Die 5 wichtigsten Gründe für Fehler bei Lötverbindungen

Die Zuverlässigkeit von Lötstellen ist oft ein Problem bei der Entwicklung von elektronischen Systemen. Eine Vielzahl von Faktoren wirkt sich auf die Zuverlässigkeit der Lötstellen aus, und jeder von ihnen kann die Lebensdauer der Lötstellen drastisch reduzieren. Die richtige Identifizierung und Entschärfung potenzieller Ursachen für Lötstellenfehler während des Designs- und Herstellungsprozesses kann kostspielige und schwer zu lösende Probleme im späteren Produktlebenszyklus verhindern. Im Folgenden werden einige der am häufigsten beobachteten Ursachen für Lötstellenfehler beschrieben, die zu berücksichtigen sind.

Erfahren Sie mehr darüber, wie Sie die Ermüdung von Lötzinn in elektronischen Bauteilen verhindern können, im Blog Solder Fatigue Causes and Prevention.

1. Unbeabsichtigte Spannungen durch Verguss, Unterfüllungen und konforme Beschichtungen

Wenn beispielsweise eine Baugruppe im Tauchverfahren beschichtet wird, fließt die Beschichtung unter Komponenten wie Ball Grid Arrays (BGAs) und Quad-Flat No-Leads (QFNs). Die Beschichtung dehnt sich während der Temperaturwechsel aus und kann das Bauteil von der Platine "abheben", was zu zusätzlichen Zugspannungen an den Lötstellen führt.

Bestimmte Montagebedingungen für Bauteile und Verguss-/Beschichtungstechniken können unerwünschte Spannungen auf Lötstellen von Bauteilen erzeugen - wie etwa Zugspannungen. Je nach den Materialeigenschaften des verwendeten Vergusses/der Beschichtung können diese Spannungen groß genug sein, um drastische Auswirkungen auf die Ermüdungslebensdauer der Lötstellen zu haben.

Die wichtigsten Materialeigenschaften, die bei der Spezifikation eines Vergusses oder einer Beschichtung zu berücksichtigen sind, sind die Glasübergangstemperatur, der Modul und der Wärmeausdehnungskoeffizient - oberhalb und unterhalb der Glasübergangstemperatur. Die Glasübergangstemperatur bezieht sich auf die Temperatur, bei der ein Material zwischen einer harten/glasartigen und einer weichen/gummiartigen Konsistenz übergeht.

Erfahren Sie mehr über den Glasübergangseffekt bei Vergussmassen, Beschichtungen und Underfill im Blog Solder Fatigue Causes and Prevention.

Ein häufiges Problem beim Verguss ist eine unerwartet hohe Glasübergangstemperatur bei einem Material, das während des Produktentwicklungsprozesses nicht vollständig verstanden wurde. Bei einigen Polymeren, die für den Verguss von elektronischen Bauteilen verwendet werden, kann der Elastizitätsmodul um den Faktor 20 ansteigen, wenn das Material unter seine Glasübergangstemperatur abkühlt.

Liegt ein thermischer Zyklus unterhalb der Glasübergangstemperatur eines solchen Materials, sind die Spannungen und die daraus resultierenden Kriechspannungen, denen das Lot während der Kaltverweilzeit ausgesetzt ist, hoch und schädlich. Dieser Effekt kann die Ermüdungsfestigkeit drastisch reduzieren.

Die hier genannten Beispiele sind nur einige der komplexen und nachteiligen Belastungsbedingungen, die sich ergeben können, wenn die thermischen und mechanischen Materialeigenschaften eines Vergusses, einer Beschichtung oder eines Underfills nicht vollständig bekannt sind.

Im unten stehenden Webinar erfahren Sie mehr über Zuverlässigkeitsprobleme im Zusammenhang mit Vergüssen und Beschichtungen.

Aufgezeichnetes Webinar zum Thema Beschichtung und Verguss. 

2. Unerwartete Temperaturwechsel-Extreme

Eine weitere häufige Ursache für unerwartete Lötstellenfehler ist die falsche Charakterisierung der Temperaturwechselparameter, denen das elektronische System ausgesetzt ist. Zum Beispiel können Ein-/Ausschaltzyklen, direkte Sonneneinstrahlung, Reisen zwischen verschiedenen Klimazonen und verschiedene andere Quellen zu unerwarteten Temperaturschwankungen bei einer Leiterplattenbaugruppe (PCBA) oder einem Bauteil führen.

Um die genauesten Daten zur Zuverlässigkeit eines elektronischen Systems zu erhalten, ist eine detaillierte Charakterisierung der Temperaturwechsel erforderlich, bevor Simulationen mit Finite-Elemente-Analysen (FEA) oder physische Produktqualifikationen durchgeführt werden.

Das Ansys Sherlock-Team hat mit dem Blattau-Modell erfolgreich Ermüdungslebensdauer-Vorhersagen erstellt. Bei diesem Modell handelt es sich um ein halbempirisches, energiebasiertes Modell, das zeigt, dass die Ermüdungslebensdauer stark vom Temperaturbereich, der Verweilzeit und der Temperaturrampenrate abhängt. Wenn die Rampen, Verweilzeiten, Maximal- und Minimaltemperaturen während des Design- oder Testprozesses nicht vollständig verstanden werden, können Schlüsselfaktoren, die die Zuverlässigkeit des Produkts beeinflussen, übersehen werden.

Enthält die Baugruppe außerdem Vergussmasse oder andere Polymere, erhöht sich das Risiko der oben beschriebenen Glasübergangsprobleme, wenn die Höchst- und Mindesttemperaturen nicht genau bestimmt werden.

3. Mechanische Überlastungsereignisse

Mechanische Überlastungsfehler treten auf, wenn eine Lötstelle während eines mechanischen Ereignisses übermäßig belastet wird, z. B. durch einen Stoß, einen Fall, einen In-Circuit-Test, die Trennung der Leiterplatte, das Einstecken eines Steckers oder einer Leiterplatte.

Überlastungsausfälle sind schwer zu verhindern, da sie oft schwer vorausgesagt werden können. Die Forschung im Bereich Schocktests legt nahe, dass die beste Lösung eine zufällige Verteilung solcher Ausfälle ist.

Ein Riss entlang der IMC

Ein Überlastungsschaden an einer Lötstelle äußert sich in der Regel in Form eines Kraters am Lötauge oder eines Bruchs der Verbindung entlang der intermetallischen Verbindung (IMC). Ein Padkrater ist ein kraterförmiger Riss in der Laminatschicht unter dem Kupferpad einer Lötstelle. Die IMC ist der Bereich, in dem sich das Kupferpad und das Lot verbinden, um Cu₃Sn oder Cu₆Sn₅ zu bilden. Es ist der sprödeste Bereich der Lötstelle, weshalb er am anfälligsten für Überlastungen ist.

Diese Art des Versagens tritt typischerweise bei Bauteilen mit kleinerem Pitch auf - vor allem bei BGAs - oder wenn besonders spröde Laminate verwendet werden. Pad Cratering ist ein ernstes Problem, da es oft zu Leiterbahnbrüchen führt. Im Gegensatz zu Ermüdungsrissen, die typischerweise durch den Großteil einer Lötstelle auftreten, treten mechanische Überlastungsfehler, die sich als Verbindungsbrüche manifestieren, in der Regel entlang der IMC auf.

Da mechanische Ausfälle in hohem Maße von den Randbedingungen und Geometrien der Leiterplatte abhängen können, wird in der Regel eine FEA empfohlen, um das Risiko einer mechanischen Überlastung vorherzusagen. Komplexe Belastungsbedingungen oder Leiterplattenformen lassen sich mit anderen Methoden nur schwer vorhersagen. Darüber hinaus ermöglicht die FEA die Quantifizierung von Dehnungen und Krümmungen.

Hier finden Sie eine geeignete Aufnahme, in der erörtert wird, wie stoßbedingte Ausfälle elektronischer Baugruppen reduziert werden können.

Aufgezeichnetes Webinar zum Thema garantierte Zuverlässigkeit
mit mechanischen Stößen. 

4. PCBA-Überlastungsbedingungen

Constraints verringern die Nachgiebigkeit der Leiterplatte und erzeugen Spannungen auf der Leiterplatte, die zu frühzeitigen Lötstellenausfällen bei Komponenten führen können, die zu eng positioniert sind. Darüber hinaus wirkt sich das Gesamtlayout der Montagepunkte direkt auf die wahrscheinlichen Formen der PCBA aus.

Wenn diese Modenformen nicht gut verstanden werden, kann die Leiterplatte so entworfen werden, dass empfindliche Komponenten in Bereichen mit hoher Belastung der Leiterplatte platziert werden. FEA ist ein starkes Hilfsmittel zur Lösung dieses Problems, da es dem Benutzer ermöglicht, verschiedene Montagebedingungen zu iterieren.

Die Spiegelung von Bauteilen ist eine weitere häufige Überlastungsbedingung, die die Lebensdauer von Lötstellen negativ beeinflussen kann. Unter Spiegelung versteht man die Positionierung von zwei Bauteilen an ähnlichen Stellen auf beiden Seiten einer Leiterplatte.

Simulation einer Steuerplatine und einer gespiegelten Platine

Die Spiegelung reduziert die Nachgiebigkeit des Bauteils, indem sie die Bewegung der Leiterplatte einschränkt, was zusätzliche Spannungen in den Lötstellen erzeugt. Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Spiegelung von Bauteilen die Ermüdungslebensdauer um den Faktor 2 bis 3 verringern kann.

Hier finden Sie eine großartige Quelle, die die Auswirkungen auf Systemebene auf die Zuverlässigkeit von Lötstellen diskutiert.

Aufgezeichnetes Webinar über die Auswirkungen auf Systemebene
Zuverlässigkeit der Lötstellen.

5. Lötmängel

Alle oben erwähnten Abhilfestrategien werden Probleme mit der Zuverlässigkeit der Lötstellen nicht verhindern, wenn die Qualität der Lötstellen schlecht ist. Aus diesem Grund ist es zwingend erforderlich, PCBAs von einem renommierten Hersteller mit einem streng kontrollierten Prozess zu fertigen.

Es gibt eine Vielzahl von Lötstellenfehlern, die sich negativ auf die Zuverlässigkeit auswirken können. Querschnitte und visuelle Inspektionen der Lötstellen sollten durchgeführt werden, bevor die PCBAs ins Feld gehen, um sicherzustellen, dass die Qualitätskriterien für die Herstellung erfüllt werden.

IPC, die Association Connecting Electronics Industries, bietet Fertigungsstandards und Akzeptanzkriterien für alle Arten von Lötstellen. Sie gelten in der Regel als Industriestandard für die Herstellung hochwertiger Lötverbindungen.

Ansys Sherlock ist ein weiteres nützliches Werkzeug zur Verringerung von Lötfehler. Es handelt sich dabei um eine automatisierte Softwarelösung für die Designanalyse, die auf der Zuverlässigkeitsphysik und der Physics of Failure (PoF) basierendes Elektronikdesign bietet. Um zu erfahren, wie es bei der Vorhersage von Lötmittelermüdung helfen kann, lesen Sie Ansys Sherlock: Automatisierte Design-Analyse.

Oder sehen Sie sich das aufgezeichnete Webinar an: Introduction to Reliability Physics Analysis.