So vermeiden Sie nicht benetzende Defekte

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Der Herstellungsprozess für Leiterplatten (PCBs) umfasst normalerweise ein Verfahren, das als Reflow-Löten oder Reflow bekannt ist. Beim Reflow wird die Oberfläche der Leiterplatte mit Lötpaste bedeckt, um die vorübergehende Befestigung der Tausenden von winzigen Komponenten der Leiterplatte an ihren Leiterplattenpads zu erleichtern. Die Lötpaste stabilisiert die Bauteile lange genug für eine Anwendung hoher Hitze. Die hohe Hitze lässt das Lötmittel aufschmelzen – das heißt, es verwandelt die Paste in eine geschmolzene Substanz, die über die Platine fließt – wodurch dauerhafte Lötverbindungen entstehen, die die Komponenten fest an Ort und Stelle zementieren.

Reflow-Löten ist eine nützliche Technik, aber wie bei vielen Herstellungsprozessen, insbesondere solchen, bei denen es um Massen winziger Teile geht, besteht immer die Möglichkeit, dass Fehler auftreten. Unter Reflow-Lötfehlern in Leiterplatten ist Nichtbenetzung keine Seltenheit und kann ernsthafte Auswirkungen auf die strukturelle Integrität und Leistung der defekten Leiterplatten haben. Glücklicherweise ist es möglich, Vorkehrungen zu treffen, um die Benetzung der Platine zu verbessern und diesen Fehler zu verhindern.

In diesem Leitfaden besprechen wir den als Nichtbenetzung bekannten Lötfehler, erläutern seine häufigen Ursachen und möglichen Abhilfemaßnahmen und stellen Bilder von Lötfehlern zur Verfügung, damit Sie eine klare visuelle Darstellung dessen haben, was schief gehen kann und wie Sie es richtig machen können.

Was ist ein Nichtbenetzungsfehler?

Ein Nichtbenetzungsfehler ist ein Lötfehler, der auftritt, wenn sich geschmolzenes Lot nicht mit dem Basismetall auf der Platine verbindet. Wenn diese Verbindung nicht zustande kommt, haftet das Lot möglicherweise nicht an den Anschlüssen der Komponenten oder den PCB-Pads, damit sie sicher aneinander haften können. Das Oberflächenmaterial der Platine bleibt frei und das Lot selbst kann körnig oder glanzlos aussehen. Nichtbenetzung führt auch direkt zu Voiding – der Entstehung von Löchern in einer Lötstelle, denen Lötmaterial fehlt.

Nichtbenetzung vs. Entnetzung

Ein Nichtbenetzungsdefekt unterscheidet sich von einer Entnetzung. Was bedeutet Lotentnetzung?

Entnetzung tritt auf, wenn das geschmolzene Lötmittel zunächst die Komponentenanschlüsse und PCB-Pads bedeckt, sich dann aber von diesen Teilen zurückzieht und einige dünne Lötstellen auf dem Basismetall und einige unregelmäßige, dicke Klumpen hinterlässt. Das Oberflächenmaterial der Platte bleibt in der Regel nicht frei. Wenn eine Entnetzung auftritt, wirkt sich dies normalerweise auf Lötstellen und die Qualität ihrer Ausrundung aus.

Bei bleifreien Loten wie Zinn-Silber-Kupfer-Loten treten häufig, wenn auch nicht immer, Nichtbenetzungsfehler auf. Einige Metalle neigen eher zur Nichtbenetzung als andere, da unterschiedliche Metallisierungen unterschiedliche Dochtwirkungs- und Ausbreitungseigenschaften aufweisen. Blanke Kupferplatinen, die mit organischem Lötschutzmittel (OSP) beschichtet sind, sind oft anfällig dafür, dass die PCB-Pads nicht benetzen, insbesondere wenn sie mehr als einem Wärmezyklus unterzogen wurden. Andererseits neigt reines Zinn dazu, sich gut zu verteilen und die Nichtbenetzung zu verringern, ebenso wie Silbertauchlackierungen. Nickel-Gold-Legierungen neigen auch dazu, gut zu löten und minimieren die Nichtbenetzung, solange sie keine Verunreinigungen enthalten.

Warum es wichtig ist, Nichtbenetzungsfehler zu beheben

Warum ist es so wichtig, nicht benetzende Defekte auf Leiterplatten zu beheben? Nichtbenetzung kann schwerwiegende strukturelle Probleme verursachen, die die Funktion und Leistung eines Boards beeinträchtigen.

Nichtbenetzung auf einer Leiterplatte erzeugt instabile Lötstellen. Wenn Verbindungen auf einer Leiterplatte instabil sind, können sie brechen oder eine schlechte elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Und wenn das Lötmittel nicht am Grundmetall haftet, werden Komponenten und PCB-Pads nicht fest auf der Platine befestigt. Sie können locker sein und schlechte Verbindungen bilden oder sie können entweder sofort oder unter Belastung abfallen. Ohne die richtigen Komponenten, die fest an Ort und Stelle befestigt sind, funktioniert die Leiterplatte nicht richtig.

Häufige Ursachen für Nichtbenetzungsfehler

Nichtbenetzungsfehler haben mehrere häufige Ursachen. Im Folgenden sind viele Gründe aufgeführt, warum es auf einer Leiterplatte zu Nichtbenetzung kommen kann:

1. Unzureichende PCB-Oberfläche

Die Oberflächenbeschaffenheit einer Leiterplatte trägt wesentlich dazu bei, wie gut das Lötmittel zurückfließt und wie stark die Benetzung erfolgt. Wenn das Finish unzureichend ist und ein Großteil der unbestückten Platine freiliegt, fließt das Lot schwieriger zurück und haftet schlecht auf der Leiterplatte.

2. Unsachgemäße Stiftbeschichtung

Wenn die Kupferstifte auf einer Leiterplatte eine unzureichende Kupferbeschichtung erhalten, bevor sie einer Zinn-/Bleibeschichtung unterzogen werden, können sie anfällig für Nichtbenetzung werden. Der Grund dafür ist, dass eine ausreichende Kupferbeschichtung unerlässlich ist, um zu verhindern, dass Zink die Zinn-/Bleibeschichtung stört und das Lot richtig haftet.

3. Vermindertes Flussmittel

Altes und zersetztes Flussmittel – das chemische Reinigungsmittel, das vor und nach dem Löten verwendet wird – kann schnell zu Nichtbenetzung führen. Flussmittel zersetzt sich schnell in einem offenen Behälter. Selbst wenn der Feststoffgehalt konstant bleibt, nimmt seine Leistung erheblich ab. Regelmäßige Flussmittelwechsel helfen, dieses Problem zu vermeiden.

4. Falscher Flussmitteltyp

Die Art des für die Reinigung verwendeten Flussmittels kann auch bestimmen, ob eine Nichtbenetzung auf einer Leiterplatte auftritt. Im Allgemeinen führen hochaktive Flussmittel zu einer guten Lötbarkeit und einem geringeren Risiko der Nichtbenetzung. Umgekehrt können Flussmittel mit geringer Aktivität und geringen Rückständen eine schlechte Lötbarkeit und eine erhöhte Wahrscheinlichkeit einer Nichtbenetzung verursachen. Ein Flussmittel mit geringer Aktivität reicht nicht aus, um Oxide von der Oberfläche der Leiterplatte zu entfernen, und die Oxide behindern die Benetzung.

5. Falsche Zinn-/Bleidicke

Wenn Platinen eine zu dünne Plattierung aus Zinn und Blei enthalten, führt die falsche Dicke zu schlechter Lötbarkeit und Nichtbenetzung. Eine dünnere Beschichtung hat eine kürzere Haltbarkeit und hält möglicherweise nicht bis zum Löten.

6. Lange Lagerzeiten

Wenn die Platine zu lange gelagert wird, wird ein effektives Löten schwieriger und die Wahrscheinlichkeit einer Nichtbenetzung steigt. Wie wir gesehen haben, entspricht die Lötbarkeit im Allgemeinen direkt der Beschichtungsdicke. Bei längerer Lagerzeit kann die für eine gute Lötbarkeit notwendige Beschichtung brechen. Bei einer ein Jahr oder länger gelagerten Leiterplatte besteht möglicherweise ein erhöhtes Risiko für schlechte Lötbarkeit und Nichtbenetzung.

7. Schlecht aufgetragenes Plattenharz

Wenn das Harz auf einer Leiterplatte verschmiert, kann es das Löten stören und zu einer Nichtbenetzung führen. Beispielsweise kann Platinenharz auf die Ecken eines Stifts schmieren und in diesen Bereichen zu einer Nichtbenetzung führen.

8. Probleme mit dem Bad

In einigen Fällen kann es über die Beschichtung der gedruckten Platte zu einer Nichtbenetzung kommen. Beispielsweise kann eine Goldoberflächenbeschichtung auf einer Leiterplatte aufgrund von Ungleichgewichten im stromlosen Goldbad dazu führen, dass die gesamte Oberfläche nicht benetzt wird.

9. Oxidation

Oxidation auf der gelöteten Oberfläche kann oft zu Nichtbenetzung führen. Die Oxide greifen zwischen das Lot und das Grundmetall ein und verhindern eine ordnungsgemäße Haftung. In diesem Fall kann es zu einer Nichtbenetzung aller oxidierten Teile der Oberfläche kommen.

10. Unzureichende Lotpaste

Eine geringe Lotpastenmenge führt häufig zu Nichtbenetzung, da eine ausreichende Lotpastenverteilung notwendig ist, um stabile Lötstellen zu gewährleisten. Wenn bei der Leiterplattenmontage zu wenig Lötpaste verwendet wird, kann keine richtige Haftung zwischen dem Lötmittel und der Grundmetalloberfläche der Platine auftreten. Glücklicherweise führt ein ausreichender Auftrag von Lötpaste oft zu einer 100%igen Benetzung einer Leiterplatte.

11. Schlechte Auswahl an Lötpaste

Einige Lötpasten sind besser geeignet, um eine Nichtbenetzung zu verhindern, als andere. Im Allgemeinen ist, wie bei Flussmitteln, eine Lötpaste mit hoher Aktivität effektiver als eine Lötpaste mit niedriger Aktivität. Es verbessert die Lötbarkeit und minimiert das Risiko der Nichtbenetzung.

12. Abgelaufene Lötpaste

Wenn die auf der Platine verwendete Lötpaste das Verfallsdatum überschritten hat, enthält sie kein ausreichend starkes Flussmittel. Das Flussmittel ist nicht aktiv genug, um Oxide von der Platine zu entfernen und eine gute Lötbarkeit und Benetzung zu ermöglichen.

13. Unzureichende Löttemperaturen

Zu niedrige Löttemperaturen fördern tendenziell die Nichtbenetzung einer Leiterplatte. Lot erfordert eine bestimmte thermische Schwelle, um sich richtig mit dem Grundmetall zu verbinden. Wenn die Temperatur beim Löten diesen Schwellenwert nicht erreicht, haftet das Lot nicht richtig an den Komponenten oder den Leiterplattenpads. Diese Schwierigkeit tritt besonders häufig bei bleifreien Legierungen auf, die tendenziell höhere Schmelzpunkte als Zinn/Blei-Legierungen haben.

14. Inkonsistente Löttemperaturen

Inkonsistente oder schwankende Löttemperaturen können zu einer Nichtbenetzung einer Leiterplatte führen, da sie das Flussmittel nicht aktivieren und eine schlechte Haftung des Lots in bestimmten Bereichen fördern. Wenn bestimmte Problemstellen auf der Leiterplatte keine Wärme erhalten, die die Aktivierungstemperatur des Flussmittels erreicht, haftet das Lötmittel nicht so an diesen Bereichen, wie es sollte.

15. Einweichzeit zu kurz

Die Verweildauer des Lots auf der Platine wirkt sich direkt auf seine Fähigkeit aus, sich mit dem Grundmetall der PCB-Oberfläche zu verbinden. Wenn das Lötmittel nicht genug Zeit hat, um richtig zu haften, wird es wahrscheinlich an bestimmten Stellen oder auf der gesamten Platine zu Nichtbenetzung kommen.

16. Zu lange Einwirkzeit

Alternativ kann, wenn das Lötmittel während des Reflow-Prozesses zu lange auf der Platine verbleibt, die lange Zeit das Flussmittel erschöpfen, bevor das Löten stattfinden kann. Wenn das Flussmittel aufgrund der langen Einwirkzeit inaktiv wird, steigt die Wahrscheinlichkeit einer Nichtbenetzung erheblich.

17. Lötpaste und Beschichtungsmaterial stimmen nicht überein

Wenn die Art der Lötpaste und das Material der Plattierungsschicht auf der Platine nicht kompatibel sind, wird die Lötpaste beim Ermöglichen von Verbindungen zwischen den Oberflächenkomponenten und den Pads auf der Platine unwirksam sein.

18. Kleinere Chips

Kleinere Chips enthalten zwangsläufig eine dünnere Lotpastenschicht. In diesen Fällen reicht die Lotpastenschicht möglicherweise nicht aus, um eine ordnungsgemäße Benetzung der gesamten Leiterplatte zu ermöglichen.

19. Verunreinigtes Flussmittel oder Lötpaste

Verunreinigtes Flussmittel oder Lötpaste wird die Platine nicht reinigen oder Komponenten nicht effektiv verbinden und eine ausreichende Benetzung ermöglichen. Verunreinigungen können auch unerwünschte Rückstände auf der Leiterplatte hinterlassen, die den Lotfluss beeinträchtigen und eine Nichtbenetzung verursachen.

Korrektur von Nichtbenetzungsfehlern

Um diese Mängel zu beheben, können Sie einige verschiedene Schritte unternehmen, um eine gute Benetzung zu fördern oder die Nichtbenetzung zu beheben, wenn sie trotz Ihrer Bemühungen auftritt.

1. Reduzieren Sie die Oxidation

Oxidation ist eine der häufigsten Ursachen für Nichtbenetzungsfehler in Leiterplatten. Die Reduzierung der Oxidation im Lötpulver, den Komponentenanschlüssen und den PCB-Pads vor dem Reflow kann das Potenzial für eine schlechte Benetzung der Platine erheblich verringern.

2. Passen Sie das Reflow-Profil an

Um Nichtbenetzungsfehler zu vermeiden, sollten Sie zunächst Ihr Reflow-Profil optimieren, um Temperaturunterschiede zu minimieren. Sie können das Reflow-Profil anpassen und optimieren, indem Sie die Durchwärmzone ändern, um den richtigen Temperaturanstieg und die richtige Belichtung bereitzustellen und Defekte zu vermeiden.

3. Reduzieren Sie den gesamten Wärmeeintrag

Da ein zu steiler Temperaturanstieg während des Aufschmelzens Defekte wie Brückenbildung, Lötkugeln, Tombstoning und Mikrorisse verursachen kann, heben Hersteller häufig das Gesamtwärmeprofil an, um den Temperaturanstieg moderater zu gestalten. Zu viel Hitze zu früh kann jedoch zu Nichtbenetzung sowie anderen ernsthaften Problemen wie Platinenablösung und Bauteilverbrennung führen. Eine zu hohe Wärmezufuhr kann auch die Flussmittelaktivität der Lötpaste verringern, wenn die Paste eine begrenzte Oxidationstoleranz hat, was wiederum zu einer schlechten Benetzung führt.

4. Erhöhen Sie die Reflow-Spitzentemperatur

Obwohl die Gesamtwärmezufuhr nicht zu hoch sein sollte, muss die Spitzen-Reflow-Temperatur einen bestimmten Schwellenwert erreichen. Wenn die Reflow-Temperatur nie hoch genug wird, kann keine ordnungsgemäße Benetzung erfolgen, daher müssen die Anlagen ihre Spitzen-Reflow-Temperatur sorgfältig überwachen.

5. Reduzieren Sie die Zeit für die Profilerstellung

Die Reduzierung der Einweichzeit während des Reflows ist oft vorteilhaft, um die Nichtbenetzung der Leiterplatte zu reduzieren. Die Verkürzung der Einwirkzeit trägt dazu bei, dass das Flussmittel aktiv bleibt, Oxide entfernt und eine ordnungsgemäße Benetzung erleichtert.

6. Pflegen Sie die geeignete Speicherumgebung

Stellen Sie sicher, dass die Lagerumgebung für Ihre Leiterplatten ideal ist, um ihre Qualität im Laufe der Zeit zu erhalten. Wenn die Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Lagerbereich nicht den Standards für die Langzeitlagerung von Leiterplatten entsprechen, sollten Sie Anpassungen vornehmen oder einen anderen Lagerort wählen.

7. Lagerzeiten beachten

Auch wenn Ihre Lagerfläche die erforderlichen Standards erfüllt, sollten Sie eine Leiterplatte, die über ein Jahr gelagert wurde, am besten nicht ohne Schutzabdeckung verwenden. Eine so lange gelagerte Platine kann eine verschlechterte Beschichtung aufweisen, was zu einer schlechten Lötbarkeit und einer hohen Wahrscheinlichkeit von Nichtbenetzungsfehlern führt.

8. Überprüfen Sie die Frische der Lotpaste

Wie wir gesehen haben, wirkt sich die Qualität der auf einer Leiterplatte verwendeten Lötpaste direkt auf die Lötbarkeit und das Potenzial für Nichtbenetzung aus. Wenn Ihre Lötpaste veraltet oder abgelaufen ist, suchen Sie nach frischerer Paste, die eine ausreichende Benetzung der gesamten Platine ermöglicht.

9. Verwenden Sie hochwertige Metalloberflächenveredelungen

Da einige nicht benetzende Defekte aufgrund einer minderwertigen Metalloberflächenveredelung auf der Leiterplatte auftreten, ist die Beachtung der Qualität der Veredelung von entscheidender Bedeutung. Die Verwendung eines hochtemperaturbeständigen OSP ist eine Möglichkeit – eine andere ist die Verwendung von stromlosem Nickel-Immersions-Gold (ENIG).

10. Verwenden Sie Schwefelsäure

Wenn bereits Nichtbenetzung aufgetreten ist, verwenden Sie Schwefelsäure, um Lot und Oxide zu entfernen. Bereiten Sie eine etwa 2%ige Schwefelsäurelösung vor und tauchen Sie jede defekte Platine einige Minuten darin ein. Die Schwefelsäure frisst das schlecht benetzte Lot und alle Zinnoxide oder Zinnmigrationsbereiche auf der Platine auf. Sobald Sie dies getan haben, ist die Platine sauber und bereit für einen zweiten Reflow und ein erneutes Löten.

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