Die heutige Zeit ist von einer hohen Integrationsgeschwindigkeit und der massenhaften Produktion und Fertigung miniaturisierter Bauteile mit Anschlussleitungen geprägt. Bei der SMT- (Surface-Mount-Technology) Bestückung müssen die Bauteile eine Reihe von Prozessen durchlaufen, darunter Vorbehandlung, Bestückung, Löten, Test und Verpackung. Während des gesamten Prozesses kann das Auftreten von ESD (Electrostatic Discharge, elektrostatische Entladung) Schäden unterschiedlichen Ausmaßes verursachen und so die Leistung der SMT-Baugruppe verringern. Beim Lötprozess kann jedoch die in den Bauteilen enthaltene Feuchtigkeit zu Dampf- und Druckbildung führen, wodurch Risse im Inneren der Bauteile entstehen können, die sich ausbreiten. Infolgedessen kann es letztlich zu Kurzschlüssen kommen, was die Zuverlässigkeit der Produkte mindert. Daher sind die durch ESD an Lötstellen verursachten Schäden so gravierend, dass ihnen ausreichende Aufmerksamkeit geschenkt werden muss, was in diesem Artikel behandelt wird.
Erzeugungsquelle von ESD
Elektrostatische Elektrizität stammt hauptsächlich aus drei Quellen: Reibung, Induktion und dem menschlichen Körper.
a. ESD durch Reibung
Als eine Form elektrischer Energie verbleibt statische Elektrizität in der Regel auf der Oberfläche von Objekten, und ihre Entstehung beruht auf einem Ungleichgewicht zwischen positiven und negativen Ladungen in einem begrenzten Bereich. Allgemein gesprochen wird statische Elektrizität durch den Transfer von Elektronen und Ionen erzeugt. Wenn Reibung zwischen zwei isolierenden Objekten auftritt, wird die elektrische Energie auf der Oberfläche des einen Objekts auf die Oberfläche des anderen Objekts übertragen, das daraufhin negative Ladungen aufweist. ESD durch Reibung steht meist in Zusammenhang mit der Sauberkeit der Objektoberfläche, deren Größe und der Umgebung.
b. ESD durch Induktion
Die Objekte, die in der Lage sind, Induktion hervorzurufen, sind Leiter und die dielektrische Umgebung im Feld der statischen Elektrizität. Wenn sich Leiter in der Nähe geladener Objekte befinden, wird aufgrund der Wirkung des elektrostatischen Feldes eine Polarisation auf den Leitern verursacht. Infolgedessen entstehen induzierte Ladungen mit entgegengesetzten Polarisationen und gleichen Beträgen, was die Möglichkeit von ESD erhöht.
c. ESD durch den menschlichen Körper
Der menschliche Körper gilt während des gesamten SMT-Montageprozesses als Hauptquelle für ESD. Wenn sich Menschen bewegen, führt die durch Schuhe oder Kleidung verursachte Reibung zu geladenen Objekten. Zusätzlich führen Temperatur, Hochgeschwindigkeitsbewegungen und Brüche ebenfalls zu ESD.
Tatsächlich tritt statische Elektrizität im täglichen Leben der Menschen häufig auf, verursacht jedoch nur geringe Schäden. Wenn jedoch ICs und Hochpolymermaterialien häufig verwendet werden, nimmt die Schädigung durch ESD zu. Daher ist es von großer Bedeutung, im SMT-Montageprozess ein ESD-Schutzkonzept zu entwickeln.
Schäden durch ESD an Lötverbindungen
Lötstellen spielen im gesamten System elektronischer Produkte eine so entscheidende Rolle, dass sie während des Betriebs der Schaltung die Verbindungsfunktion übernehmen. Derzeit werden Schaltungen zunehmend hochverdichtet, wobei die Anzahl der Lötstellen erheblich zunimmt. Wenn eine einzelne Lötstelle fehlerhaft ist, fällt das gesamte Schaltungssystem aus. Lötstellenfehler entstehen hauptsächlich durch Defekte, die im SMT-Bestückungsprozess auftreten. Sobald die Umgebungstemperatur schwankt oder der Strom der gesamten Schaltung instabil wird, erhitzen sich die Bauteile so stark, dass thermische Ermüdung die Leistung elektronischer Produkte weiter verringert. Außerdem wird, wenn sich die Temperatur rund um die Lötstellen ändert, in den Lötstellen thermische Spannung erzeugt.
Ein weiterer Defekt von Lötstellen ist die Hohlraumbildung. Hohlräume beziehen sich auf winzige Luftblasen innerhalb der Lötstellen und entstehen durch die Ausdehnung von Verbindungen oder durch in der Lotpaste verbliebene Luft. Obwohl eine Sichtprüfung verwendet werden kann, um einige äußere Hohlräume von Lötstellen zu erkennen, stellen die während des Lötprozesses entstehenden Hohlräume eine so große Bedrohung dar, dass sie nur schwer aufzudecken sind. Allerdings entstehen Hohlräume durch eine Reihe natürlicher Prozesse, was bedeutet, dass sie unvermeidbar sind. Einerseits können Hohlräume die Bildung von Rissen verhindern oder die Ausbreitungswege von Rissen verändern. Andererseits verkürzen Hohlräume die Lebensdauer der Endprodukte.
Maßnahmen zur Minimierung der negativen Auswirkungen von Lötstellen
ESD-Schutz steht ganz oben auf der Liste der Probleme, die möglicherweise während des SMT-Bestückungsprozesses auftreten. Die Bediener müssen über ausreichende Kenntnisse in Bezug auf den ESD-Schutz verfügen und sich der Ziele und spezifischen Maßnahmen des ESD-Schutzes vollständig bewusst sein. Außerdem müssen alle Bediener geschult werden, um über das erforderliche Know-how zu verfügen und ein hohes Bewusstsein in Bezug auf den ESD-Schutz aufrechtzuerhalten.
• ESD-Schutzmaßnahme Nr. 1: Leiter und Isolatoren
Wenn sich statische Elektrizität auf Leitern bildet, sollte sie rechtzeitig über mehrere Kanäle wie bestimmte Geräte und Vorrichtungen abgeleitet werden. Der Kanal für die elektrostatische Ableitung kann die Erdung mit Leitern sein, sodass elektrostatische Ladungen von den Leitern abgeführt werden können. Antistatische Leitungen können zur ESD‑Schutzmaßnahme installiert werden, und sie sollten unabhängig verlegt werden, um Stromerdungsleiter und antistatische Erdungsleitungen zu trennen. Da sich Ladungen in Isolatoren nicht bewegen können, wirkt die ESD‑Schutzmaßnahme für Leiter nicht bei Isolatoren. Daher wird zur ESD‑Schutzmaßnahme für Isolatoren üblicherweise die Ladungsneutralisation eingesetzt. Ein Ionisator wird verwendet, um positive und negative Ionen zu erzeugen, sodass elektrostatische Ladungen neutralisiert werden können. In derselben Umgebung führt eine niedrigere Umgebungstemperatur zu einer Erhöhung der Luftfeuchtigkeit, die ebenfalls die Leitfähigkeit von Leitern beeinflusst. Wenn die elektrische Leitfähigkeit kontinuierlich steigt und die Luftfeuchtigkeit ebenfalls zunimmt, ist der ESD‑Schutz in einer solchen Umgebung besser. Folglich ist es eine optimale Lösung, die Luftfeuchtigkeit zu erhöhen und die Temperatur zu senken, um in einem gefährdeten Bereich ESD‑Schutz zu gewährleisten.
• ESD-Schutzmaßnahme Nr. 2: ESD-Schutzvorrichtung
Um die Entstehung statischer Elektrizität weitgehend zu verhindern und die vorhandene statische Elektrizität abzuleiten, sollten ESD-Schutzvorrichtungen über eine ausreichende Leitfähigkeit verfügen und in der Lage sein, die Geschwindigkeit der ESD-Ableitung zu steuern, um zu vermeiden, dass statische Elektrizität übermäßig abgeleitet wird.
• ESD-Schutzmaßnahme Nr. 3: Schutzschaltung
Es ist ganz normal, einen Schutzschaltkreis zu den ESD-Schutzmaßnahmen hinzuzufügen. In miniaturisierten und hochdichten Schaltungen wird ein Schutzschaltkreis jedoch nicht akzeptiert.
Was ESD-Schutzmaßnahmen betrifft, müssen bei der Entscheidungsfindung so viele Elemente berücksichtigt werden, damit die optimale ESD-Schutzmaßnahme angewendet werden kann.
P.S. Einige Tipps für die optimale Lötstellenerzeugung im SMT-Bestückungsprozess
Da elektronische Produkte ständig miniaturisiert und multifunktional werden, wird es zunehmend schwieriger, die Ursachen für Defekte im SMT-Montageprozess zu analysieren. Lötstellenprobleme sind ein zentrales Thema im SMT-Montageprozess, sodass sie durch eine geeignete Einstellung der Temperaturkurve beim Reflow-Löten behoben werden können.
Hohlräume können die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Rissen beschleunigen und die Festigkeit von Lötverbindungen wird verringert. Der Einsatz von Blindvias auf Leiterplatten (Printed Circuit Board, PCB) führt zu Hohlräumen, die auch durch ungeeignete Technologieanwendung verursacht werden können. In Blindvias befindet sich Luft, deren Volumen sich beim Erhitzen vergrößert. Außerdem wird ein Teil der Luft ausgestoßen, wenn das Lotpaste schmilzt, und die nicht ausgestoßene Luft bildet Hohlräume in der Lötverbindung.
Darüber hinaus steht die Entstehung von Hohlräumen in direktem Zusammenhang mit der Löttemperatur. Die Vorheizzeit sollte auf einen Bereich von 90 bis 120 Sekunden verlängert werden, damit die in der Lotpaste enthaltene Luft und Feuchtigkeit vollständig verdampfen können, was die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Hohlräumen verringert. Alternativ kann eine Verringerung der Oberflächenspannung der Lotpaste dazu beitragen, Luftblasen in einer Hochtemperaturumgebung auszutreiben.
