Through Hole Reflow Dipl.-Ing. Frank Karger, Phoenix Contact, Blomberg

Zunehmende Akzeptanz des Marktes für das THR-Verfahren sowie ein wachsendes Produktspektrum zeigen deutlich das Potenzial dieser Technologie als vollwertige Alternative zu etablierten Montageprinzipien für Baugruppenanschlusselemente wie Wellenlöten oder Einpresstechnik (Bild 1).

Der Schlüssel liegt in der Möglichkeit, bestehende Prozesse zu vereinfachen und dabei gleichzeitig Kosten zu senken. Die vollständige Integration basiert auf der Prozessfolge des Pin-in-Paste-Verfahrens für bedrahtete Komponenten in SMT-Fertigungsprozessen. Bisher zeitaufwändige und kostenintensive Zusatzschritte entfallen.

Ein weiterer Pluspunkt für THR-Steckverbinder und -Printklemmen ergibt sich im Hinblick auf die anlaufenden Aktivitäten zur Umsetzung der ab Juli 2006 verbindlichen europäischen Direktiven zur Umstellung auf bleifreie Prozesse und Vermeidung schadstoffhaltiger Substanzen. Sie erfüllen schon heute die erwartungsgemäß höheren Anforderungen an Temperaturbeständigkeit bleifreier Prozesse und bieten daher die Voraussetzung für eine parallele Umstellung auf „THR“ und „Bleifrei“.

Neue Verfahren erfordern häufig Änderungen in den ohnehin komplexen Prozessabläufen. Dies ist in der Regel mit zeitlichem und finanziellem Aufwand verbunden. Der Anspruch erscheint hochgegriffen, mit gleichem Equipment bei gleichen Verfahren unter gleichen Bedingungen SMT- und bedrahtete Komponenten zu verarbeiten. Schlussendlich muss der Beweis erbracht werden, ob die auf dem Pin-in-Paste-Verfahren basierende Technologie gemäß Normenlage auch den bisherigen Ansprüchen an wellengelötete Lötstellen genügt. Elektrisch und mechanisch darf sich nichts ändern.

Heute ist die Integrierbarkeit in vielfältigen SMT-Fertigungslinien Station für Station mehrfach überprüft. Die Anpassungen sowie Kosten für Änderungen einzelner Prozess-Schritte entsprechen denen, die auch bei einem neuen Baugruppendesign entstehen würden. Die Definition und Spezifikation der Lötergebnisse stimmt mit der Normenlage überein (Bild 2). Insgesamt kann die THR-Technologie damit vor allem eine wirtschaftlich interessante Alternative darstellen. Die Resonanz seitens der Baugruppenhersteller ist zunehmend positiv.

Einem Einsatz in Serie steht in allen Fällen eine Erprobung der Technik bevor, und das am besten im eigenen Haus.

Eine Möglichkeit sind Tests an bestehenden Baugruppen, wobei wellengelötete Komponenten durch THR-Komponenten ersetzt werden. Hierbei können grundlegende Erfahrungen mit dem Umgang der Komponenten gesammelt werden. Dafür wird eine neue Schablone für den Lotpastendruck hergestellt und die Einstellung geeigneter Druckparameter vorgenommen. Die Bauteile können in einem ersten Schritt noch per Hand gesetzt werden. Danach erfolgt das Verarbeiten aus dem Gurt heraus.

Alternativ bietet Phoenix Contact ein Testkit mit Leiterplatten und Steckverbindern an, um sich mit der Technologie vertraut zu machen (Bild 3). Auch hier wird eine Schablone für die mitgelieferte Leiterplatte erstellt. Die Leiterplatte ermöglicht den Test verschiedener THR-Steckverbinder und -Printklemmen von Phoenix Contact, die in den Rastern 2,5 mm bis 5,08 mm angeboten werden.

In beiden Fällen erweist es sich als vorteilhaft, dass die Spezifikation der THR-Komponenten und ihrer Verarbeitung direkt mit dem hauseigenen Equipment durchgeführt werden kann, somit die Verfahrensweisen bei Freigabe der Technologie im eigenen Haus erprobt worden sind.

THR-Bauelemente sind heute in allen Belangen der SMT-Verarbeitung angepasst. Sie sind geometrie- und materialoptimiert sowie verpackungsseitig mit industrieüblichen Bestückungs-Systemen zu verarbeiten (Gurtware). Die direkt auf das Produkt zugeschnittene automatengerechte Verpackung trägt zunächst einen höheren Anteil an den Kosten als eine vergleichbare lose Komponente für die Handbestückung.

Allein der Wegfall des bislang erforderlichen Zweitverfahrens (z.B. Wellenlöten) zeigt aber deutlich, welcher Arbeitsgang kostengünstiger ist. Denn der zusätzliche Verpackungsaufwand wird mehr als kompensiert. Besonders dort, wo die Leiterplatte nur noch SMT-Komponenten trägt oder die Stückzahlen die Kleinserie überschritten haben, tritt die THR-Technologie ganz klar in Konkurrenz zur Wellenlöt-Technologie.

Spätestens mit Umsetzung der europäischen Direktiven zu blei- und schadstofffreien Produkten sowie Fertigungsprozessen müssen auch Prozessingenieure den Schritt in neue Produktionsverfahren wagen.

Die aktuelle Diskussion zeigt deutlich, dass in allen Bereichen investiert werden muss, sei es bei der Modernisierung des Equipments oder in neue Komponenten und Leiterplatten. Die innerbetrieblichen Umstellungen im Verfahren lassen sich heute nur schwer fassen. Allein die Tatsache, dass die Prozesskette neu überdacht wird und neue Verfahren angewendet werden müssen, gibt aber auch die Chance, parallel die THR-Technologie zu integrieren und mit ihrem kostensenkenden Charakter steigenden Investitionen und Produktionskosten entgegenzuwirken.

Der Vorteil ist hier: Die ohnehin erforderlichen Umstellungen, beispielsweise im Bereich der Personalschulung insbesondere für die Fehlererkennung bei der Lötstelleninspektion, fallen nur einmal an. Die neuen Kriterien für THR- und gleichzeitig bleifreie Lötstellen müssen nur einmal parallel erlernt und festgelegt werden (Bild 4).

Die sich ergebenden Design-Vorschriften für bleifreie Lötstellen können mit den Vorgaben für THR-Lötstellen kombiniert und einmalig in die Datenbanken geschrieben werden. Auch werden Investitionen in die Lötanlagen nicht immer gleich bewertet. Tendenziell sind sie für SMT-Anlagen wesentlich geringer als für Wellenlötsysteme. Da moderne Reflow-Systeme heute schon die geforderten Temperaturreserven für die heißeren bleifreien Profile haben, ist nur der Invest in teurere Lote und höhere Energiekosten zu erwarten.

Bei Wellenlötanlagen ist das Alter entscheidend. Neuere Anlagen sind generell mit geringem Aufwand umzustellen, ältere hingegen mit Investition in der Größenordnung von 20 bis 30% des Anlagenwertes. Hauptproblem sind neue Behälter für die aggressiveren bleifreien Lote sowie deren Austausch. Hinzu kommen gerade in der Anlaufphase kürzere Analysezyklen der Lotbäder.

Dies bedeutet, dass jede Komponente, die von Wellen- auf Reflowlöten umgestellt werden kann, das Kostenprofil verändert und das Sparpotenzial erhöht.

Nicht erst Mitte 2006, sondern schon heute können durch die Umstellung auf THR-Technik Kosten gesenkt werden. Die Integration der THR-Technik kann selbst in die Hand genommen werden, sei es anhand bestehender Baugruppen oder aber mit einem Testkit. Der erste Schritt zum Sparen kann schon heute erfolgen. Phoenix Contact bietet für diese Umstellung ein breites THR-Produktspektrum sowie entsprechendes Know-how.

EPP 426