Wärmebelastung von Lötstellen und Bauteilen

Lötstellen: Es ist ein weit verbreiteter Irrtum, dass Lot bis zum Erreichen der Schmelztemperatur (Liquidus) fest sei und dann schlagartig flüssig werde. Vielmehr erweichen die Lote schon bei niedrigeren Temperaturen, weswegen in Datenblättern von Hochtemperaturloten oft zusätzlich zu Schmelz- und Erstarrungstemperatur auch eine Gebrauchstemperatur als Grenzwert für den Einsatz angegeben wird.

Zur Beschreibung des Verlusts an Festigkeit bedient man sich der Größe «homologe Temperatur» TH, die sich aus dem Quotienten der Temperatur der Lötstelle (°C + 273) und der Schmelztemperatur (°C + 273) ergibt.

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Aufgrund langjähriger Erfahrung mit Anlagen im Dauerbetrieb (z. B. bei der Telekom) wurde der Grenzwert für die Lötstellentemperatur auf TH = 0,85 festgelegt, was für bleihaltige Lote einer Temperatur von 110 bis 115 °C entspricht (legierungsabhängig). Bleihaltige Lote, obwohl inzwischen weitestgehend verbannt, dienen immer noch als Referenzen, da hierfür Erfahrungen über sehr lange Zeiträume vorliegen.

Zwei typische Fehlermechanismen sind in den Bildern 6 und 7 dargestellt. In Bild 6 ist die Schädigung der Lötstelle – sie ist kurz vor dem Ausfall – zwar im Schliffbild zu erkennen, aber nur an einem kleinen Indiz (kleiner Höcker auf der Flanke) von außen zu vermuten. Ursache sind die durch die Temperaturänderungen indizierten Schwankungen der mechanischen Spannungen aufgrund der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten von Chip und Leiterplattenmaterial.

Besonders gefährdet sind die Lötstellen an Bauteilen auf Keramik-Basis und das Risiko steigt mit der Bauteillänge. Die zum Bild 7 angegebene Zahl von 4.000 Zyklen scheint zunächst extrem hoch. Wenn man aber an Automobilelektronik denkt und einen Zeitraum von sechs Jahren betrachtet, so kommt man mit 700 Fahrten pro Jahr auf etwas mehr als 4.000 Starts und dadurch erfolgte Aufheizvorgänge für die Elektronik.

Schädigungen von Lötstellen können auch durch hohe thermische Belastung von Bauteilen auftreten, ohne dass die Bauteile selbst überlastet sind. Bedrahtete Leistungstransistoren müssen mit ausreichendem Abstand zur Leiterplatte eingebaut werden, selbst wenn die Halbleiter auf einem großen Kühlkörper montiert sind.

Durch den thermisch eng an den Chip gekoppelten Kühlflansch, der im Bauteil in das mittlere Beinchen übergeht, wird dieses stark aufgeheizt und es besteht die Gefahr eines Schadens. Dieser Fehler war z.B. bei Fernsehgeräten und Monitoren mit Kathodenstrahlröhren oft festzustellen.

Wärmebelastung von Bauteilen

Schädliche Wärme kann von außen auf Bauteile einwirken (z. B. beim Löten) oder durch elektrische Belastung im Betrieb. In den allermeisten Fällen werden beide Ursachen für die Erhitzung gemeinsam auftreten.

Einige Beispiele und deren Auswirkungen sollen hier benannt werden: Widerstände verändern den Wert oder fallen ganz aus, Metallschicht-Typen durch Niederohmigkeit bis zum Kurzschluss, Kohleschicht-Typen durch regelrechtes Abbrennen (Sicherheitswiderstand öffnet). Bei der Dimensionierung sind sowohl die zeitlichen Mittelwerte als auch die zulässigen Stromimpulse zu beachten (Schwachstelle Abgleichwendeln).

Elektrolyt-Kondensatoren werden durch zu hohe Wechselstrombelastung (z. B. Schaltnetzteil) geschädigt. Dies führt zum Ausdunsten des Elektrolyten und dadurch zu Kapazitätsverlust oder sogar zum Öffnen der Sicherheitsbruchstelle.

Keramik-Kondensatoren erhitzen sich durch zu hohe Wechselstrombelastung, was zu Brüchen führen kann. Folienkondensatoren erhitzen sich ebenfalls durch zu hohe Wechselstrombelastung und können z. B. Kurzschlüsse verursachen. Halbleiter degenerieren durch Diffusionseffekte, Leistungshalbleiter legieren bei massiver Überlastung durch (Strom- bzw. Spannungsspitzen beachten!).

In Bild 9 wird die mittlere Lebensdauer von Leuchtdioden in Abhängigkeit von der Sperrschicht-Temperatur dargestellt. Das Ende der Lebensdauer ist gegeben, wenn die LED durchbrennt oder nach längerer Betriebszeit aufgrund der Erhitzung den spezifizierten Spektralbereich dauerhaft verlässt – also durchaus noch leuchtet.

Solche Kurven zu ermitteln ist relativ einfach: Man muss nur eine Anzahl LEDs unter definierten Bedingungen ausreichend lange betreiben und die relevanten Daten messen.

Löten: Primäre Fehler durch die Wärmeeinwirkung

Wie schon beschrieben, verursacht das Löten die erste Temperaturbelastung aller an und in der Leiterplatte verwendeten Bauteile und Materialien. Für Polymere (Kunststoffe) und Harze (z. B. Epoxidharz in FR4) gibt es kritische Temperaturwerte: Glas-, Kristallit- und Schmelzpunkte.

Wenn diese Temperaturen beim Verarbeiten überschritten werden, kommt es erst zu reversiblen Veränderungen und bei andauernder oder übermäßiger thermischer Belastung zu irreversiblen Verformungen und dann zur Zersetzung.

In den Bildern 10 und 11 sind einige durch übermäßige Hitze verformte Bauteile dargestellt. Diese Fehler traten vor allem bei der Umstellung auf bleifreie Lötung auf (diese musste, abgesehen von Ausnahmen, bis Mitte 2006 erfolgt sein), bevor die Hersteller auf prozessgeeignete Materialien umgestellt hatten. Inzwischen dürfte das allenfalls bei Produktions- oder (Löt-)Prozessfehlern passieren.

Löten: Sekundäre Fehler durch die Wärmeeinwirkung

Während die bisher gezeigten Fehler durch unmittelbare Wärmeeinwirkung beim Löten entstanden waren, gibt es auch Fehler, die mittelbar dadurch entstehen. So bilden sich mechanische Spannungen aus, wenn Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten heiß werden – das kann bis zur Zerstörung gehen.

Das soll anhand der Temperaturkurve einer Reflowlötung erklärt werden. Während Aufheiz- und Lötphase sitzen die Bauteile in der Lotpaste oder schwimmen im flüssigen Lot. Bauteile und Leiterplatte sind mechanisch entkoppelt und können sich entsprechend ihrer Eigenschaften ausdehnen – unterschiedliche Wärmeausdehnung ist kein Problem.

In dem Moment, in dem das Lot erstarrt, ändern sich die Randbedingungen schlagartig: Bauteile und Leiterplatte sind starr verbunden. Alle müssten sich um den gleichen absoluten Wert zusammenziehen, um mechanische Spannungen zu vermeiden.

Da aber die Wärmeausdehnungskoeffizienten verschieden sind und der sehr starre Keramik-Kondensatoren einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Leiterplattenmaterial hat, kann er dem Zusammenziehen der Leiterplatte nicht folgen und gerät unter Druck.

Das Lot mit seiner begrenzten Härte – bleifreie Lote sind härter als bleihaltige – mildert den Effekt zwar etwas, sorgt aber nicht kurzfristig für Ausgleich. Langfristig wird die in der Leiterplatte «eingefrorene» mechanische Spannung durch Kriechvorgänge im Lot abgebaut.

Wärme: Bruchgefahr bei Keramik-Kondensatoren

Infolge der unterschiedlichen Werte für das Zusammenziehen baut sich am Bauteil eine Druckkraft auf. Da die Leiterplatte über die Lötstelle nur an der Unterseite des Bauteils angreifen kann, kommt es zu einer sehr ungleichen Kraftverteilung. Beim Angriff der Druckkraft zentrisch am Ende des Bauteils würde nichts passieren, da die Keramik große Druckkräfte aushalten kann. Die ungleiche Kraftverteilung jedoch kann zum Bruch führen (Bild 13).

Das Bruchrisiko ist umso größer, je länger das Keramik-Bauteil ist, denn die absolute Differenz der Wärmeausdehnungen wächst ja mit der Bauteillänge und damit steigt auch die auf das Bauteil einwirkende Kraft. Abhilfe bei den üblichen Keramik-Kondensatoren können Typen mit elastischer Zwischenschicht schaffen (Bild 13).

Bei komplexeren keramischen Bauteilen wie Filtern ist das Problem allenfalls durch kleinstmögliche Lötstellen (sehr wenig Lot) zu reduzieren, da dann eher ein Anteil der Druckkraft durch Verformung des Lots in der Lötstelle abgebaut werden kann.

Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten können aber auch zu auf den ersten Blick widersinnigen Effekten führen, wie an einem Serienfehler einer Diode in einem keramischen Gehäuse gezeigt werden soll (Bild 16).

Das Fehlerbild in Bild 16 zeigt, dass eine der beiden Lötstellen des Chips abgerissen ist, d. h. die Druckkraft auf die Diode bewirkte ein Auseinanderreißen – das klingt zunächst widersinnig. Der bei Halbleiterfehlern gerne geäußerte Verdacht «zu heiß gelötet» konnte kaum zutreffen – die Diode wird beim Hersteller bei >320 °C innerlich zusammengelötet.

Die tatsächliche Ursache ist, dass sich auch hier eine ungleiche Kraftverteilung aufbaut. Da die Lötungen nur eine begrenzte Festigkeit aufweisen, ergibt sich durch die Druckkraft der Leiterplatte an der Unterseite der Diode ein Drehmoment, welches sich als Zugkraft auf die Metallbolzen überträgt und dadurch die Lötstelle zwischen Halbleiterchip und Bolzen überlastet. Auffällig und eine Bestätigung der Fehlerbeschreibung ist auch, dass in Bild 17 die beiden Bolzen leicht gegeneinander gekippt sind.

Wie zuvor schon beschrieben, werden die störenden Kräfte und damit auch die Fehlerrisiken in vergleichbaren Anordnungen umso kleiner, je kürzer die betroffenen Bauteile sind. Der gleiche Chip, eingebaut in einem um ein Drittel verkürzten Gehäuse, beseitigte den Fehler nachhaltig (sechsstellige Stückzahlen).

Fazit: Wenn man die gezeigten Schadensmechanismen betrachtet (mit Ausnahme der Materialkombinationen mit schlecht passenden Wärmekoeffizienten verursachten), lässt sich dadurch die höchste zulässige Betriebs- oder Umgebungstemperatur für zuverlässige Baugruppen und Geräte (IPC-A-610 class 2 & 3) bestimmen. Diese wird begrenzt durch:

• die höchste vertretbare Temperatur an der heißesten Lötstelle,

• die Temperatur des temperaturempfindlichsten Bauteils (die den zulässigen Wert lt. Datenblatt nicht überschreiten darf),

• die höchste akzeptable Temperatur für Material und Bauteile an der heißesten Stelle auf der Leiterplatte,

• die Junction-Temperatur des heißesten Halbleiters,

• die höchste akzeptable Temperatur aus Sicht der Baugruppen- bzw. Gerätelebensdauer,

jeweils bei Betrieb unter maximaler elektrischer Belastung.

Dieser Artikel ist ein Auszug aus dem Fachbuch „Elektronikkühlung in Leiterplatten-Design und -Fertigung“.

* Wolf Dieter Schmidt ist Berater Elektronikfertigung in Pforzheim.

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