Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Auswirkungen von Verwindungen und Verwölbungen während des Lötens auf die Qualität und Zuverlässigkeit von Lötstellen

Im SMT-Prozess erwartet man, dass die zu verarbeitenden Komponenten immer eben (bzw. unverbogen) sind. In der Realität treten aber Verwindungen und Verwölbungen auf. Standards (z.B. IPC TM 650) geben Maximalwerte für diese Verbiegungen an, die aber nur für Raumtemperatur gelten. Für das Löten gibt es keine speziellen Grenzwerte. Messergebnisse der Forschungsstelle zeigen, dass bei vielen Bauelementen und Leiterplatten erhebliche Verbiegungen nur während des Lötens auftreten, die mit real auftretenden Qualitäts- (z.B. Head in Pillow bei BGA) und Zuverlässigkeitsproblemen (z.B. Padabrissen) korrelieren.

Im Projekt werden Messungen an verschiedenen Bauelementen und Leiterplatten durchgeführt, deren Ergebnisse in eine Verbiegungsdatenbank einfließen. Es werden Testboards mit gezielt einstellbaren Verbiegungsverhalten konstruiert. In Experimenten werden die Einflüsse auf die Qualität und die Zuverlässigkeit ermittelt. Die Zuverlässigkeitsanalysen werden durch FE-Simulationen ergänzt.

Als Endergebnis ergeben sich Empfehlungen für präzisere Grenzwerte von Verwindungen und Verwölbungen, die in Standards einfließen können. Es wird dadurch möglich, qualitätskritische Komponenten zu identifizieren und Maßnahmen (notwendige Messungen, Änderungen der Konstruktion und der Materialauswahl) abzuleiten. Als Effekte können signifikante Fehlerquotensenkungen und Verbesserungen der Zuverlässigkeit von elektronischen Baugruppen erwartet werden.

KmU‘s sind kaum in der Lage solche aufwendigen Untersuchungen (besonders für die Zuverlässigkeit) für ihre eigenen Produkte durchzuführen und bekommen weiterhin gesicherte Argumente für eventuelle Diskussionen mit Lieferanten von Bauelementen mit zu großen Verbiegungswerten.

Der Transfer erfolgt neben der geschaffenen Datenbank über die Veröffentlichung der präzisierten Regelwerke auf verschiedenen Konferenzen und in Zeitschriften, der Mitarbeit in Standardisierungsgremien und dem Angebot von Lehrgängen zur Forschungsproblematik.

Ergebniszusammenfassung:

Während des Lötens und während der realen Nutzung von elektronischen Baugruppen kommt es durch unterschiedliche thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu Verbiegungen der Montagepartner, die einen Einfluss auf Qualität und Zuverlässigkeit haben. Diese Einflüsse werden durch das Projekt adressiert.

Neben den vorhandenen Messmöglichkeiten wurde im Projekt eine neue Möglichkeit zur Messung von Verbiegungen (mittels Röntgen) entwickelt. Für die Auswertungen wurden teilweise neue Auswertealgorithmen entwickelt und die Berechnungen wichtiger Parameter (Koplanarität) präzisiert. Diese Methoden wurden in eine neue Datenbank integriert. Damit war es auch möglich, die im Projekt und auch zukünftig durchgeführten Messungen effektiv auszuwerten.

Über diese Datenbank können insbesondere klein- und mittelständige Firmen auf die Ergebnisse zugreifen und Schlussfolgerungen für eigene qualitätssichernde Aktivitäten ziehen. In kritischen Fällen sollten jedoch Messungen der Verbiegungen erfolgen um mögliche Schäden und Probleme abzuwenden. Solche Messungen sind immer als fehlerverhütende Maßnahmen zu werten und sind damit kosteneffektiver als Aktivitäten, die entstandene Fehler beseitigen.

Es wurden im Projekt zahlreiche Messungen von Bauteilen und Leiterplatten durchgeführt. Aus den Ergebnissen wurden zahlreiche Schlussfolgerungen für eventuelle Praxisprobleme, sowie für die Ableitungen von neuen und vor allem niedrigeren Grenzwerten gezogen. Zusätzlich wurden Vorschläge für weitere Bauteiltypen (z.B. QFN) erarbeitet. Wenn es gelingt, diese Vorschläge zu standardisieren, können Unternehmen neben den neu vorhandenen Erkenntnissen auch Ansprüche an die Lieferanten geltend machen,

Es konnte im Projekt mittels Experimenten als mit FE-Rechnungen nachgewiesen werden, dass die unvermeidbaren Verbiegungen von Bauteilen und Leiterplatten während des Lötens als auch während der realen Nutzung einen negativen Einfluss auf die Qualität und Zuverlässigkeit der gefertigten Produkte haben.