Zug-Scherfestigkeitsprüfung – SMD-Bauteil (oberflächenmontiertes Bauteil)

Die Zug-Scherfestigkeitsprüfung ist eine wichtige mechanische Prüfmethode in der Elektronikfertigung, um die Zuverlässigkeit und Qualität von Lötverbindungen zwischen oberflächenmontierten Bauteilen (Widerständen, Kondensatoren, Chipwiderständen oder LED-Gehäusen) und Leiterplattenpads zu beurteilen. Mit dieser Methode wird gemessen, wie viel Kraft die Lötverbindung unter Zug- (Zug-) oder Scherbelastung aushält. Dadurch lassen sich Probleme wie mangelhafte Benetzung, Lufteinschlüsse, Schwachstellen durch intermetallische Verbindungen, unzureichendes Lötvolumen oder Prozessfehler identifizieren.

SMD-Lötverbindungen sind in realen Anwendungen (z. B. Smartphones, Automobilelektronik oder Industrieanlagen) Temperaturwechseln, Vibrationen, mechanischen Stößen und Fallbelastungen ausgesetzt. Zug- und Scherversuche liefern quantitative Daten zur Haftfestigkeit und ergänzen die Sichtprüfung (nach IPC-A-610), Röntgenaufnahmen oder Schnittpräparate. Sie tragen zur Validierung von Lötprozessen, Template-Designs, Reflow-Profilen und Materialauswahl bei.

Die wichtigsten Prüfarten für SMD-Lötverbindungen sind folgende:

• Scherfestigkeitsprüfung: Dabei wird eine horizontale (laterale) Kraft parallel zur Leiterplattenoberfläche angewendet, um das Bauteil zu drücken oder zu schneiden. Dieses Verfahren wird am häufigsten für bleifreie SMD-Bauteile und einige bedrahtete Gehäuse verwendet. Während der Prüfung wird ein meißelartiges oder flaches Schneidwerkzeug an die Seite des Bauteilkörpers angelegt und mit kontrollierter Geschwindigkeit horizontal bewegt. Mögliche Fehlerursachen sind: Lötstellenbruch, Ablösung der Lötpads, Bruch des Bauteilkörpers oder Haftungs-/Verbindungsfehler.

Typische Standards für diese Methode sind:

• IEC 62137-1-2 Oberflächenmontagetechnik - Teil 1-2: Prüfung der mechanischen Scherfestigkeit von Lötverbindungen.
• Bestimmte Abschnitte der Norm IEC 60068-2-21 (Umweltprüfung - Test U: Robustheit von Anschlüssen und integrierten Baugruppen)
• JEITA ET-7409/103 Standard (Drehmomentschneidverfahren für bestimmte Situationen)
• Zugfestigkeitsprüfung: Dabei wird eine Zugkraft (nach oben/außen) senkrecht oder in einem Winkel auf die Leiterplatte (PCB) ausgeübt. Gängige Varianten sind:
• Ziehen mit einem Haken oder einer Pinzette bei bedrahteten Bauteilen.
• Kaltimpulsziehen für BGA/CSP-Lötkugeln: Greift und zieht eine einzelne Lötkugel nach oben.
• Zur Beurteilung der allgemeinen Verbindung ziehen Sie unter einem Winkel von 45 Grad.

Beim Testen wird ein Haken, eine Pinzettenhalterung oder eine Zange an der Spitze/dem Körper des Bauteils befestigt und senkrecht oder schräg gezogen.

Typische Standards für diese Methode sind:

• IEC 62137-1-1 (Zugfestigkeitsprüfung von Lötverbindungen)
• JEDEC JESD22-B115 (für Kaltziehverfahren)

Für einen besseren Zugang und eine realistische Belastungsanwendung muss die Leiterplatte (PCB) üblicherweise in einem Winkel von 45 Grad befestigt werden.

Viele moderne Prüfmaschinen für Gelenke kombinieren Zug- und Scherfestigkeit in einem einzigen System mit automatischer Ausrichtung, Kraft-/Lastzellen (typischerweise im Bereich von 0-100 kg) und Software zur Fehleranalyse.

Ein typisches Vorgehen umfasst folgende Schritte:

• Die Leiterplatte (PCB) wird sicher an einer Vorrichtung befestigt (vertikal zum Schneiden, abgewinkelt zum Abziehen).
• Das Instrument wird präzise auf das Bauteil ausgerichtet (mithilfe eines XY-Tisches und eines Mikroskops).
• Die Kraft wird mit kontrollierter Geschwindigkeit aufgebracht (z. B. 0,1-10 mm/min, abhängig von der Norm).
• Die maximale Kraft und das Versagensmuster werden aufgezeichnet.
• Zur Vergleichbarkeit werden Akzeptanzkriterien herangezogen (in der Regel kundenspezifisch oder gemäß den IEC/JEDEC-Mindestanforderungen, abhängig von der Lötfläche oder der Bauteilmasse).

Fehleranalyse und -interpretation:

• Gute Verbindung: Brüche beim Massivlöten unter hoher Krafteinwirkung (duktile Scherung).
• Schwache Verbindung: Kraterbildung im Pad, spröder intermetallischer Bruch oder geringe Festigkeit. Dies deutet auf Prozessprobleme hin (z. B. übermäßige Hohlraumbildung, Ablagerungen, unzureichendes Reflow).

Zug-Scherfestigkeitsprüfungen sind aus verschiedenen kritischen Gründen eine notwendige zerstörende mechanische Prüfung in der Elektronikfertigung und Zuverlässigkeitstechnik.

Die wichtigsten Gründe, warum diese Methode wichtig ist, sind folgende:

• Die wahre mechanische Festigkeit und Zuverlässigkeit wird gemessen: Lötverbindungen in SMD-Bauteilen müssen nicht nur der elektrischen Verbindung, sondern auch den mechanischen Belastungen während der gesamten Lebensdauer des Produkts standhalten. Zug- und Scherversuche wenden kontrollierte Zug- (Zug-) oder Scherkräfte an, um die maximale Kraft zu messen, die zum Versagen führt. Dies liefert objektive, numerische Daten zur Verbindungsfestigkeit, die mit visuellen oder Röntgenmethoden nicht zuverlässig erhoben werden können.
• Es erkennt versteckte oder subtile Defekte, die zerstörungsfreie Prüfverfahren übersehen: Viele kritische Schwächen sind unsichtbar oder ohne Belastung nur schwer zu erkennen.
• Spröde intermetallische Verbindungsschichten bildeten sich während des Reflow-Prozesses oder der Alterung.
• Zu große Spalten, mangelhafte Benetzung, unzureichendes Lötvolumen oder Verunreinigungen.
• Schlechte Haftung des Pads oder frühzeitige Kraterbildung am Pad.
• Veränderungen, die sich aus der Miniaturisierung ergeben (kleinere Verbindungen weisen eine andere Spannungsverteilung auf, wobei die IMC-Dicke proportional dominanter wird).

Diese Probleme führen häufig zu Festigkeitsausfällen. Dieser Test quantifiziert diese Ausfälle.

• Es simuliert mechanische Belastungen und Ausfallmechanismen aus der realen Welt: Elektronische Produkte sind folgenden Belastungen ausgesetzt:
• Belastungen beim Transport und bei der Montage (z. B. Ausbau der Leiterplatte, Einbau des Steckverbinders, Testen im eingebauten Zustand).
• Vibrationen und Stöße (Automobilindustrie, Luftfahrt, Konsumgeräte bei Stürzen oder Transport).
• Thermomechanische Zyklen (Ausdehnungs-/Kontraktionsunterschiede).

Scherversuche simulieren Seitenkräfte, während Zugversuche Zug- bzw. Belastungen senkrecht zur Ebene simulieren. Hochgeschwindigkeitsvarianten zeigen eine gute Korrelation mit dem Fall-/Stoßverhalten.

• Es unterstützt die Prozessverifizierung, Qualifizierung und kontinuierliche Verbesserung: Hersteller verwenden Pull-Cut-Daten in folgenden Situationen:
• Prozesscharakterisierung: Neue Lötpasten, Schablonendesigns oder Oberflächenbeschichtungen.
• Wareneingangsprüfung von Bauteilen/Karten.
• Fehleranalyse nach Zuverlässigkeitsbelastungen (Temperaturwechsel, Alterung, Falltests).
• Vergleich zwischen Lieferanten oder Parteien.
• Es ergänzt andere Methoden: Während das Schneiden die Mikrostruktur offenbart und das Färben und Entfernen Rissmuster sichtbar macht, liefern Zug-Scher-Messungen schnelle, wiederholbare, kraftbasierte Messungen.

Seit vielen Jahren versteht unser Unternehmen mit seinen kompetenten und erfahrenen Mitarbeitern die Bedürfnisse seiner Kunden, bietet ihnen die benötigten fortschrittlichen Prüfdienstleistungen und unterstützt sie beim Aufbau, der Implementierung und der Optimierung von Managementsystemen. In diesem Rahmen bieten wir Unternehmen auch Prüfdienstleistungen für die Zug- und Scherfestigkeitsprüfung von SMD-Bauteilen (oberflächenmontierte Bauelemente) an.