Einführungsbeitrag

Dieser Teil der IEC 62137 beschreibt die Auswahlmethode für ein geeignetes Prüfverfahren für die Zuverlässigkeitsprüfung von Lötverbindungen verschiedener Formen und Typen von oberflächenmontierbaren Bauteilen (en: surface mount devices, SMD), Bauteilen mit Anschlussmatrix und Bauteilen mit Anschlussleitungen sowie Bauteilen zur Einsteckmontage, die mit verschiedenen Legierungen von Lötwerkstoffen ausgeführt werden. Die hier angegebenen Prüfverfahren dienen der Bewertung der Haltbarkeit von Verbindungen eines auf eine Leiterplatte montierten Bauteils, jedoch nicht der Prüfung der mechanischen Festigkeit des Bauteils selbst. Bleifreie Lote besitzen andere Eigenschaften als das übliche eutektische oder nahezu eutektische Zinn-Blei-Lot. Die Zuverlässigkeit von Lötverbindungen, die mit bleifreiem Lot ausgeführt sind, kann durch die Zusammensetzung des verwendeten Lots, die Form der Anschlüsse/Anschlussdrähte und die Oberflächenbehandlung herabgesetzt werden. Ein einleitendes Kapitel Begriffe behandelt Definitionen und verwendete Ausdrücke, wie Zugfestigkeit für SMD, das ist die für den Bruch der Verbindung zwischen einem Anschlussdraht und einem Substrat höchste aufgewendete Kraft, Scherfestigkeit für SMD, das ist die höchste aufgewendete Kraft für den Bruch der Verbindung eines auf einem Substrat montierten SMD parallel zum Substrat und im rechten Winkel zur seitlichen Oberfläche des Prüflings, und die Drehscherfestigkeit für SMD, das ist das maximale Drehmoment am SMD, das parallel zur Substratoberfläche für den Bruch der Lötverbindung zwischen einem Anschluss/Anschlussdraht und der Anschlussfläche auf dem Substrat aufgewendet wird. Erläutert werden Faktoren, die die Zuverlässigkeit der Verbindung beeinflussen, beispielsweise bei Verwendung von Sn96,5Ag3Cu,5-Lot. Dieses Lot besitzt eine höhere Schmelztemperatur und ist härter als eutektisches Zinn-Blei-Lot und im festen Zustand nur schwer verformbar. Folglich ist die in der Verbindung verursachte Beanspruchung größer als beim eutektischen Zinn-Blei-Lot. Diese Eigenschaften können durch beschleunigte Konditionierung zu einem Bruch der Lötverbindung führen. Eine Oberflächenbehandlung der Anschlüsse/Anschlussdrähte der SMDs könnte nicht nur die Prüfungsergebnisse für die Fallprüfung, sondern auch für andere Prüfungen beeinflussen. Daher sollten diese bei allen Prüfungen berücksichtigt werden. Die Auswahl des geeigneten Prüfverfahrens behandelt die Beanspruchung von Lötverbindungen am Einsatzort und Prüfverfahren und die Auswahl der Prüfverfahren anhand der Formen und Anschlüsse/Anschlussdrähte elektronischer Bauteile für oberflächenmontierbare Bauteile und Bauteile zur Einsteckmontage. Gemeinsame Aspekte der Prüfverfahren werden aufgezeigt; das sind die Montage der Bauteile und verwendete Werkstoffe, die Lötbedingungen, wie Aufschmelzlöten, Wellenlöten, die Beschleunigte Konditionierung und die Auswahl der Prüfbedingungen und Bewertung der Prüfergebnisse. Im Kapitel Verfahren der Nachweisprüfungen werden die Festigkeitsprüfung der Lötverbindung von SMD, die zyklische Biegefestigkeitsprüfung, die Prüfung der Ermüdung bei mechanischer Scherbeanspruchung und die zyklische Fallprüfung und zyklische Fallprüfung mit der Stahlkugel betrachtet. ((Bild)) Bei der zyklischen Fallprüfung werden montierte SMDs in tragbaren Geräten geprüft. Dabei wird ein Prüfsubstrat mit einem montierten SMD mit der bestückten Seite nach unten in die Befestigungsvorrichtung für das Prüfsubstrat eingespannt und aus einer bestimmten Höhe auf einen Aufprallblock fallen gelassen. Die Anzahl der Fallvorgänge bis zum Bruch der Lötverbindung wird durch elektrische Unterbrechung unter Verwendung eines Messinstrumentes für den elektrischen Widerstand festgestellt. Der Bruch der Verbindung wird durch die Spannung im Prüfsubstrat verursacht, die durch den Aufprall der Last beim Zusammenstoß mit dem Prüfsubstrat eingeführt wird. ((Bild)) Bei der zyklischen Fallprüfung mit der Stahlkugel wird ein Prüfsubstrat mit einem montierten SMD und der bestückten Seite nach unten in die Befestigungsvorrichtung für das Prüfsubstrat eingespannt und eine Stahlkugel aus einer bestimmten Höhe auf die Rückseite des Prüfsubstrats fallen gelassen. Die Stelle, auf der die Kugel bei einem großen SMD auftrifft, sollte nahe dem Bauteilumfang liegen, weil dort die größten Schwachstellen für eine mechanische Beschädigung liegen. Der Bruch der Lötverbindung wird durch elektrische Unterbrechung unter Verwendung eines Messinstrumentes für den elektrischen Widerstand festgestellt. Anhang A erläutert die Bedingungen des schnellen Temperaturwechsels. Maßgeblich ist dabei die Zeit, für die ein Prüfling für eine wirksame Prüfung einer Umgebung ausgesetzt werden muss. Die auf die Lötstelle wirkende Spannung lässt im Verlauf der Zeit nach, indem eine nicht ballistische Dehnung in der Lötstelle verursacht wird. Die Anfangsänderung der Spannung ist sehr groß, im Verlauf der Zeit sinkt die Spannung aber. Die Ermüdung der Lötstelle durch einen wiederholten Temperaturwechsel hängt stark von der nicht ballistischen Dehnung ab. Die durch die unterschiedlichen Anschluss-/Anschlussdraht-Wärmeausdehnungskoeffizienten von Prüfsubstrat und Bauteil bei der Prüfung mit schnellem Temperaturwechsel in der Lötverbindung verursachte Beanspruchung lässt im Verlauf der Zeit nach und es erfolgt eine nicht ballistische Dehnung, die eine Ermüdung der Lötverbindung verursacht. Für die Haltbarkeitsprüfung der Lötverbindung muss die Verbindung einige Zeit auf hoher oder niedriger Temperatur gehalten werden. Es ist für die Bewertung nicht sinnvoll, die Verbindung bei einer Temperatur zu halten, bei der die Spannungsrelaxation unerheblich ist. Anhang B beschreibt die elektrische Durchgangsprüfung für Lötverbindungen. Mit dieser Prüfung wird die Haltbarkeit von Lötverbindungen bewertet, indem der elektrische Durchgang durch die Verbindung überwacht wird, ohne dass eine mechanische Beanspruchung vorliegt. Dieses Prüfverfahren ist besonders zur Prüfung der Haltbarkeit der Lötverbindung bei Bauteilen mit mehreren Anschlüssen wie BGA und LGA geeignet, bei denen eine Haltbarkeitsprüfung der Lötverbindung, wie eine Scherfestigkeitsprüfung, nicht durchführbar ist. In Anhang C wird die Drehscherfestigkeitsprüfung, in Anhang D die einfache Biegefestigkeitsprüfung und in Anhang E die zyklische Fallprüfung mit der Stahlkugel beschrieben. Die zyklische Fallprüfung mit der Stahlkugel ist eine vereinfachte Prüfung für SMDs, wie BGA, LGA und QFN, in tragbaren Geräten als Alternative zur zyklischen Fallprüfung (für leichte Stöße). Mit dieser Prüfung wird nicht die Haltbarkeit von auf einer Leiterplatte montierten Bauelementen selbst bewertet, sondern es wird der relative Vergleich der Korrelation der Haltbarkeit von Verbindung zwischen montierten Bauelementen bei einer Beanspruchung ermöglicht, die durch den Fall einer Stahlkugel ausgeübt wird. Im Anhang H werden die Bewertungsverfahren für das Abheben des Lotkegels einer Lötverbindung mit einem Bauteil zur Einsteckmontage erklärt. Dabei wird ein Bewertungsverfahren für das Abheben des Lötkegels an einer Lötverbindung an einem Bauteil zur Einsteckmontage beschrieben. Es gibt drei Arten des Abhebens des Lotkegels, das Abheben des Lotkegels zwischen Anschlussdraht und Lötstelle, das Abheben des Lotkegels zwischen Lotkegel und Anschlussfläche und das Abheben des Lotkegels zwischen Anschlussfläche und Leiterplatte. Zuständig ist das K 682 "Montageverfahren für elektronische Baugruppen" der DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE.

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Zuständiges nationales Arbeitsgremium

DKE/K 682 - Aufbau- und Verbindungstechnik für elektronische Baugruppen