SMT-Elektrolytkondensator-Lötverbindungskriterien und Integritätsuntersuchung

Feb 18, 2024

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SMT-Elektrolytkondensatoren sind eine weit verbreitete Komponententechnologie bei Avionikproduktdesigns der IPC-Klasse 3. Die Gehäusekonfiguration von SMT-Elektrolytkondensatoren führt zu Lötstellen, die für optische Inspektionszwecke nur teilweise sichtbar sind. Abbildung 1 zeigt die aufgrund der Gehäusekonstruktion/Anschlusskonfiguration verdeckte optische Ansicht des Kondensatoranschlusses. Der Kondensatoranschluss tritt an der Unterseite des Bauteils aus und bildet eine „L“-Krümmung in die horizontale Ebene, um eine Oberfläche für die Bildung einer oberflächenmontierten Lötverbindung bereitzustellen.

Abbildung 1: Typischer SMT-Elektrolytkondensator. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Panasonic)

Figur 2:Kriterien für die Verarbeitung der Lötverbindung: Gull Wing (oben) und Kabelschuh (unten) gemäß der IPC-JSTD-001-Spezifikation.

Es gab eine erhebliche Debatte/Diskussion darüber, ob diese Leitungskonfiguration unter die Akzeptanzkriterien für optische Lötverbindungen mit Gull-Wing- oder Lug-Leitung fällt (Abbildung 2). Zwei Schlüsselfragen, die während der internen Diskussionen zu diesem Thema aufkamen, waren:

Die gesamte Diskussion über die Verarbeitung der Lötstelle wäre strittig, wenn es möglich wäre, eine ausreichende Menge an Lötpaste zu drucken, um sicherzustellen, dass sowohl ein akzeptabler Lötstellenabsatz als auch Seitenkehlen entstehen. Dieser Ansatz ist keine praktikable Option, da dieses große Lotvolumen zu Lötstellenbrücken und Fehlern bei der Kondensatorplatzierung führen würde.

Bedenken hinsichtlich SMT-Elektrolytkondensatoren beschränkten sich nicht nur auf Rockwell Collins. Das IPC-JSTD-001 National Standard Committee hat eine Arbeitsgruppe gebildet, um Akzeptanzkriterien für Lötverbindungen für SMT-Elektrolytkondensatoren zu untersuchen und zu erstellen. Die JSTD-001-Arbeitsgruppe bestand aus Herstellern von Avionik-/kommerziellen elektronischen Baugruppen und Komponentenlieferanten. Die Arbeitsgruppe erstellte einen Vorschlag für Kriterien für die Verarbeitung von Lötverbindungen für SMT-Elektrolytkondensatoren (Abbildung 3). Rockwell Collins war im Allgemeinen mit den vorgeschlagenen Verarbeitungskriterien einverstanden, mit Ausnahme der minimalen Fersenkehlhöhe (G (Lötdicke unter Komponentenleitung) + T (Dicke der Komponentenleitung)), die in den internen Diskussionen als Lötstellenattribut hervorgehoben wurde erforderte weitere Untersuchungen. Hinweis 3 in der Tabelle unten ist nur die Lotdicke unter dem Bauteilanschluss.

Der SMT-Elektrolytkondensator ist eine Standardkomponente, die seit mehreren Jahren in verschiedenen Avionikprodukten weit verbreitet ist. Bedenken darüber, ob die Kondensatoren nach jahrelanger Produktion die Verarbeitungskriterien der Rockwell Collins-Lötverbindungen erfüllten, waren daher eher darauf zurückzuführen, dass ein neuer Produktprüfer die Frage aufgeworfen hatte, als auf eine Änderung des Reflow-Lötprozesses. Es wurden zwei Jahre lang Daten zu Defekten an SMT-Elektrolytkondensatoren aufgezeichnet, um alle Arten von Einflüssen auf Prozess-/Produkt-/Menschenänderungen zu identifizieren (Abbildung 4). Da keine Änderungen im Reflow-Lötprozess oder der Komponentenkonfiguration dokumentiert wurden, ist die in Abbildung 4 dargestellte Fehlerschwankung das Ergebnis einer subjektiven, inkonsistenten Sichtprüfung der Lötstellenverarbeitungskriterien (d. h. der Löthöhe ausgedrückt als Prozentsatz der Bleidicke (T). ) – eine Lötseitenkehlhöhe von 1/4T oder 1/2T oder 1T?). Bei einer Überprüfung der Produktausfalldaten für den SMT-Elektrolytkondensator wurden über einen Zeitraum von 8 Jahren bei 10.000 Gelegenheiten keine gemeldeten Mängel festgestellt.

Figur 3:IPC JSTD 001 erster Entwurf vorgeschlagener Verarbeitungskriterien für SMT-Elektrolytkondensatoren (Quelle: Jim Dagget, Raytheon und IPC JSTD-001 SMT Electrolytic Capacitor Working Group).

In Verbindung mit der IPC-JSTD-001-Arbeitsgruppe wurden Kriterien für die Akzeptanz von Lötverbindungen für SMT-Elektrolytkondensatoren erstellt. Rockwell Collins leitete eine Untersuchung ein, um die kritischen Eigenschaften von Lötverbindungen mittels thermischer Zykluskonditionierung und Schertests zu bestimmen. Die Testergebnisse würden verwendet, um einen empfohlenen Satz von Akzeptanzkriterien für Lötverbindungen zu erstellen, der in die Rockwell Collins Workmanship Standards aufgenommen und von der IPC-JSTD-001-Arbeitsgruppe berücksichtigt werden soll.

TECHNISCHE DISKUSSION

Versuchsplan

Es wurde ein Testplan erstellt, der sich auf zwei Lötstellenattribute konzentriert: (1) die mechanische Festigkeit der Lötstelle; (2) die Temperaturwechselfestigkeit der Lötverbindung. Einer der Hauptgründe für die Festlegung einer Lötverbindungsgeometrie und von Benetzungskriterien besteht darin, sicherzustellen, dass eine konsistente, wiederholbare Lötverbindung entsteht, die den standardmäßigen mechanischen Belastungen einer Produktnutzungsumgebung standhält. Während der Hauptzweck der Lötverbindung von Komponenten darin besteht, eine elektrische Verbindung herzustellen, werden einige mechanische Eigenschaften erwartet. Aufgrund ihrer Geometrie erfordern Elektrolytkondensatoren traditionell eine zusätzliche mechanische Verstärkung durch den Einsatz von Klebeverbindungen für Vibrations- oder Schockzwecke. Der Einsatz von Klebeverfahren ermöglicht eine Reduzierung der Lötstellengeometrie und der Benetzungsanforderungen. Der Testplan umfasste Schertests, um zu zeigen, dass der Fehler bei der Befestigung der Leiterplatten-Pads vor dem Ausfall der Lötverbindung auftreten würde. Die Prüfung umfasste die thermische Ermüdungsprüfung von Lötverbindungen, da diese die Hauptversagensart von Lötverbindungen in Avionikanwendungen darstellt. Die Elektrolytkondensatoren würden einer thermischen Zykluskonditionierung von -55 °C bis 125 °C unterzogen, gefolgt von einer metallografischen Querschnittsuntersuchung, um das Ausmaß der Lötstellenrisse zu bestimmen, die aus der durch die thermischen Zyklen verursachten globalen Nichtübereinstimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) resultieren.

Figur 4:Prozessinspektion von Lötfehlern bei SMT-Elektrolytkondensatoren über einen Zeitraum von zwei Jahren.

Testfahrzeug

Das bei der Untersuchung verwendete Testfahrzeug war eine typische Leiterplattenbaugruppe, die zehn der SMT-Elektrolytkondensatoren enthielt, was sie zu einem hervorragenden Testkandidaten machte (Abbildung 5).

Testkomponente

Der in der Untersuchung analysierte SMT-Aluminium-Elektrolytkondensator war repräsentativ für die in der Branche verwendeten SMT-Elektrolytkondensatoren. Rockwell Collins bezieht diese Komponenten von verschiedenen Komponentenlieferanten der Branche (Abbildung 6, Abbildung 7). Die Pad-Konfiguration ist bei den verschiedenen Anbietern ähnlich, sodass die resultierenden Lötstellen sehr ähnlich sind. Da diese Komponenten aufgrund von Vibrationen in der Produktumgebung anfällig für Ausfälle sind, wird gelegentlich eine verbesserte Pad-Konfiguration (Abbildung 7, Anti-Vibration) mit zusätzlicher Silikonklebstoffbindung verwendet.