Unkomplizierter Bleifrei-Prozeß

Uwe Filor, Asscon

Asscon hat aus den über 50 Anwendern seiner Dampfphasenlötanlagen drei typische Anwenderunternehmen bzw. Ein-oder Umsteiger aus anderen Techniken nach deren Gründen und Erfahrungen befragt. Im einzelnen sind dies: Herbert Schmid, Geschäftsführer von Productware, der von Konvektions-Lötanlagen auf die Dampfphase umstieg; Gerald Carda technischer Direktor von phase5 digital products, wo man sich bei einer Neubeschaffung für Dampfphasenlöten entschieden; Albrecht Muhn Angestellter der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI), hier steht die gleichmäßige Temperaturverteilung im Vordergrund.

Das Unternehmen Controllware gründete vor einigen Jahren die Productware GmbH mit dem Ziel, die Entwicklung und Fertigung von Kleinserien und Mustern im eigenen Hause vorzunehmen. Der Ableger Productware entwickelte sich in der Folge zu einer termintreuen und qualitätsbewußten Dienstleistungsfirma der Elektronik. Derzeit ist Productware etwa 60 Mitarbeiter ‘stark’ und erzielt einen Umsatz von 40 Mio DM jährlich. Das Produktspektrum sind Klein- und Nullserien, die mit modernem Fertigungsequipment produziert werden. Für die höhervolumige Se-rienproduktion arbeitet man mit OEM-Partnern zusammen. „Qualität, Termintreue und die fachliche Kompetenz sind wichtige Ressourcen“, unterstreicht Geschäftsführer Schmid. So beginne die Fertigungsplanung schon mit dem Produktspektrum der Bauteile und hat unter anderem einen schnellen Produktionsablauf der Baugruppen zum wesentlichen Inhalt.

„Löttechnisch gesehen ist das Hauptproblem bei sehr komplexen Baugruppen die Temperaturdifferenz (Delta T) der Erwärmung über das Board“, resümmiert Herbert Schmid. Beim Dampfphasenlöten sei der Prozeß in sich einfach und problemlos reproduzierbar auch bei Losgröße Eins. Eine nennenswerte Temperaturdifferenz gebe es praktisch nicht mehr. Das Verfahren basiert auf der linearen Abhängigkeit der Dampferzeugung von der zugeführten Wärmemenge. Somit kann über die Energiezufuhr die Dampfmenge ziemlich einfach gesteuert und damit der Temperaturgradient beim Aufheizen der Baugruppe beliebig gewählt werden.

Die Qualität der Lötstellen erfüllt bei den Productware-Boards hohe Anforderungen, zumal die Wärmebelastung weit unter jener von Konvektions-Lötanlagen liegt. Konvektionsöfen haben den Nachteil, daß für die Wärmeübertragung das Medium Luft oder als Inert-Gas Stickstoff verwendet wird. Deswegen benötigt die Vorerwärmung der Baugruppen längere Zeit. Bei Lotpasten mit feiner Metallpulverfraktion können eventuell die Aktivatoren nicht mehr ausreichend reagieren. Die Folge ist ein Produktionsprozeß, der nicht stets exakt reproduzierbar ist. „Das Dampfphasenlöten ist nach unserer Meinung ein stabiler Prozeß für jede Art von Baugruppen, speziell im Nullserien-Bereich, sagt Geschäftsführer Schmid. „In der Regel sind nur zwei Löteinstellungen für das gesamte Produktspektrum nötig, das bringt zusätzliche Sicherheit in die Produktion. Zudem setzen wir das Verfahren auch zur Reparatur von Bauteilen ein.“

Phase5 digital products ist ein Hersteller von Hardware, Zubehör und diversen Computererweiterungen. Schwerpunkt von Entwicklung und Produktion sind spezielle Erweiterungskarten für Amiga und Apple Macintosh, insbesondere CPU-Beschleuniger, Grafikkarten und SCSI-Controller. Mittlerweile wurden über 100.000 Baugruppen gefertigt und ausgeliefert. Die Phase5 Elektronikfertigung GmbH ist eine unabhängige Tochtergesellschaft des Unternehmens, das die Produktion der Baugruppen vornimmt. Das Unternehmen führt die Bestückung der Leiterplatten mit modernen Automaten durch. Außerdem offeriert man als Dienstleister eine Fertigung, die bereits ab Losgröße eins tätig wird.

Geschäftsführer Gerald Carda kommentierte die Entscheidung für das Lötsystem nach dem Damphphasenprinzip: „Durch die Zusammenarbeit mit externen Dienstleistungsunternehmen, die mit IR-Lötanlagen arbeiteten, waren uns die Vor- und Nachteile solcher Maschinen bekannt. Zudem bauen wir nun auch BGAs ein, die an Reflow-Lötsysteme hohe Anforderungen stellten. Zusätzlicher Platzbedarf und die Investition in Stickstofftanks wären notwendig gewesen, um unser Spektrum zu fertigen. Aus dieser Situation heraus war für uns der Schritt zum Dampfphasenlöten mit geringem Bedarf an Prozeßfläche nicht weit. Enge Pitchabstände von 0,4 bis 0,2 mm, die wir auf unseren Schaltungen realisieren, stellen für die Dampfphasenlöttechnik keine Probleme dar.“

Natürlich müsse man auch hohe Produktionssicherheit bei Verwendung von großen 34-mm-BGAs gewährleisten. Physikalisch gesehen gebe es beim Damphphasenverfahren keine Überhitzung der Bauteile. „Durch den Einsatz eines 200°C heißen Mediums in der Asscon-Anlage können die Baugruppen nicht überhitzt werden. Wir führen auch Reparaturen von BGA-Baugruppen in der Anlage durch. Durch die geringe Temperaturbelastung können auch Boards mit sensiblen Bau-teilen wie SIMM-Sockeln unter repro-duzierbaren Bedingungen repariert werden.“ Die Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt (GSI) ist eine Großforschungseinrichtung, die Beschleunigeranlagen betreibt, mit der Schwerionen bis 90% der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden können. Von den insgesamt rund 700 Beschäftigten der GSI sind etwa 300 Wissenschaftler und Ingenieure. Die Einrichtungen der GSI werden zudem von nahezu 1000 externen Wissenschaftlern genutzt. Insgesamt sind an der internationalen Forschungsarbeit bei der GSI Wissenschaftler von mehr als 100 Instituten aus über 25 Ländern beteiligt.

„Durch diese Vielzahl von Forschungsarbeiten ist es wichtig für uns, ein Lötverfahren einzusetzen das alle Anforderungen erfüllt.“ Entscheidend war dabei, wie Albrecht Muhn weiter ausführt, „daß es ein schonend arbeitendes Verfahren ist“. Die Wahl fiel schließlich auf den Einsatz der Dampfphase. Durch die Verarbeitung von kleinen diskreten Bauelementen wie Widerständen (1mm Abmessung) mit minimalem Rasterabstand neben einem großflächigen Chip mit 300 Anschlüssen, sind die Anforderungen an das Lötverfahren hoch. Die Dampfphase ist hier für sichere Lötprozesse geradezu prädestiniert. „Erfahrungen mit IR-Lötanlagen zeigten, daß die Einstellungen mehr als schwierig waren. Entweder waren Bauteile nicht sauber gelötet oder sie waren verbrannt. Große Bauteile benötigen sehr viel Energie, die Dampfphase kann diese praktisch unbegrenzt für Baugruppen zur Verfügung stellen. Ein sicherer Lötprozeß ist gewährleistet. In der Regel werden Multilayer mit acht Lagen verarbeitet. In der Dampfphasenlötanlage von Asscon werden nur maximal drei Temperaturprofile für das gesamte Spektrum benötigt. Das spricht für die Produktionssicherheit.“ Deutlich wird mit dieser Anwendererfahrung, daß der Industrie hier ein Lötverfahren zur Verfügung steht, daß sehr wirtschaftlich ist und qualitativ hochwertige Lötstellen erzeugt. Auch Bauelemente wie großflächige Keramik-BGAs, SMT-Stecker, SIMM-Leisten sowie neue Fertigungstechniken wie 3D- oder keramische Baugruppen können so problemlos bewältigt werden.

EPP 165