Lotpaste fuer QFN und BGA

Feb 07, 2013 72 Replies

Moin!



Schiebe gerade meine FPGA-Boards durch den Lötofen und bin nicht so recht zufrieden. Wir benutzen diese bleihaltige Lotpaste:



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Das Hühnerfutter schaut eigentlich ganz ok aus...



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...(das vorne ist 0402) aber die Lötstellen an dem Schaltregler-Klotz dahinter gefallen mir überhaupt nicht. Mag ja sein, daß sie drunter gut sind, aber an den Seiten schaut es einfach nicht schön aus, das Zinn benetzt die Metallflächen unregelmäßig und ist matt. Und das, obwohl ich - das Foto war schon vom zweiten Versuch - vorm Bestücken noch die Kontaktflächen der QFN mit meinem alten Fluxi eingepinselt hatte. Klar, je feiner die Strukturen, desto ungünstiger wird das Verhältnis von Volumen (und darin enthaltenem Flußmittel) zur Oberfläche.



Auch das FPGA im BGA reißt mich nicht vom Hocker:



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Die bleihaltig reballten Lotkugeln schauen ebenfalls unregelmäßig aus und ich bezweifle, daß die Pads da ordentlich benetzt sind. Mit der Lupe meine ich teilweise sogar Reste übriggebliebener Kügelchen der Lotpaste in der Fuge zwischen BGA-Ball und Pad kleben gesehen zu haben. Das sah aber anders aus als dieses seltsame Gekrümel, was jetzt auf dem Foto an drei Bällen zu sehen ist. Auch diesen Chip hatte ich vorm Bestücken mit dem Fluxi-Stift behandelt, ohne daß sich am Aussehen der Lötstellen was gegenüber dem ersten Versuch verändert hätte.



Für die Empfehlung einer anderen bleihaltigen Paste, die auch kleine Strukturen gut benetzt, und/oder eines anderen Flussmittels wär ich sehr dankbar.



Gruß, Michael.


Am 07.02.2013 21:48, schrieb Michael Eggert:

Das sieht nach zu viel Lot und falschen Temperaturprofil aus.

Gruß Dieter

Moin!

Kann ich mir nicht vorstellen. Doch: Ich kann mir vorstellen, daß es beim QFN so aussieht, weil das ein thermal pad mit vias hat und das Bauteil davon möglicherweise so heruntergezogen wird, daß seitlich Zinn rausquillt. Die Geometrie folgt aber dem Datenblatt und den soldering guidelines, in letzteren steht, die Paste soll 1:1 so groß sein wie die Pads. Hat mich auch gewundert, bei allen anderen Bauteilen hab ich Paste < Pad.

Fotos von der aufgetragenen Paste kann ich morgen abend nachreichen.

Auch das reiche ich nach...

Gruß, Michael.

"Michael Eggert" schrieb im Newsbeitrag news: snipped-for-privacy@4ax.com... [...]

[...]

Wunderschön photographiert! Wie hast Du das gemacht?

Gruss Chregu

Moin!

100mm Makro, f/32, Abbildungsverhältnis 1:1, DSLR mit 22mm x 15mm Sensor. Dicker Blitz mit "Joghurtbecher", 3 Blatt Papier als Lichtzelt aufgestellt.

Ja, ich muss meinen Sensor putzen.

Gruß, Michael.

Und so sprach Michael Eggert:

Deine Lötstellen waren noch zu kalt. Fahr mal ne kleine Ecke langsamer durch.

Roland

Und so sprach Roland Ertelt:

PS: Die Vias im Thermal-Pad waren hoffentlich auf der Unterseite verschlossen...

Roland

Moin!

Auf der Unterseite der Platine!? Das gäbe doch ein fröhliches Geblubber unterm IC... Nein, die waren offen. Soll eigentlich auch kein Problem sein, solange genug Paste auf dem Thermal-Pad ist.

Mehr Bilder und das Temperaturprofil kommen gleich...

Gruß, Michael.

Und so sprach Michael Eggert:

Wenn man die Paste in einzelne Bereiche aufteilt (wie z.B. bei TI für deren Quadpacks mit Thermopad beschrieben) blubbert da nix...

Es ist ein Problem: Wenn die Vias offen sind, läuft die Paste durch (weg) und der Chip sinkt zu weit ab (wie bei dir). Wenn das bei dir nicht passiert ist, ist das ein weiterer Hinweis darauf, dass die Lötpaste nicht richtig flüssig geworden ist.

Roland

Moin! Die Ingrid....

Hier kommen die versprochenen Bilder der aufgetragenen Lotpaste (per USB-Mikroskop aufgenommen):

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Ja - nee - doch... Also das Lot find ich ganz ok so - die Pads sind zu klein! Habs per USB-Mikroskop nachgemessen anhand des Verhältnisses Breite/Abstand (BGA 1mm; QFN 0,5mm).

Soll(µm) Ist(µm)

BGA Pad 375 325 BGA Stencil 375 350

QFN Pad 250 185 QFN Stencil 225 205

Das heißt, auf der Platine sind die Pastenlöcher ein bisschen, die Pads dafür sehr deutlich kleiner als in der Layoutdatei, so daß die Pastenlöcher letztendlich größer sind als die Pads.

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Da lag ich falsch. Also das steht da schon, im Layout hatte ich die Pastenlöcher dann aber doch umlaufend um 5% der Padbreite verkleinert.

Beim BGA hingegen sind die Pastenlöcher im Layout so groß wie die Pads. Frag mich aber nicht, warum ich die so angelegt hab - ich hatte zu dem Thema insgesamt recht wenig Informationen gefunden.

Das hier sagt mir der Temperatursensor auf einer Referenzplatine neben dem Werkstück (das Zinn auf dem Werkstück schmilzt passend zur Anzeige der Referenzplatinentemperatur):

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In den Hintergrund hab ich die Profile aus dem Datenblatt der Paste (siehe OP) gelegt.

Gruß, Michael.

Kannst Du uns sagen welcher Loetofen das ist bzw. ob es IR- Heissluft oder Dampfphase ist? Ich kenne Probleme wie diese mit einem Heissluftofen der die thermische Masse von den grossen Bauteilen nicht schnell genug aufgeheizt bekommen hat bzw. mit grossen Kupferflaechen die die Waerme aus den BEs gezogen haben. Wenn das das Problem ist, dann entweder laenger vorheizen (ggf. mit mehr IR und ggf. von unten) oder etwas heisser Loeten. Den Temperatursensor sollte man bei Testlaeufen auch an die ensprechenden Dicken BEs haengen.

Ich mache meine Prototypen aber derweilen nur noch mit Dampfphase. Da habe ich all diese Probleme nicht weil der Dampf auch die dicksten Kloetze schnell auf- heizt.

Was ist der Grund den Chip vorher nochmal mit Flux zu be- netzen? Normalerweise reicht das Flussmittel in der Lotpaste. Oder ist der Chip sehr alt oder die LP oxidiert?

Koennte es evt. auch sein, dass das Tempern der Chips/LP bei zu hohen Temperaturen oder zu lange erfolgt und sich dann zu dicke Oxidschichten bilden? Oder ist die LP schon etwas aelter? Es gibt einige Be- schichtungen die mit der Zeit immer schlechter Loetbar werden. Das sind dann nicht mal oxidative Prozesse sondern Diffusionsprozesse in der Oberflaeche.

Viele Gruesse, Martin L.

Und so sprach Michael Eggert:

Welche der vier Grauen ist jetzt die Paste?

230°C Löttemperatur erscheinen mir auch bei SnBp arg auf Kante genäht. Schließlich musst du die bleifreien Kontakte und Pads auch anschmelzen.

Unabhängig davon ist deine Referenzplatine sicherlich "nackig", ohne BE drauf. Die BE schlucken viel Wärme. Zieh mal die Vorheizphase (bis 120°) auf 120..150s in die Länge. Damit saugen sich die massiveren BE und die Power-Planes schonmal voll Wärme, ohne Schaden zu nehmen. 120° können fast alle problemlos ab. Den Peak kannst du auch 3..5s breiter machen, da du ja nicht bis auf die 260° eines SnAg-Lötprofils gehst. Nutze den zulässigen "Berg" der Lötprofile deiner Bauelemente in der Breite ruhig aus. Das könnte schon deine Probleme lösen.

Roland

Moin!

Größtenteils IR, oben+unten.

Hast Du die Kurve schon gesehen? Das Zinn schmilzt recht passend zur Temperatur der Referenzplatine, also hab ich da vorerst keine Zweifel...

Hab ich auch schonmal drüber nachgedacht. Wo bekommt man das Zeug?

Die Tatsache, daß die metallisierten Außenkanten nicht schön mit Zinn benetzt waren.

Normalerweise ist das Metall dann auch benetzt. Hier sah es anders aus und meine erste Idee war etwas mehr Flussmittel.

Nein. Frisch von Digikey in versiegelten Plastiktüten gekommen. Den Inhalt geöffneter Tüten hab ich dann mit den Silicageltüten in ein Schraubdeckelglas umgepackt und vorm verschließen mit Stickstoff aus der Flasche gespült. Damit sollte ich um Tempern herumkommen.

Kenne ich von selbst chemisch verzinnten Platinen (Bungard + Seno). Das Zinn ist so dünn, daß im Ofen das Kupfer von unten durchkommt und es entsteht eine später grauenhaft schlecht lötbare Legierung.

Die Oberfläche dieser Platinen schaut aber gut aus.

Gruß, Michael.

Und so sprach Michael Eggert:

Da kommt kein Kupfer durch, das Zinn oxidiert einfach und wird unbrauchbar. Chemisch Zinn ist für Reflow nicht wirklich geeignet. Erst recht nicht wenn man doppelseitig machen möchte.

BTW was hast du für Oberflächen?

Roland

Moin!

Ja. :-)

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Da hab ich bisher mit TQFP usw aber wirklich nie Probleme gehabt. Wieso sollen denn die QFN-Kontakte und chemisch verzinnten Pads angeschmolzen werden müssen? Kupfer wird doch beim Löten auch nicht angeschmolzen. (Bei den BGA ist das was anderes, darum sind die ja auch bleihaltig reballt)

Dafür sind sie schön schwarz. Wie ich schon schrieb: Das Zinn auf der zu lötenden Platine schmilzt bei angezeigten 180°C.

Kann ich mal versuchen...

Gruß, Michael.

Moin!

So hat es mir jemand von Stannol erklärt. Ich fragte damals nach einer Möglichkeit, später handzulötende TH-Pads beim SMD-Löten im Ofen zu vor Sauerstoff zu schützen (ich suchte also praktisch ein gut abwaschbares Flussmittel) und bekam gesagt, daß das sinnlos sei, weil der Sauerstoff überhaupt nicht das Problem wär sondern Kupfer und Zinn sich zu was unlötbarem verbänden. Das erklärt auch, warum auch chemisch verzinnte Platinen unter Stickstoff gelagert nach einiger Zeit anlaufen. Bei Bedarf such ich nächste Woche die Details aus der betreffenden Mail.

Chemisch Zinn (natürlich dicker als bei meinen selbstgeätzten Platinen). Meinst Du, das beeinflusst die Benetzung der _Bauteile_?

Gruß, Michael.

Und so sprach Michael Eggert:

Beim Löten wird die Kupfer-Oberfläche minimal angeschmolzen. Sonst würde das Zinn gar nicht drauf halten. Das gilt natürlich auch für alle Pads und Beinchen.

Das schwarz allein nutzt nichts. Die Masse der BE muss sich soweit erwärmen, dass die Wärmestrahlung die Beinchen und Pads deutlich über die Liquidus-Temperatur des Zinns bringt. Die Kanten des BE schatten dabei auch noch die Pads von der direkten Bestrahlung ab...

Das erreicht man entweder durch brutales Heizen (und verbrennen des PCB und des BE) oder durch Zeit.

Als Vergleich: Bei (m)einem Rework auf der Ersa-Station eines 36-Pin BGA (in einem Metall-Keramik-Gehäuse) mit SnPb-Balls war der Peak bei 245° (gemessen per Kontakt direkt neben dem BGA) nach etwa 5 Minuten erreicht. Haltezeit dort 5s. Bei 120° hatte ich eine Haltezeit von 15s eingestellt. Alles schnellere oder kühlere hat nicht gelötet. Unterhitze stand auf

  1. Mehr wollte ich wegen der BE auf der Unterseite nicht machen.

Roland

Dann ist die Temperatur ggf. stark von der Reflektivitaet abhaengig. Koennte es sein, dass die schwarze Bauteile zu heiss werden?

[...]

Ja. Aber je nach Position des Sensors auf der LP koennen die Werte durchaus schwanken.

Bei seinem Haendler fuer Loetanlagen :-) Aber fuer kleine Sachen habe ich neulich gelesen, dass es einen Haendler in der Schweiz (?) gibt der die Galdenmedien in Kleinabpackungen vertreibt. Dann kann man in der Frittoese loeten. Man soll aber tunlichst aufpassen, dass es nicht ueber 220(?) Grad heiss wird weil sich das Medium dann zersetzt und da ist viel Flour drinn und die Zersetzungsprodukte sind dann ziemlich giftig. (So wie wenn sich Teflon zersetzt - vielleicht einen Vogel daneben setzen?)

Viele Gruesse, Martin

Am 08.02.2013 23:47, schrieb Martin Laabs:

Die Farbe im sichtbaren Licht hat nichts mit der 'Farbe' im IR zu tun.

Gruß Dieter

Am 08.02.2013 21:34, schrieb Michael Eggert:

Bleifreie BGAs mit 60/40 Paste zu löten ist nicht klug. Das gibt selbst im besten Fall wunderhübsche Sollbruchlötstellen.

Gruß Dieter

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