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Freitag, 28 August 2020 07:00

Kolumne: Alles Vortreffliche ist ebenso schwierig wie selten

von Prof. Rahn
Geschätzte Lesezeit: 3 - 6 Minuten
Abb. 1: Spinoza, Amsterdam im August 2018 Abb. 1: Spinoza, Amsterdam im August 2018 Elekes Andor, Wikipedia, CC BY-SA 4.0

Ach, wäre die Welt doch so ideal, wie man sie sich insgeheim wünschte. Dann wäre vielleicht auch bei der Herstellung elektronischer Ware die Leiterplatte so ausgelegt, dass man sie tatsächlich bestücken und löten könnte, ohne dazu Kopfstände vollführen zu müssen. Aber wo findet man denn etwa eine Layouterin, die nicht nur ihren Beruf gelernt hat, sondern mit der Zeit geht? Schnelllebig, wie nun mal das elektronische Handwerk ist, kann man sich nicht auf seinen vier (oder sind es bereits mehr?) Buchstaben ausruhen.

Der Graben zwischen Layout und Produktion und dann noch hin zum Management ist aber oft so tief, dass am Idealbild sowohl des einen wie des anderen durch Klagen oder gar Vorschläge der Verbesserung nicht gekratzt werden kann oder darf. Der unterste Mann am Totem Pole bleibt dann wohl jener in der Produktion.

Da sich die Auswirkungen jedoch in einer hohen Fehlerzahl oder – noch kritischer – in einer enttäuschenden Erstausbeute manifestieren, muss sich der geplagte Prozessingenieur jetzt überlegen, was dagegen noch zu tun sei, nachdem alles zubetoniert wurde und Änderungen an dem Layout nicht mehr realisierbar sind.

Offensichtlich kann er nicht alle Fehler mit einem Zauberstab beseitigen, so dass vertrackte und teure Nacharbeit, die ja auch negative Auswirkungen auf die Qualität des Produktes hat, einfach verschwindet. Immerhin sollte er analysieren, welche Fehler auftreten, welche besonders kritisch sind, und ob es Vorgehensweisen gibt, wenigstens einige davon schrittweise zurück zu drängen.

Abb. 2: Hübsche Lotkügelchen am Bauteil und man schaue sich nur mal das Pad-Design an (!)Abb. 2: Hübsche Lotkügelchen am Bauteil und man schaue sich nur mal das Pad-Design an (!)Der Modus Operandi hängt vom Wissen und Können des Prozessingenieurs ab. Einerseits kann er sich auf die am leichtesten zu behebenden Lötfehler stürzen, andererseits wäre es vielleicht angeraten, die am häufigsten auftretenden ins Auge zu fassen, denn kann man diese beseitigen, hat man den größten Zugewinn. Auch jene Fehler, die den imposantesten und somit teuersten Aufwand bei der Reparatur hervorrufen, sind vielleicht ein Ziel der Behebungsmaßnahmen.

Da bereits fleißig mit dem heißen Lötkolben auf der Baugruppe rumgefummelt wird, kann man annehmen, dass im Vorfeld irgendwer die ‚Fehler' hinreichend genau definiert hat, was leider in den seltensten Fällen wirklich zutrifft. Somit kann sich die Frau Ingenieurin überlegen, wie sie trotz der schlechten Vorgaben im Layout gewisse Defekte, die während der Herstellung auftreten, durch zusätzliche Maßnahmen verringern oder gar beseitigen kann. Dazu muss sie in ihrem Erfahrungsschatz kramen oder die einschlägige Literatur durchforsten, um zusätzliche Faktoren ausfindig zu machen, die sie noch in der Produktion ändern kann.

Hier rücken zwei Gebiete sofort ins Bild: Bestückung und Pastendruck. Lassen wir mal die BGA-Problematik außen vor und als Beispiel diene zur Abwechslung der ‚mid-chip solder ball', also eine Lotkugel, die sich zwischen den Landeflächen eines ‚Chip-Bauteils' ansiedelt – typischerweise durch einen uneinsichtigen Layout-Fehler hervorgerufen, weil die Landeflächen zu groß und falsch positioniert ausgelegt und nicht an den einzusetzenden Chip angepasst wurden.

Es scheint menschlich zu sein, den Brunnen dann mit einem Verschluss zu versehen, nachdem das Kind erst einmal reingefallen ist. Der Sargdeckel dient dann eventuell als Vorbild. Dementsprechend kann man versuchen, mit irgendeinem Gewürge diesen Lötfehler zu korrigieren. Dazu analysiert man, wie er entsteht und stellt fest, dass Paste von den Pads während des Reflows unter das Bauteil floss und sich dann leider nicht mehr zurück in die Lötstellen begab, wie es sich gehört hätte, sondern eben diese vertrackte Lotperle bildet.

Eine Reihe von Faktoren für die Entstehung des Fehlers kommen einem in den Sinn– etwa die Bauteilplatzierung, die vielleicht zu viel Druck auf das Pastendepot ausübt und es zerquetscht?

Also schaut die Dame mal, ob der Druck oder Abstand zur LP-Oberfläche richtig eingestellt ist. Vielleicht wird der Gurt mit den Bauteilen nicht richtig eingespannt oder die Bauteile sind unterschiedlich dimensioniert. Auch die Vakuumdüse mag mal verdreckt sein.

Abb. 3: Entstehen der Lotperle während des Aufschmelzens der PasteAbb. 3: Entstehen der Lotperle während des Aufschmelzens der PasteDie Paste selbst kann natürlich Schuld haben, denn man bemerkt bei Versuchen, dass verschiedene Pasten unterschiedliche Tendenzen haben, auszulaufen. Wenn man mit der Paste spielen darf, so kann sich die Wahl einer ‚besseren' Paste günstig auswirken – die allerdings eventuell dann andere Probleme aufwirft.

Vielleicht kann man am Reflowprofil schrauben, was ebenfalls verantwortlich als Zuträger sein könnte, wie weitere Rechercheure herausgefunden haben.

Der Pastendruck und somit die Schablone werden sicherlich nicht übersehen und findige Köpfe haben schon sehr schnell herausgefunden, dass wenn man die Menge der Paste auf den schlecht entworfenen Pads reduziert, weniger Paste beim Verlaufen zur Verfügung steht. Ob bei diesem ,Verhungern' die entstandene Lötstelle dann bei Belastung so lange halten wird wie gewünscht, überlassen wir besser dem Kunden.

Bei derartigen Maßnahmen ist es wichtig, nicht einfach ohne Diskriminierung bei allen Bauteilen gleich vorzugehen. Wer immer verantwortlich ist, sollte sich Zeit nehmen und analysieren, bei welchen Bauteilen eine Reduzierung der Auftragsmenge – und um wieviel – hilfreich ist. Inzwischen gibt es in der Literatur Vorschläge, dass man die Auswirkungen bereits vor dem Reflow unter Röntgensystemen betrachten sollte, denn schon kleinere Änderungen an der Form der Aussparung in der Schablone können den gewünschten Effekt erzielen, je nachdem wie die Metallisierung und Beschichtung an dem Bauteil nun wirklich aussieht.

Abb. 4: Einige der verzweifelten Vorschläge die Menge der Paste zu reduzierenAbb. 4: Einige der verzweifelten Vorschläge die Menge der Paste zu reduzierenAuch ein Gespräch mit dem Einkauf kann Abhilfe schaffen, sollte der Prozessingenieur ein geeigneteres Bauteil (mit den nämlichen Eigenschaften und Messwerten) ausfindig gemacht haben. Vielleicht kann er da argumentieren, dass für die Gesamtkosten nicht nur das billigste Bauteil ausschlaggebend ist, sondern auch die Kosten für auftretende Fehler sowie deren Behebung mit einfließen sollten?

Literatur und Anmerkungen:

K. Bryant; M. Popovics: An Interesting Approach to Yield Improvement, SMTA Proceedings
C. Benedek: Detection of soldering defects in Printed Circuit Boards with Hierarchical Marked Point Processes, Pattern Recognition Letters 32(13), October 2011
S. Öztürk; B. Akdemir: Detection of PCB Soldering Defects using Template Based Image Processing Method, International Journal of Intelligent Systems and Applications in Engineering; 28/12/2017
H. Yamazaki: Solder Joint Integrity Test for Finding Latent Defects in PCBs, Circuit Assembly, 30 November 2001
G. Smith: Improve SMT Assembly Yields Using Root Cause Analysis in Stencil Design, IPC Apex Expo Technical Conference Proceeding, 2017
K. Pigeon: Advanced Issues in Assembly: Part 2 Causes and Cures in Solder Beading, Surface Mount Technology, November, 2001
Katherine Wilkerson et al.: Understanding the Effect of Process Changes and Flux Chemistry on Mid-Chip Solder Balling, IPC APEX EXPO Conference Proceedings

Referenzen:

[1] Baruch de Spinoza (1632–1677), eigentlich Benedictus d'Espinoza, holländischer Philosoph, Quelle: Spinoza, Ethik, nach geometrischer Methode dargestellt (Ethica Ordine Geometrico Demonstrata), verfasst 1665, posthum veröffentlicht 1677

 

Prof. RahnProf. Rahn ist ein weltweit tätiger Berater in Fragen der Verbindungstechnologie.
Sein neues Buch über ‚Spezielle Reflowprozesse' erschien vor Kurzem beim Leuze Verlag. Er ist erreichbar unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!, wohin auch Anfragen über In-Haus Seminare gerichtet werden können.

 

 

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  • Ausgabe: 8
  • Jahr: 2020
  • Autoren: Prof. Rahn

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