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ANSYS BLOG

December 5, 2019

Was sind Flussmittelrückstände und warum können sie zu Elektronikfehlern führen?

Flussmittel ist ein saures Gemisch, das verwendet wird, um Metalloxide zu entfernen und gute metallurgische Verbindungen während des Lötvorgangs herzustellen. Der Nachteil ist, dass die nach dem Löten verbleibenden Flussmittelrückstände zu Elektronikfehlern und Leckstrom führen können.


Ingenieur*innen müssen den Lötprozess verstehen, um die
Menge an Flussmittelrückständen und Verbesserung der Zuverlässigkeit der Elektronik.

Wenn Ingenieur*innen von gutartigen oder aktiven Flussmittelrückständen sprechen, beziehen sie sich auf das Risiko eines Ausfalls - nicht auf die Chemie der Rückstände selbst. Kein einzelner Begriff und kein einzelner Test erfasst alle Informationen, die zum Verständnis des Risikos erforderlich sind.

Es ist klar, dass mit der weiteren Verkleinerung von Schaltkreisen das Risiko von Fehlern steigt. Um dieses Risiko zu verringern, müssen Ingenieur*innen die Chemie, die Anwendungstechnik, das Design und die Umgebung des Anwendungsfalls verstehen.
 

Die Chemie des Lötens und der Flussmittelrückstände

Es gibt vier Bestandteile des Flussmittels, die das Risiko eines elektrischen Fehlers beeinflussen:

  1. Aktivatoren
  2. Bindemittel
  3. Lösungsmittel
  4. Zusatzstoffe

Den größten Einfluss haben jedoch Aktivatoren und Bindemittel.


Flussmittelrückstände auf einer Leiterplatte
 

Aktivatoren sind schwache organische Säuren, die in modernen Flussmitteln enthalten sind. Ihr Säuregehalt stellt ein Risiko dar, ist aber für eine gute Verbindung erforderlich. Die Säuren reagieren mit Metalloxiden und bilden Metallsalze. Nach einem Benetzungsprozess lösen sich die Salze auf und es entsteht eine metallurgische Verbindung.

Manchmal kann es vorkommen, dass die Säure nicht vollständig verbraucht wird. In diesem Fall kann die überschüssige Säure zu einem Ausfall der Elektronik führen. Um das Risiko zu verringern, müssen Ingenieur*innen eine Mindestmenge an Flussmittel für das richtige Löten verwenden.

Bei den Bindemitteln, manchmal auch als Vehikel bezeichnet, handelt es sich um wasserunlösliche Verbindungen mit hohem Schmelzpunkt (z. B. natürliches Kolophonium und Kunstharze). Nach dem Löten verhindern sie, dass sich nicht verbrauchte Aktivatoren in Wasser auflösen. Die Bindemittel bilden den größten Teil der sichtbaren Rückstände. Um das Erscheinungsbild harzfreier, sauberer Baugruppen aufrechtzuerhalten, entscheiden sich viele Ingenieur*innen für eine Flussmittelformulierung mit geringer Bindemittelkonzentration, was das Risiko von Fehlern erhöhen kann.

Das Lösungsmittel wird verwendet, um die anderen Bestandteile aufzulösen. Das vom Hersteller empfohlene Lötprofil basiert zum Teil auf dem Siedepunkt des Lösungsmittels. Während der Anwendung ist es wichtig, das Profil zu befolgen, um sicherzustellen, dass das gesamte Lösungsmittel verdampft wird. Wenn Lösungsmittel zurückbleibt, kann es zu einem Ausfall der Elektronik kommen.

Zusatzstoffe - Weichmacher, Farbstoffe oder Antioxidantien - machen nur einen kleinen Teil der chemischen Zusammensetzung eines Flussmittels aus. Die Zusatzstoffe können die Zuverlässigkeit erhöhen, aber aufgrund des Schutzes des geistigen Eigentums der Hersteller gibt es keine Möglichkeit, Einblicke in ihre Funktionsweise zu erhalten oder sie zu kontrollieren.
 

Die Risiken der verschiedenen Lötverfahren

Ingenieur*innen können Oberflächenmontage-Reflow (SMT), Wellen-, Selektiv- oder Handlöten verwenden. Jedes dieser Verfahren birgt aufgrund der unterschiedlichen Menge des verwendeten Flussmittels ein Risiko.

SMT ist eine der saubersten Optionen: Dabei wird ein Pastenflussmittel verwendet, das mit Schablonen oder Druckern aufgetragen wird. Bei dieser Methode lässt sich die aufgetragene Menge gut kontrollieren.

Flüssiges Flussmittel birgt ein größeres Risiko als Paste, da es schwieriger ist, den Auftragsfluss und die Menge zu kontrollieren.


Handlöten
 

Die Flüssigkeit wird beim Wellen- oder Selektivlöten von Hand oder in Form eines Sprays oder Schaums aufgetragen. Beim Wellenlötverfahren kann die Flüssigkeit auf die Oberseite einer Baugruppe fließen. In diesem Fall ist die Temperatur auf der Oberseite der Leiterplatte möglicherweise nicht hoch genug, sodass das Lösungsmittel verdampft. Ein ähnliches Problem kann beim Handlöten auftreten, da die Mitarbeiter*innen die Anwendung unterschiedlich gut kontrollieren können.

Um das Risiko überschüssiger und schwer zu kontrollierender Flüssigkeitsströme zu verringern, könnten Ingenieur*innen Flussmittelkern-Lötdraht und Dosiergeräte mit einheitlichen Applikationsmethoden verwenden.


Wie man die Sauberkeit von Baugruppen misst

Es gibt mehrere branchenübliche Methoden zur Erfassung von Daten, die zur Interpretation des Risikoniveaus nach dem Löten verwendet werden können.

Mit dem ROSE-Test (Resistivity of Solvent Extract) kann die ionische Sauberkeit während der Reinigungsvorgänge überwacht werden. Die mit diesem Test erfassten Daten helfen Ingenieur*innen, einen qualifizierten Löt- und Waschprozess aufrechtzuerhalten.

Die Ionenchromatographie ist ein weiteres beliebtes Verfahren zur Messung der Anzahl der nach dem Löten verbliebenen Ionen. Es ist auch eine einfache Methode, um die Menge an schwachen organischen Säuren aus dem Flussmittel zu ermitteln.


Eine feuchte Umgebung kann zu Ausfällen führen.
 

Eine der Herausforderungen bei der Ionenchromatographie besteht darin, dass unterschiedliche Methoden zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. So liefert beispielsweise eine vollständige Durchtränkung der Baugruppe durchschnittliche Konzentrationen auf der gesamten Oberfläche. Um Säuren in einem kleineren Bereich nachzuweisen, müssen die Ingenieur*innen lokalere Probenahmeverfahren verwenden. Leider gibt es kein Standardkriterium für das Bestehen oder Nichtbestehen von Ionenchromatographie-Ergebnissen.

Ingenieur*innen können auch Funktionstests durchführen, um zu beurteilen, wie ein Design in feuchten, ungünstigen Umgebungen funktioniert. In diesen Fällen sind Ausfälle in der Regel auf Leckagen oder Kurzschlüsse zurückzuführen. Ingenieur*innen können Strombegrenzungen einsetzen, um den Schaden durch Kurzschlüsse zu verringern, was Anzeichen für durch Rückstände verursachte Ausfälle verbergen könnte.

Ingenieur*innen müssen sich bei der Risikobewertung auf das Wissen über ihre Konstruktion, die Endanwendungsumgebung und die Sauberkeitsdaten stützen. Dies liegt daran, dass es zahlreiche Faktoren gibt, die das Risiko beeinflussen, darunter:

  • Flux Chemie/Anwendung
  • Elektrische Abstände
  • Durchschlagskraft
  • Frequenz
  • Haftung von Töpfen/Beschichtungen

Wenn Sie mehr über die Verbesserung der elektronischen Zuverlässigkeit erfahren möchten, registrieren Sie sich für das Webinar Flussmittelrückstände: Schlüsselfaktoren, die Elektronikausfälle verursachen. Oder lesen Sie mehr über unsere Reliability Engineering Services.

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