Wie entstehen Störungen in Lötstellen?

| Autor / Redakteur: Landulf Martin Skoda * / Dr. Anna-Lena Gutberlet

Störungen in Lötstellen: Wie genau diese entstehen, ist in vielen Fällen nicht bekannt
Störungen in Lötstellen: Wie genau diese entstehen, ist in vielen Fällen nicht bekannt (Bild: L. Skoda)

Dieser erste Teil einer empirischen Studie geht der Entstehung von Störungen in Lötstellen beim Handlöten mit Sn63Pb37 auf den Grund und zeigt typische Ursachen.

Die Unschlüssigkeit der Fachwelt über das Entstehen der verschiedenartigen Störungen in Lötstellen ist hoch. Entsprechende Erkenntnisse darüber lassen sich nur dann gewinnen, wenn anspruchsvolles Löten zum Tagesgeschäft gehört. Dieser erste Teil einer Lötstudie, betrachtet die Entstehung von Störungen in Lötstellen und zeigt typische Ursachen.

Entgegen der Annahme, dass eine Lötstelle aus eutektischem Sn63Pb37 einst unvermittelt erstarrt, bleibt bei Löt-Operationen unter 10-facher Vergrößerung anderes zu beobachten. Die Erstarrung und Ausformung des Lotes ereignet sich nicht zu einem gewissen Zeitpunkt, sondern innerhalb eines Zeitraumes und auf bestimmte Bereiche hin aus. Hieraus lässt sich folgern, dass eutektisches Lot an sich zwar unvermittelt erstarrt – eine gesamte Lötstelle aus Sn63Pb37 jedoch nicht. Die eutektische Eigenschaft von Sn63Pb37 steht der gewünschten homogenen Ausformung von Lötstellen entgegen, insofern sich das Lot nicht analog zur jeweils ungezwungenen Wärmeabfuhr einzelner Komponenten ausrichten und anordnen kann.

Der Anspruch einer Lötstelle zeigt sich nicht ausschließlich im Ermöglichen des Lotflusses, sondern auch – und viel mehr noch – in dem meist hoch unterschiedlichen Wärme-Schwund über die einzelnen Komponenten. Am Beispiel einer klassischen THT-Lötung lassen sich Pin, Durchkontaktierung, Lotmenge, Löttemperatur und optional eine zusätzliche Wärmezufuhr als variable Komponente in einen kaum zu überschauenden Bezugskomplex stellen.

Anhand der Gegensätzlichkeit der Wärmeabfuhr (Divergenz) innerhalb einer Lötstelle und der unterschiedlichen Ausprägungen derer, lassen sich die verschiedenartigen Störungen erklären, erfolgreich beheben und auch im Voraus, mittels einfacher technischer Ansätze, vermeiden. Wenn auch die Komplexität im Bereich SMT deutlich geringer ausfällt, lässt sich das aufgezeigte Wirkungsprinzip auch hierauf übertragen und anwenden.

Relevante Aspekte zur Ausformung des Lotes

Thermische Ausdehnung / Lotflussrichtung: Durch die höhere Ausdehnung des Lotes unter Erwärmung, tritt eine Sogwirkung auf, durch welche kälteres, jedoch schon fließfähiges Lot, in Richtung der Wärmequelle gezogen wird. Fließfähiges Lot orientiert sich stets in Richtung der Wärmequelle oder des wärmsten Bereiches (Lotflussrichtung). Diese Beobachtung darf nicht nur auf visuell feststellbare Vorgänge beschränkt werden. Auch innerhalb einer komplexen Lötstelle dehnt sich verflüssigtes Lot permanent in Richtung der Wärmequelle (Ausdehnung) bzw. in Richtung der Wärmeabfuhr (Schwund).

Diese Gegebenheit zeigt sich als Grundproblematik für das Entstehen der Störungen. Erst mit Entnahme der Lötspitze (Wärmequelle) wird der Ausdehnung bzw. Fließrichtung des Lotes freien Lauf gelassen, sodass sich Divergenzen verschiedener Couleur ausbilden. Dieser Ansatz eröffnet neue Herausforderungen und Möglichkeiten für jegliche Art der Herstellung von Lötverbindungen höchster Güte.

Gegenkontrolle anhand von Lotkugelbildung: Um das Auftreten betreffender Störungen aufgrund von Divergenzen zu belegen soll der Blick konträr auf das Entstehen einer Lotkugel gerichtet werden: Eine verflüssigte Menge Zinn-Blei-Lot (beispielsweise an einer Lötspitze haftend) formt sich im Freien Fall zu einer Kugel. Soweit diese vor einem Aufprall auskühlt bleibt die Kugelform bestehen.

Bild 1: Eine Lotkugel darf als eine Lötung höchster Qualität angesehen werden, da keine Störungen im Lot vorliegen.
Bild 1: Eine Lotkugel darf als eine Lötung höchster Qualität angesehen werden, da keine Störungen im Lot vorliegen. (Bild: ASP)

Für sich gesehen darf eine Lotkugel als eine Lötung höchster Qualität angesehen werden, da keine Störungen im Lot vorliegen. Unter Beachtung der Oberflächenspannung lässt sich Kugelbildung erklären, zeitgleich ist jedoch zu beachten, dass die Wärmeabfuhr während dieses Prozesses ausgewogen in alle Richtungen erfolgt (kein Masseanschluss, keine Wärmezufuhr) (Bild 1). Nicht zuletzt durch das Ausbleiben unterschiedlicher Ausdehnungen und daher auch das einer Divergenz treten innerhalb dieses Prozesses keine Spannungsunterschiede auf, wodurch eine einheitliche Oberflächenspannung und die Kugelbildung letztlich zugelassen wird.

Die Konvergenz-Phase ist erreicht, wenn durch entsprechende Einwirkung der Wärmeschwund über jede Komponente der Lötstelle gleichermaßen erfolgt. Eine solche Auskühlung entspräche näherungsweise jener, welche zur Bildung einer Lotkugel führt. Für ein störungsfreies Lötergebnis wäre das Erzielen der Konvergenz-Phase wünschenswert. Der jedoch für hochqualitative Lötstellen erforderliche flache Benetzungswinkel kann sich da heraus nicht bilden, da die Ausdehnung des Lotes auf eine konvexe Formbildung hinausläuft. Gleichwohl stellt sich die Verständigkeit gegenüber der Konvergenz-Phase als zentraler Anhaltspunkt für Lötoperationen dar.

Relative Wärmesättigung: Da sich die Stärke des Wärmeschwunds ausschlaggebend über das Entstehen von Störungen zeigt, muss die Wärmesättigung eines Anschlusses in Betracht gezogen werden – dies relativ zum Anspruch der Lötstelle. Je höher die Wärmesättigung eines Anschlusses ausfällt, desto geringer fällt der Schwund innerhalb des Lotes aus.

Wird nach Entstehen einer Störung unter den selbigen Voraussetzungen (Basistemperatur, Löttemperatur, Lötposition, Lötdauer) nachgearbeitet, bleibt ein nahezu deckungsgleiches Ergebnis zu vermerken. Einschlüsse, mangelnde Benetzung, Vibrationen o.ä. sind daher als Ursache nicht vorrangig anzusetzen, da auch die Veränderlichkeit solcher Einflüsse höher ist, als die Lötbedingungen selbst.

Störung als Folge einer Divergenz

Unter Berücksichtigung der genannten Aspekte lässt sich eine Störung als Folge einer Divergenz darlegen. Die verschiedenartigen Ausprägungen werden nun nachfolgend angeführt.

Bild 2: Eine Einsackung entsteht nach schwerem Lotfluss überwiegend lötseitig, was einen großen Masseanschluss der Lötstelle impliziert.
Bild 2: Eine Einsackung entsteht nach schwerem Lotfluss überwiegend lötseitig, was einen großen Masseanschluss der Lötstelle impliziert. (Bild: ASP)

Eine Einsackung entsteht nach schwerem Lotfluss überwiegend lötseitig, was einen großen Masseanschluss der Lötstelle impliziert. Die unverhältnismäßige Dimensionierung und Positionierung des Pins bedingen die starke Ausdehnung des Lotes hin zum Innern des Anschlusses. Die Richtungsverschiedenheit der Ausdehnungen (Divergenz) verläuft auf einen Punkt hin. Die Konvergenz-Phase ist unterschritten (Bild 2). Die Anordnung der Masseanschlüsse weist innerhalb der Durchkontaktierung auch eine höhere Regelmäßigkeit auf, sodass der Schwund erst vom besagten Punkt ab konvergent verläuft. Unter einer zu hoch angesetzten, zusätzlichen Erwärmung treten auch bei geeigneten Pin-Stärken Einsackungen auf, sowie die PCB nach Entnahme der Lötspitze eine zu hohe Wärmesättigung aufweist. Das Lot schwindet sodann nicht mehr in Richtung der Wärmeabfuhr, sondern dehnt sich in Richtung der Wärmequelle (z.B. Heizplatte). Durch das Ausbleiben der Wärmeabfuhr treten derartige Einsackungen in Verbindung mit einer Granulierung auf. Die Konvergenz-Phase ist dann überschritten.

Bild 3: Trennlinien entstehen in Lötstellen mit stärkeren Pin-Durchmessern lötseitig.
Bild 3: Trennlinien entstehen in Lötstellen mit stärkeren Pin-Durchmessern lötseitig. (Bild: ASP)

Trennlinien entstehen in Lötstellen mit stärkeren Pin-Durchmessern lötseitig. Es zeigt sich verständlicher hier nicht die Ausdehnung, sondern die Auskühlung des Lotes zu betrachten. Durch die höhere Wärmeabfuhr des Pins zeigt sich der Bereich oberhalb der Trennlinie als vorzeitig auskühlender Bereich, da hier die Lotmenge auch am geringsten ausfällt. Die Konvergenz-Phase ist nur leicht unterschritten (Bild 3). Die Divergenz verläuft auf einer Ebene durch den Lötmeniskus. Die Auskühlung zweier Bereiche verläuft auf eine gewisse Länge in der Lötstelle jeweils homogen. Eine Trennlinie ist gleichzusetzen mit einer s.g. Aufschmelzlinie, welche entsteht, wenn bei Nacharbeiten die Lötstelle nicht vollständig aufgeschmolzen wurde. So stehen sich auch bei Trennlinien zwei verschiedene Niveaus der Auskühlung gegenüber.

Bild 4: Sogenannte Stresslines bilden sich stets vertikal und in der Regel bauteilseitig aus
Bild 4: Sogenannte Stresslines bilden sich stets vertikal und in der Regel bauteilseitig aus (Bild: ASP)

Sogenannte Stresslines bilden sich stets vertikal und in der Regel bauteilseitig aus. Durch eine große Masse-Anbindung des Anschlusses, sowie nun auch des Bauteils, kommt eine zusätzliche Beheizung zum Einsatz (Bild 4). Nach Überhöhung der Wärmesättigung treten mit Entnahme der Lötspitze nun Anschluss sowie Bauteil als Wärmequelle in Erscheinung. Die Dehnung des Lotes erfolgt gleichermaßen in beide Richtungen, wobei sich der gesamte Meniskus als Divergenz-Bereich zeigt. Die Konvergenz-Phase ist stark überschritten.

Man stelle sich vor, wie ein breites Gummiband Falten wirft, wenn es punktuell eingespannt in beide Richtungen gleichermaßen gezogen wird. Von einer vermeintlichen „Überhitzung“ des Lotes (Stress) ist abzusehen, da Sn63Pb37 auch nach hoher Erhitzung eine noch vorzügliche Ausformung annehmen kann.

Bild 5: Eine granulierte Lötstelle ereignet sich nach auffallend leichtem Lotfluss vorrangig lötseitig.
Bild 5: Eine granulierte Lötstelle ereignet sich nach auffallend leichtem Lotfluss vorrangig lötseitig. (Bild: ASP)

Eine granulierte Lötstelle ereignet sich nach auffallend leichtem Lotfluss vorrangig lötseitig. Es impliziert einen geringen Masse-Anschluss der Durchkontaktierung. Sie tritt gleichzeitig im Zusammenhang mit zu geringen Pin-Stärken auf, sodass eine Wärme-Abfuhr über den Pin nicht ins Gewicht fallen kann (Bild 5). Durch eine zu hohe Wärmesättigung des Anschlusses zeigt sich auch hier der gesamte Lötmeniskus als Divergenz-Bereich. Durch das Ausbleiben der Wärmeabfuhr befindet sich das Lot in einem thermischen Schwebezustand. Das Verharren des Lotes in Richtung der geringsten Wärmeabfuhr („Ausdehnung“) steht den zu geringen und dennoch wirkenden Schwindkräften entgegen. Die sich daher dezent ausbildende raue Oberfläche lässt sich als eine größtmögliche Ansammlung von Einsackungen in einer Lötstelle interpretieren. Unter einer zusätzlichen Erwärmung der Lötstelle können sich Granulierungen auch beim Arbeiten mit stärkeren Pin-Durchmessern ausbilden.

Bild 6: Löcher können in Lötstellen entstehen durch eine große Wärme-Abfuhr über den Pin und einseitig der Durchkontaktierung.
Bild 6: Löcher können in Lötstellen entstehen durch eine große Wärme-Abfuhr über den Pin und einseitig der Durchkontaktierung. (Bild: ASP)

Löcher können in Lötstellen entstehen durch eine große Wärme-Abfuhr über den Pin und einseitig der Durchkontaktierung. Die Bedingungen dafür zeigen sich beispielsweise beim Arbeiten mit einer Litze erhöht: Durch eine größere Ober- bzw. Mantelfläche innerhalb einer Litze kann mehr Wärme absorbiert und abgeführt werden. Das Schwinden des Lotes erfolgt horizontal auf ganzer Länge der Durchkontaktierung. Die Konvergenz-Phase ist stark unterschritten (Bild 6).

Die Erwägung einer Entnetzung zeigt sich unschlüssig insofern eine Nicht-Vernetzung des Lotes vorliegt. Jede steigende Erwärmung unterhalb der Konvergenz-Phase erhöht die Nicht-Vernetzung des Lotes. Es besteht die Wahrscheinlichkeit eine Lochbildung durch thermischen Einfluss mit einem Einschluss von Fremdstoffen zu verwechseln. Hier zeigt es sich zweckmäßig, dass sich nicht nur das Lot, sondern auch andere Stoffe im fließfähigen Zustand in Richtung der größeren Wärme ausdehnen. Durch einen adäquaten Umgang mit der Wärme werden Fremdstoffe verdrängt oder ausgespült.

Ungeachtet des Verfahrens zeigt sich der Erfolg einer Lötung abhängig vom Wärmeabfuhr-Verhalten einer Lötstelle. Hinsichtlich der hohen Komplexität von Leiterplatten erscheint die Bewältigung dieser Problematik vage. Damit befasst sich jedoch der 2. Teil dieser Studie, dessen Veröffentlichung demnächst folgt.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 23/2019 (Download PDF)

* Landulf Martin Skoda ist PCB Assembly Operator bei ASP Equipment in Salem.

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Von einem thermischen Schwebezustand hab ich zwar noch nichts gehört - allerdings sieht der Teil...  lesen
posted am 12.12.2019 um 09:22 von Unregistriert

Von einem thermischen SchwebezustandThermischer Schwebezustand nur 300 Grad kälter.  lesen
posted am 12.12.2019 um 08:40 von Unregistriert

Soweit ich das weiss wird die Oberflächenspannung durch das Flussmittel herabgesetzt.  lesen
posted am 11.12.2019 um 14:29 von Unregistriert

Also das ist wohl richtig - Blei hin oder her - es geht hier nicht um die Frage wie sich Blei...  lesen
posted am 06.12.2019 um 14:25 von Unregistriert

Blei verstößt gegen RoHS.  lesen
posted am 02.12.2019 um 12:49 von Unregistriert


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