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Löttechnik der Zukunft

Alternative Fertigungstechnologien
Löttechnik der Zukunft

Zu den Technologietagen ins Democenter von Vitronics Soltec Deutschland in Marktheidenfeld konnten mehr als 100 Teilnehmer begrüßt werden. An beiden Tagen wurden Vorträge über die Löttechnik geboten. Im Fokus standen die Fertigungsprozesse aus dem Reflow-, Wellen- und Selektivlötbereich und das 10jährige Firmenjubiläum, das im Rahmen einer Abendveranstaltung gefeiert wurde.

Vitronics Soltec, Standort Deutschland, veranstaltete das Seminar „Löttechnik der Zukunft“ mit integriertem „10 Years Vitronics Soltec Deutschland“. Durch den theoretischen Teil rund um die Löttechnik führte als Moderator Josef Steuer vom Veranstalter.

Schablonendruck
Jürgen Jess von DEK begann zu diesem Thema mit seinem Vortrag über die Herausforderungen im Druckbereich, aus dem Blickwinkel der Schablonentechnik. Der große Bauteilmix auf einer Leiterplatte fordert eine erhöhte Prozessstabilität durch ein gleichmäßiges und sicheres Auslösen über viele Druckzyklen hinweg. Regeln und Grenzen im Schablonendesign sollten allgegenwärtig sein. Der Verantwortliche für Prozesslösungen und -optimierungen im Bereich Schablonen, Siebe, Leiterplatten-Unterstützungen, Dienstleistungen und Verbrauchsmaterialien machte es sich zur Aufgabe, seinen Zuhörern hier Lösungen, Möglichkeiten und Alternativen aufzuzeigen. Es ging darum, ein Stencil Design für einen guten Prozess, den Area-Ratio-Check am Beispiel von µBGA, QFN, etc. vorzustellen, wann sollte eine Stufentechnik angewendet, oder wie kann die Auslöseperformance durch moderne Schablonenmaterialien gesteigert werden. So sind gute Ergebnisse auch mit einem einfachen Druckequipment, jedoch mit einem guten Stencil Design zu erreichen. Herr Jess stellte detailliert die Stufenschablonen vor, die zur Optimierung des Pastenvolumen bei einem komplexen Bauteilmix entwickelt wurden. Sollte deren Anwendung notwendig sein, müssen die Regeln beachtet, oder über den Stencil Typ eine andere Lösung gefunden werden. Die verschiedenen Schablonentypen, Vor- und Nachteile und welche sich wann für optimale Druckergebnisse eignet, kamen zur Sprache. Eine glatte Wandung bedeutet heute nicht mehr nur ausreichend für eine gute Schablone, auch die Materialien, die Oberflächenspannung und das Materialgefüge sind von Bedeutung. Das Unternehmen als Spezialist in Sachen Schablonen bietet diesbezüglich Lösungen für einen optimalen Prozess an. Passend zu dem Thema präsentierte Klaus Griesfeller von Heraeus die Lotpasten-Technologie von SMT zu SiP mit 01005-Komponenten. Nach seiner Vorstellung von Ultra-Fine-Pitch-Lotpulver, System-in-Package-Lotpaste für 01005-Bauteile, dem Wafer-Bumping im Schablonendruck, Bump-Prozess mit Photoresist sowie der Lotpaste für Substrat-Bumping, waren die Qualitätsunterschiede der Pulver Typ 5, 6, 7 und 8 zu erkennen. Wichtig für eine Lotpastenqualität sind die Kenntnisse über die Oxidation sowie über die allgemeinen Pulvereigenschaften. Pulver Typ 5 in no-clean-Lotpasten sorgt für verbesserte SiP-Anwendungen. Ein Wafer-Bumping mit Lotpaste wird im Umfeld der Wafer-Anwendung von entscheidender Bedeutung. Die SiP- und Wafer-Bumping-Anwendungen von heute beschreiben die SMT von morgen.
Inspektion ist wichtig
Thorsten Niermeyer von Koh Young Technology berichtete über die 3D-Lötpasteninspektion. Das noch junge Unternehmen hat sich vollständig auf Pasteninspektionssysteme konzentriert und gilt als Marktführer in der 3D-Pastenmessung. Die patentierte Messtechnik des Unternehmens bietet eine extrem hohe Genauigkeit mit einer echten Prozesskontrolle. Es werden nicht nur Pastenprobleme detektiert, sondern auch Haare oder Partikel. Volumen und die Ausformung der Lotpaste werden in real-time gemessen, und eventuelle Fehler in der SMT-Linie beseitigt. Eine Rückkopplung an das Bedienpersonal sorgt für eine effektive Kontrolle des Druckprozesses. Alle statistischen Werte werden direkt am System angezeigt. Das Unternehmen hat sowohl Inline- als auch Table-Top-Systeme in seinem Repertoire. Norbert Heilmann von Siemens sprach über die Anwendungsgebiete industrieller Bildverarbeitung unter der Überschrift: Vision is our Mission. Die Bedeutung eines Visionsystems für eine optimale Fertigungsqualität ist gewachsen, da es eine Vielzahl von Faktoren, die direkten Einfluss auf eine gewünschte Bestückqualität und damit auf die Produktqualität haben, überprüft. Es handelt sich um ein Messsystem für Längen, Positionen und Winkel, und kann durch entsprechende Software auch für diverse Kalibrieraufgaben eingesetzt werden. Damit stellt es sicher, dass die Achssysteme eines Bestück- systems die programmierten Positionen zielgenau erreichen können, noch bevor die Maschine überhaupt zu bestücken beginnt. Vergleicht man das Bestücken beispielsweise mit dem Drucken von Lotpaste, wird deutlich, dass in diesem Prozess mit Hilfe des Visionsystems weitaus mehr korrigierende Eingriffe vor Beenden des Prozessschrittes möglich sind, als beim Drucken. Ein weiterer Beitrag zum Thema Qualität war die technische Sauberkeit bei Kfz-Steuergeräten mit den Anforderungen der Automobilindustrie durch Dr. Wilhelm Senske von East Consulting. Die Anforderungen an Elektronik-Hardware im Kfz steigen unablässig. Durch Platzmangel und Stand der Technik werden die Steuergeräte immer kleiner, und als Folge daraus steigen wiederum die Sauberkeitsanforderungen drastisch. In der Regel wird es vermieden, eine fertig bestückte Leiterplatte mit einem Schutzlack zu überziehen, jedoch werden Verschraubungen erst ab einer gewissen Größe der Leiterplatte oder in komplexen mechatronischen Systemen verwendet, die in Sauberräumen zusammengebaut werden müssen. Verschraubungen und andere Gehäuseteile dürfen keine Partikel (Metallflitter) absondern, ein schonendes Eindrehen in die Leiterplatte sollte eventuell freigesetzte Partikel vermeiden, was auch beim Herausdrehen der Schrauben wegen einer Reparatur beachtet werden muss. Zwei Publikationen des ZVEI, „Handbook for Robustness Validation of Semiconductor Devices in Automotive Applications” sowie „Handbook for Robustness Validation of Automotive Electrical/Electronic Modules” liefern weitere Informationen zu diesem Thema.
Bleifreier Prozess
Am Beispiel von SN100C gab es durch Gerjan Diepstraten von Cobar Europe, zur Balver Zinn Gruppe gehörend, einen Ausflug zu den Bleifreilegierungen. Sein Vortrag zeigte auf, inwiefern diese Legierung eine Alternative sein könnte. Herr Diepstraten stellte fest, dass SN100C kein Eins-zu-eins-Ersatz für eine SAC305-Legierung darstellt, sondern lediglich als Alternative dazu angewendet werden kann, jedoch unter dem Gesichtspunkt, ob die Mehrkosten der SAC305-Legierung auch eine entsprechende Qualitätsverbesserung liefern kann. Denn bei entsprechenden Untersuchungen zeigte SN100C eine ähnliche oder sogar bessere Zuverlässigkeit als eine SAC-Legierung. Letztgenannte Legierung wird mit Höchsttemperaturen von mindestens 232 °C gelötet, wobei die meisten Profile 245 °C bis 250 °C erreichen. Und das sind Temperaturen, bei denen SN100C ebenfalls gelötet werden kann. Im Anschluss dazu zeigte Frau Dr. Sonja Wege vom Zentrum für Verbindungstechnik in der Elektronik des Fraunhofer IZM mittels Beispiele aus der Praxis die Lötstellenqualität bleifreier Baugruppen auf. Es wurden in den letzten Jahren bleifreie Baugruppen, vorwiegend aus dem Bereich der Industrieelektronik, untersucht und qualifiziert, und die daraus gewonnenen Erkenntnisse zusammengestellt. So ist es im bleifreien Prozess oft nicht möglich, trotz einer Prozessoptimierung ideale Lötverbindungen zu erreichen, so dass Kompromisslösungen gefunden werden müssen. Ein häufiges Problem beim Wellenlöten ist der Lotdurchstieg, beim Relowlöten dagegen ist vor allem die Voidbildung in den Lötverbindungen ein Thema. Eventuelle Funktionsausfälle der Baugruppen nach dem Löten werden häufig durch eine schlechte Ausgangsqualität der Leiterplatten und Bauteile und auch durch thermisch induzierte Eigenspannungen in den Lötstellen oder Leiterplatten verursacht. Wichtig ist deshalb die Vermeidung größerer Temperatursprünge im Lötprozess. Nichtsdestotrotz gibt es auch viele positive Beispiele, bei denen bleifreie Lote erfolgreich und ohne größere Probleme in der Serienfertigung eingeführt wurden, so die aufmunternden Worte von Frau Dr. Wege
Innovationen der Löttechnik
Mit Praxisbeispielen aus der Selektivlöttechnik beleuchtete der Bericht vom Produktmanager Selective des Veranstalters, Danny Kil. Er sprach die Bedeutung der Prozesskontrolle und die weiterentwickelten Optionen im Selektivbereich an. Zu nennen wären eine Prozesskamera mit hoher Auflösung und Laserfunktion, der Ausgleich bei Leiterplattenverwölbung, die genaue Wellenhöhenmessung, das Closed-Loop-Preheat-Management zur Messung der Temperatur auf der Leiterplattenoberfläche oder die nächste Generation der SDC-Einheit. Die Solder Drainage Conditioner (SDC)-Einheit stellt eine Antibrückenlösung dar, die nun eine erhöhte Stickstoff-Temperatur aufweist, die genauso mess- und kontrollierbar ist, wie der Stickstoffdurchfluss. Die qualitativ höheren Düsen sind einfach zu wechseln und die Höhe ist einstellbar, woraus eine einfachere Wartung resultiert. Eine Animation am Ende brachte den Zuhörern die neuen Funktionen näher. Alle Optionen sind upgradebar und teilweise bereits beim Kunden eingesetzt. Dr. Denis Barbini kam vom Headquarter in Stratham, um die Leistungen der Vitronics Soltec Technology Group seinen Zuhörern vorzustellen. Er zog sich dazu Beispiele von Reflow- und Selektivlötprozessen heran, sprach über aktuelle Gesetzesrichtlinien und deren Umsetzung aus globaler Sicht. Abschließend kam er noch zum Materialeinsatz, der Prozesskontrolle und Qualität im Unternehmen zu sprechen. „Von der Lokalisierung zum Lösungsansatz – Wege zur Optimierung des Reflow- und Selektivlötprozesses mit den Lötfehler-Ursachen, den Auswirkungen und Lösungsansätzen“, war das Thema seines nächsten Vortrages. Hier war über das Board-Design und Layoutrichtlinien anhand einer Fallstudie im Bereich Reflow- und Selektivlöten zu hören.
Der Produktmanager myReflow von Vitronics Soltec, Ronald Graaf brachte einen Bericht über die Innovationen in der Löttechnik mit. Auch hier ging es von der Kundenanforderung bis zur Serienreife, ein Weg, den er mit Praxisbeispielen aus der Reflowtechnik unterlegte. Neben den verfügbaren Reflow-Systemen und deren Features ging er detaillierter auf die Fast-Cool-Down-Option, die Doppelspurlösung für den Leiterplattentransport und die Möglichkeiten des Traceability, ein. Reflowlöten vor dem Hintergrund aktueller Trends in der Elektronikproduktion wurde von Dipl.-Ing. Michael Rösch referiert, der dazu vom Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik der Uni Erlangen kam. Nach seiner Vorstellung des Lehrstuhls FAPS und einem Überblick zu den aktuellen Forschungsaktivitäten, war mehr zur Verarbeitung von Folienschaltungen im Rolle-zu-Rolle-Verbund zu hören. Es wurden Systemlösungen für die einzelnen Prozessschritte umgesetzt und zu einem Gesamtkonzept zur Rolle-zu-Rolle-Fertigung verknüpft. Eine große Vielfalt an Bauelementen und Substraten ist verarbeitbar, wobei die Verwölbung der Substrate mitunter kritisch ist. Er schlägt eine übergeordnete Liniensteuerung vor, die nicht in die Steuerung der einzelnen Anlagen eingreifen muss. Abschließend berichtete er noch zur Prozessqualifizierung wärmeleitender Komponenten. Der dazwischen liegende Abend dieser beiden Seminartage rund ums Löten wurde zur Feier der 10 Jahre Bestehen von Vitronics Soltec in Deutschland genutzt, umrahmt von Programm, leckerem Buffet und weiterem angeregtem Erfahrungsaustausch unter den Teilnehmern. (dj)
 
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