Auf den Prozess kommt es an

Gerjan Diepstraten, Vitronics Soltec, Osterhout/Niederlande

Der Prozess sollte das wichtigste Kriterium bei der Auswahl eines geeigneten selektiven Lötverfahrens darstellen. Die Lötprozesse unterscheiden sich voneinander, sodass unterschiedliche Handlings- und Lötwerkzeuge eingesetzt bzw. benötigt werden. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden wird also mehr als nur eine Maschine (Bild 1) benötigt. Der Bediener muss sich das Verständnis für die kompletten Zusammenhänge aneignen beziehungsweise sollte es durch intensive Schulung erwerben. Eine gu-te Partnerschaft zwischen Lieferanten und Anwender muss aufgebaut werden, indem man Sachverhalte diskutiert und so leichter und vor allem schneller zu optimalen Ergebnissen gelangt. Die hierfür notwendige Logistik inkl. einer weltweiten Serviceorganisation, die sehr schnell auf die Bedürfnisse der Anwender reagieren kann, muss von Seiten des Lieferanten bereitgestellt werden. Nur so kann ein reibungsloser Ablauf garantiert werden.

Die zweite Vorstellung, von der man sich befreien sollte ist, dass selektives Löten eigentlich nur Wellenlöten ist, wobei es lediglich ein paar zusätzliche Kniffe zu beachten gibt, um diesen Prozess zu beherrschen. Selektives Löten unterscheidet sich grundlegend vom Wellenlöten und beide Prozesse sollten nicht miteinander in Verbindung gebracht werden. Doch worin unterscheiden sich Selektiv- und Wellenlötprozesse? Der signifikanteste Unterschied ist sicherlich, dass beim Wellenlöten die komplette Leiterplattenunterseite mit allen Komponenten mit flüssigem Zinn in Berührung kommt. Beim selektiven Löten jedoch berührt das Lot nur partiell die Leiterplattenunterseite. Weil das Leiterplattenmaterial an sich kein sehr guter Wärmeleiter ist, werden beim selektiven Löten benachbarte Komponenten oder Bereiche nicht (wieder) aufgeschmolzen.

Ein Beispiel für kritisches Verhalten selektiv vorgeheizter Bereiche (selektives Löten mit Lötdüsen) sind z.B. die äußeren Pins einer Steckerleiste, die mehr Wärmeenergie an das Leiterplattenmaterial verlieren als beispielsweise die inneren Stecker-Pins. Weil der äußere, vom Lötbereich weiter entfernte Leiterplattenbereich zudem kühler ist, resultiert dies in einer Temperaturdifferenz an der Steckerleiste. Da man an den hierfür verantwortlichen physikalischen Gesetzmäßigkeiten nichts ändern kann, muss der Prozess dahingehend optimiert werden, auch die äußeren Pins in guter Qualität löten zu können (Bild 2). Um erfolgreich Selektivlötprozesse einführen zu können ist, wie die Erfahrung gezeigt hat, ein komplettes Umdenken erforderlich – für den Anwender genau so wie für den Equipmentlieferanten. Eine vollständige und umfassende Prozess-kenntnis ist für beide Seiten unerlässlich, um gemeinsam Erfolg zu haben.

Selektives Löten ist ein Prozess, bei dem Durchsteckkomponenten einer Leiterkarte an der Unterseite gelötet werden können. Beim herkömmlichen Wellenlötprozess werden die Leiterplatten über ein Transportsystem geradlinig über eine stationär eingebaute Welle geführt. Beim Selektivlötprozess (Bild 3) werden die Leiterplatten über ein Robotersystem individuell zu speziellen Lötmodulen- bzw. Applikationen bewegt (eine oder mehrere Lötdüsen). Dies kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen, indem man entweder die Leiterplatte über eine ablaufende Welle bewegt oder die Leiterplatte in eine oder mehrere Düsen eintaucht. Dies ist von Anwendung zu Anwendung unterschiedlich, der jeweils günstigste Prozess wird für das zu lötende Board gewählt. Das Board wird von einem präzisen, flexiblen und wiederholgenauen Robotersystem bewegt, in dem mehr als 10 Jahre Erfahrungen enthalten sind. Der Roboterarm, der die Leiterkarte bewegt ist so flexibel, das er in nahezu alle Richtungen agieren kann (Bild 4). Die Lötdüsen befinden sich in einer fixen Position. Nur das zu lötende Board wird bewegt.

Die Gestaltung der Lötapplikationen ist kundenspezifisch und variiert je nach Board-Layout und verwendeten Komponenten. Da unterschiedliche Werkzeuge/Applikationen benötigt werden, hat es den Anschein, als ob sich diese Kosten als nachteilig für diesen Prozess darstellen. Doch gerade diese Vielseitigkeit ist es, die dazu verhilft, manche Anwendungen überhaupt maschinell und reproduzierbar löten zu können. Neben den notwendigen Werkzeugen gibt es noch anderes zu be-rücksichtigen wie z.B. die Einhaltung bestimmter Leiterplatten-Design-Vorgaben, was konkret bedeutet, dass Hersteller und Layouter enger zusammenarbeiten müssen. Eine weitere Stärke des Selektivlötprozesses sind die Möglichkeiten, für jedes Board und auch für einzelne Komponenten spezifische Lötprogramme zu erstellen. Generell stehen dem Anwender mehr Möglichkeiten der Programmierung bzw. Rezepterstellung für jedes einzelne Board zur Verfügung. Somit können Lötrezepte für einzelne Boards, für Produktserien und auch für den Mehrschichtbetrieb gewählt werden, mit der absoluten Gewissheit konstanter Lötqualität und Reproduzierbarkeit des gesamten Prozessablaufes.

Beim Selektivlötprozess werden nur die THT-Komponenten einer Baugruppe mit dem Ziel gelötet benachbarte SMD-Komponenten oder andere Materialien auf den Boards nicht zu beeinflussen. Da jede Baugruppe in Layout und Material unterschiedlich ist, wurde auch die Selektivlötanlage für unterschiedlichste Anwendungen entwickelt. Gleiches gilt natürlich auch für die Software, die sehr einfach und produktspezifisch programmiert werden kann. Es gibt grundsätzlich zwei unterschied-liche Selektivlötverfahren – Dipping und Löten über einer Miniwelle, bei der das Board über eine kleine Wellendüse bewegt wird, bei Vitronics Soltec auch Selectwave-Verfahren (Bild 5) genannt. Durch Select-wave-Löten (löten über Miniwelle) können Bereiche gelötet werden, in denen nicht sehr viel Freiraum vorhanden ist und nur einzelne Lötstellen gelötet werden sollen, oder Pin-Reihen in einem Zuge im Drag-Verfahren gelötet werden. Die Leiterplatte kann mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Lötwinkeln im Greifer transportiert werden, um die Lötergebnisse zu optimieren und ein Höchstmaß an Flexibilität zu erreichen.

Im Gegensatz zum Selectwave-Prozess versteht man unter Dipping-Verfahren einen Lötvorgang, bei dem die gesamte Applikation auf einer kundenspezifischen Grund-platte (Düsenplatte) gelötet wird. Man nennt diesen Prozess auch Multiwave-Prozess (Bild 6), wobei alle zu lötenden Punkte in einem Hub gelötet werden können. Bei diesem Prozess ist kein „Drag“-Löten möglich, nur das Dipping. Wie beim Wellenlöten werden hier viele Verbindungen auf einmal gelötet, mit dem Unterschied, dass für jeden Leiterplattentyp individuelle Multiwave-Platten benötigt werden. Dies ist der wohl größte Unterschied zum Wellenlötprozess.

Wie bei anderen Lötverfahren auch, muss beim selektiven Löten Flussmittel aufgetragen werden. Auch hier wieder das Konzept der selektiven Bearbeitung, es wird nur dort gefluxt, wo auch im Anschluss gelötet wird. Gefluxt wird von Punkt zu Punkt, abhängig vom gewählten Lötprozess. Wurde ein Select-Flux gewählt, so bedeutet dies, dass ein Einkopf- oder Zweikopffluxer in der Anlage fix montiert ist, während die Leiterplatte über den Fluxerkopf bewegt wird. Beim Löten mit dem Multifluxmodul ist es umgekehrt. Die Position der Leiterkarte ist fix, während der Multifluxer unterhalb der Leiterkarte sein Programm abarbeitet und an den programmierten Punkten oder Bereichen Flussmittel aufträgt.

Die Prozesskette beim selektiven Löten kann benutzerdefiniert konfiguriert werden, ist also nicht fix wie beispielsweise beim Wellenlöten. Eine typische Prozessfolge kann beispielsweise sein Fluxen, Vorheizen, Löten im Dipping-Verfahren (Multiwave) und Löten im Drag-Verfahren (Selectwave). In einigen Fällen wurde jedoch auf die Vorheizung gänzlich verzichtet und die Boards wurden lediglich im Drag-Verfahren gelötet. Auch kann es für einige Anwendungen sinnvoll sein folgende Konfiguration zu wählen: Vorheizen, Fluxen – Vorheizen anschließend Löten. Die Maschine wurde deshalb modular entwickelt, um nahezu jeder Prozessanforderung gerecht zu werden und angepasst werden zu können.

Ein großes Ziel beim selektiven Löten ist es, keine benachbarten SMD-Bauteile oder andere Komponenten beziehungsweise Materialien zu beeinträchtigen. Da sich Baugruppen prinzipiell durch Layout und den verwendeten Materialien von einander unterscheiden, wurde auch die Selektivlötanlage so konfiguriert, dass sie an sämtliche Anforderungen angepasst werden kann. Ein Schwerpunkt wurde sicherlich auf die Software gelegt, die sehr flexibel ist und Programme einfach und schnell erstellt werden können. Wie auch beim Wellenlöten hat es Jahre gedauert, die Prozesse mehr oder weniger stabil in den Griff zu bekommen und brauchbare Designregeln zu entwickeln. Es ist deshalb notwendig, ähnliche Designregeln für den Selektivlötprozess zu entwickeln, wobei hier die unterschiedlichen Verfahren (Selectwave, Multiwave oder beide) berücksichtigt werden müssen, um optimale Voraussetzungen für den Lötprozess zu schaffen:

• Designregeln und Düsen-Technologie für Selectwave

• Parametereinstellungen und -kontrolle:

• Löttemperatur, typische Einstellwerte 275 bis 300 °C,

• Drag-Geschwindigkeit, typische Einstellwerte 10 bis 25 mm/s,

• Neigungswinkel, typischer Einstellwert 10°,

• Pumpenfrequenz, abhängig von der gewählten Düse.

Die Select-Welle kann für Einzelpin- und auch für Steckerlötungen eingesetzt werden. Um einen stabilen Prozess mit der Edelstahldüse zu gewährleisten sollte mindestens ein Durchmesser von 6 mm eingesetzt werden. Die Düse selbst hat eine definierte Abflussrichtung des Lotes. Sie kann jedoch durch verdrehtes Einsetzen in das Lötmodul auch andere Abflussrichtungen einnehmen und somit für verschiedenste Applikationen optimiert werden. Der Roboter ermöglicht zusätzlich noch das Anfahren der Welle aus unterschiedlichen Richtungen sowie unter verschiedenen Winkeln (0 bis 12°). Das ermöglicht dem Anwender ungleiche Bauteile (Lötgeometrien) auf einer Leiterplatte unter verschiedenen Bedingungen zu löten. Ein Lötwinkel von 10° hat sich ungeachtet der Möglichkeiten als Optimum erwiesen.

Das „Drag“-Lötverfahren (Abfahren mehrerer Pins nacheinander – ähnlich dem klassischen Wellenlöten) hat gegenüber dem Dipping-Lötverfahren aufgrund der Bewegung des Lotes und der Leiterplat-te eine wesentlich höhere Energieübertragung zur Folge. Grundsätzlich muss immer genug Energie zugeführt werden, um eine ordentliche Lötstelle zu erzielen. Aufgrund des geringen Lotvolumens in einer Select-Welle müssen relativ hohe Zinntemperaturen (275 °C bis 300 °C) eingestellt werden um auch im Drag-Lötverfahren bei Verfahrgeschwindigkeiten von 10 bis 25 mm/s noch gute Lötergebnisse zu erzielen. Zusätzlich wird die Select-Welle durch den Einsatz von Stickstoff vor Oxydbildung geschützt. Beim Drag-Lötverfahren werden außerdem die Gefahren der Brückenbildung eliminiert, da Oxyde von der Leiterplatte durch die ablaufende Welle abgewaschen werden. All diese Vorteile machen das Select-Wellen-Lötverfahren zu einem robusten und reproduzierbaren industriellen Lötverfahren.

Da die Wellenhöhe konstant sein muss, wird das Niveau im Löttopf periodisch kontrolliert. Eine automatische Zinnzufuhr hält den Level im Löttiegel konstant. Zusätzlich werden die Pumpen geregelt, um die Wellenhöhe stabil zu halten. Das Abflussverhalten wird durch das Design der Düse bestimmt. In der Praxis hat sich gezeigt, dass der Abfluss durch das Anspringen des Lotes an den ersten Pins in die richtige Bahn gezwungen wird, bevor noch über das Drag-Lötverfahren Bewegung im Spiel ist. Bei nicht benetzenden Pins wird das Lot über die Lotdüse nach hinten weggedrückt. Dies kann auch bei zu geringem Abstand der Leiterplatte zur Düse eintreten (zum Beispiel bei durchgebogenen Leiterplatten, aufgrund der Vorheizung oder des heißen Stickstoffes). Um dem entgegen zu wirken, müssen in den Greifer spezifische Mechanismen integriert werden. Obwohl durch die Select-Welle ein sehr großes Prozessfenster abgearbeitet werden kann, bleibt ein gravierender Nachteil, die oftmals zu langen Lötzeiten. Aus diesem Grund sieh man eine Ergänzung hierzu in dem wesentlich schnelleren Dipping-Lötverfahren. Damit können in einem Arbeitsgang mehrere Lötstellen oder teilweise komplette Applikationen auf einmal gelötet werden. Die Kombination aus beiden Lötverfahren stellt sicherlich die beste Lösung aus kurzen Taktzeiten und einem weiten Prozess-fenster dar.

Im Drag-Lötverfahren sollten die Pinlängen in einem bestimmten Verhältnis zu der Höhe der Select-Welle stehen. Sie sollten im Mittel 2 mm Länge nicht überschreiten. Es ist aber auch möglich Pinlängen bis zu 4 mm zu verarbeiten. Die minimale Länge der Pins hängt von der Art der Leiterplatte ab. Einseitig kaschierte Platten erfordern 1 mm Pinlänge, andere Leiterplatten sollten mit Pinlängen um die 0,7 mm bestückt werden, um noch eine ordentliche Lötstelleninspektion zu gewährleisten.

Ab Pinlängen von 1 mm wird durch das industrielle Wellenlöten nicht mehr Zinn zu den Lötstellen geführt. Dementsprechend werden die Lötstellen in keinster Art und Weise robuster. Grundsätzlich sollte für einen reproduzierbaren Prozess ein Freiraum um die zu lötende Stelle von M3mm eingehalten werden. An der Stelle, an der die Welle austritt (Ende des Steckers), sollten sogar 4 mm oder mehr freigehalten werden.

Zu kontrollierende Parameter:

• Lötbadtemperatur 275 °C bis 300 °C,

• Dip-Geschwindigkeit 20 bis 25 mm/s,

• Pumpendrehzahl, in Abhängigkeit der Düsenanzahl- und der Düsengeometrien,

• Dip-Zeit: ca. 1 bis 3 s,

• Austrittsgeschwindigkeit aus dem Lot: ca. 2 mm/s.

Das Löten mit Multiwellenapplikationen entspricht einem Dipping-Lötverfahren. Dementsprechend erscheint der Prozess sehr einfach: Eintauchen der Applikation in das Lot und das anschließende Abheben aus diesem. Dennoch kann auch hierbei das Lot auf unterschiedliche Art und Weise mit unterschiedlichen Charakteristiken zugeführt werden. Während die Leiterplatte durch das Fluxen und Vorheizen vorbereitet wird, werden die Multiwellenapplikationen unter einer Glasplatte in einer inerten Atmosphäre vor Oxydation geschützt. Die Pumpen sind in Betrieb, um die Düsen auf Temperatur zu halten. Vor dem Lötvorgang werden die Düsen gespült, um evtl. anwesende Oxyde zu entfernen. Die exakte Wellenhöhe als auch die Lottemperatur sind kritische Prozess-parameter. Die Vitronics-Soltec-Selektivlötanlage besitzt das patentierte „Stabilizer-System“, das durch das seitlich durch ein Loch abfließende Lot die Düsen auf Temperatur hält und gleichzeitig dafür sorgt, dass das Lot in allen Düsen die gleiche Höhe einnimmt. Leiterplattenauflagepins sind auf der Grundplatte montiert und sorgen dafür, dass die Leiterplatte während des Lötens nicht durchhängen kann.

Der einfachste Weg einen Dipping-Prozess zu generieren, ist die Leiterplatte über einen Roboter in Z-Richtung in das Lot zu bewegen. Das Lot sollte hierbei nicht über die Düsenränder abfließen, damit benachbarte Bauteile nicht mit dem Lot in Verbindung kommen. Bei einem alternativen Verfahren wird die Leiterplatte auf die Düsenränder aufgelegt, während die Pumpen das Lot unterhalb des Lötrandes halten. Danach wird das Lot mit Druck gegen die Leiterplatte gebracht, senkt es im Anschluss wieder und hebt gleichzeitig die Leiterplatte von den Lötdüsen ab. Hierbei muss mit der Pumpendrehzahl derart gearbeitet werden, dass auf der einen Seite vorhandene Oxyde abgewaschen werden und auf der anderen Seite brückenfrei ge-lötet werden kann.

Grundsätzlich kann gesagt werden, dass eine größere Düse auch einen stabileren Prozess zur Folge hat . Dies ist ein wichtiger und natürlich oftmals schwieriger Punkt für die Layouter. Die Düsenplatten werden mit einer Genauigkeit von 0,1 mm gefertigt. Algorithmen werden zur Berechnung benutzt, um die Ausdehnung bei den angewandten Temperaturen zu kompensieren (Bild 9).

Die Ergebnisse die beim partiellen Löten erzielt werden können, unterscheiden sich von denen des klassischen Wellenlötens. Es gibt auch Unterschiede zwischen dem Select-Wellenlöten und dem Multiwellenlöten, sowie dem Drag- oder dem Dip-Lötverfahren mit ihren unterschiedlichen Wärmeeinbringungs-Charakteristiken. Beim Wellenlöten nutzt mandie Vorheizung in erster Linie zur Aktivierung des Flussmittels, beim selektiven Löten hat sie mehr die Aufgabe, die Temperaturdifferenzen zwischen den lokal zu lötenden Bereichen und der restlichen Leiterplatte so gering als möglich zu halten, um zu große Temperaturspannungen zu vermeiden. Dennoch wird die Temperaturbelastung für die Leiterplatte immer geringer sein als beim Wellenlöten.

Durch das Multiwellenlöten kann aufgrund der Tatsache, dass viele Lötstellen gleichzeitig gelötet werden, ein hoher Leiterplattendurchsatz erreicht werden. Als Benetzungszeit wird hier die Kontaktzeit des flüssigen Lotes mit der zu lötenden Stelle definiert. Die Benetzungszeit und die Lottemperatur bestimmen die Menge der einzubringenden Energie. Ob die Benetzung bei THT-Komponenten gut oder schlecht ist, wird maßgeblich durch diese Parameter beeinflusst. Die Prozessoptimierung beim Multiwellenlöten beinhaltet infolge dessen verschiedene Benetzungs-zeiten mit unterschiedlichen Lotbadtemperaturen (als auch den möglichen Materialalternativen) zu kombinieren.

Es wurde ein Versuch durchgeführt, bei dem die optimale Benetzungszeit für einen Stecker bestimmt werden sollte. Das Gewicht der Leiterplatte wurde vor und nach dem Löten kontrolliert. Der Gewichtsunterschied entspricht der aufgebrachten Lotmenge. Der Test wurde bei zwei Temperaturen (270 °C und 300 °C) für die Oberflächen NiAu, OSP und HAL durchgeführt.

In dem Buch Weichlöten in der Elektronik von R.J. Klein Wassink wird erklärt, dass das Lotmassenverhältnis einer THT-Lötstelle von Ober- zu Unterseite (bei einem 1,6-mm-Board und einem Lötauge von 3 mm Durchmesser) bei 1,25 zu 0,69 liegt. Mit diesen Informationen kann man die durchschnittlichen Füllungen berechnen (Bilder 10 und 11). Aus diesem Diagramm kann man ablesen, dass bei einem 1,6-mm-Board mit kurzen Benetzungszeiten gute Durchstiege erreicht werden können. Ein weiterer Vorteil der kurzen Benetzungs-zeit ist die Sicherheit, während des ganzen Lötvorgangs ein aktives Flussmittel anzutreffen, um so der Brückenbildung vorzubeugen.

Die aktuelle Selektivlöttechnik ist in der Lage einen stabilen, reproduzierbaren Lötprozess, sowohl mit einer bleifreien, als auch mit einer bleihaltigen Lotlegierung zu gewährleisten. Die Selektivlöttechnik unterscheidet sich gravierend von der bekannten Wellenlöttechnik. Es kann aber aufgrund der konstruktiven Flexibilität der Selektivlötanlage im Zusammenspiel mit den erweiterten Kontroll-, und Automatisierungsmöglichkeiten ein wesentlich größeres Prozessfenster erreicht werden. Eben dieses größere Prozessfenster und der stabile Prozess machen das selektive Löten nicht nur für das bleifreie Löten, sondern auch für das Löten von temperatursensiblen Bauelementen oder den sich allgemein ändernden Bedingungen durch die Bauteile- und Leiterplattentechnik zu einer echten Alternative. Durch das selektive Löten werden qualitativ hochwertige und reproduzierbare Lötstellen erreicht, die durch das Handlöten nicht realisierbar sind. Das Resultat daraus ist eine hohe Fertigungsqualität der Produkte.