Das iBFE-Projekt R1 hat die Ermüdungsfestigkeit unter Temperaturwechselbelastung an zweipoligen Bauteilen mit 14 Lotlegierungen einschließlich niedrigschmelzenden Loten untersucht.
Im Temperaturwechseltest miteinander verglichen wurden verschiedene Kombinationen von 13 bleifreien Loten sowie dem bleihaltigem Lot Sn-Pb36-Ag2, Basismaterialen, Leiterplattenoberflächen und Padgröße der Bauteile. Untersucht wurden 208 Boards mit je 180 reflow-gelöteten Baulementen in 6 Bauteilgrößen. Insgesamt standen 37.440 gelötete Bauelemente zur Auswertung bereit.
Im Projekt wurden zwei Temperatur-Stresstest-Punkte von -55°C und +125°C mit einer jeweiligen Haltezeit von 30 Minuten angefahren und nach vorgegebenen Zyklen ausgewertet. Gleichzeitig wurden bei jedem Zykelstop Rückstell-Metallografiestreifen mit je 6 Bauteilgrößen und 3 Padvarianten zur Gefügeauswertung entnommen. Der Belastungstest durchlief 8 Zykelstopps und endete bei 6000 Zyklen. Zudem wurde ein Falltest ab Zykelstop 2000 durchgeführt.
Die Ergebnisse sind interessant und wertvoll:
Erstens: Das Leiterplattendesign spielt eine wichtige Rolle und wird vielfach unterschätzt. Die Bauteilgröße hat den größten Einfluss im Gesamtsystem. Der Einflussfaktor mit der drittgrößten Auswirkung auf die Zuverlässigkeit ist das Design der Anschlusspads. Die Auswahl der Lotlegierung liegt an zweiter Stelle.
Die zweite Erkenntnis aus dem Projekt: niedrigschmelzende Lote können die Wirtschaftlichkeit der Fertigung erhöhen und Umweltbelastungen reduzieren.
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900 Variationen miteinander vergleichen und optisch darstellen
Der konventionelle Vergleich der Ergebnisse aus dem R1 Projekt wird aufgrund der Variantenvielfalt schnell unübersichtlich. Das Zentrum für mikrotechnische Produktion der TU Dresden hat alle Messergebnisse, Bilder der optischen Inspektion und Schliffe des R1-Projektes in der Analyse-Software R1 expert zusammengefasst. Das PC-Programm ermöglicht wahlfreien Zugriff auf nahezu alle Ergebnisse der Untersuchung.
Dies sind Darstellungen der Einflüsse von:
- Chipgrößen
- Layoutvariationen
- Legierungen
- Leiterplattenoberflächen
auf die
- mittlere Lebensdauer
- Zeitpunkte der ersten Ausfälle
Optische Darstellungen und Schliffbilder der Lötstellen während bzw. nach dem Test ergänzen die Messdaten und berechneten Verteilungen und veranschaulichen die Ergebnisse.
Die Software kann 900 Variationen von Lötlegierung, Leiterplattenoberfläche, Basismaterial, Baugrößen und Layout miteinander vergleichen und optisch darstellen.
Auf der Basis der vorhandenen Schliffbilder, optischen Inspektionen und Röntgenbilder ist es möglich, mit Hilfe vorgefertigter Vorlagen beliebige Kombinationen von Versuchspunkten zu vergleichen. Insgesamt bietet die Software 900 verschiedene Variationen von Legierung / Leiterplattenoberfläche / Basismaterial / Baugrößen und Layout.
Die Software R1 expert ist im Webshop des BFE erhältlich.
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Heinz Wohlrabe von der TU Dresden hat die Ergebnisse aus dem R1 in einem Tool zusammengeführt. Die Software R1 expert kann 900 Varianten miteinander vergleichen und darstellen.
Das umfangreiche Lötprojekt R1 des iBFE wurde im Jahr 2008 geplant und 2009 gestartet. Vor allem drei Erfahrungen aus der Fertigungspraxis hatten dieses aufwändige Lötprojekt gerechtfertigt:
- Die „mageren“ Reflow-Lotfüllungen erwiesen sich, wie nach der visuellen Erscheinung anzunehmen, als weniger stressstabil als die üblicherweise voluminösen Wellen-Lotfüllungen.
- Die Lotlegierungen, die als Lotpasten erhältlich sind, sind wesentlich weniger eingeschränkt als die Wellenlote. Die Legierungsvielfalt kommt hier stark zum Tragen.
- Voids sind viel häufiger als anfänglich angenommen. Die Lufteinschlüsse können einen ganz relevanten Einflussfaktor bezüglich Minderung der Stressstabilität darstellen.
