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Per Mausklick zum Bleifrei Bernhard Martin, Martin Rework und Dispense Technic, Wessling

Rework in der bleifreien Fertigung – Lötprofil mit mehreren Zonen ist die Lösung
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Der Übergang zur Fertigung bleifreier Baugruppen weist bekanntlich viele Facetten auf: Auswahl von Lotpaste und Lötequipment, Bestimmen der benötigten Lötprofile für die einzelnen Produkte sowie Einstellungsänderungen in den Programmen der optischen und Röntgeninspektion. Und natürlich ist auch Rework und Reparatur der Boards mit entscheidend.

Die Firma Martin, als weltweit agierender Spezialist in diesem Bereich, stellt ihren Kunden die hochwertige Rework-Lösung zur Verfügung, die Anwender jetzt brauchen, um rasch und komplikationslos ihre Aufgaben zu erfüllen. Und dies als kostenloses Software-Update für die vorhandenen Reworkstationen ohne Zusatzkosten. Derzeit arbeiten praktisch alle Fertigungsunternehmen intensiv an der Einführung von bleifreien Lotpasten und dazu korrespondierenden Produktionsprozessen. Manche haben ihre Vorbereitungen schon weitgehend abgeschlossen und einige wenige sogar die neue Prozesstechnik soweit umfassend durchgetestet, dass sie für die Aufnahme der Serienfertigung bereit ist. Offensichtlich ist, dass alle Elektronikhersteller zwingend bis Mitte des Jahres 2005 diese Arbeiten abgeschlossen haben sollten, und ihre Fertigung entsprechend dazu umgestellt. Nur dann können sie in Produktion, Zuverlässigkeitsanforderungen, Qualitätssicherung und Felderfahrung (auch in Bezug auf Rework-Prozeduren) auf Nummer Sicher gehen. Mit der Umstellung im Blick auf den Stichtag 1. Juli 2006 muss dieser Schritt erfolgreich abgeschlossen sein – eventuell sind noch kleine partielle Korrekturen nötig, bis die viel zitierte RoHS-Direktive (Reduction of Hazardous Substances) für Elektronikprodukte in Kraft tritt.

Im Rework-Prozess müssen einige wichtige Punkte zwingend beachtet werden, um die vorher in Design und Fertigung spezifizierten Qualitäts- und Zuverlässigkeitsanforderungen eines Produkts zu erfüllen. Natürlich dürfen dabei auch keinesfalls die Standards, die durch den Fertigungsprozess vorgegeben sind, in irgendeiner Weise durch einen schlechten Kompromiss beeinträchtigt werden. Im Einzelfall kann das sehr schwierig sein, wobei in der Bleifrei-Technik hier die Anforderungen noch um einiges mehr ansteigen. Bei Einsatz der üblicherweise als Alternative verwendeten SAC-Paste (Legierung aus Zinn, Silber und Kupfer), sind die Löttemperaturen doch beträchtlich höher, aber an den Grenzwerten, bis zu denen Bauelemente und Leiterplatten thermisch belastet werden können, sind immer noch die gleichen wie bisher. Eine wesentliche Konsequenz daraus ist, dass in der Bleifrei-Technik das Prozessfenster erheblich schmäler ist.
Als Lösung für dieses Problem haben Ingenieure für die Reworkstationen ein Multi-Zonen-Lötprofil entwickelt, mit dem sich der Anstieg der Löttemperatur auf 30 K (entspricht circa 30°C) begrenzen lässt, ja eventuell sogar noch weiter reduziert werden kann. Im üblichen Reflowprozess hingegen beträgt die Temperaturdifferenz DT etwa 40 K. Damit bei diesem Temperaturanstieg jegliche Schädigungen von Leiterplatte und Komponenten vermieden werden, müssen Lötprofil und Lötequipment natürlich absolut exakt arbeiten, um auszuschließen, dass solche Grenzbelastungen überschritten werden. Außerdem, es mag zwar trivial klingen, aber sicher gestellt werden muss auch, dass herkömmliche Baugruppen mit bleihaltiger SnPb-Paste, und analog dazu bleifrei gefertigte Baugruppen mit der bleifreien Paste, gelötet werden. Verwechslungen sind dabei definitiv auf einem Blick auszuschließen, weil damit gravierende Qualitäts- und Zuverlässigkeitsprobleme verbunden wären. Diese logistische Aufgabenstellung lässt sich relativ einfach lösen: indem die Bleifrei-Pasten in grünen Kartuschen bereitgestellt werden (schließlich handelt es sich um eine „grüne“ Technik) und die SnPb-Lotpasten in ihren herkömmlichen Gebinden. Unsere Kunden können diese leicht in der Farbe unterscheidbaren Pasten-Kartuschen genauso wie alle anderen Teile für unsere Reworkstationen, beispielsweise Düsen für den Lötvorgang, rasch und komplikationslos über unsere Website bestellen.
Wie gesagt, das Erzeugen des richtigen Lötprofils ist im Bleifrei-Prozess eine sehr anspruchsvolle Herausforderung – und dabei gilt es sicher zu stellen, dass sich die Anwender unserer Reworkstationen stets auf der sicheren Seite bewegen. Der Reparaturprozess, das sollte man nicht vergessen, kann sich von einem Objekt zum anderen gravierend ändern. Beispielsweise kann eine ältere Baugruppen zurückkommen, die noch mit bleihaltiger Paste gelötet wurde und folgerichtig auch so zu bearbeiten ist (nach RoHS voll zulässig). Dann aber muss eventuell das nächste Board bereits mit bleifreiem Lot repariert werden usw. Was auf den ersten Blick etwas kompliziert wirkt, kann aber für die Anwender in einen leicht zu verfolgenden Arbeitsablauf frei von fatalen Irrtümern gebracht werden. Wir haben ein optimiertes Konzept von Hard- und Software entwickelt, das diesen Anforderungen nicht nur gerecht wird, sondern den Anwender in der konsequenten Vorgehensweise fehlerfrei unterstützt. Zusammen mit den vom Unternehmen bereits vor längerem entwickelten und implementierten Rework-Regeln ergibt sich daraus ein Null-Risiko-Reparaturablauf, den praktisch jeder Anwender mit den Arbeitsstationen komplikationslos nachvollziehen kann.
Im Prinzip ist der Rework-Ablauf ja einfach: Ein Bauteil wird ausgelötet, die Pads anschließend gereinigt und mit frischen Lot versorgt bzw. das alte Lot wird mit Fluxer aufgefrischt – und dann das neue Bauteil präzise platziert und sauber verlötet. Doch der sprichwörtliche „Teufel“ steckt wie so oft im Detail. Was sich bei der SnPb-Paste relativ einfach darstellt, ist aufgrund des deutlich eingeengten Prozessfensters bei der SAC-Paste ein noch viel schärfer überwachter und kontrollierter Vorgang. Würde man dies nicht tun, dann würden irrtümlich zu hohe und zu lange anliegende Löttemperaturen sowohl Leiterplatte als auch Bauteil zumindest vorschädigen, wenn nicht sogar zerstören. Natürlich muss solch ein verlustbringender Effekt grundsätzlich vermieden werden, denn vorgeschädigte Komponenten, die dann später bei den Geräte-Anwendern ausfallen und enorm hohe Servicekosten verursachen, sind untragbar. Deshalb gilt es, mit absolut größter Sicherheit alle Parameter im Lötprozess einzuhalten, so wie es in den Reworkstationen mit dem No-Risk-Konzept implementiert ist. Die in den Reworkstationen verwendete Heißluft wird präzise kontrolliert, so dass sie in genau überwachten kleinen Schritten in der Temperatur hoch- und runtergehen kann, um kleine Plateaus zu bilden. Mit diesen Funktionen bildet das Unternehmen auf seinen kostengünstigen Reworkstationen absolut exakt ein Multi-Zonen-Lötprofil nach, wie es sonst auf großen Lötöfen in Fertigungslinien gefahren wird.
Kontrollierte Temperaturen vermeiden Schäden
Die Reworktechnik der Firma Martin basiert auf der Anwendung eines konzentrierten, direkt auf die Lötstellen gerichteten Heißluftstroms aus einem Handlötgerät. Damit lassen sich die Lötprozesse mit hoher Temperaturgenauigkeit (Toleranz nur ± 1 K) vornehmen. Dieser Heißluftstrom wird sowohl in der Temperatur als auch in der Luftmasse exakt überwacht und eingestellt. Die Technik erlaubt beispielsweise eine homogene Temperaturverteilung innerhalb von ± 4 K an den Lotbällchen von BGAs. Festzuhalten ist, dass solch eine außergewöhnlich gute Temperaturkonstanz in dieser Klasse von Reworkstationen eine ganz besondere Eigenschaft darstellt. Zur Vorbereitung für den Lötprozess gehört auch eine großflächige Infrarot-Unterheizung der Baugruppe, die einen Temperaturschock vermeiden hilft. Die Temperaturdifferenz ist damit auf 110 K bzw. weniger reduziert und hilft, Verbiegungen Beschädigungen und Leiterplattenverzug sicher zu vermeiden.
Mit großem Aufwand wurde die Zuverlässigkeit von Überwachung und Steuerung der Heißluft perfektioniert, ist sie doch der Schlüssel zu dieser Löttechnik. In den Reworkstationen werden hochexakte Temperatursensoren eingesetzt, die Stationen selbst werden mit einem geeichten Temperaturnormal kalibriert. Die Sensoren weisen übrigens die höchste erreichbare Genauigkeit solcher im Markt verfügbaren Bauteile auf. Mit dieser aufwändigen Technik wird sicher gestellt, dass die Temperaturkonstanz unter allen Umständen beibehalten wird und nicht variiert. Die Anwender der Reworkstationen müssen diese nicht mehr kalibrieren, denn sowohl der Heißluftgriffel als auch die IR-Unterseitenheizung kalibrieren sich selbst, um diese große Präzision im Reparaturprozess beizubehalten.
Ein genau arbeitender Positionierarm hilft beim automatisierten Ent- und Einlöten der Bauteile, und reduziert so die Einflüsse von manuellen Eingriffen. Dieser Arm bewegt sich in X-/Y-/Z-Richtung und D (Drehbewegung). Er wird auf der Reworkstation mit seinem magnetischen Fuß fest fixiert. Dieser Arm sorgt dafür, dass die Bauteile sowie die Leiterplatte mit höchstmöglicher Schonung bearbeitet und keinerlei Pads oder Leitungszüge beschädigt werden können. Der Positionierarm hebt das Bauteil automatisch sehr vorsichtig ab, wenn das Lot aufgeschmolzen ist. Auf ähnlich schonende Weise, natürlich im umgekehrten Verlauf, werden Bauteile platziert und eingelötet.
Weil im Vergleich mit der bleihaltigen Paste bei der Bleifrei-Prozedur das Prozessfenster wesentlicher schmäler ist, muss das detaillierte Lötprofil exakt eingehalten werden, damit reproduzierbar gute Ergebnisse erzielt werden. Betrachten wir zur Verdeutlichung die entscheidenden Temperaturen im Prozess: Konnte man SnPb-Paste bei 205°C verarbeiten, so benötigen SAC-Legierungen rund 230°C. Allerdings liegt die absolute Maximaltemperatur, um Schäden von Komponenten und Leiterplatten fern zu halten, bei nur 240°C. Deutlich wird, der SnPb-Prozess hat eine Fensterbreite von rund 35 K, der Bleifrei-Prozeß hingegen nur noch von 10 K. Bei solch minimierten Abständen muss die Löttemperatur folglich genauestens kontrolliert werden, eine Grundvoraussetzung für einen zuverlässigen und guten Rework-Prozess.
Lötprofile automatisch erzeugt
Vor einigen Jahren bereits wurde die Auto-Profiler-Software entwickelt, die mittlerweile in vielen tausend Reworkstationen erfolgreich eingesetzt wird. Das korrekte Lötprofil ist für einen zuverlässigen Rework-Prozess unverzichtbar, der den Abnahmekriterien des Standards IPC-A610C für die hier definierten drei Hauptklassen von Elektronikprodukten entspricht. Der Auto-Profiler wurde natürlich weiter verbessert und um Funktionen für die Realisierung der Martin Lead-Free-Solder-Road ergänzt. Die Kunden des Unternehmens können sich diesen Software-Update kostenlos per Password über die Website laden. Diese erweiterte Software läuft auf den Reworkstationen komplikationslos und stellt den Zugriff auf alle Einstellungen, Features und Daten sowohl für Bleifrei als auch herkömmliche Reparaturvorgänge her. Für diese zukunftssichere Lösung zum Übergang auf die Bleifrei-Technik ist für die Anwender der Reparaturstationen keine erneute Investition nötig. Deutlich wird daran: Wir fühlen uns den Tausenden von Anwendern und deren Reparaturerfolg absolut verpflichtet.
In die aufwändige Entwicklung der Software für die automatische Erzeugung von Rework-Lötprofilen sind natürlich viele wichtige Ergebnisse der Arbeit und jener der Kunden eingeflossen. Im Grunde basiert diese Technik auf den fünf Martin-Lötregeln, die in der Auto-Profiler-Software bereits implementiert sind. Sie beruhen auf folgenden Einflussbereichen: den zulässigen thermischen Grenzwerten für Bauteile sowie Leiterplatten, den thermischen Voraussetzungen für eine zuverlässige Benetzung und Lötstellenbildung an Pads und Komponenten, die Zeit über dem Liquidus (Schmelzpunkt), Vorheiztemperatur für die Baugruppe sowie den maximalen Temperatur-Transienten.
Der Auto-Profiler lässt sich sehr leicht anwenden, dies gilt auch für unerfahrene Anwender. Die Daten für das Temperaturprofil werden automatisch beim Auslöten des Bauteils gewonnen, denn beide Prozesse sind praktisch identisch. Solch ein Lötprofil lässt sich ziemlich einfach in wenigen Schritten gewinnen. Um den Prozess zu starten, wird aus der Rework-Software Easy-Solder heraus der Auto-Profiler aufgerufen, wobei vorher noch das Lötwerkzeug sowie die Paste ausgewählt wurden. Der Positionierarm mit dem Lötwerkzeug wurde ebenfalls vorher bereits über dem Bauteil platziert. Über den Typ des angewählten Lötwerkzeugs erkennt die Software automatisch, um welches Bauteil es sich handelt. Das Programm prüft dann, wieviel Energie nötig ist, um die Vorheizung der Baugruppe mit rund 120°C sicher zu stellen – und läuft dann vorsichtig hoch bis zum Schmelzpunkt der Lötstelle. Die Zeit über den Liquidus wird automatisch aus den erfassten Parametern berechnet.
Der Arm mit seiner automatischen Entlötfunktion hebt das Bauteil erst dann ab, wenn das Lot völlig aufgeschmolzen ist, manuelle Eingriffe sind somit nicht nötig. In einer Zeitspanne von circa 10 Minuten – in komplexen Fällen dauert es länger – ist auf diese Weise automatisch das optimale Lötprofil erzeugt worden. Die Auto-Profiler-Software testet dabei vorsichtig selbsttätig die Schlüssel-Parameter ab. Zwischendurch erfolgt immer wieder eine Abkühlung der Baugruppe, damit im nächsten Testschritt die gleichen Bedingungen herrschen. Die solcherart gewonnenen Daten werden abgespeichert und stehen damit für diesen Bauteiltyp stets zum Aus- und Einlöten zur Verfügung. Auf der Basis solcher Lötprofile, die ja für jeden Bauteiltyp nur einmal erzeugt werden müssen, lassen sich dann in rund 90 Sekunden solche Bauteile rasch mit höchster Präzision und Schonung wechseln.
Diese absolut perfekte Lösung ist ideal für Arbeiten an Baugruppen nach IPC-A610C für die Abnahmeklasse 3 geeignet. Sollen jedoch nur einige Baugruppen nach den einfacheren Kategorien 1 und 2 repariert werden, gibt es auch eine schnellere Lösung. Die Quick-Profiler-Software ermöglicht das Aus- oder Einlöten eines Bauteils mit unbekanntem Lötprofil in weniger als drei Minuten. Das dabei gewonnene Temperaturprofil kann natürlich gespeichert und später wieder verwendet werden, so dass der Zeitaufwand nochmals reduziert ist. Hier setzen wir auf eine praxisnahe Methode: Der Schmelzpunkt des Lots wird manuell mit einem sogenannten SMD-Haken direkt am Bauteil erfasst. Dabei drückt oder zieht (sehr leicht) der Mitarbeiter am Bauteil, um den Schmelzpunkt zu erfühlen. Bewegt sich das Bauteil, ist der Liquidus erreicht, und der Mitarbeiter drückt einen Knopf, um diese Temperatur an den Quick-Profiler zu melden.
Mit einem Klick von der SnPb-Paste auf bleifrei
Im Rework-Ablauf von Fertigungsunternehmen müssen eine Vielzahl von unterschiedlichen Lötprofilen erzeugt und verwaltet werden. Die dafür bestens geeignete Software Easy-Solder ermöglicht zudem, mit nur einem Mausklick von herkömmlichen bleihaltigen Pasten zu bleifreien Legierungen überzuwechseln – ohne langwierige Einstellungen. Diese Funktion ist Bestandteil der Martin Lead-Free-Solder-Road, die sicherstellt, dass alle Anforderungen für diesen anspruchsvollen Prozess technisch präzise und in Übereinstimmung mit der EU-Direktive bei geringst möglichem Aufwand erfüllt werden. Der Schlüssel zu diesem optimalen Bleifrei-Konzept im Reparaturbereich ist mit unserem Heißluftsystem die volle Simulation des Temperaturprofils eines modernen Reflowofens mit neun Zonen. Auf dieser Basis können die Anwender einen Konvektionsofen nachbilden, der vier Zonen für die Vorheizung aufweist, drei Zonen für den eigentlichen Reflow-Prozess und zwei Zonen für eine gezielte Abkühlung.
Das Unternehmen ist der festen Überzeugung, dass mit diesem Multi-Zonen-Profil sehr gute und zuverlässige Reworkarbeiten an bleifreien Baugruppen mit bester Wiederholbarkeit vorgenommen werden kann. Zudem vermeidet man damit auch noch, dass innerhalb von großen Bauteilen zu hohe Temperaturdifferenzen entstehen können. Ohne zu sehr in Details zu gehen, ist es jedoch sinnvoll, als Beispiel auf einen kleinen Punkt hinzuweisen, an dem unsere Expertise für dieses Rework-Konzept im Ansatz deutlich wird. Beim Blick auf das Profil in der dritten Reflow-Zone (siehe Lead-Free-Solder-Road) sieht man eine sehr kleine Temperaturabsenkung (circa 10 K). Diese geringe Reduzierung hilft, eine Überhitzung des Bauteils zu vermeiden, und außerdem bringt sie letztlich ein etwas weiteres Prozessfenster beim Löten von bleifreier SAC-Paste. Ein sicher auch nicht zu unterschätzender Aspekt in diesem kritischen Prozessbereich. Zufriedene Anwender, die mit ihrem bisherigen Equipment auch neue Aufgaben optimal und kostengünstig erledigen können, sprechen für sich selbst – und sind auch die beste Referenz.
Bestandteil des Support-Angebots ist auch ein Testkitt zur praktischen Erprobung von bleifreien Lötstellen, der alles Nötige dafür enthält. Die Empfehlung hier, damit erstmal eine Reihe von Lötstellen herzustellen und diese dann sorgfältig zu inspizieren, weil die Benetzung und Bedeckung der Pads mit Lötzinn bei SAC-Paste nicht immer optimal aussieht, verglichen mit SnPb-Paste. Das heißt aber nicht zwangsläufig, dass jede Lötstelle, die nicht völlig von SAC-Paste bedeckt ist, auch gleich als schlecht zu qualifizieren ist. Diese Legierungen verlaufen nicht so leicht wie das bisherige SnPb-Material. Als weitere Empfehlung für den Anwender, mit einer Zange oder einem Messer diese probeweise hergestellten Lötstellen absichtlich zu zerstören, und dabei zu versuchen, die Bauteile von der Leiterplatte herunterzureißen. Dies klingt zwar wie eine reichlich brutale Methode, zeigt aber als praktischer Test, wie sicher die Lötstellen sind. Haben sich beispielsweise mit dem Bauteil auch sämtliche Leiterplatten-Pads gelöst, dann waren diese Lötstellen völlig in Ordnung. Zeigen aber IC-Pins oder die Lotbällchen von BGAs keine oder nur wenig Zeichen von Zerstörung, dann darf man mit größter Wahrscheinlichkeit annehmen, dass diese Lötstellen nicht in Ordnung waren.
Abschließend lässt sich festhalten, dass die Lead-Free-Solder-Road eine wichtige und per Software überwachte Hilfe im bleifreien Rework-Prozess ist, die als Teil der ständig optimierten Anwenderunterstützung der Kunden kostenlos zur Verfügung steht, was jedoch nicht als „billige“ Lösung verstanden werden darf. Vielmehr erfüllt sie absolut alle Anforderungen, damit Anwender sicher und präzise ihre Baugruppen in Übereinstimmung mit der EU-Direktive RoHS sowie den allgemein akzeptierten Abnahmekriterien der IPC instand setzen können. Das ist wesentliche Verpflichtung gegenüber den Kunden, damit diese auch künftig hohe Anforderungen mit den Martin Reworkstationen optimal erfüllen können.
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