgängen stattfindet.

Die Ausrichtung der Platinen parallel zur Schwerkraft schien keinen wesentlichen „Flow“ bzw. Kriechen des Flussmittelrückstandes zu verursachen, wenn die Temperatur den Aufweichungspunkt des Harzes überschritt. Der „Flow“-Effekt ist eher auf eine Benetzungs- oder Dochtwirkung des Fluxers auf der Oberfläche der Leiterplatte zurückzuführen. Zu beachten ist, dass auf den SIR-Testplatinen keine Lötstoppmaske eingesetzt wurde – es handelte sich um blankes FR4-Material.

Die Ergebnisse dieses Experiments deuten darauf hin, dass der Temperaturwechsel und die daraus resultierenden Risse, die sich im Flussmittelrückstand bilden, keine nachteilige Beeinträchtigung der elektrischen Zuverlässigkeit von Flussmittelrückständen des Typs ROL0 oder ROL1 darstellen.

Die Ergebnisse wurden erstmalig vorgestellt zur APEX im Februar 2017 in San Diego, Kalifornien.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 21/2019 (Download PDF)

* Eric Bastow ist Assistant Technical Manager in der Region Amerika bei Indium Corporation

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