Ein stabiler SMT-Prozess ist das Ergebnis vieler aufeinander abgestimmter Faktoren. Lötpaste, Schablone, Leiterplatte, Bauteile, Druckparameter und Reflow-Profil müssen als Gesamtsystem funktionieren.
Treten Fehler wie Voiding, Solder Balling, schlechte Benetzung oder Tombstoning auf, wird häufig zuerst die Lötpaste als Ursache vermutet. In der Praxis entstehen Lötfehler jedoch meist durch das Zusammenspiel mehrerer Einflussgrößen.
Eine systematische Fehleranalyse sollte deshalb nicht mit der Frage beginnen:
„Ist die Lötpaste das Problem?“
Sondern:
„An welcher Stelle des Prozesses entsteht die Abweichung?“
Wir betrachten einige der häufigsten Fehlerbilder und ihre möglichen Ursachen.
1. Voiding – Hohlräume in der Lötstelle
Voids sind gasförmige Einschlüsse, die während des Reflow-Prozesses nicht vollständig aus der Lötstelle entweichen konnten.
Ein gewisser Void-Anteil lässt sich bei vielen Anwendungen nicht vollständig vermeiden. Kritisch kann Voiding insbesondere bei Bauteilen mit großen thermischen Kontaktflächen oder bei Anwendungen werden, bei denen eine effiziente Wärmeübertragung erforderlich ist.
Mögliche Einflussfaktoren sind:
- Reflow-Profil
- Schablonendesign
- Pastenvolumen
- Pad-Geometrie
- Flussmittelsystem
- Oberflächenbeschaffenheit
- Bauteildesign
- Reflow-Atmosphäre
Ein häufig gemachter Fehler ist der Versuch, Voiding ausschließlich durch eine Änderung der Lötpaste zu lösen.
In vielen Fällen bietet bereits eine Anpassung des Reflow-Profils oder der Schablonenöffnungen erhebliches Optimierungspotenzial.
Entscheidend ist daher eine Betrachtung des gesamten Prozesses.
2. Solder Balling – kleine Lotkugeln nach dem Reflow
Kleine Lotkugeln neben den eigentlichen Lötstellen sind ein sichtbares Zeichen dafür, dass während des Prozesses Metallpartikel aus dem vorgesehenen Pastendepot herausgelangt sind oder nicht vollständig in die Lötstelle integriert wurden.
Mögliche Ursachen sind beispielsweise:
- zu hohe oder zu schnelle Temperaturbelastung
- ungeeignetes Reflow-Profil
- Oxidation
- zu großes Pastenvolumen
- unzureichende Druckqualität
- ungeeignete Lagerung oder Handhabung der Lötpaste
- Feuchtigkeit oder Verunreinigungen
- ungünstiges Pad- oder Schablonendesign
Auch hier gilt: Das sichtbare Fehlerbild allein erlaubt noch keine eindeutige Aussage über die tatsächliche Ursache.
Deshalb sollten Prozessparameter und Materialbedingungen systematisch überprüft werden, bevor Änderungen vorgenommen werden.
3. Schlechte Benetzung
Eine zuverlässige Benetzung ist eine der grundlegenden Voraussetzungen für eine gute Lötverbindung.
Wenn das geschmolzene Lot eine Oberfläche nicht ausreichend benetzt, können unvollständige oder mechanisch unzuverlässige Lötstellen entstehen.
Mögliche Ursachen sind:
- oxidierte Leiterplattenoberflächen
- oxidierte Bauteilanschlüsse
- unzureichende Aktivierung des Flussmittels
- ungeeignetes Reflow-Profil
- zu lange oder zu hohe thermische Belastung
- Verunreinigungen
- ungünstige Lagerbedingungen von Leiterplatten oder Bauteilen
Besonders wichtig ist die zeitliche Betrachtung.
Tritt ein Benetzungsproblem plötzlich bei einem zuvor stabilen Prozess auf, sollte überprüft werden, was sich verändert hat: Materialcharge, Lagerdauer, Leiterplattenoberfläche, Bauteile, Ofeneinstellungen oder Umgebungsbedingungen.
4. Tombstoning – wenn sich das Bauteil aufrichtet
Beim Tombstoning richtet sich ein kleines zweipoliges Bauteil während des Reflow-Prozesses einseitig auf.
Ursache ist ein Ungleichgewicht der Kräfte an den beiden Anschlussflächen während des Aufschmelzens.
Mögliche Einflussgrößen sind:
- unterschiedliche Pastenvolumina auf beiden Pads
- asymmetrisches Pad-Design
- ungleichmäßige Erwärmung
- Positionierungsabweichungen
- unterschiedliche Benetzungszeitpunkte
- Bauteilgeometrie
Gerade bei sehr kleinen Bauteilen werden diese Effekte zunehmend relevant.
Ein reproduzierbarer Pastendruck mit möglichst gleichmäßigen Depots ist deshalb eine wichtige Voraussetzung zur Vermeidung von Tombstoning.
5. Unvollständiger Pastentransfer
Nicht jeder spätere Lötfehler entsteht erst im Reflow-Ofen.
Viele Probleme beginnen bereits beim Schablonendruck.
Bleibt Lötpaste in den Schablonenöffnungen zurück, erhält die Leiterplatte weniger Material als vorgesehen. Schwankt dieser Transfer von Druck zu Druck, entsteht ein instabiler Prozess.
Mögliche Ursachen sind:
- ungeeignete Pulvergröße
- ungünstiges Verhältnis zwischen Schablonendicke und Apertur
- verschmutzte Schablonenöffnungen
- ungeeignete Rakelparameter
- veränderte rheologische Eigenschaften der Paste
- ungünstige Trennparameter zwischen Leiterplatte und Schablone
Besonders bei Fine-Pitch-Strukturen und kleinen Bauteilen wird ein kontrollierter Pastentransfer immer wichtiger.
Die richtige Pulverklasse und eine auf den Prozess abgestimmte Rheologie spielen dabei eine entscheidende Rolle.
6. Zu viel oder zu wenig Lötpaste
Die Menge der aufgetragenen Lötpaste hat direkten Einfluss auf die spätere Lötstelle.
Zu wenig Paste kann zu unvollständigen Lötverbindungen führen. Zu viel Paste kann dagegen unter anderem Brückenbildung, Lotkugeln oder andere Prozessprobleme begünstigen.
Deshalb sollte der Schablonendruck nicht ausschließlich visuell beurteilt werden.
In anspruchsvollen Prozessen kann eine SPI – Solder Paste Inspection – wichtige Informationen über Volumen, Höhe und Position der gedruckten Pastendepots liefern.
Dabei ist besonders die Prozessstreuung interessant.
Ein einzelner guter Druck sagt wenig darüber aus, ob der Prozess über viele Produktionszyklen hinweg stabil bleibt.
7. Brückenbildung – wenn benachbarte Anschlüsse verbunden werden
Solder Bridging bezeichnet eine unerwünschte Lotverbindung zwischen zwei benachbarten Anschlüssen.
Mit zunehmend kleineren Abständen zwischen Bauteilanschlüssen steigt das Risiko.
Mögliche Ursachen sind:
- zu großes Pastenvolumen
- unzureichende Druckdefinition
- verschmierte Pastendepots
- ungeeignetes Schablonendesign
- fehlerhafte Bauteilplatzierung
- ungeeignete Prozessparameter
Auch die Formstabilität der gedruckten Paste spielt eine Rolle. Die Depots sollten ihre Geometrie zwischen Druck und Reflow möglichst zuverlässig behalten.
Nicht das Symptom behandeln – die Ursache finden
Bei Prozessproblemen besteht die Versuchung, möglichst schnell einen Parameter zu verändern.
Genau das kann die Fehlersuche jedoch erschweren.
Wer gleichzeitig Reflow-Profil, Rakeldruck, Geschwindigkeit und Material verändert, weiß anschließend möglicherweise zwar, dass der Fehler verschwunden ist – aber nicht warum.
Eine systematische Vorgehensweise ist deshalb wesentlich effektiver:
- Fehlerbild eindeutig definieren.
- Zeitpunkt des Auftretens bestimmen.
- Veränderungen gegenüber dem letzten stabilen Zustand identifizieren.
- Druckprozess, Bauteile, Leiterplatte und Reflow-Prozess überprüfen.
- Einflussgrößen einzeln und kontrolliert verändern.
- Ergebnisse dokumentieren und vergleichen.
So wird aus Troubleshooting eine systematische Prozessoptimierung.
Die Lötpaste ist Teil eines Systems
Die Lötpaste hat erheblichen Einfluss auf den SMT-Prozess. Ihre Rheologie, Aktivierung, Oxidationsbeständigkeit, Pulverqualität und Reflow-Eigenschaften beeinflussen Druck und Lötergebnis.
Sie arbeitet jedoch niemals isoliert.
Bei SOLDER CHEMISTRY betrachten wir deshalb nicht nur das Material, sondern dessen Verhalten im tatsächlichen Kundenprozess.
Wenn ein Lötproblem auftritt, ist die wichtigste Frage nicht, welches einzelne Produktmerkmal verändert werden kann. Zunächst muss verstanden werden, wodurch der Fehler tatsächlich verursacht wird.
Erst dann lässt sich entscheiden, ob eine Anpassung der Lötpaste, des Druckprozesses, des Reflow-Profils oder eines anderen Prozessparameters sinnvoll ist.
Fazit
Voiding, Solder Balling, schlechte Benetzung, Tombstoning und Brückenbildung haben selten nur eine einzige mögliche Ursache.
Ein stabiler SMT-Prozess entsteht durch das Zusammenspiel von Material, Maschine, Methode und Prozessbedingungen.
Wer Lötfehler nachhaltig reduzieren möchte, sollte deshalb nicht nur das sichtbare Fehlerbild behandeln, sondern die gesamte Prozesskette systematisch analysieren.
Denn der beste Prozess ist nicht derjenige, bei dem Fehler schnell korrigiert werden.
Es ist der Prozess, bei dem verstanden wird, warum sie entstehen – und wie sie dauerhaft vermieden werden können.
