RoHS-konforme Baugruppen

Test- und Inspektionsstrategien für den Bleifrei-Prozess

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Bei der Umstellung sind in Bezug auf Test und Inspektion zwei Fragen zu klären.

1. Eignen sich die vorhandenen Test- und Inspektionssysteme zum Prüfen von RoHS-konformen Baugruppen?

•SPI (Solder Paste Inspection, Lotpasteninspektion)

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Besondere Maßnahmen zur Umstellung von SPI-Systemen auf Bleifrei-Technologie sind nicht erforderlich. Die Systeme können ohne jede Änderung zum Prüfen bleifreier Baugruppen verwendet werden.

•AOI (automatische optische Inspektion) vor und nach dem Reflow-Löten

Bleifreie Lötstellen sehen ein wenig anders aus als Zinn-Blei-Lötstellen. Das kann für die automatische optische Inspektion (AOI) von Bedeutung sein. Bleifreie Lötstellen haben aufgrund der geringeren Benetzungskraft des Lotes eine etwas andere Form. Sie sind außerdem körniger und erscheinen matter als herkömmliche Lötstellen.

Das National Physical Laboratory (NPL) in Großbritannien hat AOI-Systeme sechs verschiedener Fabrikate dahingehend untersucht, ob dies die Qualität der Prüfergebnisse beeinflusst. Die 2002 veröffentlichte Studie ergab, dass moderne AOI-Systeme zur Prüfung bleifreier Leiterplatten und Lötstellen geeignet sind. Pseudo-Fehler traten bei beiden Arten von Leiterplatten und Lötstellen mit ähnlicher Häufigkeit auf.

•AXI (automatische Röntgeninspektion)

Wenn Röntgenstrahlen einen Gegenstand durchdringen, werden sie je nach Material und Materialstärke unterschiedlich stark absorbiert. Ein Röntgeninspektionssystem „durchleuchtet“ die zu prüfenden Lötstellen und erstellt auf der Basis von Absorptionsmessungen ein Bild, das ein Computer auswertet. Die Röntgeninspektion funktioniert auch bei bleifreien Baugruppen: Die für bleifreie Lotlegierungen verwendeten Materialien ergeben einen für Röntgeninspektion ausreichenden Bildkontrast.

Bleifreie Legierungen ergeben ein etwas helleres Bild und erscheinen dadurch etwa 15 bis 20% dünner als Zinn-Blei-Legierungen gleicher Stärke. Wenn es auf genaue Dickenmessungen ankommt, lässt sich dieser Effekt jedoch leicht kompensieren. Allerdings sind die meisten Lötfehler an der Umrissform der Lötstelle erkennbar und die ist für bleifreie und bleihaltige Legierungen im Wesentlichen die gleiche.

•In-circuit-Test (ICT)

In-circuit-Tests setzen einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Testadapter und den Messpunkten voraus. Ein guter Kontakt lässt sich herstellen, indem man eine harte, spitze Prüfnadel auf ein weiches, lotbedecktes Testpad drückt. Beim herkömmlichen Zinn-Blei-Lötprozess werden vor dem Bestücken der Leiterplatte in der Regel sämtliche Kupferflächen nach dem HASL-(Hot-Air-Solder-Level-)Verfahren vorverzinnt.

Bei der Umstellung auf das OSP-(Organic-Solder-Preservative-) Verfahren, das bei bleifreien Prozessen üblich ist, entfällt dieser Schritt. Lot wird jetzt nur noch an den Stellen aufgetragen, an denen die Lotpastenschablone des Pastendruckers entsprechende Aussparungen hat. Bisher war es nicht notwendig, Lot auf Testpads aufzutragen, weil diese bereits vorverzinnt waren; deshalb wurde meist darauf verzichtet. Wenn die Lotpastenschablone nicht entsprechend modifiziert wird, behalten die Testpads ihre „natürliche“ Oberfläche aus unbehandeltem Kupfer.

Für eine zuverlässige Kontaktierung mit Prüfnadeln ist eine Kupferoberfläche jedoch ungeeignet. Deshalb schreiben alle ICT-Test-Richtlinien vor, dass – wenn irgend möglich – keine Testpads mit Kupferoberfläche verwendet werden sollten. Das Problem lässt sich einfach durch eine neue Lotpastenschablone lösen, die Aussparungen für die Testpads enthält. Die Testpads werden dann verzinnt, sodass eine zuverlässige Kontaktierung gewährleistet ist.

Die wegen der geringeren Benetzungskraft bleifreier Lote schlechtere Benetzung der Lötpads und Bauteilanschlüsse lässt sich mit einem aggressiveren Flussmittel verbessern. Es deutet einiges darauf hin, dass die Flussmittelrückstände bleifreier Lote im Vergleich zu bleihaltigen Loten wegen der höheren Löttemperaturen härter sind und einen höheren Prüfnadeldruck erfordern. Wir empfehlen, in Zusammenarbeit mit Lotpastenherstellern die Zusammensetzung der Lotpaste so zu optimieren, dass die Flussmittelrückstände keine Probleme bereiten.

•Funktionstest

Problematisch bei bleifreien Prozessen ist auch die höhere Reflow-Temperatur der Lotlegierung. Dadurch erhöht sich das Risiko, dass bei Reparaturversuchen die Leiterplatte und/oder Bauteile an der Reparaturstelle beschädigt werden. Um die Anzahl der in der Funktionstestphase notwendigen Reparaturen zu verringern, sollte man den Prozesstest so weit optimieren, dass nur noch sehr wenige Fertigungsfehler bis zum Funktionstest gelangen.

Beim Funktionstest erfolgt der Testzugriff über Steckverbinder, einen Nadelbettadapter oder eine Kombination von beidem. Bei Verwendung eines Nadelbettadapters sind die gleichen Aspekte zu beachten wie bei der Kontaktierung für den ICT.

2. Welche Test- und Inspektionsstrategien sind für RoHS-konforme Baugruppen empfehlenswert?

Nachdem wir festgestellt haben, dass vorhandene Test- und Inspektionsverfahren entweder unverändert oder nach geringfügigen Anpassungen auch auf bleifreie Baugruppen anwendbar sind, stellt sich als nächstes die Frage, nach welcher Strategie man dabei am besten verfährt. Nach Ansicht des Autors bringen Tests und Inspektionen der Leiterplatte einen signifikanten Nutzen in Bezug auf:

1) Prozesscharakterisierung,

2) Vorbeugung gegen Fehler und

3) Eindämmung von Fehlern.

•Prozesscharakterisierung

Die Umstellung auf einen neuen Fertigungsprozess bringt zahlreiche Herausforderungen mit sich. In einer solchen Phase können Inspektionssysteme bei der Prozesscharakterisierung und bei der Durchführung von Kontrollen wertvolle Dienste leisten. So lässt sich beispielsweise der Lötprozess mithilfe systematischer Versuche gezielt optimieren. Hierbei könnte man Variablen wie Lotpastenzusammensetzung, Reflow- und Abkühlprofile, Schablonen-Parameter, Oberflächen-materialien der Leiterplatte, der Bauteile usw. variieren. Ein AXI-(Automatic-X-ray- Inspection-)System kann hier wertvolle Informationen liefern. SPI und AOI vor dem Reflow-Löten können ebenfalls zur Prozesscharakterisierung herangezogen werden.

•Fehlern vorbeugen

Fehlern vorzubeugen, sodass sie gar nicht erst auftreten, ist immer eine gute Strategie. Fertigungsfreundliches Design (Design For Manufacturability, DFM) trägt dazu bei. Bestimmte Pad-Größen und -Formen müssen bei der Umstellung auf „bleifreie“ Fertigung eventuell modifiziert werden. SPI und AOI vor dem Reflow-Löten helfen bei der systematischen Minimierung der Fehlerhäufigkeit. Das gilt insbesondere für blei-freie Prozesse, weil diese weniger Fehler „verzeihen“ als herkömmliche Prozesse.

Platzierung und Menge des Lotauftrags sind für die Fehlerhäufigkeit von großer Bedeutung und müssen daher überwacht werden. So hat sich beispielsweise gezeigt, dass ein möglichst gleichmäßiger Lotauftrag an allen Anschlüssen eines Bauteils dem Grabsteineffekt entgegenwirkt. Ebenso ist bekannt, dass sich verschobene oder verdrehte Bauteile infolge der kleineren Benetzungskräfte während des Reflow-Lötens tenden-ziell geringer selbst ausrichten. Eine genaue Überprüfung der Bauteilplatzierung mittels AOI vor dem Reflow-Löten gibt Aufschluss darüber, ob die Bauteilplatzierung korrigiert werden muss.

•Fehler eindämmen

Auch eine perfekte Fehlervermeidungsstrategie schützt nicht davor, dass sich vor oder nach dem Reflow-Löten zufällige Fehler einschleichen können. Nach ersten Erfahrungen trägt der bleifreie Wellen- oder selektive Wellen-Lötprozess einen erheblichen Anteil am Gesamtfehlerspektrum bei.

So lässt sich beispielsweise der Lötprozess mithilfe systematischer Versuche gezielt optimieren. Hierbei könnte man Variablen wie Lotpastenzusammensetzung, Reflow- und Abkühlprofile, Schablonen-Parameter, Oberflächen-materialien der Leiterplatte, der Bauteile usw. variieren. Ein AXI-(Automatic-X-ray- Inspection-)System kann hier wertvolle Informationen liefern. SPI und AOI vor dem Reflow-Löten können ebenfalls zur Prozesscharakterisierung herangezogen werden.

Es ist deshalb äußerst wichtig, in der Umstellungsphase eine Teststrategie anzuwenden, die eine sehr hohe Abdeckung aller Fehlertypen gewährleistet z.B. eine Kombination aus Post-Reflow-AOI, AXI und ICT. Während der Umstellung auf „RoHS-konform“ ist ein Anstieg der Fehlerhäufigkeit zu erwarten. Eine höhere Fehlerabdeckung bei Test und Inspektion ist in den meisten Fällen eine gute Strategie, um dem entgegenzuwirken.

*Stig Oresjo ist Senior Test Strategy Consultant bei Agilent Technologies, Alfred Pölderl ist Business Development Manager EMT Europe bei Agilent.

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