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stage-2019_LGA35 bestückt
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LGA-Bauelemente

Den Porenanteil in Lötstellen minimieren

Nicht nur die allgemein fortschreitende Miniaturisierung, auch das konstruktive Design von Bauelementen stellt an den SMT-Prozess besondere Anforderungen. Ein Industrie-Projekt zeigt, wie diese Anforderungen in Bezug auf Land Grid Arrays (LGA) gelöst werden können.

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Lötseite (unten) des LGA35 (alle Bilder: Rehm Thermal Systems GmbH)

In diesem Projekt von Thales Deutschland unter Beteiligung von Rehm Thermal Systems, der TU Dresden, dem Fraunhofer IZM, Koh Young Europe und Omron standen insbesondere Land Grid Arrays (LGA) im Fokus. Beim Seminar zum Thema „Löten“ auf den SMTconnect Technology Days werden die verfahrensspezifischen Möglichkeiten zur Reduzierung des Porenanteils in den Lötstellen dieser Bauelemente auf eine Größenordnung < 10% und einige wichtige Einflussgrößen darauf vorgestellt. Für die Untersuchungen standen Baugruppen zur Verfügung, die u.a. mit LGA32 und LGA35 (Bild 1) bestückt waren.

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CT-Bild des gelöteten LGA32, innerer Aufbau

Der innere Aufbau dieser LGA sowie die komplexe zweiseitige Bestückung machten die Röntgenanalyse hinsichtlich der präzisen Auswertung des Porengehalts in den Lötstellen besonders schwierig (Bild 2). Im Projektrahmen wurden verschiedene Röntgenverfahren vergleichend verwendet (2D-X-Ray, Laminographie, Röntgen-CT), um auswertbare Daten zu erhalten. Neben den Variationen des Leiterplattendesigns und der Materialparameter hat sich der Vakuum-Enddruck als übergreifende Einflussgröße auf die Minimierung des Porengehalts ergeben (Bild 3).

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Einfluss des Vakuum-Enddrucks auf den Porengehalt

Mit abnehmendem Druck in der Umgebung der schmelzflüssigen Lötstellen sinkt deren Porengehalt signifikant. Allgemein konnten gute LGA-Lötstellen erzeugt werden. Die Lotbenetzung sowohl der LGA-Anschlüsse als auch der Leiterplattenpads war unkritisch, was die metallografischen Untersuchungen belegen. Die Lotspaltausprägung entspricht im Wesentlichen den theoretischen Erwartungen und wird in ihrer Varianz mehr von dem Design der Leiterplattenpads als von den Poren geprägt. Die angefertigten Schliffbilder offenbaren die Details der Topografie der beiden Fügepartner Leiterplatte und LGA.

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Dunkelfeldaufnahme einer LGA-Lötstelle

Bild 4 zeigt im Dunkelfeldkontrast einen Ausschnitt einer LGA32-Lötstelle, auf der die Dimensionen der jeweiligen Lötstoppmasken und der dazwischen verbleibende Spalt bemaßt sind. Nur diese verbleibenden 13 µm erlauben dem LGA das Einschwimmen (Selbstzentrieren) während des Lötens. Toleranzen im allgemeinen Fertigungsprozess können diesen Spalt weiter schrumpfen lassen, sodass beide Lötstoppmasken aufeinander liegen, womit ein Einschwimmen des LGA unmöglich wird.

„Mit umfangreichen Untersuchungen und Tests konnte eine Lösung für die wachsenden Anforderungen an Lötstellen gefunden werden.“

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