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Reflow heute Marc Apell, Speedline Technologies, Franklin, Massachusetts (USA)

Optimierung von Advanced Packages
Reflow heute Marc Apell, Speedline Technologies, Franklin, Massachusetts (USA)

Die Reflowindustrie entwickelt sich ständig weiter, um den sich fortwährend verändernden Anforderung der SMT-Industrie Rechnung zu tragen. Es gibt viele, die das Reflowlöten für eine Technologie ohne Zukunft oder absehbare Veränderungen halten. Diese Aussage ist weit von der Wahrheit entfernt.

Durch die Reflow Technologie wurden Advanced Packages optimiert, etwa durch die Miniaturisierung der Packages, und damit immer schnellere und leistungsstärkere elektronische Bauteile entwickelt. Ohne die Fähigkeit, einen Lötanschluss eines Packages für die Oberflächenmontage effektiv und effizient zu formen, hätten sich viele der heutigen Designs nicht zu voller Blüte entwickelt. Die Anforderung nach einem wiederholbaren Lötprozess wird weiter durch Elektronikfertigungen angetrieben, die bessere und fortschrittlichere Produkte produzieren möchten.

Auch die gesamte Elektronikindustrie entwickelt sich stetig weiter und das Reflowlöten ist ein wichtiger Bestandteil dieses Prozesses. Als Reflowofenhersteller ist man konstant herausgefordert, Technologie und Leistungsfähigkeit zu steigern, ohne Kompromisse bei Qualität und Preis zuzugestehen. Kürzliche Entwicklungen in der Bleifrei-Technologie, wie die chemische Kompatibilität, geringerer Energieverbrauch, Flussmittel-Management und Prozessregelung, sind nur einige wenige Faktoren, mit denen die Hersteller bereits darauf reagiert haben.
Bleifreier Reflow
Die Verarbeitung bleifreier Produkte ist die größte Herausforderung, mit der sich Elektronikfertigungen in den nächsten Jahren auseinander setzen müssen. Was mit ein paar einfachen Fragen begann, hat sich zu starken Initiativen mehr oder weniger der gesamten Elektronikindustrie entwickelt. Der Prozessingenieur muss sich mit Faktoren wie der Auswahl geeigneter Materialien, Bauteile und Prozesse beschäftigen, die die Bleifrei-Bewegung unterstützen. Herausforderungen wie diese können allerdings in ein paar Schritten gelöst werden.
Die Weiterentwicklung bleifreien Lötmaterials während der letzten Jahre war atemberaubend. Unter Berücksichtigung aller Entwicklungen und besonderer Faktoren gelten die Materialien als am weitesten verbreitet und akzeptiert, deren Schmelztemperaturen im Bereich von 217° bis 221° C liegen. Dies bedeutet einen erheblichen Temperaturanstieg gegenüber bleihaltigen Materialien (üblicherweise 183° C). Was bedeutet das also für den Reflowprozess? Die höheren Schmelzpunkte erfordern höhere Spitzentemperaturen; Kontrolle über die Temperaturdifferenzen ist allerdings noch wichtiger. Bauteile, Substratmaterialien und Oberflächenbehandlungen können durch die erhöhten Temperaturen leicht beschädigt werden, wenn diese nicht genau kontrolliert werden. Herkömmliche bleihaltige Materialien erfordern eine Spitzentemperatur von 205° bis 215° C, während die maximal spezifizierte Temperatur von Leiterplatte und Bauteilen bei etwa 240° bis 250° C liegen kann. Das Prozessfenster ist durch die höheren Schmelztemperaturen enger geworden. Es ist nun nicht mehr akzeptabel, die Produkte hohen Temperaturen auszusetzen, und ein breites Prozessfenster anzubieten. Moderne Reflowöfen müssen die Wärmeenergie sowie die Dauer im Flüssigzustand (Time above liquidous – TAL) präzise regeln, damit die elektronische Baugruppe nicht beschädigt wird.
Obwohl sich der Metallgehalt verändert hat, sind viele der Flussmittel und Aktivatoren in bleifreien Materialien die gleichen geblieben. Das bedeutet, dass elektronische Produkte mit den gleichen Durchwärmtemperaturen, allerdings mit höheren Spitzentemperaturen, verarbeitet werden. Die Effizienz der Wärmeübertragung hat damit eine höhere Bedeutung bekommen. Der Reflowofen muss das Produkt ausreichend durchwärmen können, um Flussmittel und Lösungsmittel zu aktivieren, auf Reflowtemperatur steigen, und dabei gleichzeitig geringe Temperaturdifferenzen beibehalten.
Der Anspruch nach höheren Reflowtemperaturen hat den Einsatz von Stickstoffeinheiten gesteigert. Die höheren, bei bleifreien Materialien erforderlichen Schmelztemperaturen können die Oberflächenbeschaffenheit der Leiterplatte verändern, und den Oxidationsprozess der Pads und Anschlüsse beschleunigen. Das Ergebnis sind Auslassungen und Fehlstellen. Der Einsatz von Stickstoff beim Reflowprozess ist eine wirksame Methode, um diese Probleme zu bekämpfen, da der Stickstoff die Benetzung der Lötanschlüsse begünstigt. Bei der Entwicklung eines bleifreien Prozesses sollten effektive Stickstoff-Reflowsysteme berücksichtigt werden.
Chemische Kompatibilität
Ein weiterer Faktor, der aus dem Antrieb nach bleifreien Materialien hervorgeht, sind die Chemikalien in der Lötpaste. Einige Lötpastenhersteller haben ihren Pasten Chemikalien hinzugefügt, die in den Reinigungsoxiden von Pads und Anschlüssen gutes Verhalten aufweisen, die Reflowsysteme jedoch erheblich beschädigen können. Manche der neuen Zusammensetzungen enthalten Glykol, das die Silikondichtungen angreift und zerstört, die üblicherweise in, mit einer Stickstoffvorrichtung ausgerüsteten, Reflowöfen eingesetzt werden. Materialien, die bei der Produktion elektronischer Baugruppen benutzt werden und diese Chemikalien enthalten, wandern zu den Dichtungen und trocknen sie aus. Dadurch werden verfrühte Defekte der Dichtungen und damit ein Verlust der Stickstoffumgebung verursacht. Für eine Fertigung kann das zu kostspieligen Maschinenausfallzeiten und hohen Kosten für Austauschdichtungen führen.
Energieverbrauch und Verbrauchsmaterialien
Wenn es den Elektronikfertigungen darum geht, Kosten zu reduzieren und die Fertigungseffizienz zu steigern, muss der Energieverbrauch mit berücksichtigt werden. Allerdings ist das System mit dem geringsten Energieverbrauch nicht immer die kosteneffizienteste Lösung. Die Wärme, die für ein wirksames Löten von SMT-Anschlüssen notwendig ist, erfordert einen gewissen Energieverbrauch. Kann das Reflowsystem großformatige oder komplexe Produkte verarbeiten? Wie steht es mit großen, schweren Baugruppen und starkem Durchsatz? Es ist einfach, die Wattzahl des Heizelements zu reduzieren, um einen niedrigeren Energieverbrauch zu erzielen, aber zu welchem Preis? Eine effektivere Methode ist es, das System mit einer energiebegrenzenden Funktion auszustatten, die über das Softwareprogramm des Systems geregelt wird. Wenn die Software des Reflowsystems den Energieverbrauch selbst regeln kann, kann der Verbrauch je nach individueller Prozessanforderung verändert werden.
Verbrauchsmaterialien, wie Stickstoff zum Beispiel, müssen ebenfalls in die Kosten-Nutzen-Rechnung einfließen. Um eine Stickstoff-Reflow- umgebung aufrechtzuerhalten, muss zuerst in eine entsprechende Anlage investiert, und dann für die laufenden Stickstoffkosten aufgekommen werden. Der Reflowofen muss so konstruiert sein, dass der Stickstoff während des Reflowprozesses konserviert, die Stickstoffumgebung aber gleichzeitig wirksam aufrechterhalten wird. Dies ist umso wichtiger, als der Preis für Stickstoff stetig steigt. Der Einsatz von Stickstoff ist von Vorteil; man muss jedoch die richtige Balance zwischen den Kosten und der Ertragsminderung für den Prozess finden.
Flussmittel- Management
Auch die Pastenhersteller arbeiten daran, die Verwendung von Verbrauchsmaterialien zu senken, indem sie Pasten zusammenstellen, die eine längere Haltbarkeit aufweisen und sich während des Druckprozesses als effektiver erweisen. Durch diese Fortschritte, z.B. der verlängerten Haltbarkeit auf der Schablone und der damit einhergehenden Fehlerreduzierung und Kostenminderung, sind die Reflowofenhersteller allerdings auf der anderen Seite dazu gezwungen worden, neue Technologien zu entwickeln, um die erhöhten Flussmittelablagerungen im Reflowprozess zu kompensieren.
Die neuen Lösungsmittel und Chemikalien in der Lotpaste bieten zwar Vorteile für die Druckqualität und die offene Lagerung der Paste, sie verdunsten allerdings und verbleiben im Reflowprozess. Wenn es zu Ansammlungen dieser Materialien kommt, können sie die Baugruppen, die im Reflow verarbeitet werden, verunreinigen. Während der letzten Jahre wurden daher Flussmittel-Management-Systeme entwickelt, um diese Problematik anzugehen.
Flussmittel-Management-Systeme unterscheiden sich von Hersteller zu Hersteller, basieren aber alle auf dem gleichen grundsätzlichen Prinzip: Das Flussmittel wird aus dem Prozess entfernt. Die Systeme arbeiten mit verschiedenen mechanischen, Filter- oder Kondensations-Methoden und jedes System bietet unterschied- liche Effektivität. Und, obwohl ein Flussmittel-Management-System als Stand-alone Anlage sehr effektiv sein kann, muss der Ofen als ganzes betrachtet werden. Also vom Beladen bis zum Entladen. Wie wirksam zieht das System flüchtige Flussmittelteilchen aus dem Prozess, sammelt sie, und führt die gereinigte Luft dann zurück? Der Energieverbrauch, die Fähigkeit, Profile aufrechtzuerhalten, Wartungs- und Reinigungszeiten sowie der Stickstoffverbrauch sind Faktoren, die bei der Wahl eines geeigneten Reflowsystems untersucht werden müssen.
Prozesskontrolle
Eine andauernde Prozesskontrolle ist der beste Weg zu höheren Erträgen. Viele Reflowofenhersteller haben sich mit Firmen, die sich mit Datensammlung beschäftigen, zusammengetan, um Prozesskontrollfunktionen anzubieten, die direkt mit der Software des Ofens verbunden sind. Damit können Reflowprofile schneller erstellt und die Prozessparameter kontinuierlich überprüft werden. Ein anderer Ansatz ist eine unabhängige Verifikation der Prozessparameter, um jegliche Abweichungen der Prozesstoleranz anzuzeigen.
Zusammenfassung
Technologische Fortschritte in den Bereichen bleifrei, chemische Kompatibilität, geringerer Energieverbrauch, Flussmittel-Management und Prozessregelung haben zu erheblichen Verbesserungen des Reflowlötprozesses und der Elektronikfertigung geführt. Diese Fortschritte werden weiterhin ein wichtiger Bestandteil der Entwicklung und Fertigung von qualitativ hochwertigen Produkten sein.
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