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Die Kombination macht’s

Implementierung des bleifreien Wellenlötprozesses beim dänischen EMS-Profi BB Electronics A/S
Die Kombination macht’s

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BB Electronics A/S, seit 30 Jahren einer der wichtigsten EMS Dienstleister in Skandinavien, generierte 2005 mit weltweit 850 Mitarbeitern an vier Fertigungsstandorten einen Umsatz von 100 Mio. USD. Beeindruckend ist die jährliche Wachstumsrate von 20 %. Seinen Kunden, die vorwiegend aus den Bereichen Medizintechnik, Telekommunikation, Consumer und Industrietechnik kommen, bietet BB nicht nur die reine Baugruppenfertigung, sondern komplette Turnkey Solutions inklusive Produktentwicklung und Gehäusebau an.

Bjarne Hartvigsen, BB Electronics A/S, Leif Fenger, Interflux Danmark Aps, Angelika Uehlein & Jürgen Friedrich, ERSA

Die Kapazität im SMD-Bereich liegt bei 200 000 Bauteilen pro Stunde auf insgesamt zwölf SMD-Linien. Für den Wellenlötprozess stehen sechs Linien, davon zwei bleifreie Ersa-Powerflow-Linien mit Wechseltiegel, bereit. Die dritte High-Volume-Maschine ist in Auftrag und wird ab Anfang 2007 am Standort Give (Dänemark) die Bleifrei-Kapazitäten der BB Gruppe deutlich erweitern.
Die Marktsituation für EMS-Produktion
Der Wettbewerb im EMS-Bereich hat sich in den letzten Jahren deutlich verschärft – mit dem Ergebnis, dass die Anforderungen an EMS-Dienstleister wie BB sowohl hinsichtlich Menge als auch Qualität deutlich gestiegen sind. Dies stellt die Unternehmen vor große Herausforderungen.
Bjarne Hartvigsen, Production Manager bei BB Electronics A/S, bringt die Situation auf einen Nenner: „Wir müssen gleichzeitig effizient und flexibel sein, höchste Qualität zu konkurrenzlos günstigen Preisen anbieten und dabei kurze Lieferzeiten und Turnkey Solutions offerieren. Zahlreiche Kunden nutzen den Umstieg auf den bleifreien Prozess, um die komplette Wertschöpfungskette von Design, Entwicklung, Produktion, Gehäusebau und -montage bis hin zum Versand an den Endkunden in unsere Hände zu geben. Traditionelle Geschäftsbeziehungen werden dadurch wesentlich enger und partnerschaftlicher.
Zu den ganz großen Herausforderungen gehört es, sämtliche Komponenten auf RoHS-Konformität umzustellen und gleichzeitig eine doppelte Lagerhaltung abzusichern, um die herkömmlichen, bleihaltigen Baugruppen zu fertigen. Erfolg und Sicherheit im doppelten Logistikprozess tragen wesentlich zu unserem Markterfolg bei. Ich bin sehr stolz, dass BB Electronics A/S mit seiner langjährigen Erfahrung und Know-how die Wünsche und Erwartungen seiner Kunden vollständig erfüllen kann. Mit dieser Strategie werden wir unsere Marktposition zu einer führenden Rolle ausbauen können.“
Die Herausforderung des bleifreien Prozesses
Jeder, der den Elektronikmarkt kennt, weiß um die hohen Anforderungen, die der Bleifrei-Umstieg an alle Beteiligten stellt. Besondere Bedeutung nehmen die Prozessfenster der Lötprozesse ein. Der Lötwärmebedarf der bleifreien Legierungen liegt höher, auf der anderen Seite bleibt die Lötwärmebeständigkeit vieler THT-Bauteile unverändert. Für die Lötanlagen bedeutet diese Tatsache, dass die Prozesse auch im Dreischichtbetrieb, sieben Tage die Woche, absolut stabil und reproduzierbar arbeiten müssen.
Für einen Dienstleister wie BB Electronics, der das Baugruppendesign nicht immer beeinflussen kann, ist es enorm wichtig, Lot, Flussmittel und Maschine so auszuwählen, dass die aufeinander abgestimmten Komponenten das größtmögliche Prozessfenster bieten. Erschwerend kommt hinzu, dass möglichst alle Anwendungen mit der gleichen Lotlegierung verarbeitet werden müssen, da ein Tausch des Lotes in der Lötanlage zu nicht akzeptierbaren Fertigungsunterbrechungen führen würde. Die Kunden fordern deshalb die Sicherheit, sich auf die vom Dienstleister gewählte Lotlegierung in allen Belangen absolut verlassen zu können.
Die Evaluation der Lotlegierung und der Lötanlage soll nun im Folgenden näher beschrieben werden:
Die erste große Herausforderung bestand zunächst darin, aus den vielen verschiedenen bleifreien Loten diejenige Legierung zu finden, die für die Applikationen des Dienstleisters die besten Resultate liefert. Die Entscheidung für eine Legierung ist von elementarer Bedeutung, zumal sich heute auch EMS-Provider für die Produkthaftung verantworten müssen. Auf die elektronische Baugruppe übertragen, nimmt deshalb die Zuverlässigkeit der Lötstellen, neben den Bauteilen, einen zentralen Punkt ein. Die Evaluation der Lotlegierungen unter diesem Gesichtspunkt ist sehr komplex, zumal die Bauform der Bauteile einen weit höheren Einfluss auf die Zuverlässigkeit der bleifreien Lötstellen hat als bei vergleichbaren SnPb-Lötstellen.
Um gesicherte Erkenntnisse zu erhalten wurde die Evaluation der Lotlegierungen unter wissenschaftlichen Bedingungen an einem externen Institut, Delta Electronics in Kopenhagen, durchgeführt.
Das Testboard
Zunächst wurde ein Testboard generiert das mit unterschiedlichen THT-Bauteilen bestückt werden konnte. Unter Berücksichtigung langjähriger Erfahrungen aus dem EMS-Bereich, wurde beim Design des Testboards besonderes Augenmerk auf das Durchsteigeverhalten des Lotes in Durchkontaktierungen gelegt. Um für diesen Fall erschwerte Bedingungen zu schaffen, wurden massive, massereiche Stecker mit lötbaren „Snap-in“-Fixierungen im Randbereich des Testboards platziert. Das Ergebnis war ein Multilayer-Testboard mit zwei massiven Kupferaußenlagen. Die LP-Oberflächen wurden in bleifrei HAL und NiAu ausgeführt.
Die Lotlegierung
Im Vorfeld der Legierungsevaluierung beschränkte man sich auf drei Lote. Die Gruppe umfasste dabei das IPC Vorzugslot SAC305 sowie die Legierungen SAC0305 und die mikrodotierte SnCu0.7Ni. Zunächst wurden auf einer Benetzungswaage umfangreiche Benetzungstests durchgeführt, an speziellen Benetzungscoupons, wie auch an den Testboards. Nach diesen Tests schied die mikrodotierte SnCu-Legierung aus. Die verbleibenden Lote wurden anschließend Temperaturwechseltests und Vibrationstests unterzogen. Bei diesen Tests schnitten die beiden SAC-Lote vergleichbar ab. Unter diesen Voraussetzungen entschied sich der Dienstleister für die Legierung SAC0305, da sie, im Vergleich zu SAC305, die kostengünstigere Alternative darstellt.
Das Flussmittel
Für die Wahl des Flussmittels sind die gleichen Randbedingungen zu beachten wie für das Lot, d. h. möglichst ein Flussmittel für das gesamte Spektrum der zu fertigenden Baugruppen zu finden. Unter Berücksichtigung der Zuverlässigkeit der Baugruppen ist hier besonders auf die Flussmittelrückstände nach dem Lötprozess zu achten. Die Flussmittelrückstände dürfen in keinem Fall zu Korrosion oder einer Verringerung des Oberflächenwiderstandes über die Zeit führen. Ziel war, im Zuge der Bleifrei-Umstellung auf Wasser basierende Flussmittel umzustellen. Der Vorteil dieser Flussmittel ist eindeutig in der einfacheren, sicherheitstechnischen Bewertung und der Umweltverträglichkeit zu suchen. Diese Flussmittel stellen keinen entzündlichen Gefahrstoff dar und können somit ohne Schutzmaßnahmen in der Fertigung an den Lötanlagen eingesetzt werden. Zu beachten ist allerdings, dass die spezifische Verdampfungswärme des Trägermediums Wasser höher ist und deshalb im Vorheizprozess mehr Energie zugeführt werden muss. Diese Tatsache wird aber durch eine geringere Auftragsmenge, wie sie von den Flussmittelherstellern empfohlen wird, teilweise kompensiert. In der aktuellen Fertigung ist die Auftragsmenge im Schnitt um ca. 50 % reduziert. Die Wahl des Flussmittels fiel auf IF 2009 MLF, ein Produkt der Fa. Interflux Electronics, das bereits für den SnPb-Prozess qualifiziert wurde und im bleifreien Prozess auf Anhieb sehr gute Ergebnisse lieferte.
Die Lötanlage
Aufgrund der bereits genannten Randbedingungen eines EMS-Dienstleisters lag das Hauptaugenmerk der Evaluierung neuer Wellenlötanlagen deshalb auf einem Höchstmaß an Flexibilität und Zuverlässigkeit. Als Dienstleister mit hohem Produktmix muss extrem flexibles und vielseitiges Equipment evaluiert werden.
Eine grundlegende Bedingung für die zu beschaffenden, bleifreitauglichen Lötanlagen waren eine Volltunnel-Schutzgas-Ausstattung, eine lange Vorheizstrecke und ein geteilter Transport für den Vorheiz- und Lötbereich. Die Forderung nach Stickstoff begründet sich in einem größeren Prozessfenster, einem zuverlässigeren Prozess, geringerer Wartung und geringeren Betriebskosten, im Vergleich zu einer konventionellen, atmosphärischen Lötanlage.
Eine ausreichend lange Vorheizstrecke war Grundvoraussetzung, da das Produktspektrum sehr unterschiedliche Baugruppen umfasst. BB Electronics produziert einen ausgewogenen Mix von zweilagigen Boards mit nur wenigen Bauteilen, bis hin zu 16-fachen Multilayern mit komplexer und schwerer Bestückung. Dazu kommen Reflow-Baugruppen, deren zweite Seite manuell mit Spezialbauteilen direkt in die Lötrahmen bestückt wird. Diese Baugruppen werden auf selektiv abdeckenden Lötmasken verarbeitet. Diese selektiven Lötmasken schützen die Baugruppe nicht nur vor dem Lot in der Lötwelle, sondern im Vorheizbereich auch vor der Wärmeenergie, die die Baugruppe gleichmäßig vorwärmen soll. Um bei solch unterschiedlichen Ausgangslagen perfekte Lötergebnisse zu erzielen, muss die Lötanlage ein Höchstmaß an Flexibilität – insbesondere bei Transportgeschwindigkeit und Temperatureinbringung – bieten.
Nach einer Marktanalyse waren nur zwei Anlagen unterschiedlicher Hersteller verfügbar, die diese Randbedingungen im ersten Ansatz erfüllt haben. Im direkten Vergleich spielt die Powerflow von Ersa ihre Vorteile klar aus, die aufgrund langjähriger Erfahrungen in der Wellenlöttechnologie konsequent konstruktiv umgesetzt wurden.
Fluxer
Der Fluxer bietet Optionen, die den Programmieraufwand und die Reinigungsarbeiten für den Bediener wesentlich vereinfachen. Zur Erkennung der Lage der Baugruppe im Lötrahmen ist ein optischer Scanner verfügbar. Der Scanner steuert und aktiviert den Flussmittelsprühkopf nur an den Positionen, an denen sich die Baugruppe befindet. Eine manuelle Programmierung im Lötprogramm ist deshalb nicht erforderlich. Die Wartungsfreundlichkeit des Systems wird durch einen konsequenten Aufbau ohne Ecken und störende Kanten erreicht. Eine Absaugung unterhalb der Baugruppe vor und nach dem Sprühkopf, sowie oberhalb der Baugruppe, verringert die Verschmutzung dieses Bereiches und steigert die Wartungsfreundlichkeit des Fluxbereiches. Die Integration des Fluxers in das Maschinengehäuse rundet das Erscheinungsbild der Gesamtanlage ab.
Vorheizung
Die Anforderungen an die Vorheizstrecke wurden über das Testboard definiert. In den Durchkontaktierungen im Randbereich der LP sollte die Kerntemperatur 120 °C betragen, gleichzeitig durfte die Temperatur kleiner Elektrolytkondensatoren auf der LP-Oberseite 140 °C nicht übersteigen. Auf die Multilayer-Testboards übertragen, lässt sich dies nur realisieren, indem man die Baugruppe genügend lange und schonend erwärmt. Nur unter diesen Bedingungen hat die Wärmeenergie die nötige Zeit in die Baugruppe einzudringen, ohne dass sich die Oberflächen überhitzen. Ein besonderes Highlight, das diesen Effekt wesentlich unterstützt, ist die Konvektionsoberheizung. Diese Option eröffnet völlig neue Möglichkeiten. Konkret heißt dies, dass nur mit dieser Option High-Volume-Löten von massereichen Maskenbaugruppen in Lötrahmen möglich ist. Konstruktiv sind zwei der maximal drei verfügbaren Konvektionsoberheizungen außerhalb des Schutzgastunnels angebracht. Dies hat den Vorteil, dass ein Teil des Trägermediums der VOC-freien Flussmittel außerhalb des Schutzgastunnels verdunstet. Die mögliche Länge der Vorheizstrecke beträgt 2,4 m. Der Eintrag von Wärmeenergie in „normale“ Baugruppen kann Lötrahmen-spezifisch über die Drehzahl der Konvektionsheizmodule und die Leistungsstellung der Quarzstrahler verändert werden. In Verbindung mit dem geteilten Transportsystem der Lötanlage wird die Vorheizstrecke extrem flexibel. Werden im Mix-Betrieb Baugruppen mit einem erhöhten Wärmebedarf in die Anlage transportiert, kann über die Reduzierung der Transportgeschwindigkeit im Vorheizbereich mehr Wärmeenergie übertragen werden, ohne die Temperatur der Heizzonen zu verändern, was sehr viel Zeit in Anspruch nehmen würde.
Lötaggregat
Beim Lötaggregat wurde auf bewährte Technik zurückgegriffen. Die verwendeten Materialien sind durch spezielle Beschichtungen gegen den Angriff der bleifreien Lote geschützt. Der gesamte Lottiegel kann zu Wartungsarbeiten auf einem Anstellbock aus der Maschine herausgefahren werden. Dabei befinden sich die Lotpumpen und Düseneinheiten im Tiegel und verbleiben nicht in der Anlage. Dies ermöglicht einen einfachen und schnellen Zugriff auf alle Teile des Lötaggregates.
Im Bereich der Lötdüsen kann auf unterschiedliche Geometrien zurückgegriffen werden. Bei den umfangreichen Tests während der Evaluierungsphase hat sich die Standard-Konfiguration Powerwave als SMD-Vorlötwelle und die Standard-Hauptlötwelle als optimal erwiesen. Da BB Electronics, wie bereits dargelegt, viele selektive Lötmasken verwendet, die teilweise bis zu 5 mm unter die LP-Unterseite aufbauen, ist die automatische Z-Achsen-Verstellung der Lötdüsen eine sehr nützliche Option. Mit dieser patentierten Option ist der mechanische Abstand der Lötdüse zur LP-Unterseite automatisch und rechnergesteuert einstellbar. Die aufwändige manuelle Justierung der Lötdüseneinheiten, wie bei älteren Lötanlagen noch üblich, entfällt. Die Standard-Hauptlötwelle bietet zusätzlich die Möglichkeit über verstellbare Lotablaufbleche den Wellendruck zu variieren. Damit ist die Fließgeschwindigkeit des Lotes zu beeinflussen, was wiederum positiv zur Optimierung des Lötergebnisses beiträgt. Bei einfacheren Baugruppen konnte mit all diesen Möglichkeiten eine Transportgeschwindigkeit bis zu 2.0 m/min realisiert werden.
Zusammenfassung
Die Kombination aus High-End-Volltunnel-Wellenlötanlage, der Lotlegierung SAC0305 und einem Wasser-basierenden, rückstandsfreien Flussmittel erfüllt in vollem Umfang die sehr hohen Anforderungen des Dienstleisters. Neben ausgezeichneten Lötergebnissen erzielt man einen deutlich höheren Baugruppen-Durchsatz als erwartet. Damit kann auf die weltweit stark steigende Nachfrage nach bleifreien Produkten optimal reagiert werden und man ist für ein weiteres Wachstum bestens gerüstet. Dank der Unterstützung aller beteiligten Unternehmen sowie der umfassenden Tests und Evaluierungen konnte BB Electronics A/S die Herausforderung des neuen Prozesses meistern und blickt nun gut vorbereitet in die bleifreie Zukunft.
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