SMCs (Surface-Mount-Bauteile) sind in der Elektronikfertigungsindustrie aufgrund ihrer Vorteile wie geringe Größe, niedrige Kosten und hohe Zuverlässigkeit zunehmend beliebt geworden. Bis heute stützen sich SMCs hauptsächlich auf das Reflow-Löten, um auf Leiterplatten (Printed Circuit Boards, PCBs) befestigt zu werden, und die Leistung des Reflow-Lötens steht in direktem Zusammenhang mit der Leistung der Endprodukte. Als ein häufiger Defekt, der im SMT-(Surface-Mount-Technologie-)Bestückungsprozess auftritt, werden Lötperlen jedoch durch zahlreiche Ursachen hervorgerufen und sind so schwer zu kontrollieren, dass sie zu einem Hauptanliegen im SMT-Bestückungsprozess geworden sind.
Im Allgemeinen weisen Lotkugeln einen Durchmesser im Bereich von 0,2 mm bis 0,4 mm auf und befinden sich üblicherweise hauptsächlich an den Seiten von Chip-Bauteilen. Manchmal lassen sich Lotkugeln auch um die Pins von ICs und Steckverbindern finden. Einerseits beeinträchtigen Lotkugeln das Erscheinungsbild von Elektronikprodukten. Andererseits können Lotkugeln möglicherweise abfallen, wodurch SMDs (Surface Mount Devices) Kurzschlüsse verursachen, was die Zuverlässigkeit elektronischer Produkte erheblich verringert und insbesondere bei bestückten Leiterplatten mit hoher Dichte und feinen Pins problematisch ist.
Bis heute ist PCBCart nach mehr als 20 Jahren Einsatz und Fokussierung zu einem professionellen Anbieter von PCB‑Lösungen geworden, einschließlich Leiterplattenfertigung, Bauteilbeschaffung und SMT‑Bestückung. Die Prozessingenieure aus unserem Lager haben kontinuierlich wesentliche Maßnahmen untersucht, um Lotkugeln zu beseitigen inSMT-Montageprozessund einige praktische Maßnahmen wurden auf der Grundlage ihrer eingehenden Analyse der Ursachen von Lotkugeln zusammengefasst.
Es ist offensichtlich, dass während des SMT-Montageprozesses aus vielen Gründen Lotkugeln entstehen. Die Ursachen lassen sich im Allgemeinen in zwei Typen einteilen: materialbedingte Ursachen und technologiebedingte Ursachen.
• Materielle Ursachen
→ Lötpaste
a. Niedriger Thixotropiekoeffizient;
b. Kalter Kollaps oder leicht thermischer Kollaps;
c. Zu viel Flussmittel oder niedrige Aktivitätstemperatur;
d. Oxidation von Zinnpulver oder ungleichmäßige Metallpartikel;
e. Feuchtigkeitsabsorbierend;
→ Leiterplatte
a. Geringer Abstand zwischen Leiterplattenpads;
b. Pads oder Bauteile mit geringer Lötbarkeit;
→ Schablone
a. Öffnungswand mit Graten;
→ Schaberklinge
a. Zu geringes Gewicht;
b. Verbogene Schaberklinge.
• Technologische Ursachen
a. Zu großer Betrag;
b. Zwischen Schablone und Leiterplatte befindet sich verbleibende Lotpaste;
c. Ungleichmäßige Energie oder ungeeignete Einstellung der Löttemperatur;
d. Zu hoher Montagedruck;
e. Zu großer Abstand zwischen Leiterplatte und Schablone;
f. Schaberklinge mit kleinem Winkel;
g. Schablone mit kleinen Öffnungen;
h. Lotpaste wird unsachgemäß aufgetragen;
i. Andere Ursachen, einschließlich Personal, Ausstattung und Umgebung.
Maßnahme Nr. 1: Wählen Sie die Lötpaste aus, die den SMT-Anforderungen entspricht.
Die Auswahl der Lotpaste wirkt sich direkt auf die Lötqualität aus. Lotkugeln neigen dazu, sich zu bilden, wenn die Lotpaste einen ungeeigneten Metallgehalt, Oxidation, IMC-Partikel und eine ungeeignete Schichtdicke auf dem Pad aufweist. Vor der Festlegung der Lotpaste ist es notwendig, sie zu erproben, um zu bestätigen, ob sie in der Serien-SMT-Fertigung eingesetzt werden kann. Eine mit den SMT-Anforderungen kompatible Lotpaste weist die folgenden Eigenschaften auf:
a. Hoher Metallgehalt
Normalerweise weist Lotpaste einen Metallgehalt von 88 % bis 92 % auf. Mit steigendem Metallgehalt in der Lotpaste nimmt auch deren Viskosität zu, was die durch Verdampfung entstehenden Spannungen wirksam ausgleichen kann. Außerdem führt ein höherer Metallgehalt dazu, dass das Metallpulver dichter gepackt ist, sodass sich die Metallpartikel leicht verbinden, anstatt sich zu trennen. Darüber hinaus kann ein höherer Metallgehalt verhindern, dass die Lotpaste zusammenfällt, wodurch sich Lötperlen nur schwer bilden.
b. Kontrollierte Oxidation von Lotpaste
Was Lotpaste betrifft, führt ein höherer Metalloxidanteil stets zu einem höheren Verbundwiderstand zwischen den Metallpulvern. Dadurch entsteht eine unzureichende Benetzbarkeit zwischen Lotpaste, Pads und SMDs, was deren Lötbarkeit verringert. Es wurde zusammengefasst, dass das Auftreten von Lotperlen direkt proportional zum Metalloxidanteil ist. Daher sollte der Oxidgehalt in der Lotpaste streng unter 0,05 % gehalten werden, um die Bildung von Lotperlen zu verhindern.
c. Größere Metallpartikelgröße
Je kleiner die Metallpartikel sind, desto größer ist die gesamte Oberfläche der Lötpaste, was zu einer stärkeren Oxidation führt und die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Lotkugeln erhöht.
d. Reduzierte Lotpastendicke auf dem Pad
Die normale Dicke der Lotpaste auf dem Pad liegt zwischen 0,1 mm und 0,2 mm. Wenn die Lotpaste auf dem Pad zu dick ist, resultiert dies in der Regel aus einem Zusammenfallen und führt zur Bildung von Lotkügelchen.
e. Kontrollierter Flussmittelgehalt und -aktivität
Ein zu hoher Flussmittelgehalt führt dazu, dass die Lötpaste teilweise zusammenfällt und Lötperlen entstehen. Wenn das Flussmittel eine geringere Aktivität aufweist, wirkt es sich nachteilig auf die Entoxidation aus und es bilden sich Lötperlen.
f. Ordnungsgemäße Lagerung und Anwendung
Im Allgemeinen sollte Lotpaste in einem Temperaturbereich von 0 bis 10 ℃ gelagert werden. Vor der Verwendung sollte die Lotpaste aufgewärmt werden und darf erst eingesetzt werden, wenn ihre Temperatur vollständig auf Raumtemperatur angestiegen ist. Sie sollte gemäß den vorgeschriebenen Anweisungen gerührt werden. Nachdem eine ausreichende Menge Lotpaste aus dem Behälter entnommen wurde, ist dieser sofort wieder zu verschließen. Leiterplatten nach dem Drucken müssen innerhalb von zwei Stunden einem Reflow-Lötprozess unterzogen werden.
Maßnahme Nr. 2: Die Schablonenöffnung sollte ordnungsgemäß ausgelegt werden.
Die Schablonendicke sollte angemessen ausgelegt und das Öffnungsverhältnis streng kontrolliert werden. Die Schablonendicke wird durch die SMDs mit den feinsten Pitch-Abständen auf der Leiterplatte bestimmt. Es sollten relativ dünne Schablonen gewählt und dicke Schablonen vermieden werden.
Einige Defekte können auftreten, wenn die Schablonenöffnungen ein ungeeignetes Verhältnis und eine ungeeignete Öffnungsform aufweisen, was zur Bildung von Lotkugeln führt. Wenn die Öffnungen ein ungeeignetes Verhältnis aufweisen, neigt die Lotpaste dazu, auf die Lötstoppmaske gedruckt zu werden, sodass während des Reflow-Lötprozesses Lotkugeln entstehen.
Maßnahme Nr. 3: Die Qualität der Schablonenreinigung sollte verbessert werden.
Die Verbesserung der Schablonenreinigungsqualität ist vorteilhaft für die Verbesserung der Druckqualität. Im Prozess des Lotpastendrucks sollte die Schablonenoberfläche sorgfältig gereinigt und die verbleibende Lotpaste rechtzeitig entfernt werden, um zu verhindern, dass sich während des Reflow-Lötprozesses Lotkugeln bilden. Wird die Schablone jedoch unsachgemäß gereinigt, sammelt sich die am Boden der Schablonenöffnungen zurückgebliebene Lotpaste um die Öffnungen herum an, sodass die Bildung von Lotkugeln begünstigt wird.
Maßnahme Nr. 4: Der zunehmende Stress sollte reduziert werden.
Tatsächlich ist die zunehmende Bestückungskraft (Mounting Stress) ebenfalls eine Hauptursache für Lotperlen, erhält jedoch nur wenig Aufmerksamkeit. Die Bestückungskraft wird von Faktoren wie Leiterplattendicke, Bauteilhöhe und der Druckeinstellung der Bestückungsdüse bestimmt. Ist die Bestückungskraft zu hoch, wird die Lotpaste aus dem Pad herausgedrückt, und die herausgedrückte Lotpaste bildet nach dem Reflow-Löten Lotperlen. Um dieses Problem zu lösen, kann die Bestückungskraft so weit reduziert werden, dass die Bauteile auf die auf das Pad gedruckte Lotpaste gesetzt und angemessen angedrückt werden können. Unterschiedliche Bauteile benötigen unterschiedliche Bestückungskräfte, die sinnvoll eingestellt werden sollten.
Maßnahme Nr. 5: Die Lötbarkeit von Bauteilen und Pads sollte verbessert werden.
Die Lötbarkeit von Bauteilen und Pads wirkt sich direkt auf die Entstehung von Lotkugeln aus. Wenn sowohl Bauteile als auch Pads stark oxidiert sind, kann ein Teil des Flussmittels durch zu viel Oxid verbraucht werden, sodass aufgrund unvollständiger Lötung und unzureichender Benetzbarkeit ebenfalls Lotkugeln entstehen können. Daher muss die Eingangsqualität von Bauteilen und Leiterplatten (PCBs) sichergestellt werden.
Maßnahme Nr. 6: Die Löttemperaturkurve sollte optimiert werden.
Lötperlen entstehen typischerweise im Prozess des Reflow-Lötens, der vier Phasen umfasst: Vorheizen, Temperaturanstieg, Reflow-Löten und Abkühlen. Ziel des Vorheizens und des Temperaturanstiegs ist es, die thermische Belastung für Leiterplatte (PCB) und Bauteile zu verringern, um sicherzustellen, dass das schmelzende Lotpaste teilweise verdampfen kann. Dadurch wird verhindert, dass die Temperatur zu schnell ansteigt und ein Zusammenfallen oder Verspritzen verursacht, was die Hauptursache für Lötperlen ist.
Um eine optimierte Temperaturkurve im Reflow-Lötofen zu erhalten, besteht die Lösung darin, die Temperatur des Reflow-Lötens zu steuern und zu verhindern, dass die Temperatur in der Vorheizphase zu schnell ansteigt. Die Aufheizgeschwindigkeit sollte auf 2 ℃/s oder weniger begrenzt werden, und die Temperatur von Lotpaste, Bauteilen und Pads sollte in den Bereich von 120 ℃ bis 150 ℃ ansteigen. Dadurch kann die thermische Belastung der Bauteile in der Reflow-Lötphase verringert werden.
Maßnahme Nr. 7: Andere Elemente sollten gut kontrolliert werden.
Normalerweise liegt die optimale Temperatur für das Schablonendrucklöten im Bereich von 18 bis 28 °C, die relative Luftfeuchtigkeit (RH) zwischen 40 % und 70 %. Ist die Temperatur zu hoch, weist die Lotpaste eine geringe Viskosität auf; ist die RH zu hoch, nimmt die Lotpaste mehr Feuchtigkeit auf. Beide Situationen führen zur Bildung von Lotperlen. Daher sollten Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit in der Werkstatt gut kontrolliert werden.
Die Entstehung von Lotkugeldefekten ist ein derart komplexer Prozess, dass sie auf eine Vielzahl von Ursachen zurückzuführen ist. Daher müssen umfassende Faktoren berücksichtigt werden, um die Bildung von Lotkugeln zu verhindern. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Schablone präzise gestaltet werden sollte, wobei die Öffnungsparameter mit den Anforderungen des SMT kompatibel sein müssen; die Lötpaste muss gemäß strengen Vorschriften gelagert und verwendet werden; der Bestückungsdruck sollte in einem angemessenen Bereich gehalten werden; das Temperaturprofil des Reflow-Lötprozesses sollte optimiert werden.
Basierend auf der mehr als 20-jährigen SMT-Bestückungserfahrung von PCBCart hat sich gezeigt, dass 60 % bis 80 % der Lotperlen durch eine ungeeignete Bestückkraft verursacht werden. Daher muss der Einstellung der Bestückkraft am Bestückungsautomaten größte Aufmerksamkeit geschenkt werden, damit die Lötpaste nicht aus dem Pad herausgedrückt wird und sich die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Lotperlen verringert.
Oberflächenmontagebauteile (SMCs) bieten in der Elektronikfertigung sehr bedeutende Vorteile, darunter geringe Größe, niedrige Kosten und hohe Zuverlässigkeit. Eine der Herausforderungen bei der SMT-Bestückung ist jedoch die Bildung von Lotkugeln, die die Produktqualität und -leistung beeinträchtigt. Solche Defekte neigen dazu, Kurzschlüsse zu verursachen, insbesondere bei hochdichten Leiterplatten. Abhilfemaßnahmen für dieses Problem umfassen die richtige Auswahl der Lotpaste, die Optimierung des Schablonendesigns und ein kontrollierter Reflow-Lötprozess.
PCBCart nutzt über 20 Jahre Erfahrung in der SMT-Bestückung, um das Auftreten von Lotkugeln zu minimieren und die Produktqualität zu verbessern. Unsere erfahrenen Ingenieure ergreifen proaktive Maßnahmen, um hohe Leistung und Zuverlässigkeit sicherzustellen. Arbeiten Sie mit PCBCart bei der Leiterplattenfertigung zusammen und profitieren Sie von einer hervorragenden Qualitätskontrolle. Kontaktieren Sie uns noch heute für ein vollständiges Angebot und erfahren Sie, wie unsere maßgeschneiderten Methoden Ihren Bestückungserfolg optimieren können.
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