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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Korrekte Anschlußflächen für kleine 2 polige Bauteile (≤ I0402/M1005) definieren

Die Entwicklung bei zweipoligen Bauteilen (im Wesentlichen Widerstände und Kondensatoren) ist durch eine ständige Miniaturisierung gekennzeichnet und auch dadurch, dass sich diese Bauteile ab Bauform 0402 (metrisch 1,0 mm x 0,5 mm) nur noch im Reflowverfahren löten lassen. Wie bereits erwähnt, liegen beim Reflowlöten die Bauteile auf dem gedruckten Lotpastendepot nur auf, sind also nicht fixiert und können sich beim Aufschmelzen der Paste unter dem Einfluß der Benetzungskräfte des Lotes auf dem Lotdepot frei bewegen. Dies führt insbesondere bei zu großen Anschlußflächen mit einem Überschuss an Lotpaste (wie sie aufgrund der Angaben in IPC-7351 und IEC 61188-5 häufig anzutreffen sind) zu mehreren Fehlerbildern.

Fehlerbild Verdrehungen

Bei Verdrehungen sind in der Regel weitere Einflussfaktoren wirksam, insbesondere breite Leiterbahnen die in entgegengesetzte Richtungen seitlich von den Anschlüssen weggeführt werden.

Auch miteinander verbundene Anschlussflächen ohne Trennung durch einen Lötstoppsteg können zu starken Verdrehungen von Bauteilen führen. Dies ist insbesondere kritisch, wenn es sich um Anzeigeelemente wie z.B. Leuchtdioden handelt, die an einer definierten Position sitzen müssen.

Fehlerbild offene Lötstellen

Wenn Anschlussflächen nicht nur zu groß sind, sondern darüber hinaus deren Mittelpunkte auch weiter auseinander liegen als das Bauteil lang ist, dann kann das Bauteil beim Löten mit einem Bauteilanschluss so weit ins Zentrum der zugehörigen Anschlußfläche gezogen werden, dass der andere Bauteilanschluß keine Verbindung mehr zum aufgeschmolzenen Lot auf der anderen Seite bekommt oder nur noch eine sehr geringe Überlappung von Bauteilanschluß und Anschlußfläche entsteht.

Fehlerbild Partielles oder vollständiges Tombstoning

Beim häufig bei sehr kleinen Bauteilen auftretenden Grabsteineffekt (Tombstoning) wird das Bauteil nicht nur auf die gegenüberliegende Anschlußfläche gezogen, sondern es richtet sich außerdem auch mehr oder weniger auf. Dieser Effekt tritt dann auf, wenn die Benetzungskraft, die an der Stirnfläche wirkt, größer ist als die Benetzungskraft die im Lotspalt wirkt, also in dem Bereich zwischen der Bauteilanschlußunterseite und der Anschlußfläche auf der Leiterplatte.

Insbesondere partielles Tombstoning, bei dem das Bauteil nur geringfügig angehoben wird, sodass keine Lötverbindung mehr entsteht, ist bei kleinen Bauteilen in der visuellen Prüfung schwer zu erkennen. Die Korrektur von Bauteilen mit Tombstoning ist sehr aufwändig und risikoreich, da die Haftung der betroffenen Anschlußflächen auf der Leiterplatte äußerst gering ist.

Ziel bei der Definition von Anschlußflächen für zweipolige Baueile muss es also sein, Bewegungen des Bauteils auf den Lotdepots auch dann zu verhindern, wenn es geringfügigen Plazierungsversatz und/oder geringfügige Benetzungs- und Temperaturunterschiede an den zu verbindenden Oberflächen gibt. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen die Benetzungskräfte im Lotspalt größer sein als die Benetzungskräfte an den Stirnflächen des Bauteils. Umgekehrt ist zu beachten, dass das Tombstoning-Risiko um so größer wird, je größer die Stirnfläche des Bauteilanschlusses im Verhältnis zur Anschlussunterseite ausfällt. Dies ist besonders bei keramischen Vielschichtkondensatoren der Fall, die oft in großer Zahl zum Abblocken der Spannungsversorgung an FPGAs verwendet werden. Bei ungünstig dimensionierten Anschlußflächen findet man gerade bei diesem Bauteiltyp sehr häufig Tombstoning.

Durch Einhalten der folgenden allgemeinen Grundregeln bei der Anschlussflächendimensionierung können die beschriebenen Fehlerbilder sicher vermieden werden.

Regel 1: Der Mittelpunkt der Bauteilanschlussunterseite und der Anschlussfläche auf der Leiterplatte sollten möglichst nahe beieinander liegen.

Regel 2: Der Überstand der Anschlussfläche über den Bauteilanschluß hinaus außerhalb des Bauteilkörpers (Pad Protrusion) sollte zwischen 25% und 50% der Bauteilanschlusshöhe liegen. Die Größe des Überstandes läßt sich auch ohne große Mathematik relativ einfach dadurch ermitteln, daß man von der gewünschten oder geforderten Anstiegshöhe des Lotes unter 45° eine Linie auf die Anschlußfläche projiziert.

Regel 3: Der Überstand der Anschlußfläche über den Bauteilanschluß hinaus innerhalb des Bauteilkörpers sollte nicht größer als 50 bis 100 µm sein, je nach Bauteilgröße. Damit wird vermieden, dass sich Lotpaste im nicht benetzbaren Bereich des Bauteilkörpers befindet und dass designbedingte Lotperlen entstehen.

Nur die sorgfältige Definition der Geometrien der Lötpads sichert eine zuverlässige Produktion und Funktion der Baugruppe. Die wichtigsten Aspekte für zweipolige Bauteile wurden hier besprochen. Erfahren Sie mehr über die anstehenden Herausforderungen bei den komplexen Anschlußgeometrien von Bottom Termination Components im dritten Teil zum Thema „Anschlußflächen auf Leiterplatten“.

* * Rainer Taube ist Geschäftsführer des Baugruppenproduzenten TAUBE ELECTRONIC in Berlin und Vorstandsmitglied des Fachverbands FED.

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