10 bewährte Methoden zur Erkennung von Lötfehlern auf Leiterplatten

Einleitung

Aktuelle Entwicklungen in der Unterhaltungselektronik haben die Notwendigkeit erhöht, fehlerfreie Leiterplatten (PCBs) herzustellen. Es ist entscheidend, die Probleme zu verstehen, die beim Übergang von der Design- zur Produktionsphase auftreten. Während der Fertigung können Fehler wie fehlerhafte Lötverbindungen und Bauteilverzug auftreten, was die Notwendigkeit effektiver Prüfmethoden für Lötstellen auf Leiterplatten unterstreicht.

Um zu verstehen, was für die Produktion fehlerfreier PCBs erforderlich ist, stellt dieser Artikel die gängigsten Arten von Lötfehlern vor und zeigt bewährte Verfahren, um Lötfehler zuverlässig zu erkennen.

1. Gängige Arten von Lötfehlern auf Leiterplatten identifizieren

Der Fertigungsprozess von Leiterplatten umfasst Siebdruck, Bauteilbestückung und Löten. In diesem Abschnitt werden Sie mit den verschiedenen Arten von Lötfehlern vertraut gemacht. Wir beschreiben jeden Fehler kurz und nennen Ursachen sowie Lösungen.

1.1 Nadelloch (Pinhole/Blowhole)

Beschreibung:

Ein Nadelloch oder Blowhole ist ein kleines Loch in einer Lötstelle, das bei der Durchsteckmontage (Through-Hole) eines Bauteils auf der Leiterplatte entsteht. Die Begriffe "Nadel-" und "Blowhole" werden oft synonym verwendet; "Nadelloch" bezeichnet jedoch meist die kleinere Lochgröße. Nadellöcher lassen sich an der dicken Kupferbeschichtung erkennen, die während des Prozesses entsteht.

Ursachen:

Feuchtigkeit und flüchtige Substanzen, die durch Poren in der Kupferbeschichtung entweichen, sind die Hauptursachen für Nadellöcher und Blowholes.

Lösung:

Dieses Problem lässt sich durch den Einsatz von Leiterplatten höherer Qualität mit mindestens der vorgeschriebenen Kupferdicke beheben.

1.2 Lötbrücken (Solder Bridging)

Beschreibung:

Lötbrücken gehören zu den schwierigsten Lötfehlern, da sie mit bloßem Auge kaum zu erkennen sind. Sie verursachen Kurzschlüsse, die der Leiterplatte schwerwiegende Schäden zufügen können. Dieser Fehler tritt auf, wenn Lötzinn versehentlich zwei Leiterbahnen oder Pins verbindet.

Ursachen:

Häufige Ursachen sind falsche Schablonenspezifikationen (zu viel Lötpaste auf den Pads), nicht passende Schablonen zum Board-Layout und fehlerhafte Bauteilplatzierung.

Lösung:

Lötbrücken können mit Entlötlitze behoben werden. Die Litze wird auf die Lötbrücke gelegt und durch Erhitzen das überschüssige Lötzinn entfernt.

1.3 Tombstoning (Manhattan-Effekt)

Beschreibung:

Tombstoning bezeichnet einen Lötfehler, bei dem ein Anschluss eines Bauteils nicht auf der Platine haftet, während der andere fest verbunden ist. Kleine Bauteile sind während des Reflow-Lötprozesses besonders anfällig dafür.

Ursachen:

Der Hauptgrund ist ungleichmäßige Benetzungskraft während des Reflow-Prozesses. Die Oberflächenspannung zwischen Pad und flüssigem Lötzinn kann kleine, leichte Bauteile verschieben.

Lösung:

Der Fehler lässt sich durch präziseren Schablonendruck beheben und indem sichergestellt wird, dass die Pick-and-Place-Düsen einen geeigneten Druck für kleine Bauteile ausüben. Eine Verlangsamung des Bestückungsprozesses erhöht die Genauigkeit. Zudem müssen die Pad-Abmessungen mit dem Datenblatt übereinstimmen.

1.4 Ungleichmäßige Lochfüllung (Uneven Hole Fill)

Beschreibung:

Schlechtes Flussmittel oder unzureichendes Erhitzen führt zu ungleichmäßiger Füllung der Durchkontaktierungen. Wie der Name sagt, versagt das Lötzinn dabei, die Durchgangslöcher vollständig zu füllen.

Ursachen:

Ungleichmäßige Lochfüllung tritt meist auf, wenn der Vorheizprozess zu kurz ist oder das Flussmittel nicht korrekt aufgetragen wird.

Lösung:

Die Vorheizdauer muss erhöht werden, um die erforderliche Oberseitentemperatur zu erreichen. Eine Anpassung der Vorheizeinstellungen und eine längere Wellenlötkontaktzeit lösen das Problem.

1.5 Überhitzte Lötstellen (Overheated Joints)

Beschreibung:

Überhitzte Lötstellen entstehen, wenn der Erhitzungsprozess den Lötzinn nicht schmelzen kann, wodurch das Flussmittel auf dem Pad überhitzt. Dieser Fehler ist aufgrund der thermischen Veränderung schwer zu reparieren.

Ursachen:

Trotz Erhitzung fließt das Lötzinn nicht in die Verbindung.

Lösung:

Das überhitzte Flussmittel wird mit Isopropylalkohol gereinigt und anschließend mit einer geeigneten Bürste entfernt.

1.6 Kalte Lötstellen (Cold Joints)

Beschreibung:

Im Gegensatz zu überhitzten Stellen entstehen kalte Lötstellen, wenn die Hitze nicht ausreicht, um das Lötzinn vollständig zu schmelzen. Sie zeichnen sich durch eine raue Oberfläche aus und sind rissanfällig.

Ursachen:

Unzureichende Erhitzung oder Verwendung von zu viel Lötzinn.

Lösung:

Die kalte Lötstelle wird so lange erhitzt, bis das überschüssige Lötzinn vollständig geschmolzen ist.

1.7 Flussmittelrückstände (Flux Residues)

Beschreibung:

Dieser Fehler zeigt sich durch Flussmittelrückstände auf der Leiterplatte, die durch Verunreinigungen entstehen.

Ursachen:

Das Flussmittel und unzureichende Reinigungsbedingungen führen zur Rückstandsbildung auf den Pads.

Lösung:

Der Einsatz von no-clean Lötzinn mit geringen Rückständen reduziert Flussmittelrückstände erheblich.

1.8 Übermäßiges Lötzinn (Excessive Solder)

Beschreibung:

Zu viel Lötzinn kann Kurzschlüsse und unzuverlässige Verbindungen verursachen. Die beste Praxis ist, nur so viel Lötzinn zu verwenden, wie für die Verbindung zwischen Bauteilanschluss und Pad nötig ist. Der Fehler wird an schalenförmigen Oberflächen an den Lötstellen erkannt.

Ursachen:

Verwendung einer unnötig großen Menge Lötzinn an den Verbindungen.

Lösung:

Der Fehler lässt sich einfach beheben: Das überschüssige Lötzinn wird mit dem Lötkolben geschmolzen und mit einem Entlötsauger entfernt.

1.9 Unzureichendes Lötzinn (Insufficient Solder)

Beschreibung:

Dieses Problem tritt auf, wenn zu wenig Lötzinn verwendet wird, um die Verbindungen herzustellen, was zu Kontaktfehlern und offenen Stromkreisen führt.

Ursachen:

Zu geringe Menge Lötzinn an den Lötstellen.

Lösung:

Zusätzliches Lötzinn wird an der fehlerhaften Stelle zugegeben, um einen zuverlässigen Kontakt zu gewährleisten.

1.10 Lötaussetzer (Solder Skips)

Beschreibung:

Dieser Fehler tritt auf, wenn eine Lötstelle im Prozess vollständig übersprungen wird. Dies führt zu offenen Stromkreisen und Funktionsausfällen der Leiterplatte.

Ursachen:

Falsche Bauteilabmessungen und Flussmittel-Ausgasung sind die häufigsten Ursachen.

Lösung:

Die PCB-Spezifikationen müssen sorgfältig geprüft werden, um die korrekte Bauteilplatzierung sicherzustellen.

2. Prüfmethoden für Lötfehler auf Leiterplatten

Hersteller setzen verschiedene Tests ein, um PCB-Fehler zu identifizieren. In diesem Abschnitt besprechen wir die Mikroschliffanalyse und die Benetzbarkeitsanalyse.

2.1 Mikroschliffanalyse (Micro-sectioning Analysis)

Die Mikroschliffanalyse dient der Prüfung der Prozessqualität bei Durchsteck-Leiterplatten. Es handelt sich um ein zerstörendes Verfahren, da ein Querschnitt der Leiterplatte freigelegt werden muss; jedoch liefert es eine präzise Methode zur Identifizierung von Reflow-Lötfehlern.

2.2 Benetzbarkeitsanalyse (Solder-ability Analysis)

Ein Benetzbarkeitstest überprüft die Oberflächenrobustheit der Leiterplatte und stellt sicher, dass Lötverbindungen zuverlässig sind. Diese Technik testet die Fähigkeit der Platine, von flüssigem Lötzinn benetzt zu werden. Damit wird bestätigt, dass die Bauteile die Normenanforderungen erfüllen und die Lagerung keine nachteiligen Auswirkungen auf die Lötfähigkeit der Platinen hat.

3. Präventive Lötpraktiken

Vorsicht ist besser als Nachsicht! In diesem Abschnitt stellen wir die besten Methoden vor, um Lötfehler effektiv zu vermeiden. Die frühzeitige Erkennung und Behebung gängiger Lötfehler spart im Design, in der Fertigung und bei der Marke unnötige Mehrkosten bei der finalen Leiterplatte.

Nadelloch (Pinhole) vorbeugen:

• Die beste Vorbeugung gegen Nadellöcher und Blowholes ist das Backen der Leiterplatte unmittelbar vor dem Lötprozess.

Lötbrücken (Solder Bridging) vermeiden:

• Korrekte PCB-Schablonenspezifikationen verwenden.
• Das richtige Reflow-Profil einhalten.
• Auf die Bauteilplatzierung mit angemessenem Druck achten.
• Sicherstellen, dass die Schablonenöffnungen mit den Pads übereinstimmen.

Tombstoning verhindern:

• Pad-Abmessungen für kleine Bauteile überprüfen.
• Anti-Tombstoning-Lötpaste in Betracht ziehen.
• Schablonenspezifikationen korrigieren.
• Platzierungs- und Routing-Prozess prüfen und sicherstellen, dass alle Leiterbahnen gleiche Breiten haben.

Ungleichmäßige Lochfüllung vermeiden:

• Als Faustregel gilt: Die Oberseitentemperatur bei doppelseitigen Platinen zwischen 100 und 110 °C halten, bei einseitigen Platinen leicht darunter.

Überhitzte Lötstellen vermeiden:

• Vor jedem Lötvorgang den Lötkolben ausreichend vorheizen. Auch die Reinigung der Lötstelle vor dem Löten verhindert diesen Fehler.

Kalte Lötstellen vermeiden:

• Das Vorheizen des Lötkolbens verhindert diesen Fehler.

Flussmittelrückstände reduzieren:

• Richtiges Vorheizen kann Flussmittelrückstände auf der Leiterplatte reduzieren. Auch die Wellenkontaktzeit beeinflusst dies.

Lötaussetzer (Solder Skips) vermeiden:

• Den Hersteller kontaktieren und sicherstellen, dass die richtige Wellenhöhe zwischen Platine und Lötwelle verwendet wird.

Fazit

Ein erfolgreicher Übergang von der PCB-Design- zur Fertigungsphase hängt davon ab, Lötfehler so weit wie möglich zu minimieren. Das Hauptziel dieses Artikels ist es, Sie mit den gängigsten Arten von PCB-Lötfehlern und deren Erkennung vertraut zu machen. Wir haben häufige Lötprobleme sowie Prüf-, Reparatur- und Präventionsverfahren für diese PCB-Lötprobleme besprochen.

Die meisten gängigen Lötfehler lassen sich beheben; es wird jedoch dringend empfohlen, präventive Maßnahmen zu ergreifen, um solche Fehler und Probleme im Lötprozess zu vermeiden. Wir hoffen, dass Sie nun in der Lage sind, verschiedene Fehlertypen zu unterscheiden und präventive Lötmaßnahmen zu ergreifen.

Weitere Informationen zur Identifizierung von Lötfehlern, zum Verständnis der Ursachen und zu präventiven Maßnahmen finden Sie im „Surface Mount Troubleshooting Guide“.