Abstract: Aufgrund des anhaltenden Trends zur Miniaturisierung von Leistungsteilen gewinnt die verlustfreie Wärmeleitfähigkeit von Lötstellen in SMT-Prozessen immer mehr an Bedeutung. Daher wird die Rolle von lunkerfreien Lötstellen in der Leistungselektronik immer zentraler. Während des Lötens entstehende Hohlräume verringern die tatsächliche Wärmeübertragung und können die Leistungskomponenten bis zu ihrem Ausfall thermisch beschädigen. Aus diesem Grund hat die Ersa GmbH eine neue Technik entwickelt, um die Bildung dieser Hohlräume während des Lötprozesses zu minimieren und die Praktikabilität in industriellen Lötprozessen sowie den Einfluss auf die Prozesszeit1 getestet.
Das Ergebnis dieser Entwicklung ist eine universelle Technik zur Reduzierung von Hohlräumen im flüssigen Lot zwischen Bauelement und Leiterplatte durch Anwendung einer mechanisch sinusförmigen Betätigung. In erster Linie wird die Leiterplatte durch eine Longitudinalwelle mit einer Amplitude von weniger als 10 µm auf der Leiterplattenebene stimuliert. Während dieser sinusförmigen Ansteuerung der Leiterplatte in einem definierten Frequenzbereich werden die Eigenresonanzen dieses Bereichs unabhängig vom Leiterplattenlayout angeregt. Die niedrige Startfrequenz der Sweep-Stimulation sorgt für eine sanfte, homogene Ausbreitung der Schwingungen in der Leiterplatte, ohne die Molekülketten zu beschädigen (z. B. in FR-4). Die Intensivierung der Frequenz bewirkt eine Versteifung des Leiterplattensubstrats, eine Erhöhung des Elastizitätsmoduls und aufgrund des verringerten Dämpfungsfaktors eine verbesserte Energieübertragung des flüssigen Lotes. Dadurch werden Bereiche mit geringer Dichte, sogenannte Hohlräume, durch die Vibration aus der Lötstelle herausbewegt. Da eine sinusförmige Ansteuerung der Leiterplatte in einem definierten Frequenzbereich über das gesamte Spektrum dieses Bereichs angesteuert wird, werden auch alle Eigenresonanzen der Leiterplatte in diesem Frequenzbereich angeregt. Dadurch wird das flüssige Lot wiederholt durch die Schwingungsausbreitung in einer relativen Scherbewegung angeregt, was zu einer Verringerung von Hohlräumen in der Lötstelle führt. Die Wobbelstimulation auf die Bauteile wird zum größten Teil vom flüssigen Lot absorbiert, das die Bauteile vor Schäden durch Vibrationsübertragung schützt. Positive Nebenwirkungen der Sweep-Stimulation sind die Zentrierung der Bauteile auf dem Pad und eine optimierte Verteilung des Lots auf dem Pad. Der Prozess der Lückenminimierung findet innerhalb von Sekunden statt, ohne dass die Zykluszeit signifikant verlängert wird2.
Entscheidend für den Prozess der Hohlraumminimierung ist die Stimulation einer ausreichenden Anzahl von Eigenresonanzen. Hierzu wurden Simulationsmodelle der Eigenmoden und zahlreiche Untersuchungen an den eigentlichen Leiterplatten durchgeführt. Unter anderem wurde der Einfluss der Erhöhung des E-Moduls in jeder einzelnen im Sweep stimulierten Resonanzfrequenz und der daraus resultierenden Energieübertragung der Sweep-Betätigung auf die Hohlraumminimierungsrate analysiert. Hier besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Anzahl der Eigenmoden und dem Ergebnis der Hohlraumminimierung.