Eignung einer verbesserten Lötlegierung mit niedrigem Schmelzpunkt

Veröffentlicht im Auftrag von Interflux Electronics NV

Aktuelle bleifreie Löttemperaturen können sensible Bauteile beschädigen. Darüber hinaus können sie eine Verschiebung der Eigenschaften einiger Bauteile verursachen, die die Funktionalität von empfindlichen elektronischen Baugruppen beeinflussen können. Ein einfacher Weg um dieses Problem zu lösen besteht darin, eine Lötlegierung mit einem niedrigeren Schmelzpunkt zu verwenden, die niedrigere Löttemperaturen ermöglicht. Derzeit haben diese Legierungen jedoch Einschränkungen bei der Erschütterungs- und Vibrationsbeständigkeit

In dieser Fallstudie wird die Eignung der neuen erweiterten LMPA ™ -Q-Legierung für ein Handmessgerät mit hoher Genauigkeit von der Firma Megger Instruments Ltd in Großbritannien untersucht.

Inhalt des Artikels:

  1. Vorschau.
  2. Bestückung der Baugruppe.
  3. Erschütterung- und Viprationsprüfung.
  4. Ergebnisse und erweiterte Tests.
  5. Ergebnisse und Schlussfolgerung.

Steven Teliszewski ist der Author von diesem White Paper

Interflux Electronics NV, Belgium.

Tel: +32-92-514-959

Fax: +32-92-514-970

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Megger’s electronic unit of a high accuracy hand held measuring device

Megger’s electronic unit of a high accuracy hand held measuring device

Vorschau

Es ist eine bekannte Tatsache, dass aktuelle bleifreie Löttemperaturen temperaturempfindliche Bauteile und sogar Leiterplattenmaterialien beschädigen können. Fast jede elektronische Baugruppe hat kritische Bauteile. Hierbei handelt es sich beispielsweise um: Kondensatoren, BGAs, LGAs, Sicherungen, Displays, Kristalloszillatoren, LEDs, Bauteile mit Kunstummantelung, Spulen und Transformatoren, …
Schäden durch thermischen Stress nach dem Löten können in den meisten Fällen entweder durch visuelle, optische, Röntgen-, ICT- oder Funktionsprüfung bestimmt werden. …
Es ist eine weniger bekannte Tatsache, daß die gegenwärtigen bleifreien Löttemperaturen auch eine Verschiebung der Eigenschaften einiger Bauteile bewirken können, die die Funktionalität von empfindlichen elektronischen Schaltungen, wie z.B. Messgeräte beeinflussen können. Diese Art von Ausfällen sind oft schwieriger zu bestimmen.
Ein einfacher Weg um Probleme im Zusammenhang mit zu hohen Löttemperaturen zu lösen besteht darin, eine Lötlegierung zu verwenden, die einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist. Niedrigere Schmelzpunkte ermöglichen niedrigere Löttemperaturen. Derzeit haben diese Legierungen jedoch Einschränkungen in der mechanischen Festigkeit. Erschütterung- und Vibrationsbeständigkeit sind die Schwachpunkte. Dies begrenzt das Einsatzgebiet dieser Legierungen.
Die LMPA ™ -Q-Niedrigschmelzlegierung wurde speziell dafür entwickelt, um diese Einschränkungen zu verbessern.
Diese Fallstudie untersucht die Eignung der LMPA ™ -Q-Legierung für ein Handmessgerät mit hoher Genauigkeit der Firma Megger Instruments Ltd in Großbritannien.
Dieses Gerät wird derzeit mit einer SnAg3Cu05-Legierung gelötet und ist empfindlich gegenüber der Hitze in den Lötprozessen. Weiterhin muss das Gerät im Gebrauch erschütterungsresistent sein.
Reflow profile for LMPA™-Q

Reflow profile for LMPA™-Q

Bestückung der Baugruppe

Die Baugruppe besteht aus einer doppelseitigen Leiterplatte und chem. Ag als Endoberfläche. Bestückt ist sie mit SMD- und THT-Bauteilen. 

Die Temperaturempfindlichkeit liegt vor allem in den verschiedenen Kondensatoren auf der Platine, die alle irgendwie von Wärme beeinflusst werden.
Die Leiterplatten werden mit der DP 5600 LMPA ™ -Q Lötpaste nach ROL0-Klassifizierung bedruckt.
Alle Baugruppen werden in einem Reflow-Konvektionsofen ohne Stickstoff gelötet. Die maximale Temperatur in diesem Profil liegt unter 205 ° C. Dieses Profil übt somit einen sehr geringen thermischen Stress auf die T ° – sensiblen Bauteile aus.
Die THT-Bauteile werden mit LMPA ™ -Q Lötdraht gelötet.
Vibration & shock testing

Vibration & Erschütterungstest

Vibration und Stoßfestigkeitsprüfung

Handgeräte müssen eine gute Stoßfestigkeit im täglichen Gebrauch haben. In der Vergangenheit hat sich diese Eigenschaft als der Schwachpunkt für die traditionellen niedrigschmelzenden Legierungen erwiesen. Daher wird die Eignung der LMPA ™ -Q-Legierung für dieses Gerät entsprechend geprüft.

Die Elektronikeinheit wird nach den in BS EN 60945 und BS EN 60068 beschriebenen Prüfnormen einer Vibrations- und Stoßfestigkeitsprüfung unterzogen. Für Objektivitätszwecke werden die Prüfungen von einem Drittanbieter-Fachlabor durchgeführt.

Der Halb-Sinus-Schock-Test führt Erschütterungen in beide Richtungen aller drei Achsen durch. Erschütterungen dauern 11ms mit einer Spitzenbeschleunigung von 30G oder werden durch praktische Einschränkungen des Testaufbaus definiert.

In diesem Fall war die Erschütterung in der X-Achse auf 10G begrenzt, da der Messsensor bei höheren Spitzenbeschleunigungen abgebrochen hat. Spitzenbeschleunigung in Y und Z-Achse waren bei 30G.

Vibration & shock testing

Vibration & Stoßfestigkeit testing

Als Anhaltspunkt: 10G ist eine 4-mal höhere Erschütterung, als wenn ein Handy aus 1m Höhe auf einen Betonboden fällt.

Der Vibrationstest beginnt mit einer Resonanzfrequenzsuche auf dem elektronischen Gerät in allen 3 Achsen. Die Resonanzfrequenz für ein Gerät ist die Frequenz, auf der die höchsten Kräfte stattfinden. Es ist für jedes einzelne Gerät und für jede Achse unterschiedlich.

Ein 2H-Vibrationsdauertest mit einer Spitzenbeschleunigung von 3G wird auf der gefundenen Resonanzfrequenz durchgeführt. Wenn keine Resonanzfrequenz gefunden wird, wird eine standardisierte Ausdauerfrequenz von 30Hz mit einer Spitzenbeschleunigung von 3G verwendet.

In diesem Fall wurde nur für die X-Achse eine Resonanzfrequenz von 82,92 Hz gefunden.

SAC solder joint failure

SAC Lötverbindungsdefekt

Ergebnisse und erweiterte Test

Nach der Erschütterungs- und Vibrationsfestigkeitsprüfung wurden die mit der LMPA ™ -Q-Legierung gelöteten Baugruppen einer Sichtprüfung unterzogen. Keiner der Baugruppen zeigte Anzeichen von Ausfällen oder Fehlausrichtungen.

Bei Megger Instruments Ltd unterlagen die Einheiten der ICT- und Funktionsprüfung. Alle Baugruppen waren fehlerfrei.

Aus diesen Ergebnissen kann der Rückschluss gezogen werden, dass die LMPA ™ -Q-Legierung eine ausreichende mechanische Festigkeit für Handgeräte aufweist.

Um jedoch eine bessere Vorstellung zu bekommen, wie sich der LMPA ™ -Q gegen die SnAg3Cu0,5-Legierung verhält, wurden vergleichende Vibrationsdauertests begonnen.

Vergleichbare Erschütterungstests sind aufgrund der oben erwähnten Einschränkungen des Testaufbaus schwieriger. Stoß– und Vibrationsfestigkeit neigen dazu, Hand in Hand ineinander überzugehen, da Vibrationen eine schnelle Folge von Stößen sind.

Für diesen Test wurde das gleiche Handmessgerät mit hoher Genauigkeit gewählt. Sowohl mit der  SnAg3Cu0,5 gelöteten als auch der  LMPA ™ -Q gelöteten Legierung wurden die Geräte an das Testlabor geliefert.

Da die Vibration in der X-Achse kritischer zu erwarten ist, wurde sie als einzige Achse für diesen Vergleichstest gewählt.

Eine Standard-Testfrequenz von 30Hz in Kombination mit einer Spitzenbeschleunigung von 18G wurde als erste Einstellung für eine 30-minütige Vibrationsdauer verwendet. Nach der visuellen Inspektion wurde die Beschleunigung oder Frequenz schrittweise erhöht, bis ein erster Fehler festgestellt wurde.

SAC305 vs LMPA™-Q 30min X-Achsen Vibration
Test
 Frequenz Beschleunigung LMPA™-Q SAC 305
1 30Hz 18G Bestanden Bestanden
2 30Hz 20G Bestanden Bestanden
3 30Hz 21G Bestanden Bestanden
4 30Hz 22G Bestanden Bestanden
5 50Hz 25G Bestanden Ausgefallen
Der erste Fehler zeigte sich auf einer Baugruppe, die mit der SnAg3Cu0,5-Legierung bei einer Frequenz von 50 Hz und einer Spitzenbeschleunigung von 25G gelötet wurde.

Ergebnis und Schlussfolgerung

Da die LMPA ™ -Q-Legierung die erforderlichen Erschütterungs- und Vibrationstests stand hält und die SnAg3Cu0,5-Legierung bei vergleichbaren Vibrationstests nicht stand hält, eignet sich die LMPA ™ -Q-Legierung für die Herstellung von hochgenauen Meggers Handmessgeräten.

Die LMPA ™ -Q-Legierung ermöglicht niedrigere Löttemperaturen in den Lötprozessen und damit sind temperaturempfindliche Bauteile weniger von Wärme beeinflusst. Dies führt zu einem zuverlässigeren Herstellungsprozess und einer höheren Qualität der elektronischen Baugruppe.

Basierend auf den guten Ergebnissen hat Megger Instruments Ltd das Verfahren zur Homologation der LMPA ™ -Q-Legierung für weitere Prozesse und Produkte begonnen.

Dieser Blog ist eine Übersetzung aus dem englischen Original Blog.

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Steven Teliszewski

Steven Teliszewski

Steven ist Ingenieur und technischer Vertriebsleiter von Interflux. Seine Haupttätigkeit ist die Unterstützung der internationalen Interflux®-Tochtergesellschaften, Distributoren und Key Accounts weltweit.

Steven verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung auf dem Gebiet der Elektronikfertigung. Nach seinem Ingenieurstudium begann er in der Produktion eines belgischen OEMs, wo er für Lötprozesse, technische- und ISO-Koordination verantwortlich war. Bei der produzierenden Firma für Lötchemie, Interflux® Electronics NV in Gent (B), erhielt er die Möglichkeit, die Interflux-Tochtergesellschaften, Kunden und Distributoren weltweit zu unterstützen. Viele Jahre praktische Erfahrung mit einer Vielzahl von Anwendungen, Prozessen und deren Parametern schuf die Grundlage für sein Know-how bei der Analyse und Lösung von Zuverlässigkeitsproblemen. Diese Expertise wird seit vielen Jahren regelmäßig auf technischen Seminaren und Foren weltweit geteilt.