Welle oder Selektiv – (K)eine Entscheidung!

Ulrich Dosch, Ersa GmbH, Wertheim

Ziel dieser Neuentwicklung war es eine möglichst große Benetzungsbreite für die bereits bestehenden Ersa Selektivlöttiegel anzubieten. Darüber hinaus wollte das Unternehmen seinem Selektivlötkonzept treu bleiben, der Lötung von Baugruppen unter Null Grad, um eine optimierte Reproduzierbarkeit und einen stabilen Prozess zu erreichen. Diese Zielsetzung ist durch die patentierte Vario-Technologie realisiert – Die neuerdings ebenfalls beim konventionellen Wellenlöten in Ersa-Anlagen eingesetzt wird.

Die Vario-Technologie basiert auf einer Matrix einzelner Mini-Düsen, aus denen das flüssige Lot austritt. Die Mini-Düsen wurden bei ihrer Formgebung auf das Fließverhalten des Lotes optimiert. Gleichermaßen wurde die Anordnung der einzelnen Minidüsen so festgelegt, dass ein idealer Abfluss des Lotes gewährleistet ist. Auf Grund dieser strömungstechnischen Optimierung beim Düsendesign ergeben sich zwei wesentliche prozesstechnische Vorteile:

Zum einen ermöglicht die vertikale und dynamische Strömung des Lotes eine ideale Benetzung von Pin und Pad. Zum anderen wird durch das turbulente Ausströmen des Fluides eine sehr hohe Energieübertragung in die Baugruppe erzielt, was den Wärmebedarf der Baugruppe effektiv deckt. Darüber hinaus ermöglicht das neu entwickelte Ausströmen ein verbessertes Abrissverhalten des Lotes an den Lötstellen. Hierdurch wird die Brückenbildung minimiert und die konkave Formbildung des Lotmeniskus verbessert. Des Weiteren ist durch diesen Lotfluss das Wellenlöten in der Horizontalen möglich, sprich es wird kein Durchzugswinkel der Baugruppe durch die Lötwelle von sieben Grad benötigt.

Durch das spezielle Design der Minidüsen und dem dadurch vergrößerten Freiraum zwischen den einzelnen Düsen, bildet sich während des Lötprozesses eine homogene Druckverteilung des Lotes. Für die Druckverteilung des Lotes ist der Freiraum zwischen Düsenoberkante und Leiterplattenunterseite maßgeblich verantwortlich. Da bei der Mini-Vario-Wave einzelne Düsen zum Einsatz kommen, wird das Volumen zwischen Düsenoberkante und Leiterplattenunterseite durch den zusätzlichen Freiraum zwischen den einzelnen Düsen erweitert. Dadurch wird ein gleichmäßiges Strömungsbild generiert und ein unerwünschter Staudruck minimiert, der das Anströmverhalten des Lotes negativ verändert. Gemäß dem heutigen Stand der Technik, befindet sich die komplette Mini-Vario-Wave unter einer Schutzgasglocke aus Stickstoff. Die inerte Atmosphäre verhindert die Bildung von Oxiden auf der Lotoberfläche, was besser Lötergebnisse und eine minimierte Krätzebildung mit sich bringt. Ebenso verändert die Schutzgasatmosphäre die Fließeigenschaften des Lotes positiv, mit dem Ziel die Fehlerquote zu reduzieren.

Zur kontinuierlichen Umwälzung des Lotes wird eine elektromagnetische Pumpe eingesetzt. Diese durch das Unternehmen erstmals beim Selektivlöten eingesetzte Pumpenbauart, hat die Vorteile, dass sie wartungsarm und verschleißfrei ist.

Diese Eigenschaften bringt der konstruktive Aufbau mit sich, da hierbei keine mechanischen Komponenten bewegt werden. Darüber hinaus ermöglicht die elektrische Ansteuerung der Pumpenspulen eine äußert präzise, dynamische und reproduzierbare Wellenhöhe, bzw. Druckgenerierung. Da man bereits seit 15 Jahren auf dieses bewährte Pumpen- und Tiegelkonzept setzt, ist die Mini-Vario-Wave mit allen Standard-Ersa-Selektivlöttiegeln kompatibel. Deshalb ist eine spätere Nachrüstung bestehender Selektivlötmaschinen möglich und die Anwender können auf den bewährten Düsen- und Wellenformer-Baukasten zurückgreifen, der nun durch die Mini-Vario-Wave erweitert wurde.

Die Anforderungen, die an eine Selektiv- bzw. Wellenlötanlage gestellt werden sind sehr vielfältig und reichen von Starr-Flex-Produkten bis hin zu massereichen Dick-Kupfer-Applikationen. Um diesen unterschiedlichen Herausforderungen gerecht zu werden, ist eine hohe Einflussnahme auf die einzelnen Prozessparameter unabdingbar. Einer dieser Parameter ist die Positionierungsmöglichkeiten der Lötwelle unterhalb der Baugruppe. Während des Lötprozesses ruht die Baugruppe und ist im Transport der Maschine fixiert. An die einzelnen Lötareale wird das Lötmodul, bestehend aus Dreiachssystem und Löttiegel, bewegt. Die Achsen sind unabhängig voneinander ansteuerbar und ermöglichen eine präzise Positionierung an jeder Lötstelle. Die drei Freiheitsgrade bieten mehrere Vorteile im Vergleich zu einer konventionellen Wellenlötanlage. Neben geradlinigen Lötbahnen lassen sich durch gleichzeitiges Verfahren der X- und y-Achse diagonale Bahnen fahren, was bei Applikationen mit einer hohen Tendenz der Lötbrückenbildung zu fehlerfreien Lötergebnissen führt.

Sind unterschiedliche Pinlängen, SMDs oder andere Störkonturen auf der Unterseite vorzufinden, so lässt sich individuell die Z-Position der Mini-Vario-Wave anpassen. Somit ist eine große Freiheit bei der Erstellung des Lötprogramms gegeben und es können auch komplexe Layoutentwürfe bearbeitet werden. Da beim Löten grundsätzlich eine Wärmeeinbringung in die Baugruppe stattfinden muss, können Festigkeitsverlusten der Leiterplattenmaterialien auftreten. Dies resultiert in einer Durchbiegung auf Grund des Eigengewichts der Leiterplatte. Das Vermessen der Durchbiegung mittels eines Lasers und eine anschließenden Drei-Achs-Interpolationen kann diese Abweichung kompensiert werden.

Treten durch die unterschiedlichen Kupferlagenverteilungen differente Lötwärmebedarfe auf, so ermöglicht ein Modifizieren der Bahngeschwindigkeit eine auf die Lötstelle angepasste Benetzungszeit und der Wärmebedarf der Lötstelle wird ideal gedeckt. Dieser Effekt kann gleichermaßen durch eine Erhöhung der Pumpenleistung erreicht werden, wodurch eine stärkere Dynamik und ein größeres Umwälzvolumen entsteht. Die hoch dynamische Ansteuerung der elektromagnetischen Pumpe ermöglicht darüber hinaus ein definiertes Abrissverhalten am Lötbahnende im Bereich von zehntel Sekunden. Ein routinemäßiger Wellenhöhentest der Mini-Vario-Wave garantiert eine stabile, reproduzierbare Wellenhöhe über den gesamten Produktionszeitraum. Somit bietet die Mini-Vario-Wave viele flexible Möglichkeiten, um das Lötergebnis zu optimieren.

Die Maschinenplattformen des Unternehmens bieten die Möglichkeit, verschiedene Prozessmodule maßgeschneidert auf die Anforderungen des jeweiligen Kunden aneinander zu reihen und somit einen idealen Fertigungsprozess zu gewährleisten. Neben kompletten Prozessmodulen, wie Flux-, Vorheiz-, Miniwellen- oder Dipmodul lassen sich einzelne Optionen in den jeweiligen Modulen kombinieren. In Bezug auf die Mini-Vario-Wave ist hierbei ein Doppeltiegel-System besonders hervorzuheben. Durch den Einsatz von zwei Löttiegeln, die auf zwei voneinander getrennten Z-Achsen montiert sind, ist es möglich zwei unterschiedliche Düsen oder Wellenformer auf die Tiegel aufzubringen. Die beiden Tiegel können programmtechnisch jederzeit aktiviert werden und applikationsspezifisch unterschiedliche Benetzungsformen und -längen auf einer Baugruppe eingesetzt werden. Existieren in einer Applikation beispielsweise Bereiche in den SMT- und THT-Komponenten eng benachbart angeordnet sind und größere Areale auf den nur THT-Komponenten vorzufinden sind, so können die mischbestückten Bereiche mit einer sehr präzisen Selektivlötdüse mit einem Außendurchmesser von z.B. 6mm auf Tiegel eins gelötet werden und die größeren reinen THT-Areale mit der Mini-Vario-Wave mit einer Benetzungsbreite von 70mm auf Tiegel zwei. Das Umschalten zwischen den Tiegeln eins und zwei, findet in wenigen Sekunden statt. Dadurch wird eine effiziente Zykluszeit der Baugruppe erreicht, was sich ebenfalls in einem höheren Durchsatz wiederspiegelt.

Findet ein Mixbetrieb zwischen klassischen Wellenlötprodukten und Selektivlötprodukten statt, erkennt die Maschine durch eine Codierung das entsprechende Produkt und wählt automatisch das entsprechende Lötprogramm mit Miniwelle oder Mini-Vario-Wave. Das modulare Maschinenkonzept bietet somit eine hohe Fertigungsflexibilität bei hohen Durchsätzen.

Mit weltweit über 200 ausgelieferten Selektivlötanlagen im Jahr 2013 bestätigt das Unternehmen die Weltmarktführerschaft im Bereich Selektivlöten. Um diesem Vertrauen der Kunden auch in Zukunft gerecht zu werden, ist große Kundennähe und -orientierung unverzichtbar. Da die Elektronikproduzierende Industrie immer kürzere Taktzeiten bei gleichzeitig hoher Flexibilität anstrebt, hat sich das Unternehmen dieser Kundenanforderung angenommen und mit hoher Innovationskraft die Mini-Vario-Wave entwickelt. Nach der CAD-gestützten Konstruktions- und Simulationsphase, folgte eine ausgiebige Evaluierung im Ersa-Technikum unter Produktionsbedingungen. Nach der internen Freigabe wurde die Mini-Vario-Wave direkt im Feld von einem Kunden getestet. Dort konnten unter realen Fertigungsbedingungen in einem Mehrschichtbetrieb Erfahrungen mit dem neuen System gesammelt werden und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit der Mini-Vario-Wave unter Beweis stellt werden. Bei vielen kundenseitigen Lötversuchen im Hause Ersa, findet neben Standarddüsen, die Mini-Vario-Wave ihren Einsatz und zeigt auch dort ihre Flexibilität und ihr Potential auf. Die stetig steigende Zahl an Kundenanfragen und neuen Interessenten unterstreicht die hohe Marktakzeptanz der Vario-Technologie.

Zusammenfassend bietet die Mini-Vario-Wave eine Vielzahl von Vorteilen und Mehrwerten für den Anwender in technologischer wie in wirtschaftlicher Sicht: