Da die neueren Leiterplatten und elektronischen Komponenten immer kleiner und dichter werden, ist eine höhere Qualität des Lots erforderlich, das zur Montage solcher Komponenten verwendet wird. Aus Sicherheitsgründen gewinnt die Betrachtung und Analyse von Lötfehlern in der Automobilindustrie, wo der Einsatz von hochentwickelten computergestützten Steuerungen stark zunimmt, sowie bei Endgeräten wie Smartphones zunehmend an Bedeutung.
In diesem Abschnitt werden hauptsächlich die aktuellsten Anwendungsbeispiele für die mikroskopische Betrachtung typischer Lötfehler, wie z. B. Lötrisse und Lötlunker, mit dem Digitalmikroskop von KEYENCE vorgestellt.

Betrachtung und Messung von Lötrissen und Lunkern

Veränderungen der Umgebungsbedingungen des Lotes

Geräte wie Smartphones, Tablets und tragbare Geräte sind in den letzten Jahren beständig kleiner, dünner und funktionaler geworden. Um in solchen Geräten eingesetzt werden zu können, werden auch die verwendeten Leiterplatten und elektronischen Bauteile kleiner, dichter und mit mehr Schichten konzipiert.
Aufgrund des wachsenden Bedarfs in der Automobilindustrie an Technologien wie automatisches Bremsen und autonomes Fahren, die durch die computergesteuerte Kontrolle wichtiger Komponenten erreicht werden, wird nun eine höhere Haltbarkeit und Zuverlässigkeit für gepackte Leiterplatten und elektronische Komponenten erforderlich.

Lot spielt eine Schlüsselrolle beim elektrischen Durchgang und bei der Verbindung elektronischer Komponenten und ist daher besonders für eine höhere Haltbarkeit und Zuverlässigkeit erforderlich. Zusätzlich hat der in den 2000er Jahren begonnene Einsatz von bleifreiem Lot die Nachfrage nach Klebetechniken, die eine Versprödung der Materialien verhindern, erhöht.
Zuverlässigkeitsprüfungen sind Prüfungen, die für die Beurteilung der Haltbarkeit und Zuverlässigkeit von Lötmitteln unerlässlich sind. Bei diesen Prüfungen werden typischerweise Temperaturzyklustests zur Beurteilung von Lötmitteln verwendet.

Es gibt verschiedene Lötfehler, die Probleme verursachen können. Ein Beispiel ist die unzureichende Benetzbarkeit* von Lotpaste, welche automatisch auf eine Metallplatte aufgetragen und gedruckt wird. Solches Lot kann in konkaven Teilen die Haftfestigkeit zu einem Lötpad verringern oder Defekte wie Lötlunker verursachen. Um die Qualität zu verbessern, ist es unerlässlich, durch Betrachtung und Analyse die Ursachen für Lötfehler zu ermitteln. Der nächste Abschnitt erläutert typische Lötfehler, die Gefahren, die von diesen Fehlern ausgehen, und die Notwendigkeit der Betrachtung.

Die Benetzbarkeit von Lot wird mit einem Kontaktwinkel θ zwischen einer festen Oberfläche und einer auf diese Oberfläche aufgebrachten Flüssigkeit (z. B. geschmolzenes Lot) angegeben. Je kleiner der Winkel A (Kontaktwinkel θ) im Bild ist, desto höher ist die Benetzbarkeit des Lots, was auf eine Situation hinweist, in der die Flüssigkeit weitgehend auf die feste Oberfläche aufgebracht wird. Je größer der Kontaktwinkel ist, desto geringer ist die Benetzbarkeit des Lotes, was auf eine Situation hinweist, in der die feste Oberfläche die aufgetragene Flüssigkeit abstößt.

Je kleiner der Kontaktwinkel θ (A im Bild) ist, desto höher ist die Benetzbarkeit. Mit Lot wird die Bindung in dieser Situation stärker.
Je kleiner der Kontaktwinkel θ (A im Bild) ist, desto höher ist die Benetzbarkeit. Mit Lot wird die Bindung in dieser Situation stärker.

Lötfehler und Bedeutung der Betrachtung von Lötrissen und Lötlunkern

Typische Lötfehler, die zu Ausfällen von Produkten führen können, sind Lötbrücken und übermäßiges Lötmittel, bei denen der übermäßige Auftrag von Lot zu Kurzschlüssen zwischen benachbarten Verbindungen führt, Lotkugeln (Spritzer) und Durchgangsfehler aufgrund übermäßiger Wärmezufuhr sowie „kalte Lötstellen“ aufgrund von Flussmittelverdampfung oder unzureichender Erwärmung.
Es gibt auch Lötrisse und Lötlunker, die unmittelbar nach der Montage schwer zu erkennen und deren Ursachen zu identifizieren sind. Diese Defekte können durch verschiedene Faktoren verursacht werden und nicht nur unmittelbar nach dem Entstehen von Lötverbindungen auftreten oder fortschreiten, sondern auch im Laufe der Zeit oder aufgrund von Belastungen. Daher müssen diese Defekte mit Mikroskopen oder anderen Messgeräten betrachtet und analysiert werden.

Ursachen und Risiken von Lötrissen
Lötrisse entstehen oder entwickeln sich aufgrund von Faktoren wie Ermüdung, Zeitverlauf und Spannungseinwirkung nach der Bildung von Lötverbindungen. Vergrößern sich Risse, die in der Anfangsphase der Verklebung mikroskopisch klein sind, erhöht sich der Widerstand der Verbindung. Es gibt sogar Fälle, in denen Lötrisse zu Joulescher Wärme führen. Gewachsene Risse können die Verbindung auch komplett trennen und zu Bauteilausfällen führen. Insbesondere Risse in bleifreiem Lot können rasch fortschreiten, nachdem sie sich einmal gebildet haben. Da gewachsene Lötrisse Hitze entwickeln und Brände verursachen können, bedürfen sie aus Sicht der Qualitätssicherung größter Sorgfalt und entsprechender Gegenmaßnahmen.
Ursachen und Risiken von Lötlunkern
Lötlunker werden hauptsächlich durch im Lot enthaltene Lufteinschlüsse, das beim Druckprozess des Reflow-Lötens aufgetragen wird, durch beim Bestückungsprozess der Bauteile entstehende Gase und durch eine unzureichende Benetzbarkeit der auf konkaven Teilen aufgetragenen Lotpaste verursacht. Lötlunker können die Festigkeit des Lots verringern, und eine teilweise verringerte Festigkeit kann wiederum Lötrisse verursachen. Deshalb sind die Ursachenermittlung von Lötlunkern mit entsprechenden Gegenmaßnahmen sehr wichtig.

Für die Qualitätssicherung, das Erkennen von Fehlerursachen und die Verbesserung von Prozessen, Materialien und Qualität ist es wichtig, Lötrisse und Lötlunker in fehlerhaften Produkten, die in unterschiedlichen Tests und letztlich sogar vor Ort auftreten, korrekt zu betrachten, zu analysieren und zu beurteilen.

Aktuelle Beispiele zur Betrachtung und Analyse von Lötrissen und Lötlunkern

Aufgetragenes Lot ist dreidimensional, aber bei der Betrachtung mit hoher Vergrößerung kann aufgrund der unzureichenden Tiefenschärfe nur ein Teil davon fokussiert werden. Daher ist eine präzise Fokussierung für jeden Bereich des zu betrachtenden Objekts erforderlich.
Oft werden auch Objekte mit Oberflächenunregelmäßigkeiten, die durch unzureichendes Polieren verursacht werden, nicht vollständig fokussiert. Zu den häufigen Herausforderungen gehören auch unerkannte Defekte aufgrund von Reflexionen an glänzenden Oberflächen und anfängliche feine Risse, die bei hoher Vergrößerung oder aufgrund unzureichender Auflösung nicht zu erkennen sind.

Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX von KEYENCEüberwindet diese Herausforderungen dank seines hochauflösenden optischen Systems mit hoher Tiefenschärfe, seines 4K-CMOS-Bildsensors und seines eigens entwickelten Systems mit Hochleistungsbeleuchtung und moderner Bildverarbeitung. Weitergehende Betrachtungen, Fehleranalysen und Beurteilungen von Lot können einfach und schnell durchgeführt werden, sodass die Arbeitseffizienz deutlich verbessert wird.
In diesem Abschnitt werden aktuelle Beispiele für die Betrachtung und Analyse von Lötfehlern mit der Modellreihe VHX vorgestellt.

Betrachtung von Lötrissen auf gepackten Leiterplatten aus der Schräge

Das System zur Betrachtung aus jedem beliebigen Winkel des Digitalmikroskops der Modellreihe VHX ermöglicht eine Betrachtung von dreidimensionalen Lötnähten auf gepackten Leiterplatten aus der Schräge.
Darüber hinaus ermöglichen seine Funktionen zur Glanzlichtentfernung und Optimierung von ringförmigen Reflexionen eine klare und von lotspezifischem Reflexionslicht unbeeinflusste Betrachtung von Lötrissen.
Die Modellreihe VHX verfügt über eine hohe Tiefenschärfe. Dank dieser hohen Tiefenschärfe können hochauflösende Aufnahmen erstellt werden, bei denen der gesamte Bereich auch bei hohen Vergrößerungen vollständig fokussiert ist.

Betrachtung von Lötrissen aus der Schräge mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX
Betrachtung von Lötrissen aus der Schräge (100x)
Betrachtung von Lötrissen aus der Schräge (100x)
Betrachtung von Lötnähten aus der Schräge Links: Tiefenzusammensetzung, Glanzlichtentfernung, Optimierung von ringförmigen Reflexionen / rechts: normal
Betrachtung von Lötnähten aus der Schräge
Links: Tiefenzusammensetzung, Glanzlichtentfernung,
Optimierung von ringförmigen Reflexionen / rechts: ohne

Betrachtung von Lötrissen an Querschnitten von elektronischen Bauteilen

Lötrisse, die zunächst mikroskopisch klein sind, können mit der Zeit wachsen und zu Bauteilausfällen, Hitzeentwicklung und Brand führen. Das Übersehen von feinen Rissen aufgrund unzureichender Vergrößerung oder Auflösung ist ein ernsthaftes Problem.

Das hochauflösende Objektiv und der motorisierte Revolver des Digitalmikroskops der Modellreihe VHX ermöglichen eine nahtlose Zoomfunktion, die mit intuitiver Bedienung automatisch zwischen Objektiven von 20- bis 6000-facher Vergrößerung wechselt. Ein Bild eines fehlerhaften Bereichs mit hoher Vergrößerung kann mit der Split-Screen-Funktion neben einem Bild mit niedriger Vergrößerung angezeigt werden, sodass der Anwender bei der Betrachtung mit hoher Vergrößerung jederzeit nachvollziehen kann, was er gerade betrachtet.
Darüber hinaus können bei hoher Tiefenschärfe und Tiefenzusammensetzung in Echtzeit Risse im Submikrometerbereich mit einer klaren Aufnahme betrachtet werden, selbst wenn der Objektquerschnitt der in Kunststoff eingebetteten Probe Oberflächenunregelmäßigkeiten aufweist, die durch unzureichende Politur verursacht wurden.

Betrachtung von Rissen in Querschnittsproben mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX
Betrachtung von Lötrissen an einem IC-Querschnitt (links: 150x / rechts: 1000x)
Betrachtung von Lötrissen an einem IC-Querschnitt
(links: 150x / rechts: 1000x)
Betrachtung von Lötrissen an einem IC-Querschnitt (links: 100x / rechts: 1000x)
Betrachtung von Lötrissen an einem IC-Querschnitt
(links: 100x / rechts: 1000x)
Querschnitt eines Ball Grid Arrays (BGA): Betrachtung eines Durchgangsdefekts aufgrund einer gerissenen Lotkugel (links: 200x / rechts: 500x)
Querschnitt eines Ball Grid Arrays (BGA): Betrachtung eines Durchgangsdefekts aufgrund einer gerissenen Lotkugel (links: 200x / rechts: 500x)

Betrachtung von Lotlunkern an Querschnittsproben

Mit der Tiefenkomposition in Echtzeit liefert das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX selbst bei der Betrachtung mit hoher Vergrößerung tiefenscharfe Bilder des Querschnitts eines in Kunststoff eingebetteten BGAs, ohne dass Oberflächenunregelmäßigkeiten durch unzureichende Politur die Aufnahme beeinträchtigen. Diese Bilder ermöglichen eine Betrachtung, bei der selbst feinste Lunker nicht übersehen werden können.

Betrachtung von Lunkern in einer BGA-Lotkugel mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX
Betrachtung von Lunkern in Lotkugeln auf BGA-Querschnitten
Betrachtung von Lunkern in Lotkugeln auf BGA-Querschnitten

Quantitative Analyse von Leiterplatten-Querschnitten

Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX ermöglicht präzise automatische Flächenmessungen und Zählungen mit einer hochauflösenden Aufnahme mit hoher Vergrößerung. Mithilfe dieser Funktionen können Anwender sowohl quantitative Analysen als auch die Erstellung von Berichten anhand von erfassten Aufnahmen und numerischen Daten schnell mit nur einem Gerät durchführen und so die Arbeitszeit erheblich reduzieren.

Betrachtung und Messung von verfärbten Bereichen auf einem Leiterplattenquerschnitt mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX
Betrachtung von verfärbten Bereichen auf einem Leiterplattenquerschnitt (500x)
Betrachtung von verfärbten Bereichen auf einem Leiterplattenquerschnitt (500x)
Automatische Flächenmessung und Zählung von verfärbten Bereichen
Automatische Flächenmessung und Zählung von verfärbten Bereichen

Beurteilung der Haftfestigkeit anhand des Aussehens der Lötnaht

Bei der konventionellen Betrachtung sind die Beleuchtungseinstellungen aufgrund der Reflexion von glänzenden Lötflächen schwer anzupassen, was dazu führt, dass die Bewertungsergebnisse zwischen den Anwendern variieren und fehlerhafte Bereiche übersehen werden.

Mit der Multi-Lighting-Funktion des Digitalmikroskops der Modellreihe VHX werden unterschiedliche Beleuchtungsarten per Knopfdruck einfach automatisch erfasst.
Aus den mit der Multi-Lighting-Funktion aufgenommenen Aufnahmen kann das für die Betrachtung und Auswertung am besten geeignete Bild ausgewählt werden, wodurch sich der bisherige Zeitaufwand für die Beleuchtungseinstellungen deutlich verringert. Die Bilddaten werden automatisch gespeichert und die Beleuchtungsoptionen bleiben auch nach der Aufzeichnung des Bildes erhalten. Dadurch kann die Beleuchtung bei Bedarf jederzeit nachträglich per Mausklick angepasst werden.
Darüber hinaus wird mit den Funktionen zur Glanzlichtentfernung und Optimierung von ringförmigen Reflexionen lötstellenspezifisches reflektiertes Licht unterdrückt, was die Betrachtung von Lötstellen mit einer klaren Aufnahme ermöglicht. Aufgeschmolzenes Lot mit geringer Benetzbarkeit lässt sich nicht gut auf dem Lötpad verteilen. Dies wird als Unbenetzbarkeit bezeichnet und vermindert die Lötnahtfestigkeit. Eine Betrachtung, bei der solche Lötnähte nicht übersehen werden, ist möglich.

Betrachtung und Auswertung einer Lötnaht mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX
Betrachtung einer Lötnaht und eines Lötpads aus der Schräge mit Multi-Lighting (100x)
Betrachtung einer Lötnaht und eines Lötpads aus der Schräge mit Multi-Lighting (100x)

Ein Gerät mit den für die Qualitätssicherung von Lötmitteln unverzichtbaren Funktionen

Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX verfügt über eine Vielzahl weiterer Funktionen, wie z. B. 2D- und 3D-Messungen, und ermöglicht die Betrachtung, Analyse, Messung und Beurteilung verschiedener Arten von Lötfehlern in unterschiedlichen Bestückungsprozessen mit nur einem Gerät. Darüber hinaus lassen sich mit einfacher, intuitiver Bedienung schnell tiefenscharfe Aufnahmen und Messwerte erhalten, wodurch konventionelle Verfahren erheblich rationalisiert werden können.

Für weitere Informationen zur Modellreihe VHX klicken Sie bitte auf die unten angezeigte Schaltfläche, um die Broschüre herunterzuladen. Für Anfragen klicken Sie bitte auf die entsprechende Schaltfläche, um KEYENCE zu kontaktieren.