Es war klar, dass dem Leiterplattendesign mit dem Übergang auf bleifreie Lote und Lötprozesse große Aufmerksamkeit gewidmet. Was beim Design von Leiterplatten für bleifreie Lötprozesse zu beachten ist, wurde im Verbundprojekt „Design Bleifrei“ untersucht. Von 2000 bis 2006 hat ein gemeinsamer Arbeitskreis von FED und dem Fachkreis BFE die Konsequezen der bleifreien Fertigungsprozesse für das Leiterplattendesign untersucht.

Aus den Ergebissen ist ein Abschlußbericht entstanden der generelle Aussagen zum Design bleifreier Baugruppen liefert und Untersuchungsergebnisse zur Verarbeitung repräsentativer aktiver und passiver Bauelemente vorgestellt hat.

Ergebnis: Die Designregeln für die Zinn-Blei-Welle gelten im Wesentlichen weiter.

Allerdings sind die löttechnisch erforderlichen Mindestabstände größer anzusetzen, um Lotbrücken zu vermeiden. Der Grund: Lötengen, die bei der Zinn-Blei-Welle gerade noch nicht zur Brückenbildung führen, neigen bei der bleifreien Welle tendenziell eher zur Brückenbildung.

Für den Reflow-Prozess kann man die Zinn-Blei-Designregeln für die Landeflächen und die Abstände der SMD-Bauteile praktisch unverändert übernehmen. Stellenweise sind Feinheiten zu beachten, z.B. zur Vermeidung der „begleitenden Lotperle“ (gilt auch für Zinn-Blei). Zuverlässigkeitsgesichtspunkte wie z.B. die Größe der Landeflächen müssen/können bei Bedarf berücksichtigt werden.

Achtung bei kritischen Layouts

Beim Design bleifreier Baugruppen sind unterschiedliche Einflussfaktoren wie
• Leiterplattenoberfläche,
• Lotlegierung,
• Flussmittel (das für den Prozess geeignete Flussmittel hat einen wesentlichen Einfluss auf die Lötqualität),
• Lötprozess (Reflow, Welle, selektiv),
• Schutzgasatmosphäre (das Löten unter einer Stickstoffatmosphäre bringt viele Vorteile)
zu beachten und auf die zu fertigenden Produkte abzustimmen.
Änderungen an bestehenden Layouts sind im Reflowprozess nur in wenigen Fällen notwendig.
Im Wellenlötprozess dagegen müssen komplexe Baugruppen mit hoher Bestückungsdichte und geringen Leiterbahnbreiten bzw. Leiterbahnabständen überarbeitet werden. Einfache Baugruppen mit groben Leiterbahnstrukturen sollten keine Probleme bei der Umstellung hervorrufen.

Um hier eine Hilfestellung für die Grobeinstufung zu geben, kann die IPC-D-275 mit den Einstufungen
• A = Allgemeine Designkomplexität (Leiterbahnbreite und Abstand =0,3mm)
• B = Mittlere Designkomplexität (Leiterbahnbreite und Abstand =0,2mm)
• C = Hohe Designkomplexität (Leiterbahnbreite und Abstand =0,1mm)
herangezogen werden.

Der bestimmende zu beachtende Faktor bei notwendigen Änderungen bzw. bei Layout-Neuerstellungen sind die gegenüber den bleihaltigen Loten größere Oberflächenspannung, die gemäß Liquiduslage verschobenen Benetzbarkeiten und die damit verbundenen längeren Benetzungszeiten. Um den Lötstellen im Reflowprozess ein für die Inspektion gutes Aussehen zu geben, empfiehlt es sich, wegen der schlechteren Benetzung die Ecken der Pads abzurunden bzw. auch ovale Landeflächen zu wählen.

Verkleinertes Prozessfenster beim Löten

Für die standardmäßig verwendeten Lotlegierungen der SnAgCu- bzw. der SnCu-Gruppe verringert sich durch den höheren Schmelzpunkt das Prozessfenster im Lötprozess. Für alle verwendeten Bauelemente auf der Baugruppe ist die höhere Prozesstemperatur zu beachten.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist das Wärmemanagement der Baugruppe. Um eine gute Fertigungsqualität zu gewährleisten, sollte die Wärmekapazität über die gesamte Baugruppe ausgeglichen sein. Zum einen wird damit der Energieeintrag in der Peak-Zone des Lötprozesses klein gehalten und zum anderen wird damit ein Wärmeenergieentzug für andere Bauelemente verhindert.

Durch die größere Oberflächenspannung von bleifreien Loten gewinnt der Tombstone-Effekt beim Bleifrei-Prozess an Bedeutung. Aus der bleihaltigen Technologie ist der Tombstone-Effekt bereits bekannt, der aber durch die größere Oberflächenspannung von bleifreien Loten mehr an Bedeutung gewinnt, obwohl der Unterschied nicht sehr groß ist. Hier muss unter Beachtung des Reflow-Lötprozesses, das Layout (Padlänge vor und hinter dem Bauteilanschluss und die Padbreite) entsprechend gewählt werden.

Durch die schlechtere Benetzungsfreudigkeit muss in vielen Fällen die Transportgeschwindigkeit durch die Lötanlage verringert werden. Dabei kommt es gerade bei großen Bauteilen zu unterschiedlichen Benetzungszeitpunkten. Der Kraft der Oberflächenspannung kann bei kleinen Bauelementen (=0805) nicht durch das Eigengewicht des Bauteiles oder des Klebers entgegengewirkt werden.

Lotvolumen  verkleinern

Dem Filet-Lifting, das bei Loten mit hohem Zinn-Anteil auftritt, lässt sich durch Reduzierung des Lotvolumen, entgegenwirken Das Fillet-Lifting ist besonders bei Loten mit hohem Sn-Anteil, Loten mit Legierungsanteilen aus Wismut und bei Mehrstofflotlegierungen (z.B. SnAgCuBiSb) zu beobachten. Hierbei entsteht durch eine Volumenschrumpfung, die in der Durchkontaktierung auftritt, eine Kraft in Richtung der Durchkontaktierung an den Grenzflächen des Pads und der Lotkegel trennt sich vom Pad ab.

Das Lotvolumen hat maßgeblichen Einfluß auf die Ausbildung der Lötstellen. Abhilfe kann hier die Verkleinerung des Volumens durch entsprechende Wahl des Durchmessers der Durchkontaktierung zum Bauteilpin schaffen. Auch im Falle von Cracks, Rissen im Lotkegel bei der Erstarrung der Lotlegierung kann durch Lot-Volumenänderung, wie vorhin beschrieben, eine Verminderung des Effektes erreicht werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Regelung der Abkühlung der Baugruppe. Mit einem gutem Abkühlungsmanagement wird das Korngefüge der Lötstelle wesentlich beeinflusst.

Zusammenfassung der wichtigsten Erkenntnisse:

Beim Design bleifreier Baugruppen sind unterschiedliche Einflussfaktoren wie Leiterplattenoberfläche, Lotlegierung, Flussmittel (das für den Prozess geeignete Flussmittel hat einen wesentlichen Einfluss auf die Lötqualität), Lötprozess (Reflow, Welle, selektiv), Schutzgasatmosphäre (das Löten unter einer Stickstoffatmosphäre bringt viele Vorteile) zu beachten und auf die zu fertigenden Produkte abzustimmen

Grenzwertige Designs verursachen mit bleifreien Loten Fertigungsfehler. Hier sind unbedingt Layoutänderungen zu empfehlen

Änderungen an bestehenden Layouts sind im Reflowprozess in wenigen Fällen notwendig.

Im Wellenlötprozess müssen komplexe Baugruppen mit hoher Bestückungsdichte und geringen Leiterbahnbreiten bzw. Leiterbahnabständen überarbeitet werden.

Einfache Baugruppen mit groben Leiterbahnstrukturen sollten beim Wellenlöten keine Probleme bei der Umstellung hervorrufen.

Um hier eine Hilfe für die Grobeinstufung zu geben, kann die IPC-D-275 mit den Einstufungen A = Allgemeine Designkomplexität (Leiterbahnbreite und Abstand = 0,3 mm) B = Mittlere Designkomplexität (Leiterbahnbreite und Abstand = 0,2 mm) C = Hohe Designkomplexität (Leiterbahnbreite und Abstand = 0,1 mm) herangezogen werden.

DfM – Design for Manufacturing nimmt bei bleifreien Loten eine noch wichtigere Stellung ein, denn die Fertigungsmethoden werden differenzierter durch Verwendung unterschiedlicher Lote und die Möglichkeit des Einsatzes verschiedenartiger Lötprozesse.

Unterlagen komplett als Download (für Mitglieder):