HOCHLEISTUNGS LOT-PASTEN
FÜR SCREEN-PRINT

FINE- UND SUPERFINEPITCH SMD-TECHNIK

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Die Lot-Paste spielt in der heutigen SMD-Fertigung eine zentrale Rolle – muss sie doch auf anlagetechnische und produktspezifische Prozess-Parameter hin evaluiert werden. Dabei gibt es viele Aspekte zu berücksichtigen.

Nicht jede Lot-Paste bringt die gewünschten, reproduzierbaren Ergebnisse und gewisse Kompromisse bei der Auswahl der "richtigen" Lot-Paste sind unumgänglich.

 

1. LOT-PASTEN ZUSAMMENSETZUNG UND KORNVERTEILUNG
    1.1 Korngrössen und Kornverteilung
    1.2 Oxidanteil
    1.3 Flussmittel
        Beseitigung von Oxiden
        Weitere Oxidierung verhindern
        Weitere Eigenschaften

    1.4 No-Clean Pasten
        R / RA / RMA
        Halogenanteil

    1.5 Optimale Aktivatoren für RMA Lot-Pasten
        Patentierte Aktivatoren

2. VERARBEITUNG IM SCHABLONENDRUCK – EQUIPMENT
    2.1 Druckschablone
        Geätzte Schablone
        Gelaserte Schablone
        Elektrogeformte Schablone
        Schablonendicke
        Lochgeometrien / Schablonenöffnungen

    2.2 Rakel
        Diamantenrakel
        Vierkantrakel
        Flachrakel
        Metall- / Gummirakel

    2.3 Screen Printer
        Druckgeschwindigkeit
        Trenngeschwindigkeit der Schablone
        Abstand Schablone zu Leiterplatte
        Rakel Anpressdruck

3. LOT-PASTEN PARAMETER
    3.1 Metallkörnung
    3.2 Flussmittel
    3.3 Viskosität / Thixotropie

4. BESTÜCKEN UND LÖTEN
    4.1 Verarbeitungszeit der Lot-Paste
    4.2 Klebrigkeit beim Bestücken
        Klebekraft
        Klebezeit
        Lösungsmittel

    4.3 Konturenstabilität
    4.4 Reflow Löten
        Vorheiz-Zone
        Einwirk-Zone
        Reflow-Zone
    4.5 Flussmittelrückstände
        Feststoffanteil

5. SCHLUSSBEMERKUNG

 

1. LOT-PASTEN - ZUSAMMENSETZUNG UND KORNVERTEILUNG

1.1 Korngrössen und Kornverteilung
Zunehmend höhere Packungsdichten, kleinere Bauteile und feinere Raster von 0,5 mm und auch 0,4 mm sind heute in der Elektronik Fertigung üblich. Deshalb müssen Lot-Pasten eine gleichmässige, sehr feine Körnung aufweisen, mit einer sehr engen Streuung im Korndurchmesser. Die Herstellung erfolgt dabei durch Sprüh- oder Schleuderzerstäubung unter Schutzgas. Dabei ist das Schleuderverfahren als das zuverlässigere Verfahren anzusehen. Die Vorteile dieser Methode sind:

Die typischen Korngrössen, wie sie heute hergestellt werden, die Verteilung und Toleranzen bezüglich der Körnung unter 20 µm oder übergrosser Körnung über 45 µm entsprechend internen Normen, sind nachfolgend aufgeführt:

Die Kornverteilung ist ein überaus wichtiger Faktor in bezug auf die Rheologie (Fliesslehre), wie sich die Lot-Paste auftragen lässt, wie das Trennverhalten von der Schablonenöffnung, die Konturenstabilität und natürlich auch der Oxidationsanteil aussieht. Bei Hochleistungs Lot-Pasten dürfen deshalb nicht mehr als 1% der Korndurchmesser unter 20 µm liegen. Internationale Normen erlauben bis 10% (DIN, ISO, JIS usw.).

1.2 Oxidanteil
Der Oxidanteil steigt mit zunehmend feinerer Körnung rapide an. Allein aus diesem Grund ist es wichtig, den Anteil an einer superfeinen Körnung (Staub) die durch ihre hohen Oxidanteile Benetzungsprobleme oder Zinnperlen hervorrufen, so niedrig wie möglich zu halten.

Gerade weil es so viele Lot-Pasten auf dem Markt gibt, muss die "richtige" Lot-Paste den applikationsspezifischen Anforderungen in einer Fertigung entsprechend ausgewählt werden. Sorgfältige Beachtung muss auch der Kornklassifizierung und Kornverteilung geschenkt werden, da diese die Druckbarkeit und Lötbarkeit aufs Tiefste beeinflussen.

1.3 Flussmittel
Das Flussmittel ist der zweite wesentliche Bestandteil einer Lot-Paste und entscheidend dafür, wie die geforderten Eigenschaften bezüglich Druckbarkeit und Lötbarkeit verfügbar sind. Auch die Lagerzeit, die Zuverlässigkeit und wesentliche chemische und elektrische Eigenschaften der Paste hängen von der Flussmittelzusammensetzung ab. Die Funktionen sind im wesentlichen die gleichen, wie bei Flussmitteln die zum Wellenlöten eingesetzt werden.

    1.3.1 Beseitungung von Oxiden
Eine Hauptfunktion des Flussmittels ist es, die Substrate sauber zu halten. Das Flussmittel muss Oxide, die auf dem Substrat bzw. auf den Pads, der Lötfläche oder den Bauteilanschlüssen vorhanden sind, chemisch zu beseitigen, damit das Lot mit dem Substrat eine molekulare Verbindung eingehen kann.

    1.3.2 Weitere OXIDIERUNGEN verhindern
Durch Erwärmung der Lötstelle kann eine erneute Oxidation stattfinden. Das Verhindern der Oxidierung während des Lötvorgangs wird durch die Feststoffanteile in der Lot-Paste beeinflusst.

    1.3.3 Weitere Eigenschaften
Weitere, zusätzliche Funktionen, die durch die Lot-Paste bzw. durch die zusätzlichen Bestandteile einer Lot-Paste erfüllt werden müssen:

Zusammensetzung Typische Bestandteile Verantwortlich für
Kolophonium (Harz) Kolophonium oder modifiziertes Kolophonium Farbe der Rückstände. Lötbarkeit. Widerstandsverhalten. Klebrigkeit. Sauberkeit. Druckbarkeit.
Aktivator   Aktivierungsintensität (Lötbarkeit. Zuverlässigkeit. Lebensdauer. Sauberkeit.
Thixotropie Bienenwachs, Kastoröl-Hybride, etc. Thixotropie-Stabilität. Druckbarkeit. Konturenstabilität.
Lösungsmittel Höherer Alkohol, Glycolether, etc. Widerstandsverhalten. Klebrigkeit. Viskosität.

Es wird deutlich, dass die Herstellungs- und Qualitätssicherungs-Verfahren bei der Produktion von Lot-Pasten strengen Kriterien genügen müssen. Bei der Produktion von Hochleistungs Lot-Paste sind deshalb nach allen wesentlichen Prozessschritten der Herstellung definierter Pastentypen Qualitätssicherungs-Massnahmen integriert. Bestimmte Eigenschaften werden sogar zweimal geprüft. Diese strikten Kontrollen dienen nicht nur der Vermeidung von fehlerhaften Chargen, sondern gewährleisten auch reproduzierbare Eigenschaften von Charge zu Charge. Die durch Qualitätssicherung ermittelten Werte für eine Lot-Pasten Charge werden in Form eines Zertifikates dem Anwender zur Verfügung gestellt.

1.4 No-Clean Lot-Pasten
Zunehmende Packungsdichten und das FCKW-Verbot auf der einen sowie steigende Anforderungen bezüglich Verarbeitbarkeit und Zuverlässigkeit auf der anderen Seite bestimmen den Trend zur Entwicklung und zum Einsatz von immer mehr No-Clean Lot-Pasten.

    1.4.1 R / RA / RMA
Oft wird irrtümlicherweise RMA mit No-Clean gleichgesetzt, RA hingegen mit Pasten, die einer Reinigung bedürfen. In der Tat können aber auch RA Pasten so formuliert werden, dass sie in vielen Bereichen ohne eine Reinigung nach dem Löten eingesetzt werden können. Denn RA (Rosin Activated), RMA (Rosin Mildly Activated) und R (Rosin) sind lediglich Gruppierungen nach American Military Standard (MIL) und bezeichnen den Aktivierungsgrad vom Flussmittel, sagen jedoch nichts über die Notwendigkeit von Reinigung der Rückstände nach dem Löten aus.

Nach DIN 8511, diese Definition ist deutlicher, sind Flussmittelmedia auf der Basis natürlicher Harze (Kolophonium) oder modifizierter natürlicher Harze mit Zusätzen organischer halogenhaltiger Aktivatoren (z.B. Glutaminsäure oder Hydorchlorid) als No-Clean spezifiziert.

Trotz dieses eindeutigen Hinweises werden allgemein RA Lot-Pasten nicht als No-Clean betrachtet und man ist allgemein der Meinung, nur RMA Pasten seien ohne Reinigung einsetzbar.

RA Lot-Pasten besitzen generell bessere Eigenschaften in bezug auf Lötbarkeit und Prozessfenster. Bezüglich elektrischer Zuverlässigkeit (Migration und Korrosion) sind RMA Pasten besser geeignet.

Bis jetzt musste ein Kompromiss zwischen Lötbarkeit und Zuverlässigkeit gefunden werden.

    1.4.2 Halogenanteil
Wo also optimale Lötbarkeit (volle Benetzung, kaum Zinnperlen usw.) erwünscht wird, ist ein hoher Anteil an Aktivatoren notwendig – eine RA Paste wird in dieser Hinsicht bessere Ergebnisse bringen. Diese Lot-Paste enthält vielleicht 0,2 % Halogen im Flussmittel. Dadurch sind zwar die SIR-Werte etwas niedriger, jedoch immer noch genug, um für die meisten Anwendungen keine Probleme zu verursachen. Die Frage der Korrosion ist je nach Anwendung zu klären. Allerdings sind bei RA Pasten Angaben über den Halogenanteil kein zuverlässiger Hinweis für die Notwendigkeit von Reinigungsschritten. Denn die SIR-Werte und Korrosionsneigungen bei RA Typen hängen von der Zusammensetzung aller enthaltenen Komponenten ab und nicht nur vom Halogenanteil.

Standard RMA Lot-Pasten enthalten dagegen viel weniger Halogen (0,05 %) und zeigen aus diesem Grunde höhere SIR-Werte auf. Sie neigen weniger zu Korrosion, weisen aber weniger Lötbarkeit auf. Es wäre also wünschenswert eine RMA Lot-Paste für Anwendungen, wo höchste Zuverlässigkeit gefordert wird (Telekommunikation, EDV, Fahrzeugbau usw.) zu finden, die in bezug auf die Lötbarkeit der RA Paste gleichkommt. Dadurch wäre ein grösseres Verarbeitungsfenster gewährleistet, was wiederum weniger Nacharbeit und geringere Kosten bedeutet.

1.5 Optimale Aktivatoren für RMA Lot-Pasten
Zur Verbesserung von RMA Lot-Pasten ist der Kompromiss zwischen besserer Lötbarkeit und gleichzeitig höherer Zuverlässigkeit zu entwickeln. Im Grunde genommen bedeutet das, ein optimales Aktivierungssystem zu finden.

DIN und MIL Normen begrenzen den Anteil an Halogenen die als Aktivator eingesetzt werden können. Ausserdem würde ein hoher Halogenanteil die Zuverlässigkeit negativ beeinflussen. Aus diesem Grund setzen fast alle Hersteller organische Säuren als Aktivierungsmittel ein, um die Lötbarkeit zu erhöhen. Dabei stehen verschiedenste organische Säuren zur Verfügung. Normalerweise sind dann Säuren mit niedrigem Molekulargewicht als Aktivatoren effizienter und auch im Wasser leichter lösbar. Das macht aber auch die Lot-Paste hygroskopischer und feuchtigkeitsempfindlicher. Es besteht auch die Gefahr, dass solche Säuren, die in den Rückständen auf der Baugruppe nach dem Löten verbleiben, mit Feuchtigkeit reagieren und die elektrischen Eigenschaften negativ beeinflussen oder sogar Korrosion hervorrufen können.

    1.5.1 Patentierte Aktivatoren
Um diese Probleme zu überwinden, werden bei Almit entwickelte und patentierte nichtionische Aktivatoren in Kombination mit organischen Säuren eingesetzt. Diese nichtionischen Aktivatoren können, wie organische Säuren, nicht durch Ionisation mit Wasser reagieren. Es besteht keine Gefahr der Migration aus den Flussmittelrückständen. Die elektrischen Eigenschaften bleiben stabil und die Lötbarkeit ist ebenso gut, wie bei Halogenen. Weil aber die Aktivierungstemperatur relativ hoch liegen würde, werden weniger aktive, dafür aber hydrophobische organische Säuren beigemischt, um ein breitere Aktivierungsfenster zu erreichen.

Dieses Aktivierungsfenster hat es ermöglicht die Vorteile der RMA- und RA- Lot-Pasten zu kombinieren und Pasten mit den besten elektrischen Eigenschaften bei bester Lötbarkeit (Benetzung) auf den Markt zu bringen. Auch 24 Stunden nach dem Druck weisen diese Lot-Pasten gute Lötbarkeit und minimalste Lotperlenbildung auf. Selbst nach Wochen bleibt der Oberflächen-widerstand weit über den geforderten Werten internationaler Standards. Dieses Akitvatorsystem wird bei allen Almit Lot-Pasten eingesetzt.

 

2. VERARBEITUNG IM SCHABLONENDRUCK - EQUIPMENT

Mit steigenden Packungsdichten in der Elektronikindustrie wächst die Anforderung an Qualität und Leistung einer Lot-Paste. Waren Ende der achtziger Jahre Bauteile mit Raster 1,27 mm neu, sind heute die Raster für QFP’s bis zu 0,4 / 0,3 mm zusammengeschrumpft. Entsprechend haben sich Korngrössen von über 100 µm auf einen Bereich zwischen 20 bis 40 µm weiterentwickelt und höhere Zuverlässigkeitsanforderungen erzwangen den Umstieg von RA auf RMA Flussmittel. Vor diesem Hintergrund gute Druckergebnisse zu erreichen, hängt von vielen Faktoren ab.

Natürlich sind das richtige Schablonendruck Equipment und die richtigen Druckparameter von höchster Bedeutung, nicht nur die Auswahl einer geeigneten Lot-Paste. Aber auch mit einer im Prinzip sehr guten Lot-Paste ist es ohne weiteres möglich, dass schlechte Ergebnisse erzielt werden, wenn die Druckparameter nicht richtig eingestellt werden oder gar, wenn die Geräte oder Teile davon (Schablonenbeschaffenheit, Rakel usw.) nicht richtig ausgewählt, spezifiziert oder eingesetzt werden.

Die optimale Auswahl des Druckers und der richtigen Parameter hängen dabei wesentlich von der Lot-Paste und den zu verarbeitenden Substraten ab.

2.1 Druckschablone
Zur Zeit kommen drei Schablonentypen zur Anwendung:

    2.1.1 Geätzte Schablone
Bis vor kurzem wurden geätzte Schablonen am häufigsten eingesetzt. Sie sind zuverlässig, lange haltbar und preiswert. Allerdings ist es nicht einfach, bei FinePitch Anwendungen an 0,5 mm Raster mit solchen Schablonen noch gute Druckergebnisse zu erzielen, da die Wände in den Ausschnitten zu grosse Unebenheiten aufweisen.

    2.1.2 Gelaserte Schablone
Ab einem Raster von 0,635 mm sollten deshalb lasergeschnittene Schablonen vorgezogen werden. Solche lasergeschnittenen Schablonen sind in Europe sehr populär geworden, sind inzwischen auch preiswerter und vor allem die Wände sind glatter, wenn auch nur mit einer gewissen Restrauhigkeit verfügbar, sofern sie nicht elektropoliert werden.

    2.1.3 Elektrogeformte Schablone
Standard Laserschablonen sind deshalb ab einem Raster von 0,4 mm in Frage zu stellen und bei 0,3 mm Raster eigentlich nicht mehr zu empfehlen. Obwohl die Herstellungskosten hoch sind, sind Schablonen die durch Elektroformung hergestellt worden sind, anscheinend am besten geeignet für SuperfinePitch (0,4 mm), da die Wände noch glatter sind. Dadurch ist eine leichtere Trennung der Paste von der Schablone gewährleistet und eine bessere Druckqualität gesichert. Bisher sind diese in Fernost sehr populären Schablonen in Europa kaum erhältlich.

    2.1.4 Schablonendicke
Schablonendicke und engste Raster müssen im Zusammenhang betrachtet werden. Die Entscheidung für die besten Lötergebnisse hängt davon ab, welche Substrate verarbeitet werden und wie viel Lot-Paste auf den Pads notwendig ist. Allgemein gilt, je dünner die Schablone, desto problemloser gestaltet sich die Ablösung der Paste von der Schablone und desto besser wird das Druckergebnis sein. Dünnere Schablonen üben bei der Trennung wenigen Scherstress auf die Pastendepots aus. Eine dünnere Schablone bedeutet aber auch weniger Paste, was wiederum weniger Klebkraft und kürzere Verarbeitungszeit bedeutet. Dies ist besonders bei Hochleistungsplacer zu berücksichtigen, wo die Bauteile hohen Beschleunigungskräften ausgesetzt sind oder lange Verweilzeiten zwischen Druck und Lötprozess erforderlich sind.

Für Baugruppen mit SMD’s im 0,5 mm Raster bei gelaserten bzw. durch Elektroformung hergestellten Schablonen sind 120 bis 200 µm Schablonendicke üblich und zu empfehlen. Ab einem Raster von 0,4 mm sind 120 bis 150 µm Dicke zu empfehlen, im Ausnahmefall bis 180 µm.

    2.1.5 Lochgeometrien / Schablonenöffnungen
Die Lochgeometrien in der Schablone sollten etwas kleiner sein als die Abmessungen der Pads auf der Leiterplatte. Die optimalen Verhältnisse müssen im Zusammenhang mit der erwünschten Lot-Pasten-Menge, Padgrösse, Raster und Pasteneigenschaften (z.B. Konturenstabilität und Druckverhalten) ermittelt werden. Sind die Öffnungen zu klein, wird oft zu wenig Lot-Paste aufgetragen und kalte Lötstellen können entstehen. Brückenbildung bei FinePitch Bauteilen durch unzureichende Konturenstabilität und Lotperlen durch Kapillareffekte sind aber mögliche Folgen, wenn die Schablonenöffnung zu gross ist und dadurch zu viel Lot-Paste aufgetragen wird.

2.2 Rakel
Bei Rakeln kann man zwischen Gummi- und Stahlrakeln wählen. Gummirakel unterscheiden sich im wesentlichen durch folgende Formen:

Der Rakelwinkel wirkt sich unmittelbar auf das Rollverhalten der Paste aus.

    2.2.1 Diamantenrakel
Diamantenrakel arbeiten in einem Winkel von 70° bis 80° und wirken mit relativ wenig Druck auf die Paste in Richtung Schablonenöffnung. Sie sind am besten für niedrigviskose Pasten geeignet.

    2.2.2 Vierkantrakel
Demgegenüber setzten Vierkantrakel mit einem Winkel von 45° auf und bringen viel Fülldruck auf die Paste beim Eindringen in die Öffnungen. Diese Art Rakel wird am besten bei Pasten mit sehr hoher Viskosität eingesetzt. Bei niedrigviskosen Pasten kann es zu Schmierungen durch den relativ hohen Anpressdruck kommen. Die Paste rollt dann nicht mehr richtig.

    2.2.3 Flachrakel
Flache Rakel werden meistens in einem Winkel von 55° bis 65° eingesetzt und sind am häufigsten im Gebrauch, weil sie je nach Bedarf eingesetzt werden können und somit grössere Flexibilität haben.

    2.2.4 Metall- / Gummirakel
Metallrakel nehmen besonders für feinere Raster an Popularität zu, weil die Lot-Paste nicht durch den Rakel wieder aus der Öffnung herausgeführt wird, wie das oft bei Gummirakeln (durch Verformung) der Fall ist. Der korrekte Rakelanpressdruck ist aber weniger einfach zu ermitteln.

Lot-Pasten Viskosität und Pad-Raster sind also Faktoren, die die Rakelauswahl am meisten beeinflussen sollen.

2.3 Drucker (Screen Printer)
Die wichtigsten Funktionen eines Druckautomaten, die die Qualität des Lot-Pasten Druck direkt beeinflussen sind:

    2.3.1 Druckgeschwindigkeit
Die Druckgeschwindigkeit für Standard Anwendungen mit A14 Lot-Pasten ist bei 25 bis 50 mm/sek. anzusetzen. Die Spezial Lot-Paste T14 erlaubt den Einsatz von Hochgeschwindigkeits-Printern bis 120 mm/sek.

Generell ist aber zu sagen dass für FinePitch und SuperfinePitch Strukturen niedrige Druckgeschwindigkeiten (z.B. 10 bis 20 mm/sek.) wünschenswert sind, damit die Raste gut rollt und ausreichend Zeit hat, in die engen Öffnungen einzudringen.

    2.3.2 Trenngeschwindigkeit der Schablone
Normalerweise wird bei FinePitch ohne Abstand zwischen Schablone und Leiterplatte gedruckt, damit eine Fehlpositionierung des Drucks und Zinnperlen durch Schmierung auf der Schablone vermieden werden. Bei dieser Methode ist es aber sehr wichtig, die Trenngeschwindigkeit der Schablone auf einen niedrigen Wert einzustellen. Sollte dies nicht der Fall sein, können die Klebkräfte zwischen Lot-Paste und Schablone höher sein, als die Klebkraft zwischen Lot-Paste und Pads. Dabei kann zu wenig Lot-Paste auf die Lotpads aufgetragen werden. Trenngeschwindigkeiten von 0,1 bis 0,2 mm/sek. können notwendig sein, um beste Ergebnisse zu erzielen.

    2.3.3 Abstand Schablone zu Leiterplatte
Sollte die Trenngeschwindigkeit nicht einstellbar sein, Ist ein Abstand zwischen Leiterplatte und Schablone von 0,1 bis 0,5 mm notwendig, um eine gleichmässige Trennung von Lot-Paste zur Schablone zu realisieren.

    2.3.4 Rakelanpressdruck
Der Rakeldruck soll so niedrig wie möglich eingestellt werden, damit die Schablone sich so wenig wie möglich dehnt. Eine Dehnung der Schablone kann zu Fehlpositionierung und Fehldruck führen.

 

3. LOT-PASTEN PARAMETER

Lot-Pasten bestehen aus einer komplexen Mischung von Metallpartikeln und Flussmitteln.

3.1 Metallkörnung
Die Kornverteilung ist ausschlaggebend für ein gutes Druckergebnis. Je feiner das Druckmuster, desto kleiner müssen die Metallkörner sein. Korngrössen innerhalb einer Bandbreite von 25 – 45 µm werden benötigt für Raster bis 0,4 mm. Werden Bauteilraster im SuperfinePitch Bereich von 0,3 mm verarbeitet sind Korngrössen in einer Bandbreite von 20 – 38 µm nötig um gute Druckergebisse zu erzielen. In Ausnahmefällen müssen Pasten mit einer Kornverteilung von 20 – 30 µm eingesetzt werden.

HM1-RMA (Sn63/Pb Rest) Beste Druckbarkeit. Die Lotperlenbildung ist äusserst gering. No-Clean Version.
HM1-RMA (Sn62/Ag2/Pb Rest) Sehr gute Druckbarkeit. Speziell für FinePitch Komponenten mit 20 mil / 0,5 mm oder kleiner. No-Clean Version.
HM1-RMA SJ-7(Sn60/Ag2,5/Sb0,5/Pb Rest) Doppelte Haftfähigkeit im Vergleich zur Standard 60/40 Legierung. Extrem starke Lötverbindung speziell geeignet für kleinste Pads. Für Baugruppen die starkem mech. Stress (Vibrationen usw.) bei gleichzeitigen straken Temperaturänderungen ausgesetzt werden.
Diese drei Lot-Pasten-Serien sind in verschiedenen Qualitäten erhältlich:  
25-45µm 25-63µm 20-38µm  
V14 V15 V16 In-Line Lot-Pasten für kontinuierliches Schablonendrucken. Verweilzeit zwischen Drucken und Bestücken bis 8 Std.
V14L V15L V16L Längeres Verarbeitungsfenster, geeignet für Chargendruck. Verweilzeit bis 16 Std.
T14 T15 T16 Spezielle Lot-Paste für Hochgeschwindigkeits-Drucker bis 180 mm/Sek.

Die Kornverteilung beeinflusst die Rheologie der Paste und auch die Oxidanteile. Feinere Körner weisen verbesserte Rheologie in der Paste aus. Idealerweise soll der Korndurchmesser 20 bis 25% der Öffnungsgrösse in der Schablone sein. Feinere Körner bedeuten aber höhere Oxidationsneigung und dadurch erhöhte Gefahr der Zinnperlenbildung im Reflowprozess.

Es ist also sehr wichtig, die Korngrösse und Kornverteilung innerhalb sehr enger Grenzen zu garantieren, um eine gute Rheologie (Konturenstabilität, Fliess- / Rollverhalten, Druckbarkeit) zu erhalten und durch Eliminierung von Kleinstpartikeln unter 20 µm Durchmesser die Zinnperlenbildung zu vermeiden.

3.2 Flussmittel
Die Haupteigenschaften eines Flussmittels, die Auswirkung auf die Druckbarkeit einer Lot-Paste im FinePitch Bereich ausüben sind die Viskosität und Thixotropie. Um die Reibung zwischen den Metallkörnern auf ein Mindestmass einzuschränken und so die Rheologie der Paste zu verbessern, ist es wünschenswert, die Verteilungsdichte der Metallkörner zu reduzieren.

Erfolgt dies jedoch einfach durch eine Erhöhung des Flussmittelanteils, ist ein unzureichender Metallanteil beim Reflowprozess das Ergebnis.

Deshalb wurden spezielle Thixotropiemittel entwickelt, um bei den SuperfinePitch Lot-Pasten gute Druckeigenschaften auch noch bei 0,4 mm Raster zu gewährleisten. Diese speziellen Zusätze erhöhen das Roll- und Fliessverhalten, da die Paste geschmeidiger, leichter und schneller in die Öffnungen gelangt. Nach dem Druck steigt die Viskosität und verschafft der Paste ein sehr gutes, konturenstabiles Verhalten.

Eine weitere Eigenschaft ist das Reduzieren des Scherstresses zwischen der Paste und der Schablonenöffnung, was wiederum ein stabiles, reproduzierbares Druckverhalten im FinePitch Bereich bedeutet.

Der Flussmittelanteil wurde bei den RMA FinePitch Lot-Pasten um 0,5 % auf 9,5 % erhöht, um die Viskosität etwas herabzusetzen.

Bezüglich der Auswahl der richtigen Lot-Paste für FinePitch Anwendungen müssen natürlich auch Eigenschaften wie Klebrigkeit, Lötbarkeit, Konturenstabilität und elektrische Eigenschaften miteinbezogen werden, damit die Paste insgesamt beurteilt werden kann.

3.3 Viskosität / Thixotropie
Die Masseinheit flüssiger Konsistenzen wird als Viskosität bezeichnet – üblicherweise gemessen in Centipoise. Einige Materialien verändern unter Druck ihre Viskosität. Mayonnaise ist ein gutes Beispiel. Sie erscheint sehr zähflüssig, wird aber unter Druck dünnflüssig. Solche Medien werden als Thixotropic bezeichnet. Die meisten Medien erhöhen ihre Viskosität bei Kühlung und verringern diese bei Erwärmung.

 

4. BESTÜCKEN UND LÖTEN

Druckbarkeit, Lötbarkeit und elektrische Eigenschaften hängen wesentlich von der Verarbeitbarkeit der Lot-Paste ab.

4.1 Verarbeitungszeit der Lot-Paste
Die Verarbeitungszeit ist die Zeit, in der die Paste eine stabile Viskosität und gute Druckeigenschaften aufweist, ohne dass während dieser Zeit frische Lot-Paste hinzugefügt wird. Drei Faktoren beeinflussen diese Eigenschaft:

Die Paste ist während des Druckvorganges einem Scherstress durch den Rakel ausgesetzt. Dadurch wird sie weich und geschmeidig, was wiederum das Rollen der Paste ermöglicht. Durch dieses "Weichermachen" kann die Paste leichter in die Schablonenöffnungen gelangen. Mit dem "Weichermachen" alleine ist es aber nicht getan, denn die Paste muss auch schnell wieder dickflüssig werden, um eine ausreichende Konturenstabilität zu erreichen und ein Schmieren der Paste an der Unterseite der Schablone auszuschliessen.

Die Verdunstungsgeschwindigkeit und die hydrophobische Eigenschaft der Aktivatoren beeinflusst dabei direkt die Viskosität der Lot-Paste. Durch das Rollen der Paste über die Schablone findet eine gewisse Trennung des Lösungsmittels statt und das Ausdunsten wird durch die Änderung im Oberflächen/Volumen-Verhältnis beschleunigt. Die Verdunstung des Lösungsmittels erhöht den Feststoffanteil im Flussmittel, was eine erhöhte Viskosität bedeutet. Dadurch wird das Rollen und Drucken der Paste wieder erschwert und die Ergebnisse werden schlechter.

Die Verdunstungsgeschwindigkeit der Lösungsmittel hängt vom Siedepunkt ab; Je niedriger der Siedepunkt, desto höher ist der Verdunstungsgrad.

Die Feuchtigkeitsaufnahme durch Aktivatoren bzw. Lösungsmittel während des Druckvorganges führt dann auch zu einer Änderung der Viskosität und zu instabilen Druckverhältnissen. Hydrophobische Aktivatoren und Lösungsmittel kompensieren diesen Effekt.

4.2 Klebrigkeit beim Bestücken
Die Klebrigkeit ist vor allem durch zwei Eigenschaften gekennzeichnet, die Klebekraft und die Klebezeit.

    4.2.1 Klebekraft
Die Klebekraft ist die Stärke der Klebrigkeit, bezogen auf das Bauteil. Die Klebezeit ist der Zeitraum, über den die Paste nach dem Druckvorgang klebrig genug bleibt, um ein Verrutschen der Bauteile, vor allem beim Bestücken zu verhindern.

    4.2.2 Klebezeit
Der entscheidende Faktor, der die Klebezeit bestimmt ist das Lösungsmittel. Die Klebedauer ist natürlich auch von der Zeit abhängig, in der die Lot-Paste auf der Schablone verbleibt und von der Konturenstabilität.

Beides wird hauptsächlich durch die Verdunstungsgeschwindigkeit des Lösungsmittels bestimmt. Lösungsmittel mit höheren Siedepunkten, die langsamer verdunsten, verleihen der Paste eine längere Klebedauer, können aber zu schlechterer Konturenstabilität im Reflowprozess führen und müssen deshalb sorgfältig ausgewählt werden.

    4.2.3 Lösungsmittel
Lösungsmittel mit Siedepunkten zwischen 230 und 300°C erzielen den besten Kompromiss.

Ein Gemisch von 2 bis 4 verschiedenen Lösungsmitteln, unter Berücksichtigung von Siedepunkt, Geruch, Viskosität, Feuchtigkeitsaufnahme, Farbe etc. wird eingesetzt, um der Paste die gewünschten Eigenschaften zu verleihen.

Bei Pasten der A14 Qualität fällt die Klebekraft nach 6 bis 8 Stunden steil ab, d.h. die Paste trocknet schneller aus als die Paste der V14 Reihe. Da aber das Lösungsmittel schneller verdunstet ist die Konturenstabilität nach dem Bedrucken und während des Reflowprozesses besser. Die A14 Serie ist also für In-Line-Fertigungen mit relativ hohem Durchsatz von Vorteil.

Werden aber längere Verarbeitungszeiten erforderlich, sind Pasten der V14 Reihe zu bevorzugen. Gerade Hochgeschwindigkeits-Placer benötigen eine Lot-Paste mit hoher Klebekraft, weil durch die hohe Beschleunigung der Leiterplatte in X- und Y-Richtung schon bestückte Bauteile hohen Kräften ausgesetzt werden. Durch Erhöhung des Flussmittel-Harzanteils der Paste kann eine höhere Klebekraft erreicht werden, was aber auch einen höheren Anteil an verbleibenden Rückständen auf der Baugruppe nach dem Lötvorgang bedeutet.

4.3 Konturenstabilität vor und nach dem Reflowlöten
Die Konturenstabilität einer Lot-Paste wird im wesentlichen durch drei Kriterien bestimmt:

Die Konturenstabilität ist gerade beim Einsatz von FinePitch und SuperfinePitch SMD’s als eine der wichtigsten Eigenschaften der Lot-Paste zu sehen. Sollte die gedruckte Lotpaste zusammensacken und um die Lands herumfliessen, sind Zinnperlen, unzuverlässige Lotverbindungen und Brücken zwischen den Pads nicht auszuschliessen. Dabei wird die Konturenstabilität ausser durch die Thixotropie und die Lösungsmittelauswahl – den wichtigsten Faktoren – durch die Kornverteilung, die Viskosität, den Harztyp und die Flussmittelzusammensetzung bestimmt. Diese Konturenstabilität ist beim Reflow-Löten entscheidend für die Qualität der Lötstelle.

4.4 Reflow-Profil
In der Vorheizphase erweichen die Harzanteile recht schnell, wobei noch relativ viel Lösungsmittel im Medium anwesend ist. Die Viskosität nimmt rapide ab bis diese Lösungsmittel verdunstet sind, was wiederum eine Steigerung der Viskosität nach sich zieht. Lötfehler, die durch schlechte Konturenstabilität verursacht werden (z.B. Zinnperlen, Brückenbildung usw.) werden also vor allem in der Vorheiz-Phase eingeleitet.

Um die Konturenstabilität vor dem eigentlichen Reflow-Vorgang in der Peakzone zu verbessern, ist es notwendig, das Lösungsmittelvolumen, den Siedepunkt (also die Verdunstungsgeschwindigkeit) und die thixotropische Eigenschaft der Paste zu optimieren. Eine einfache Methode, um die Konturenstabilität zu erhöhen, wäre, ein Lösungsmittel mit niedrigem Siedepunkt zu wählen. Aber wie bereits erwähnt, würde das gleichzeitig die Verdunstungszeit verringern, da die Paste bei Raumtemperatur schnell austrocknen würde. Andere Alternativen mussten also gefunden werden.

    4.4.1 Empfohlene Prozess Parameter für Vorheiz-Zone (Verdampfungszone)
Heizgeschwindigkeit: 1,5 – 2,0°C/sek.
Max. Temperatur: 110 - 120°C
Zeit für Vorheiz-Zone: 50 – 65 sek.

    4.4.2 Empfohlene Prozess Parameter für Einwirk-Zone (Soakzone)
Heizgeschwindigkeit: 1,2 – 1,5 °C/sek.
Max. Temperatur: 150 - 160°C
Zeit für Einwirk-Zone: 30 – 65 sek.

    4.4.3 Empfohlene Prozess Parameter für Reflow-Zone (Peakzone)
Heizgeschwindigkeit: 2,5 – 3,0°C/sek.
Max. Temperatur: 210 - 230°C
Zeit für Reflow-Zone: 20 – 45 sek.

Die Konturenstabilität wurde anhand eines Testmusters untersucht. Die Ergebnisse bei Einsatz der A14 Serie, die auf 6 Std. Verarbeitungszeit ausgelegt ist, zeigen besonders hohe Konturenstabilität. Selbst bei 150°C über 2 Minuten ist kein Zusammensacken der Paste zu bemerken. Bei der Lot-Paste V14, der ein anderes Lösungsmittel zugesetzt wurde, um eine längere Verarbeitungsfenster bis 24 Std. zu gewährleisten sind die Ergebnisse nicht viel schlechter. Diese hohe Konturenstabilität wurde nicht nur durch die Auswahl der geeigneten Lösungsmittel, sondern auch durch hitzebeständige, thixotropische Additive, die auch bei 150°C noch wirksam sind erreicht.

Dadurch ist es möglich, Lösungsmittel mit relativ hohem Siedepunkt zu wählen und trotzdem eine hohe Konturenstabilität im Reflowprozess beizubehalten, ohne die Verarbeitungszeit zu verkürzen.

4.5 Flussmittelrückstände
Die bessere Eignung für einen In-Circuit-Test aber auch ein sauberes Aussehen der Baugruppe nach dem Lötvorgang, ohne Waschen zu müssen, haben die Nachfrage nach feststoffarmen Lot-Pasten ansteigen lassen.

    4.5.1 Feststoffanteil
Die Angabe des Feststoffanteils in Datenblättern kann in diesem Zusammenhang entweder auf die gesamte Lot-Paste oder nur auf das Flussmittel bezogen werden.

Einige Hersteller geben Werte an, die sich auf die gesamte Lot-Paste beziehen, wodurch sich schlichtweg ein niedriger Prozentanteil ergibt. Da aber der Metallanteil keine eindeutige Aussage über den Feststoffanteil des Flussmittels zulässt, ist es ratsam, nur den Flussmittelanteil als Berechnungsgrundlage zu nehmen. Denn wird z.B. bei einer Lot-Paste ein 90 %iger Gewichtsanteil der Metalllegierung und ein 10 %iger Gewichtsanteil des Flussmittelmediums angegeben, sagt die nichts über den Feststoffanteil aus.

Normalerweise bestehen Flussmittel aus ca. 30 bis 40 % Lösungsmittel und 60 bis 70 % aus Harzen und Aktivatoren usw. Dabei werden die Harze und Aktivatoren als Feststoffe bezeichnet, obwohl, abhängig vom Temperaturverlauf beim Lötprozess, einiges davon auch verdunsten wird. Man kann also durchaus festhalten, dass eine Lot-Paste aus 70 % Feststoffanteil (bezogen auf das Flussmittelmedium) oder aus 7 % Feststoffanteil (bezogen auf die gesamte Lot-Paste) besteht – wie man es sieht.

Feststoffarme Lotpasten weisen üblicherweise ca. 35 bis 55 % Feststoffanteile im Flussmittelmedium auf. Die Schwierigkeit, solch eine Lot-Paste optimal zu formulieren, liegt darin, trotzdem gegenüber "konventionellen" Pasten eine gute Druckbarkeit und gute Lötbarkeit beizubehalten.

Die Harze machen den Grossteil der Rückstände aus, die neben den Lötstellen auf einer Baugruppe nach dem Reflowlöten verbleiben und das ist eigentlich unerwünscht. Eine Reduzierung der Harzanteile im Flussmittel wird aber nicht nur die Flussmittelreste reduzieren, sondern auch Einbussen bezüglich Druckbarkeit und Lötbarkeit mit sich bringen. Die Harze sind auch als hitzebeständige Aktivatoren zu sehen und spielen zudem als Anti-Oxidierungsmittel eine wesentliche Rolle. Werden diese drastisch reduziert, oxidieren die Metallpartikel wesentlich schneller, da sie während der hohen Temperaturen im Reflowprozess nicht mehr geschützt sind. Das Ergebnis sind Zinnperlen und schlechte Lötstellen.

Wird der Feststoffanteil unter 40 % gebracht steigt die Zinnperlenbildung dramatisch an, ausser der Lötprozess wird unter Schutzgas-Bedingungen durchgeführt. Vor der Entscheidung, feststoffarme Pasten einzusetzen, müssen also Kernprobleme des Fertigungsprozesses, die Kosten und Auswirkungen, die Flussmittelreste ausüben können (bezüglich Lebensdauer und Zuverlässigkeit) unter Berücksichtigung von Produkttyp und Flussmittel-Zusammensetzung gegeneinander abgewogen werden. Es ist oft der Fall, dass die Entscheidung für einen Prozess mit feststoffarmen Flussmitteln die falsche ist. Wo aber eine rückstandsfreie Lötstelle wirklich notwendig ist, wird man mit einem Stickstoffprozess immer auf der richtigen Seite liegen.

 

5. Schlussbemerkung

Bei der Auswahl der richtigen Lot-Paste ist es also sehr wichtig, zuerst den gesamten Fertigungsprozess mit allen einflussnehmenden Parametern zu analysieren. Denn nur durch Einsatz einer geeigneten Paste in einem für das Endprodukt optimierten Verfahren, kann Qualität entstehen.

 

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