Fragen und Antworten:

Ein besonders lästiger Begleiter von elektronischen Baugruppen sind Solderballs, die teilweise sehr fest auf der Oberfläche haften oder hier sogar vagabundieren. Sie bestehen aus massivem Lot und haben meist eine fast ideale Kugelgestalt. Wie entsteht dieser Effekt und auf welche Weise kann man ihn verhindern?

Warum ist das Thema wichtig?

Sold­er­balls bestehen aus leit­fä­hi­gem Metall. Des­halb stel­len sie ein Iso­la­ti­ons­ri­siko dar und kön­nen über­dies die Hoch­fre­quenz-Eigen­schaf­ten der jewei­li­gen Appli­ka­tion nega­tiv beein­flus­sen. Im Stan­dard „IPC‑A“ wer­den Sold­er­balls als Feh­ler gewer­tet, wenn sie…

• den elek­tri­schen Min­dest-lso­la­ti­ons­ab­stand verletzen,
• nicht ein­ge­bet­tet, ein­ge­kap­selt oder fixiert sind
• oder sich im nor­ma­len Betrieb der Bau­gruppe ablö­sen können.

Foto: Die Sold­er­balls sind als kleine Punkte im Rönt­gen­bild gut zu erkennen.

Wodurch entsteht dieser Effekt?

Bei jedem Löt­ver­fah­ren kön­nen Sold­er­balls ent­ste­hen, die dann auf der Bau­gruppe ver­blei­ben – schließ­lich ist das Lot beim Löten stets flüs­sig und ein­zelne Trop­fen sepa­rie­ren sich recht schnell. Anschlie­ßend bil­det sich (Auf­grund der Ober­flä­chen­span­nung des flüs­si­gen Lotes) eine fast ideale Kugel. Ins­ge­samt gibt es für das Sepa­rie­ren und Ablö­sen fünf Gründe:

1. Gra­vi­ta­tion und vis­koelas­ti­sche Eigen­schaf­ten — fal­len­des Lot (Lot­welle) löst Sprit­zer aus
2. Umschmelz- und Benet­zungs­ver­hal­ten des Lotes
3. Aus­ga­sun­gen neh­men flüs­si­ges Lot­vo­lu­men auf – zum Bei­spiel die Fluss­mit­tel­che­mie erzeugt Gase
4. Kapil­la­ri­tät in engen Spal­ten – zum Bei­spiel unter einem Bau­ele­ment ver­bleibt Lot
5. Nicht qua­li­täts­ge­rechte Ver­ar­bei­tung – das Lot (Lot­paste) wird beim Scha­blo­nen­druck verschmiert

Foto: Zufäl­lig ver­teilte Solderballs

Welche Erscheinungsformen (Kategorien) gibt es?

All­ge­mein kann man zwi­schen sys­te­ma­ti­schen und zufäl­li­gen Sold­er­balls unter­schei­den. Erst­ge­nannte keh­ren gleich­för­mig wie­der und las­sen sich bestimm­ten Orten zuord­nen – etwa bei den Pins eines TH-Ste­ckers. Das soge­nannte „Bea­ding“ (Con­nec­ted Balls, Squeeze out Solder Balls, Mid-chip Bal­ling) gehört ebenso in diese Kate­go­rie. Es tritt beim Ref­low­lö­ten auf.

Im Unter­schied dazu las­sen sich zufäl­lige Sold­er­balls (Lost Solder Ball, Loose Solder Ball, Solder Spat­ter) kei­nem bestimm­ten Ort zuord­nen. Sie ver­tei­len sich wie Streu­sel auf einem Kuchen. Inter­es­sant ist dabei, dass Solder Spat­ter (Lotsprit­zer) auf löt­ba­rem Unter­grund oft keine Kugel­ge­stalt bilden.

Der Voll­stän­dig­keit hal­ber erwäh­nen wir an die­ser Stelle noch das Gra­ping (Grainy Solder), das nur nach dem Ref­low­lö­ten auf­tritt und ein grob­kör­ni­ges Erschei­nungs­bild hat. Hier­bei ist die Oxi­da­tion der Pas­ten­kör­ner – beson­ders an der Ober­flä­che der Paste – eine wesent­li­che Einflussgröße.

Foto: Sold­er­balls bei den Pins eines TH-Steckers 

Was für Einflussgrößen spielen eine wichtige Rolle?

Tat­säch­lich haben viele Para­me­ter Ein­fluss auf die Ent­ste­hung von Sold­er­balls – dar­un­ter die Mate­ria­lien der Bau­gruppe, das Design der Pads, die Anschluss­me­tal­li­sie­rung der Bau­ele­mente und die Para­me­ter der Fer­ti­gungs­schritte. Je nach Löt­ver­fah­ren gibt es unter­schied­li­che Ein­fluss­fak­to­ren, die als Ursa­che domi­nie­ren: Beim Ref­low­lö­ten sind es etwa das Auf­schmelz- und Benet­zungs­ver­hal­ten der Lot­paste, beim Wel­len- und Selek­tiv­lö­ten müsste man hin­ge­gen den Fluss­mit­tel­auf­trag und die Dyna­mik bzw. das Fließ­ver­hal­ten der Lot­welle her­vor­he­ben. Beim manu­el­len Löten spielt die opti­male Wahl des Röh­ren­lots – in Wech­sel­wir­kung mit dem Wär­me­ein­trag – eine ent­schei­den Rolle.

Wei­tere Ein­fluss­grö­ßen sind bei­spiels­weise der rich­tige Scha­blo­nen­druck (Ref­low­lö­ten), das all­ge­meine Hand­ling der Lot­paste, die Adhä­sion der Löt­stopp­maske – und das all­ge­meine Lay­out. Hier­bei sollte man unnö­tig große Pads ver­mei­den (Ref­low) und auf das Durch­mes­ser­ver­hält­nis von Pin zu TH ach­ten (Welle / manuell).

Und wie verhindert man Solderballs?

Die Frage ist nicht ganz ein­fach zu beant­wor­ten. Schließ­lich geht Sold­er­bal­ling auf sehr kom­plexe Mecha­nis­men und viel­fäl­tige Ein­fluss­grö­ßen zurück. Im ers­ten Schritt bestim­men Exper­ten die die Kate­go­rie der Lot­ku­geln und den Erschei­nungs­ort – und ver­än­dern dann Step by Step die Einflussgrößen.

Foto: Sold­er­bal­ling beim Selektivlöten

Sie möch­ten mehr erfah­ren über Sold­er­balls und wie man sie ver­hin­dern kann? Hier haben wir einen wis­sen­schaft­li­chen Basis­text zusammengestellt.