Lötung von BGA mit geringem Hohlraumanteil: Bewältigung von Herausforderungen bei Millimeterwellen- und verlustarmen Verbindungen in 5G/6G-Kommunikations-PCBs

technology2. November 2025 10 Min. Lesezeit

BGA-Reflow mit geringem HohlraumanteilBGA mit geringem HohlraumanteilMillimeterwelle5G/6GVakuum-ReflowRöntgenBoundary-Scan/JTAGFlying-Probe-TestRückverfolgbarkeit/MESSchutzlackierungTHT/Durchsteckmontage-Lötung

Auf dem Weg der 5G/6G-Kommunikationstechnologien zu höheren Frequenzbändern (Millimeterwelle) und größeren Datenraten sind PCBs nicht nur Träger von Komponenten, sondern der entscheidende Faktor für die Leistungsgrenze eines Systems. Als Mikrowellenmesstechniker verstehe ich, dass jeder geringfügige physikalische Defekt in S-Parameter-Kurven unendlich vergrößert werden kann. Unter diesen ist das Low-void BGA Reflow-Löten keine Option mehr, sondern ein zentraler Eckpfeiler zur Gewährleistung von Signalintegrität, Wärmemanagement und Langzeitstabilität. Ohne hochwertige Verbindungen können selbst die präzisesten De-Embedding-Algorithmen und fortschrittlichsten Prüfstationen Signalverzerrungen nicht beheben.

Der entscheidende Einfluss von Low-void BGA Reflow auf die S-Parameter-Konsistenz

In Millimeterwellen-Frequenzbändern sind BGA-Lötstellen keine einfachen elektrischen Verbindungen mehr, sondern komplexe passive Bauelemente, deren geometrische Formen und Materialeigenschaften die Impedanz der Übertragungsleitung direkt beeinflussen. S-Parameter (insbesondere die Rückflussdämpfung S11 und die Einfügedämpfung S21) sind der Goldstandard zur Messung der Signalqualität. Blasen oder Hohlräume in BGA-Lötstellen verursachen abrupte Änderungen der lokalen Dielektrizitätskonstanten, wodurch Impedanzdiskontinuitäten entstehen. Dies führt zu:

Verschlechterte Rückflussdämpfung: Signale reflektieren an Hohlräumen, verhindern eine effektive Energieübertragung zum Chip und führen zu verschlechterten S11-Parametern.
Erhöhte Einfügedämpfung: Diskontinuitäten im Signalpfad verstärken die Energiedissipation, insbesondere bei hohen Frequenzen, und schwächen die Signalstärke direkt.
Phasenverzerrung: Unregelmäßige Hohlräume führen zu geringfügigen Variationen bei den Übertragungsverzögerungen, was in Modulationssystemen höherer Ordnung (z.B. QAM) zu einem Anstieg der Bitfehlerraten (BER) führen kann.

Ein präzise gesteuerter Low-void BGA Reflow-Prozess kann die Hohlraumraten auf branchenführende Niveaus (z.B. unter 5 % als Beispiel) reduzieren, eine nahezu ideale Impedanzanpassung für Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten bieten und hochkonsistente und wiederholbare S-Parameter-Messungen gewährleisten.

De-embedding-Methodik: Warum hochwertiges Löten die Grundlage der TRL/LRM-Kalibrierung ist

Bei der Durchführung präziser On-Wafer-/On-Board-Messungen müssen De-embedding-Techniken (z.B. TRL, LRM, SOLT) verwendet werden, um parasitäre Effekte, die durch Testvorrichtungen und Sonden eingeführt werden, zu eliminieren und die wahre Leistung des Prüflings (DUT) aufzudecken. Alle De-embedding-Algorithmen basieren jedoch auf einer Kernannahme: Übergangsstrukturen sind vorhersehbar und wiederholbar. Lunker in BGA-Lötstellen sind genau das, was diese Annahme untergräbt. Größe, Lage und Anzahl der Lunker sind hochgradig zufällig und verursachen Variationen in den elektrischen Modellen jeder BGA-Lötstelle. Diese Zufälligkeit kann mit Standard-TRL- (Thru-Reflect-Line) oder LRM- (Line-Reflect-Match) Kalibrierstandards nicht genau modelliert oder entfernt werden. Letztendlich enthalten die gemessenen S-Parameter nicht entfernbare Fehler, die die Validierungsergebnisse von Chips oder Systemen direkt beeinflussen. Daher ist ein stabiler und zuverlässiger lunkerarmer BGA-Reflow-Prozess eine Voraussetzung für präzises De-Embedding, um die höchste Konsistenz in der elektrischen Umgebung von Kalibrierstandards bis zum Prüfling (DUT) zu gewährleisten.

Implementierungsprozess für lunkerarmes BGA-Reflow

Lötpastenauswahl und -kontrolle: Verwenden Sie lunkerarme Formulierungen (Flussmittelverflüchtigungskontrolle) mit strenger Verwaltung von Lagertemperatur, Luftfeuchtigkeit und Reflow-Zeit.
Optimierung des Schablonendesigns: Passen Sie BGA-Pad-Fenster/-Maschenöffnung, Dicke und Lötmittelreduktionsverhältnis an, um Flussmittelrückstände und Gasaustrittspfade zu kontrollieren.

Vakuum-Reflow: Einführung von Vakuum und Druckhaltung in der Flüssigphasenzone (z.B. Vakuumsegment/-dauer), um Gas- und flüchtige Rückstände in Lötstellen zu reduzieren.

Inline-Röntgeninspektion: 100% Röntgenüberwachung (2D/3D) kritischer BGAs hinsichtlich Hohlraumrate, -position und -morphologie, Identifizierung von Head-in-Pillow-Defekten.

Rückverfolgbarkeit/MES: Verknüpfung von Reflow-Profilen, Vakuumniveaus, Röntgen-Ergebnissen und Seriennummern zur Bildung von geschlossenen Rückverfolgbarkeitsdaten.

Hohlraumquellen und Gegenmaßnahmen (Ursache → Auswirkung → Minderung)

Potenzielle Ursache	Auswirkung	Minderungsmaßnahmen (Typische Praktiken)
Übermäßige Flussmittelverflüchtigung/-rückstände	Gasbildung in Lötstellen, wodurch 3D-Hohlräume entstehen	Formulierungen mit geringer Flüchtigkeit, reduzierte Lötöffnungen, optimierte Vorheiz-/Benetzungs-/Einweichzonen
Leiterplattenfeuchtigkeit/Bauteilhygroskopie	Wasserdampfexpansion während des Reflow-Lötens, die Hohlräume/Popcorning verursacht	Vorbacken, kontrollierte Lager- und Reflow-Bedingungen, MBB-Management
Schlechte Schablonen-Pad-Ausrichtung	Ungleichmäßiges Lötvolumen/Brückenbildung und Gasabflussbehinderung	Fenster-/Gitteröffnungen, SMD/NSMD-Koordination, Lötstopplackbrücken-Kontrollabstand
Ungeeignetes Reflow-Profil	Unzureichende Benetzung, Gasverfestigung vor dem Entlüften	Heizrate, Dauer der Flüssigphase und Spitzentemperatur kontrollieren, an Vakuumphase anpassen
Unterschiede in der Oberflächenveredelung (OSP/ENIG/ENEPIG)	Benetzungsunterschiede/fragile Grenzflächen, die Defekte verursachen	Auswahl an Prozessfenster anpassen, bei Bedarf Pilotmuster durchführen

## Prozessfenster und Parameter (Beispiel)

Parameter	Typischer Bereich/Praxis (Beispiel)	Wichtige Punkte
Vorbacken	Leiterplatten/Komponenten werden entsprechend der Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe vorgebacken	Entfernt Feuchtigkeit, um Leiterplattenexplosionen zu verhindern und durch Feuchtigkeit verursachte Hohlräume zu reduzieren
Aufheizen/Haltezeit	Kontrollierte Aufheizrate + ausreichendes Halten	Fördert die Verflüchtigung und Benetzung, verhindert Lötmittelspritzer
Liquidus-Zone/Spitze	Ausreichende TAL (Zeit über Liquidus) und Spitzentemperatur	Gewährleistet ausreichende Legierungsbenetzung/-füllung
Vakuumphase/Haltedruck	Vakuum während der Liquidusphase mit kurzem Druckhalt einführen	Reduziert Restgas und flüchtige Bestandteile in Lötstellen
Stickstoffatmosphäre	Sauerstoffarmes Reflow (z.B. niedrige ppm)	Verbessert die Benetzung, reduziert Oxideinschlüsse
Schablone/Pad	Fenster-/Gitteröffnungen, SMD/NSMD-Anpassung	Gleicht Lötvolumen und Gasentlüftung aus, kontrolliert Brückenbildung

Material- und Designauswirkungen (5G/6G-bezogen)

Oberflächenveredelung: ENIG/ENEPIG/OSP zeigen unterschiedliche Benetzungsverhalten; es wird empfohlen, dies gemeinsam mit der Lötpaste/dem Profil zu validieren.
Pad-Definition: SMD/NSMD verhalten sich bei der Lötkehlenausbildung und dem Reflow-Benetzen unterschiedlich; eine gemeinsame Optimierung mit der Schablone wird bevorzugt.
Blind-/vergrabene Vias und Via-in-Pad: Es wird empfohlen, diese zu füllen + galvanisch zu versiegeln, um direkte Gaskanäle zu den Lötstellen zu vermeiden.
Substratauswahl: Hochfrequenz-/verlustarme Materialien (wie Hochfrequenz-Leiterplatten, PTFE-/Rogers-Serien) in Kombination mit lötstellenarmen Lötungen können den Einfügungsverlust reduzieren; siehe Hochfrequenz-Leiterplatte, Teflon-Leiterplatte, Rogers-Leiterplatte.

Mess- und Bewertungskriterien (Beispiel)

Punkt	Typische Kriterien/Ziel (Beispiel)	Methode	Beschreibung
BGA-Einzelkugel-Hohlraumrate	≤ 10% (Übliches Ziel)	2D/3D-Röntgenflächenmethode	Strenger in Millimeterwellen-Szenarien, abhängig von Gehäuse und Spezifikationen
Wärmeleitpad/Großer Pad-Hohlraum	Fläche/Verteilung kontrolliert (Strenger für Leistungsbauelemente)	Röntgen + Wärmebildgebung/Simulationskorrelation	Beeinflusst Wärmeableitung und Zuverlässigkeit bei thermischer Wechselbeanspruchung
S-Parameter-Konsistenz	Konsistenz innerhalb/zwischen Chargen (S11/S21)	VNA + De-Embedding (TRL/LRM/SOLT)	Wiederholbarkeit der Lötstelle ist Voraussetzung

Hinweis: Die oben genannten Beispiele sind gängige Praxis. Die endgültige Implementierung sollte den geltenden Normen und Designbeschränkungen entsprechen (z.B. IPC-7095, IPC-A-610 Klasse 3, Unternehmensstandards).

## Probestation und Prüfvorrichtungen: Übergangseffekte und Wiederholbarkeit an der Quelle kontrollieren Bei Millimeterwellenmessungen an Probestationen verbringen Ingenieure viel Zeit damit, einen wiederholbaren Kontakt zwischen Sonden und Pads sicherzustellen. Eine andere kritische Variable im Signalpfad wird jedoch oft übersehen: BGA-Lötstellen. Wenn das BGA selbst Defekte aufweist, führt selbst ein perfekter Sondenkontakt immer noch zu einer schlechten Messwiederholbarkeit.

Um Verbindungsprobleme nach der Montage schnell zu lokalisieren, ist der Boundary-Scan/JTAG-Test die Standardmethode zur Überprüfung der Konnektivität des digitalen Signalpfads. Er erkennt effektiv Unterbrechungen oder Kurzschlüsse, kann jedoch subtile Impedanzschwankungen, die durch Hohlräume verursacht werden, nicht identifizieren. Für hochfrequente analoge Signale verlassen wir uns mehr auf Netzwerkanalysatoren und TDR. Vor diesen Tests stellt eine 100%ige elektrische Inspektion von Leiterplatten mittels Flying Probe Test sicher, dass während der Leiterplattenfertigung keine Defekte eingeführt werden, was eine solide Grundlage für eine hochwertige Montage legt. HILPCBs SMT-Bestückung beinhaltet den Flying Probe Test als Standardverfahren, um Substratprobleme an der Quelle zu eliminieren.

Umfassende Validierung des Montageprozesses: Von Boundary-Scan/JTAG bis Röntgen

Ein robustes Qualitätskontrollsystem muss mehrere Testmethoden integrieren. Boundary-Scan/JTAG-Tests dienen als erste Verteidigungslinie nach der Montage - sie sind kostengünstig, effizient und decken schnell die meisten digitalen I/Os ab. Für Strom- und Massepins sowie Hochgeschwindigkeits-Differenzpaare auf 5G/6G-Kommunikationsplatinen übersteigt die Validierung der Hochfrequenzleistung jedoch die Fähigkeiten von JTAG bei weitem.

Deshalb ist die Röntgeninspektion für die BGA-Montage entscheidend. Sie erkennt nicht nur visuell Hohlräume, sondern überprüft auch die Ausrichtung der Lötperlen, Brücken oder Head-in-Pillow-Defekte. In Kombination mit einem fortschrittlichen Rückverfolgbarkeits-/MES-System können wir die Boundary-Scan/JTAG-Ergebnisse, Röntgenbilder und Reflow-Profildaten jeder Platine korrelieren, um eine vollständige Qualitätsaufzeichnung zu erstellen. Diese durchgängige Rückverfolgbarkeit ist entscheidend für die Fehlerlokalisierung und die kontinuierliche Prozessverbesserung.

Wichtige Punkte für die Bestückung von Millimeterwellen-Leiterplatten

Geringe Hohlraumbildung ist Voraussetzung: Bottom-Termination-Gehäuse wie BGA/QFN erfordern eine strenge Hohlraumkontrolle, um Impedanz- und Wärmeleistung zu gewährleisten.
Hohe Platzierungsgenauigkeit: Abweichungen in Position/Orientierung von Millimeterwellenkomponenten beeinträchtigen die Anpassungs- und Strahlungsleistung.

Hybride Bestückungsfähigkeit: Ausgereifter Prozess für SMT + THT (HF-Steckverbinder/Hochleistungsbauelemente).

Endgültiger Schutz: Auswahl verlustarmer Schutzlacklösungen mit selektivem Auftrag, unter Vermeidung von HF-Netzwerken und Antennenbereichen.

Jenseits des Lötens: Die Synergie von THT und Schutzlack in rauen Umgebungen

5G/6G-Kommunikationsgeräte, insbesondere Basisstationen und Endgeräte, werden oft in anspruchsvollen Außenumgebungen betrieben. Über BGAs hinaus verwenden viele HF-Steckverbinder, Leistungsmodule und Filter immer noch die THT-/Durchstecklöttechnologie aufgrund ihrer überlegenen mechanischen Robustheit. Eine zuverlässige Bestückungslösung muss sowohl SMT- als auch THT-Prozesse beherrschen, um grundsolide mechanische und elektrische Verbindungen auf der gesamten Platine zu gewährleisten.

Nach der Bestückung dient der Schutzlack als letzte Schutzbarriere. Ein unsachgemäßer Lackauftrag kann jedoch die dielektrischen Umgebungen von Übertragungsleitungen verändern, was zu Impedanzdrift und einer Verschlechterung der Hochfrequenzleistung führt. Daher ist es unerlässlich, verlustarme Beschichtungen auszuwählen, die speziell für Hochfrequenzanwendungen entwickelt wurden, und selektive Beschichtungsverfahren zu implementieren, die kritische HF-Anpassungsnetzwerke und Antennenbereiche vermeiden. Dies erfordert tiefgreifende HF-Prozesskenntnisse von den Bestückungsdienstleistern.

Qualitätssicherung und Prozesskontrolle: Die Bedeutung von Rückverfolgbarkeits-/MES-Systemen

In der Herstellung von High-End-Kommunikations-Leiterplatten sind Konsistenz und Rückverfolgbarkeit von entscheidender Bedeutung. Ein robustes Rückverfolgbarkeits-/MES (Manufacturing Execution System) ist zentral, um dies zu erreichen. Für Reflow-Lötprozesse von BGA mit geringer Hohlraumbildung erfasst und korreliert das MES-System die folgenden kritischen Daten:

Materialinformationen: Lotpasten-Chargennummern, Leiterplattenlieferanten, Komponenten-Chargencodes.
Prozessparameter: Schablonendrucker-Druck/Geschwindigkeit, Bestückungskoordinaten, Reflow-Ofen-Temperaturprofile, Vakuumniveaus.
Inspektionsdaten: SPI (Solder Paste Inspection), AOI (Automated Optical Inspection), Röntgen, Flying Probe Test und Boundary-Scan/JTAG Ergebnisse.

Wenn Leistungsabweichungen auftreten, ermöglicht das MES-System eine schnelle Rückverfolgung zu bestimmten Chargen, Geräten oder Prozessparametern, was eine schnelle Reaktion und Ursachenanalyse erleichtert. Dies ist entscheidend für den schlüsselfertigen PCBA-Bestückungsservice von HILPCB, bei dem wir die volle Verantwortung von der Komponentenbeschaffung bis zur Endprüfung übernehmen.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Ist Vakuum-Reflow für geringe Hohlraumbildung zwingend erforderlich?: Für Millimeterwellen-/leistungsempfindliche Anwendungen reduzieren Vakuumphasen typischerweise Hohlräume erheblich; die Notwendigkeit hängt von den tatsächlichen Anforderungen ab.
Ist die Röntgeninspektion ausreichend?: Die Röntgeninspektion bestimmt die strukturelle Integrität; wir empfehlen die Kombination mit S-Parametern/Wärmebildgebung/Funktionsprüfung für eine geschlossene Validierung.
Erhöht Via-in-Pad die Hohlräume?: Ungefüllte Durchkontaktierungen können die Wahrscheinlichkeit von Hohlräumen erhöhen. Es wird empfohlen, diese zu füllen und zu plattieren.
Ist Nacharbeit möglich?: Häufige Nacharbeit wird für Millimeterwellenanwendungen nicht empfohlen. Falls erforderlich, verwenden Sie eine Boden-Vorheizung und spezielle Profile, gefolgt von einer 100%igen Röntgeninspektion nach der Nacharbeit.

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Fazit: Den Grundstein für den 5G/6G-Erfolg mit überlegenen Montageprozessen legen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Leistungsvalidierung für 5G/6G-Kommunikations-PCBs ein systematisches Projekt ist, das mit überlegener Fertigung und Montage beginnt. Der Prozess des hohlraumarmen BGA-Reflow-Lötens ist entscheidend, um die Signalintegrität von Millimeterwellen zu gewährleisten, Verluste zu reduzieren und die thermische Effizienz zu verbessern. Er bestimmt direkt die Genauigkeit und Konsistenz der S-Parameter-Messungen und bildet die Grundlage für alle nachfolgenden elektrischen Validierungsbemühungen. Bei HILPCB verstehen wir jeden Schritt vom Design bis zur Messung zutiefst. Wir bieten nicht nur fortschrittliche Low-void BGA Reflow-Technologie, sondern integrieren sie auch nahtlos mit THT/Durchsteckmontage, Schutzlackierung (Conformal Coating) und anderen Prozessen. Durch Flying-Probe-Tests, Boundary-Scan/JTAG und ein umfassendes Rückverfolgbarkeits-/MES-System bieten wir eine durchgängige Qualitätssicherung für Ihre Hochfrequenz-Leiterplatten-Projekte. Uns zu wählen bedeutet, mit einem professionellen Team zusammenzuarbeiten, das die Herausforderungen der Millimeterwellen-Technologie versteht.