Reflowlöten der neuesten Generation

Seho, Kreuzwertheim

Dieser Hintergrund führt zwangsläufig zu maßgebenden Veränderungen in der Anlagen- und Prozesstechnik moderner Reflow-Lötsysteme. Bleifreie Lotlegierungen sind üblicherweise mit Ag und/oder Cu zusammengesetzt. Ihr Schmelzpunkt liegt um etwa 40 K höher als der von eutektischen SnPb-Lotlegierungen. Damit steigt das Oxidationsrisiko mit allen negativen Konsequenzen. Eine Stickstoffatmosphäre – auf die hier allerdings nicht näher eingegangen werden soll – scheint daher zumindest überlegenswert.

Der Grund für eine Zusammensetzung mit Silber liegt darin, dass die Reflowtemperaturen soweit wie möglich reduziert werden sollten, um das Leiterplattenmaterial oder die Bauteile vor einer zu hohen thermischen Belastung und damit vor einer möglichen Beschädigung zu schützen. Das „klassische“ Bleifrei-Temperaturprofil verläuft im Gegensatz zum bekannten Sattelprofil linear. Eine Verweilzeit von 120 bis 190 Sekunden und eine Peakzeit (über der Schmelztemperatur) von rund 70 Sekunden liefert dabei die besten Lötergebnisse (Bild 1). Die meisten Pastenhersteller empfehlen hierbei eine Löttemperatur von 235°C bis 255°C.

Die Effektivität der Wärmeübertragung ist beim Umstieg auf eine bleifreie Produktion eines der wichtigsten Kriterien.

Allgemein gilt: Je niedriger die eingestellten Ofentemperaturen sind, desto geringer ist die thermische Belastung für Bauteile und Leiterplattenmaterial und desto niedriger ist die Oxidationsrate. Konvektion als Wärmeübertragungsverfahren ist sicherlich die geeignetste Methode, um einen homogenen Temperaturanstieg zu ermöglichen.

Da der bleifreie Lötprozess aufgrund des kleineren Prozessfensters insgesamt weniger Raum für potenzielle Fehlereinflüsse bietet, spielt die Flexibilität des Reflow-Lötsystems darüber hinaus eine wichtige Rolle. Hier haben definitiv Anlagen „die Nase vorn“, die über eine ausreichende Anzahl an Zonen verfügen. Generell gilt in diesem Zusammenhang, dass ein Reflow-Lötsystem umso flexibler ist, je mehr individuell einstellbare und geregelte Heizzonen es hat.

Zur Productronica 2005 stellt Seho zwei neue Reflow-Lötsysteme vor: Die PowerReflow ist über eine geheizte Strecke von 2,6 m mit neun Heizzonen ausgestattet, die MaxiReflow verfügt über 12 Zonen bei einer Heizstrecke von 3,6 m. Damit ist eine individuelle Anpassung des auf der Baugruppe erzeugten Temperaturprofils möglich, gleichzeitig kann vollkommen flexibel auf alle material- und prozessbedingten Gegebenheiten reagiert werden.

Durch das flexible Temperaturmanagement entsteht ein sehr kleiner Temperaturunterschied zwischen massereichen und massearmen Bauteilen auf der Leiterplatte und insgesamt eine sehr homogene Erwärmung aller Komponenten.

Von besonderer Relevanz ist die thermische Trennung der einzelnen Heizzonen, denn schließlich ist es wenig förderlich, wenn sich die Temperaturen in den einzelnen Zonen zwar individuell einstellen lassen, die tatsächlichen Temperaturen in den Zonen aber nach einiger Zeit „verschwimmen“. Eine gegenseitige Beeinflussung von benachbarten Heizzonen muss also vermieden werden.

Bei den Reflow-Lötsystemen des Unternehmens wird dies durch ein ausbalanciertes Gasführungskonzept innerhalb der einzelnen Zonen erreicht.

Durch kurze Gasführungswege wird hierbei der Aufbau einer laminaren Strömung innerhalb der einzelnen Zone oder gar über die Heizzonengrenze hinweg vermieden, die durch die Bildung von Schleppkräften zu einem Bauteileversatz führen könnte. Stattdessen wird eine Gasturbulenz auf Leiterplattenebene erzeugt. Damit werden Schleppkräfte neutralisiert und gleichzeitig eine Schattenbildung ausgeschlossen.

Durch das optimierte Gasführungssystem werden die Baugruppen und Bauteile gleichmäßig und schonend erwärmt, und aufgrund der effizienten Energieübertragung ist außerdem die Einstellung von niedrigen Nominaltemperaturen möglich.

Ein besonderes Highlight der MaxiPower ist die thermografische Darstellung der produzierten Flachbaugruppen (Bild 2). Eine nach dem Lötbereich installierte Kamera liefert thermografische Bilder der gesamten Leiterplatte und nicht – wie bisher maximal möglich – nur einzelner Punkte auf der Baugruppe. Damit wird die Temperaturverteilung auf der gesamten Baugruppe mit einem Blick visualisiert.

Über die Software können minimale und maximale Grenzwerte definiert werden, die dann auf dem thermografischen Bild entsprechend farblich dargestellt sind. Die Werte können mit der Betriebsdatenerfassung abgespeichert werden und liefern damit reelle und nachvollziehbare Daten im Rahmen von Traceability-Vorgaben.

Das für bleifreie Lotlegierungen angestrebte Linearprofil hat jedoch auch seine Tücken. Da die Aktivatoren der Paste bei einer Temperatur von rund 140 bis 160°C ihre Tätigkeit aufnehmen, haben sie bei Erreichen der hohen Peaktemperaturen ihr „Leben bereits ausgehaucht“. Benetzungsprobleme sind die logische Konsequenz. Üblicherweise findet man daher in bleifreien Pasten einen höheren Kolophoniumanteil, um die Aktivatoren zu schützen.

Dieser zusätzliche Kolophoniumanteil trägt jedoch zu einer wesentlich höheren Verschmutzung des Prozessinnenraums des Reflow-Lötsystems bei.

Und weil es damit noch nicht genug ist, führen die höheren Löttemperaturen zusätzlich noch zu einer vermehrten Ausdampfung des Leiterplattenmaterials (Bild 3). Da beim Linearprofil das „Dampfstadium“ zudem kürzer ist als bei einem Sattelprofil, verbleibt außerdem weniger Zeit, diese Dämpfe kontrolliert aus dem Prozessraum zu entfernen.

Ein effizientes Kondensat-Management-System mit Prozessgasreinigung ist daher ein absolutes Muss, um sicherzustellen, dass diese Dämpfe nicht innerhalb des Prozessraums oder – was noch wesentlich höhere negative Auswirkungen hätte – auf den Produkten kondensieren.

Die Reflow-Lötanlagen von Seho sind mit mehrstufigen Kondensatmanagement-Systemen ausgestattet, die besonders wartungsarm sind (Bild 4).

Speziell von Vorteil ist hierbei, dass die Anlagen keine Filter benötigen, die sich im Laufe der Zeit zusetzen und damit den Prozess negativ beeinflussen können.

Sicherlich lässt sich zusammenfassend feststellen, dass bleifreie Lötprozesse natürlich realisierbar sind, und dass es verschiedene Wege gibt, diese Prozesse in der Elektronikproduktion zu implementieren.

Der Anwender sollte bei der Einführung der Bleifrei-Produktion sein spezielles Augenmerk auf seine Durchsatzanforderungen, die Wartungsanfälligkeit des Reflowsystems und vor allem auf die Wärmeübertragung legen. Eine Stickstoffatmosphäre ist zumindest überlegenswert, da die aufgrund der gestiegenen Temperaturen höhere Oxidationsrate damit deutlich verringert wird und Lötfehler wie z.B. Brückenbildung auf ein Minimum reduziert werden. Um zusätzlich steigende Betriebskosten zu vermeiden, ist ein modernes und effizientes Stickstoffmanagement unumgänglich.

Eine fortschrittliche Maschinentechnologie ermöglicht dem Anwender einen stabilen Reflowprozess sowie eine Reduzierung seiner Kosten und – vor allem – trägt wesentlich dazu bei, die Qualität seiner Produkte bei der Umstellung auf einen bleifreien Fertigungsprozess zu verbessern.

Durch die aktive Mitarbeit bei Forschungsprojekten zur Bleifreitechnik ist Seho ein Treiber auf diesem Gebiet. Die permanente Abstimmung mit Universitäten und Instituten und vor allem den Prozesstechnikern bei unseren Kunden, die bereits eine bleifreie Produktion umgesetzt haben, sichert den aktuellen Kenntnisstand über die Erfordernisse und möglichen „Stolpersteine“ dieser Technik. Das Unternehmen vermittelt dieses Wissen an seine Kunden und Interessenten und unterstützt sie bei der Einführung von Bleifreiprozessen in ihrer Flachbaugruppenfertigung.

Productronica, Stand A3.263

EPP 434