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Auch hohe Fertigungsvolumen wirtschaftlich

Vor- und Nachteile des Lötens mit Dampfphase
Auch hohe Fertigungsvolumen wirtschaftlich

Zu Beginn der Oberflächenmontage (SMT) war das Löten in der Dampfphase, auch als Kondensationslöten bekannt, wegen seiner ausgezeichneten thermischen Übertragungseigenschaften die bei weitem bevorzugte Löttechnik. Der Prozess wird auch heute noch dort eingesetzt, wo Baugruppen mit einer Vielzahl von Komponenten mit sehr unterschiedlichen thermischen Massen zu löten sind. Populär ist das Verfahren beispielsweise in Entwicklungslabors für Prototypen und Null-Serien sowie bei Herstellern kleinerer Stückzahlen, aber wie der Beitrag zeigt, eignet sich das moderne Ofenequipment auch für hochvolumige, komplexe Produktionsprozesse.

Patrick McWiggin, Technischer Direktor, SolderStar Ltd.

In der Dampfphase lassen sich große thermischen Massen sehr gleichmäßig und rasch erwärmen, wobei die Peak-Temperatur gut kontrollierbar ist. Diese Technik setzt thermische Energie beim Übergang des Mediums vom gasförmigen in den flüssigen Zustand, frei. Dieser Phasenübergang, auch als Kondensation bekannt, hält an, bis die Baugruppe die Temperatur des Dampfs erreicht hat. Ein Vorteil ist, dass die Baugruppen nicht überhitzt werden können, ein großes Plus im Bleifrei-Prozess. Zudem gewährleistet der Prozess ein kontinuierliches, gleichmäßiges Erhitzen der kompletten Baugruppe, unabhängig davon, aus welche Materialien sie besteht.
Der Lötprozess ist frei von Sauerstoffresten ohne den Einsatz von Stickstoff und schließlich wird die Wärmeenergie sehr effizient übertragen, weshalb die Energiekosten (Betriebskosten) sinken. Natürlich gibt es auch einige Nachteile, beispielsweise der schnelle Temperaturanstieg sowie praktisch keine Einwirkung des Anwenders auf das Temperaturprofil. Entsprechend dieser Bedingungen konzentrierte sich das Dampfphasenlöten auf spezielle Anwendungen mit großen thermischen Massen oder komplexen Baugruppen in kleineren Stückzahlen wie in der Militärelektronik oder Luft- und Raumfahrt.
Mehr Kontrolle beim Dampfphasenlöten
Um den Herausforderungen im Prozess zu begegnen, hat SolderStar speziell für Dampfphasenanlagen ein Profilingsystem entwickelt. Die neuesten Modell bieten dem Anwender wesentlich mehr Kontrolle über den Lötvorgang. Dabei bleiben die Vorteile dieser Technik wie die fixierte Peaktemperatur erhalten, jedoch lassen sich nun Temperaturgradienten und Lötprofile frei bestimmen, automatisch die Zeit über Liquidus kontrollieren sowie stets in einer perfekten inerten Gasatmosphäre löten.
Ursprünglich war es einmal der „Traum“ der Hersteller dieser Lötanlagen, dass ein Temperaturprofiling unnötig wäre. Doch in der Produktionswirklichkeit zeigt sich, „Wie soll man etwas kontrollieren, das man nicht messen kann“. Man sollte eigentlich wegen der äußerst gleichmäßigen Temperaturübertragung annehmen, dass solche Lötfehler wie Tombstoning nicht vorkommen. Aber nicht immer halten sich die Schaltungsentwickler an die Empfehlungen der Anlagenhersteller, deswegen müssen Lötöfen in der Regel von Prozessspezialisten eingestellt und überwacht werden, um Qualität und Zuverlässigkeit sicher zu stellen.
Unabhängig davon, ob Löten im Batch, inline, atmosphärisch oder unter Vakuum erfolgt, das Unternehmen entwickelte dafür eine Lösung, die Anwender in die Lage versetzt, Lötprozesse und deren Qualitätsanforderungen bestens zu verstehen und zu kontrollieren. Ein zweiteiliges Instrument mit Schutz per Hitzeschild und geringer Masse verringert eventuelle Auswirkungen auf den Lötprozess und kann über die verschiedenen Stadien wie Vorheizung, Dampfphase und im Vakuum eingesetzt werden. Nach dem Prozessdurchlauf lässt sich die heiße Abdeckung rasch für Datenübertragung und Kühlung abnehmen, wobei das Beschädigungsrisiko des Instruments erheblich reduziert ist. Zusätzlich erfasste Daten lassen sich per drahtloser Telemetrie an jeden geeigneten PCs übertragen, dies ermöglicht Profilanalysen in Echtzeit.
Lötvorgänge zeichnen sich dadurch aus, dass jeder Komponentenanschluß auf einer Baugruppe auf eine lötfähige Temperatur gebracht wird, selbst Steckverbinder oder große BGAs. Dabei muß sicher gestellt sein, dass kein Teil überhitzt wird oder PCB-Delamination einsetzt. Somit wird beim Bleifreilöten das Prozessfenster ziemlich eng. Doch mit der Dampfphase können sogar doppelseitig bestückte FR4-Boards zuverlässig und ohne die Gefahr von Beschädigung durch Überhitzung zuverlässig gelötet werden. Die neuen Anlagen für Dampfphasenlöten mit ihren Optionen sind ausgezeichnete Systeme, die einfaches und fehlerfreies Löten ermöglichen.
Unterschiedliche Anlagen und Profiling-Methoden
Das Marktangebot umfasst einen weiten Bereich von unterschiedlichen Lösungen, vom Labor-Equipment für Prototypen, Batch-Systeme für mittlere Losgrößen bis hin zu Inline-Konfigurationen für die hochvolumige Produktion. Einige Batch-Maschinen können später bei Bedarf auch noch für Inline-Betrieb aufgerüstet werden. Als führende Anlagenhersteller im Segment der Dampfphasenlötanalgen verwenden und empfehlen Rehm Thermal Systems und IBL Technologies das Profiling-Equipment des Unternehmens für ihre Öfen.
Diese unterschiedliche Maschinenkategorien lassen sich vorteilhaft in ihrem thermischen Profil mit SolderStar definieren, beispielsweise die Öfen für mittlere Fertigungsvolumen. Sie arbeiten im Batchbetrieb, wobei zum Löten die Baugruppen in Körbe geladen werden. Diese Körbe werden dann von der Maschine in die Dampfphasenkammer zum Vorheizen und Löten transportiert und nach dem Prozess wieder ausgegeben. Für diesen Maschinentyp ist die Profilerstellung schwierig, sie weisen oft interne Thermopaare auf, die mit der Außenwelt verbunden werden. Ein externes Profilersystem wird zum Erfassen der Temperaturkurve verwendet, allerdings ist die Verdrahtung für die laufende Kontrolle der täglichen Produktion nicht unbedingt ideal. Solche Lötöfen gibt es auch als Vakuum-Ausführung. Dabei ist die Prozesskammer hermetisch abgedichtet, eine Verdrahtung unmöglich und nur ein Durchlaufsystem ist verwendbar – hier spielt das System des Unternehmens seine großen Stärken für den Anwender voll aus.
Oder nehmen wir den in der Volumenfertigung präferierten Inline-Prozess. Dieser ist mit Thermopaar-Verdrahtungen genauso sehr schwierig im Dampfphasenofen zu profilieren wie ein großer Reflowofen mit langen Anschlüssen zum Profilinginstrument. Solche Leitungen behindern den gesamten Lötprozeß und außerdem sind die Ergebnisse nicht immer zuverlässig. Und nochmals kurz angemerkt: in Vakuumanlagen lassen sich solche Leitungen sowieso nicht einsetzen.
Das System PRO-VP ermöglicht sowohl Anwendern von Batch- als auch Inline-Dampfphasenanlagen auf die gleiche Weise thermische Profile für ihre Produkte zu erfassen, wie bei den üblichen Reflow-Lötöfen. Dieses System besteht aus dem PRO Datenlogger, der von einem Hitzeschutz ohne große Masse geschützt ist und somit komplikationslosen Betrieb in den unterschiedlichen Maschinenzonen wie Vorheizung, Dampfphasenlöten und im Vakuum ermöglicht. Die erfassten Daten werden per drahtloser Telemetrie einfach an einen nahe platzierten PC übertragen und können in Echtzeit analysiert werden. Nach dem Einsatz lässt sich der leichte Hitzeschild von der Einheit einfach abnehmen und der Datenlogger zum Auslesen und weiteren raschen Abkühlen entnehmen. Das Gerät bietet die Möglichkeit, den Datenlogger extern per Verdrahtung anzuschließen. Damit ist es die perfekte Lösung für Elektronikhersteller mit unterschiedlichen Lötsystemen (auch Wellenlöten), denn mit einem Instrument lassen sich alle Aufgaben erledigen. Zudem kann man über den USB-Anschluss am Datenlogger während des Ofendurchlaufs die Daten in Echtzeit analysieren. Dieses Gerät, das durch den Ofen läuft, ist das Hauptinstrument des Systems. Nur dieses erlaubt die thermische Profilierung von Vakuum-Maschinen und ist bei weitem die technisch überragende Methode für jede Dampfphasenanlage.
Der Feind des Profilers – hohe Wärmeübertragung
Wegen des in Dampfphasenanlagen eingesetzten fluorierten Kohlenwasserstoffs Galden ist im Vergleich zu üblichen Reflow-Konvektionsöfen die Wärmeübertragung sehr hoch. Deswegen kommt dem Schutz des Datenloggers gegen Überhitzung besonders hohe Bedeutung zu. Natürlich darf auch kein Dampf in das Innere der Profilingeinheit gelangen, denn dieser würde das Gerät zerstören. Kommt dann noch Vakuum ins Spiel, steigen die Herausforderungen weiter, denn das System muss allen Differenzdrücken widerstehen, die im Prozess vorkommen. Und eine Echtzeit-Telemetrie ist nötig, um die Instrumentendaten aus dem Ofen bzw. der Vakuumkammer an einen PC weiterzuleiten.
Zur Lösung dieser Aufgabenstellung gibt es zwei Möglichkeiten:
  • Die gesamte Auswerteelektronik plus Thermopaare innerhalb eines thermisch geschützten Geräts. Der Vorteil ist die geringe Abmessungen des Systems. Von Nachteil, es muss perfekt abgedichtet sein, um den Einflüssen des Vakuums zu widerstehen, außerdem ist eine sehr guter Schutz gegen die Hitze nötig, was Gewicht und thermische Masse in die Höhe treibt. Nach dem Ofendurchlauf ist das Instrument sehr heiß. Weil die Einheit abgedichtet ist heizt sie nach und es besteht die Gefahr der Beschädigung von Batterie und Elektronik. Zwangskühlung ist deshalb nötig, beispielsweise Wasserbad oder ähnliches.
  • Zweiteiliges Instrument – Die Schutzabdeckung des Datenloggers läßt sich sehr einfach und rasch nach dem Ofendurchlauf entfernen. Hier ist der Vorteil ein besserer thermischer Schutz sowie rasche Abkühlung nach Einsatz. Der Datenlogger kann bei Bedarf in unterschiedlichen Ofensystemen eingesetzt werden, und im Jahresrhythmus muss nur ein Instrument regelmäßig gewartet und kalibriert werden, nicht mehrere Geräte. Der Nachteil: Das System weist etwas größere Abmessungen auf. Viele Prozessspezialisten haben Bedenken, dass die Einheit im Ofen zu viel thermische Energie aus dem Dampf aufnimmt und somit die Messung ungünstig beeinflussen könnte. Je mehr Masse solch ein Instrument hat, um so mehr Bedenken werden laut. Im Unternehmen ist man der Auffassung, dass die eigene Lösung der anderen Methode dennoch vorzuziehen ist.
Wie die Arbeit im Unternehmen ergab, ist stets die thermische Masse problematisch in ihrem Prozesseinfluss. Deshalb wurde ein leichtes, dünnes Schutzschild entwickelt, das eine große schützende Oberfläche bei sehr geringer thermische Masse aufweist. Die Teflon-Beschichtung ist resistent gegenüber Ablagerungen aus dem Kohlenwasserstoff Galden und hat erwiesenermaßen keinerlei negative Auswirkungen auf den Prozess Das dünne, leichte Schutzschild erwärmt sich sehr rasch und sobald die Prozesstemperatur erreicht ist, findet darauf praktisch keine Kondensierung mehr statt. Die speziell gerippte und verstärkte Konstruktion enthält eine Druckentlastung damit sie nach dem Durchgang im Vakuum leicht geöffnet werden kann.
Zur Probe aufs Exempel wurde das System mit der kleinsten Ausführung des Dampfphasenofens Asscon Quicky 450 geprüft. Das kleinste Modell deswegen, denn wenn Auswirkungen auf den Prozess stattfinden würden, dann würde dies auf der Maschine mit der kleinsten Prozesskammer am frühesten zu beobachten sein. Das Temperaturprofil wurde zum einen mit der direkten Anbindung per Verdrahtung durchgeführt, also ohne Instrument in der Kammer, und dann zum anderen mit dem Instrument im Ofen.
Der Test wurde durchgeführt, um drei wesentliche Faktoren zu überprüfen:
  • Abschließende Bewertung der thermischen Eigenschaften des neuen VP Hitzeschilds
  • Dichtigkeitsprüfung der neuen O-Ring-Abdichtung
  • Lokalisieren von irgendwelchen Effekten der thermischen Abschirmung auf den Prozess.
Ergebnisse des internen Tests:
  • Schutzschild ist für die meisten Dampfphasenprozesse völlig ausreichend
  • Die neue O-Ring-Abdichtung schützt hinreichend
  • Sowohl die roten als auch die grünen Linien des Temperaturprofils überdecken sich praktisch weitgehend im Aufheiz- und Peakbereich. Die grüne Linie zeigt eine etwas längere Peakzeit, weil hier der Prozess etwas länger verweilt. Die Temperaturrate sowie die Zeit der Aufheizung waren identisch sowohl mit dem Instrument innerhalb und außerhalb der Kammer.
Die in einer kleinen Maschinen wie die Asscon Quicky verfügbare thermische Energie in der Dampfphase ist geringer als bei größeren Maschinen; man wird hier das Profilingsystem vorzugsweise intern einsetzen. Die Temperaturschutz mit seiner geringen Masse ist sehr schnell aufgeheizt und die thermische Energie, die absorbiert wird, ist gering. Deshalb konnte zu keiner Zeit ein Einbruch der Dampfphase beobachtet werden und der Prozess blieb unberührt.
Das System wurde nicht nur von uns intern geprüft, sondern auch von namhaften Equipmentherstellern wie Rehm und IBL. Beide haben das Profilersystem getestet und empfehlen es für den Einsatz mit ihren Ofenanlagen. IBL bietet SolderStar jetzt auch direkt zusammen auch mit seinen Öfen an.
Echtzeit-Telemetrie
Ein anderer wichtiger Punkt der Entwicklungsarbeit war die Echtzeit-Telemetrie für die zuverlässige Funktion in der Vakuum-Prozesskammer. In solchen Prozessen beobachten die Spezialisten das Profil vorzugsweise in Echtzeit. Das ist allerdings in Maschinen aus Metall nicht unkritisch, denn sie schwächen die Funksignale stark ab. Noch kritischer wird es mit Signalen aus einer Vakuumkammer, die wie ein Faradayscher Käfig wirkt. Hier hat man sonst üblicherweise Leitungen nach aussen fest verdrahtet.
Die dazu vom Unternehmen entwickelte innovative Methode ist eine außergewöhnliche Lösung. Das System basiert auf einem vermaschten Netzwerk, das eine sehr zuverlässige, selbst-heilende Verbindung sicherstellt. In diesem Verfahren können Router und Repeater bei Bedarf so eingesetzt warden, dass sie als eine Art Relaistation die Signal weiterleiten. Normalerweise ist aber kein Repeater nötig, wenn sich der PC für den Datenaustausch innerhalb eines Radius von 10m befindet. In solchen Umgebungen sind andere Profilingsysteme nicht mehr funktionsfähig. Zusätzlich wird auch noch ein intelligentes 2-Wege-Protokoll verwendet, wenn das Signal nicht zu 100% garantiert werden kann. Stellt dass System für einige Sekunden eine einbrechende Verbindung fest, puffert der Datenlogger und lädt dann die Daten ab sobald die Verbindung wieder steht. Anschließend geht es weiter mit der Echtzeit-Datenerfassung. Andere Systeme verlieren in solchen Situationen einfach die Messdaten.
Fazit
Es zeigt sich, dass Dampfphasenlöten auch bei hohen Fertigungsvolumen wirtschaftlich sehr interessant ist. Moderne Maschinenkonzepte ermöglichen ausgezeichnete Durchsatzleistungen bei hochqualitativen Ergebnissen. Der Dampf füllt im Ofen alle Bereiche einer Kammer gleichmäßig aus und stellt somit eine gleichförmige Temperaturverteilung über Baugruppen und damit gute Lötergebnisse sicher. Bei Reflow-Konvektionsöfen kann hingegen die Temperaturverteilung deutlich schwanken. Die physikalisch inhärente Begrenzung der Maximaltemperatur in einem Dampfphasensystem sorgt dafür, daß keine weiteren Maßnahmen gegen Überhitzung des Lotguts nötig sind. Dieses Prozeß-Qualitätsmerkmal schlägt sich sehr positiv auf der Langzeit-Zuverlässigkeit der damit gelöteten Baugruppen nieder. Ein Reflow-Konvektionsofen hingegen verlangt umfangreiche Vorbereitungen beim Erstellen des Temperaturprofils. Außerdem kann im Betrieb eine Überhitzung von Baugruppenbereichen nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden, insbesondere dann, wenn auf einem Board die thermischen Massen stark variieren.
In einem Dampfphasenofen wird zum Erzielen von perfekten Lötergebnissen nur eine Übertemperatur von 5 bis 10K über den Schmelzpunkt der Lotpaste benötigt. Andere Reflowverfahren brauchen jedoch 30 bis 35K Übertemperatur, weil die Wärmeübertragung deutlich langsamer erfolgt. Niedrigere Löttemperaturen reduzieren den Temperaturstress der Bauteile und des Substrats/PCB (Delamination), auch das Popcorning der Komponenten wird minimiert. In diesem Prozess herrscht grundsätzlich eine sauerstofffreie Atmosphäre (bessere Benetzung der Lötoberflächen) ohne zusätzliche Investitionen oder Kosten für Equipment und Gase. Auch die Energiebilanz stellt sich vorteilhaft dar (Leistungsaufnahme nur 5 bis 6 kW für große Inline-Systeme) als bei Konvektionssystemen, den die Wärmeenergie wird in der Flüssigkeit zum Erzeugen des Dampfs gespeichert. Mit weiter verbesserten Isoliermaßnahmen wird die Abstrahlung von Wärmeenergie in die Umgebung reduziert, was in vielen Fällen zusätzlichen Kühlungsbedarf in der Fertigung erheblich reduziert. Die geringere Baugröße von Dampfphasenöfen im Gegensatz zu Konvenktionsausführungen spart erheblich Platz in der Fertigung. Berücksichtigt man die heutigen und künftigen Entwicklungen bei komplexen Bauteilen sowie Fertigungsprozessen, dann zeigt sich, daß Dampfphasenlöten in vielen Fällen eine perfekte Lösung darstellt. Zusammen mit dem Temperaturprofilingsystem SolderStar, seinen speziellen Funktionen und der hochentwickelten Software lassen sich die Prozesse in diesen Lötanlagen optimal definieren und im gleichen Umfang wie bei konventionellen Reflowöfen überwachen.
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