Von Timothy O'Neill und Gayle Towell
Da die Bauteile immer kleiner werden, steigt die Nachfrage nach feineren Lotpasten. Bei der Auswahl der Lötpaste geht es jedoch nicht nur um die Anpassung an die Bauteilgröße, sondern auch um die Optimierung der Druck- und Reflow-Prozesse, um Defekte zu vermeiden und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
Dieser Artikel befasst sich mit der Bedeutung der Größe von Lotpastenpulver, insbesondere mit der Frage, wann und warum Hersteller eine Verkleinerung von Standardsorten auf feinere Alternativen in Betracht ziehen sollten.
Der Einfluss von Prozessvariationen bei der Herstellung von Lotpulver
Die genaue Methode zur Herstellung von Lötpulver und schließlich von Lötpaste kann sich von Hersteller zu Hersteller erheblich unterscheiden. Diese Unterschiede in den Produktionsmethoden können zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen beim Drucken mit einer bestimmten Pastengröße führen.
Mit anderen Worten: Sie können mit einer Typ-5-Paste eines Herstellers völlig andere Ergebnisse erzielen als mit der eines anderen. Außerdem haben die inhärenten Schwankungen innerhalb eines bestimmten Lötpulverherstellungsprozesses einen größeren Einfluss auf die Leistung der Paste, je kleiner die Partikelgröße wird.
Die Klassifizierung der Partikelgröße ist von der IPC genormt; sie lässt jedoch immer noch erhebliche Abweichungen zu. Die IPC legt fest, dass nur 80% der Partikel für einen bestimmten Typ in den Nennbereich fallen müssen (siehe Tabelle 1). Dies lässt Raum für Unterschiede in der Partikelgrößenverteilung zwischen den Herstellern, die sich erheblich auf die Leistung der Lotpaste auswirken können, einschließlich Bedruckbarkeit, Reflow-Verhalten und Zuverlässigkeit.
| Typ | Weniger als 0,5% größer als | Weniger als 10% zwischen | Mindestens 80% zwischen | Weniger als 10% kleiner als |
| Typ 3 | 60 µm | 45-60 µm | 25-45 µm | 25 µm |
| Typ 4 | 50 µm | 38-50 µm | 20-38 µm | 20 µm |
| Typ 5 | 40 µm | 25-40 µm | 15-25 µm | 15 µm |
| Typ 6 | 25 µm | 15-25 µm | 5-15 µm | 5 µm |
| Typ 7 | 15 µm | 11-15 µm | 2-11 µm | 2 µm |
Tabelle 1. Grenzwerte der Partikelverteilung nach IPC J-STD-005A
Wie Sie entscheiden, wann Sie Ihre Lötpaste reduzieren sollten
Wenn Sie überlegen, ob Sie Ihre Lötpaste verkleinern sollen, müssen Sie die Größe und den Abstand der Bauteile, die Produktionsumgebung und -einstellungen sowie die potenziellen Herausforderungen, die mit kleineren Pulvern einhergehen können, berücksichtigen.
Im Allgemeinen gilt: Je kleiner die Paste ist, desto schwieriger ist der Prozess. Aus diesem Grund hängt der letztendliche Erfolg Ihres Prozesses zunehmend von allen oben beschriebenen Variationen der Methoden zur Herstellung von Lotpaste ab.
Die 5-Kugel-Regel und ihre Auswirkungen
Eine gängige Heuristik zur Bestimmung der zu verwendenden Pulvergröße ist die sogenannte "5-Kugel-Regel". Die "5-Kugel-Regel" besagt, dass die kleinste Schablonenöffnung mindestens das Fünffache des Durchmessers der größten Partikel der Lotpaste betragen sollte (siehe Tabelle 2).
Bei Lötpaste des Typs 4, bei der die Partikel bis zu 38µm groß sind, wäre die kleinste druckbare Öffnung etwa 190µm/.004". Wenn wir jedoch zu feineren Pulvern wie Typ 6 mit Partikeln von nur 5-15 µm übergehen, wird die praktische Anwendbarkeit der 5-Kugel-Regel unsicher. Dies liegt daran, dass die extrem kleinen Partikelgrößen und engeren Räume nicht gründlich getestet wurden, so dass die Regel für diese fortgeschrittenen Typen möglicherweise nicht gilt oder angepasst werden muss.
| Typ | Untere Grenze des Schablonenöffnungsdurchmessers per 5-Kugel-Regel |
| Typ 3 | 225 µm |
| Typ 4 | 190 µm |
| Typ 5 | 125 µm |
| Typ 6 | 75 µm |
| Typ 7 | 55 µm |
Tabelle 2. Untere Grenze für Schablonenöffnungsdurchmesser auf der Grundlage der 5-Kugel-Regel.
Herausforderungen bei der Verkleinerung von Lötpastenpulver
Die Reduzierung auf ein kleineres Pulver ist mit Kompromissen verbunden, insbesondere bei den kleinsten Pulvergrößen. Nämlich die folgenden:
- Kleinere Pulver sind schwieriger zu produzieren und haben daher einen höheren Preis.
- Kleinere Pulver haben eine größere Oberfläche im Verhältnis zur Masse und damit ein höheres Oxidationspotenzial. Dies verkürzt die Lagerfähigkeit und macht sie empfindlicher gegenüber Prozessparametern, wobei für Typ 6 und kleiner ein Stickstoff-Reflow erforderlich ist.
- Die Herstellungsmethoden sind von Anbieter zu Anbieter unterschiedlich, so dass die Qualität einer bestimmten Pulvergröße in Bezug auf die Sphärizität der Partikel und die Partikelgrößenverteilung erheblich schwanken kann. Diese Abweichungen können zu unvorhergesehenen Problemen und Mängeln führen.
- Bei feineren Pulvern sind möglicherweise Anpassungen des Schablonendesigns erforderlich, um Probleme wie Verstopfung der Schablone oder unzureichende Pastenabgabe zu vermeiden. Dabei sind Schablonendicke, Öffnungsgröße und Wandglätte zu berücksichtigen.
- Im Allgemeinen gilt: Je kleiner das Pulver ist, desto kleiner ist das Prozessfenster, was bedeutet, dass Einstellungen wie Rakeldruck und Geschwindigkeit sehr sorgfältig gewählt werden müssen.
Warum Sie die größtmögliche Pulvergröße wählen sollten
Aufgrund der erheblichen Kompromisse, die bei einer Verkleinerung eingegangen werden müssen, kann es ratsam sein, bei der größeren Größe zu bleiben, wenn Ihre Anwendung in der Nähe der von der 5-Kugel-Regel vorgeschlagenen Schwelle liegt. Tatsächlich hatten wir bei AIM mehrere Situationen, in denen unsere Paste des Typs 4 die Paste des Typs 5 in Situationen übertraf, die bei der Entscheidung für eine Verkleinerung grenzwertig waren.
Nehmen wir an, Sie müssen Platinen drucken, bei denen die kleinsten Bauteile 01005er sind. Die von IPC empfohlenen Schablonenöffnungen für diese Bauteile sind 175 x 250 µm, was außerhalb des Bereichs liegt, den Typ 4 Paste drucken kann (≥190µm).
Mit etwas Einfallsreichtum ist es jedoch auch möglich, eine abgerundete quadratische Blende mit einer Seitenlänge von 190 µm oder etwas größer für diese Komponenten zu verwenden. Diese Blendenform maximiert das Volumen in engen Räumen und verbessert gleichzeitig die Übertragungseffizienz.
In diesem Szenario kann die Übertragungseffizienz durch Verwendung einer nanobeschichteten 4-Millimeter- oder sogar 3-Millimeter-Schablone weiter maximiert werden. Wenn also 01005er Ihre kleinsten Komponenten sind, kann Paste des Typs 4 funktionieren, und zwar mit wenigen unerwünschten Nebenwirkungen.
Ein Hinweis zu Half-Size-Lotpasten
Einige Hersteller verkaufen Pasten mit der Bezeichnung Typ 4,5 oder Typ 5,5, so dass sich die Verfahrenstechniker fragen, ob es nicht sinnvoll wäre, auf eine halbe Größe umzusteigen, wenn ihre Bauteile, wie im oben beschriebenen Fall, genau an der Grenze liegen.
Es gibt jedoch keine IPC-Spezifikationen, die definieren, was diese halben Typen sind. Während man erwarten könnte, dass eine Paste mit der Bezeichnung Typ 4.5 einen Partikelgrößenbereich zwischen dem von Typ 4 und Typ 5 hat, könnte sie in Wirklichkeit größer, kleiner oder einfach breiter sein - so wie es der Fall wäre, wenn man Typ-4- und Typ-5-Pulver zusammen mischen würde.
Wenn Sie eine Halbkornpaste in Erwägung ziehen, sollten Sie sich vom Hersteller klare Angaben zur Partikelgrößenverteilung geben lassen, bevor Sie fortfahren.
Schlussfolgerung und Empfehlungen
Die Auswahl der richtigen Lötpaste ist entscheidend für optimale Montageergebnisse. Die 5-Ball-Regel bietet einen grundlegenden Leitfaden für diese Wahl, aber es ist wichtig, den breiteren Kontext Ihrer Fertigungsprozesse und Bauteilanforderungen zu berücksichtigen. Bevor Sie eine Verkleinerung der Lötpaste vornehmen, sollten Sie die potenziellen Vorteile gegen die damit verbundenen Probleme abwägen, z. B. erhöhte Oxidation oder Reflow-Probleme. Die Optimierung bestehender Prozesse mit dem aktuellen Pastentyp kann die Notwendigkeit einer Verkleinerung verringern und die Produktionseffizienz und Produktqualität aufrechterhalten.
Ursprünglich veröffentlicht in Circuits Assembly