Weniger Dreck – weniger Kosten

Stefan Wegener, Peter Jordan, Offenbach

Viele Reflow-Ofen-Hersteller sind stetig dabei, das Kondensatmanagement und die Wartungsfreundlichkeit ihrer Anlagen zu verbessern. Aufgrund der Vielfältigkeit der auf dem Markt befindlichen Lotpas-ten, den unterschiedlichen Lötoberflächen und durch die Einführung der Bleifrei-Technik, ist eine optimale Auslegung einzelner Maschinenbereiche hinsichtlich des Wartungsaufwandes nur sehr schwer umzusetzen, da relevante Daten hinsichtlich der Flussmittel (Koch-/ Siedetemperatur, Dampfdruck etc.) fehlen, voneinander stark variieren und zudem auch nicht immer dem Ofenhersteller bekannt sind.

Enge Liefertermine der zu fertigenden Baugruppen tragen zudem dazu bei, dass erforderliche wichtige Wartungsintervalle nicht eingehalten werden, und Wartungen erst dann durchgeführt werden, wenndie Lötqualität absinkt oder die Reflow-Lötanlage aufgrund eines Fehlers steht. Andererseits werden die Sollwert-Vorgaben (Lötprofile) infolge von aufgetretenen Qualitätsmängeln (innerhalb eines gewissen Rahmens, bis sich das Lötbild eventuell verbessert hat) verändert. Da Reinigungsmaßnahmen damit verbunden sind, meist klebrige und verkrustete Rückstände zu entfernen, ist diese Tätigkeit zudem wenig geschätzt und erstreckt sich meist nur auf das Notwendigste.

Grundsätzlich lagern sich die Kondensate an den kälteren Stellen im Reflow-Ofen ab. Speziell dafür vorgesehene Kühlfal-len (Zonenübergänge, Kühlzonen) sollen den Kondensatanteil ansammeln und abführen. Der Wirkungsgrad dieser Zusatz-einrichtungen ist aufgrund der Chemie der verwendeten Materialien und Tem-peratureinsätzen recht unterschiedlich. Ge-genüber Standard-Reflow-Lötsystemen, die die Verunreinigungen über die Abluft abführen (zunehmende Umweltauflagen!), sammeln sich die Kondensate bei Stickstoff-Lötsystemen innerhalb der Anlage wesentlich schneller an, da eine stetige Umwälzung des N2-Luft Gemisches stattfindet. Der Stickstoffbedarf wird dadurch deutlich reduziert. Das freigesetzte Kondensat wird in speziell ausgeleg-ten Bereichen (gekühlte Zonenübergänge, Kühlzone) des Reflow-Ofens gezielt an-gesammelt und abgeführt. Dies verspricht nicht nur hinsichtlich der Verschmutzung sondern auch beim Lötergebnis Vorteile. Die Oxidation der Metalloberflächen innerhalb der N2-Atmosphäre ist minimal und gestattet eine gute Lötbarkeit der Oberflächen (allg. schnelle und gute Benetzung).

Kondensatablagerungen führen in einigen Fällen zu Querschnitts-Veränderungen und damit zur Änderung der Luftströmungs-Verhältnisse. Besonders kritisch dürfte sich dies bei der stets weiter zunehmenden Miniaturisierung der Komponenten (0201) auswirken. Bohrungen, Schlitze etc., Antriebe (Ketten, Mittenunterstützungen) und andere Bereiche des Reflow-Sys-tems (Zonenübergänge) verschmutzen immer stärker, bis hin zum gelegentlichen Herabtropfen des Kondensates auf die Baugruppen. Zusätzliche Ersatzteile (Antriebs- und Lüftermotoren) sollten in einigen Fällen für Reparaturzwecke schnell verfügbar sein (beispielsweise Kondensatablagerungen in den Lagerbüchsen).

Die verschiedenen zum Einsatz kommenden Substrate tragen zu einem erheblichen Anteil der Verunreinigungen bei (bis zu 70 %). Messungen des freigesetzten Kondensates ergaben, dass lediglich 20 bis 25 % des Kondensates auf Flussmittel der Lotpasten zurückzuführen ist. Die restlichen 5 bis 10 % der Bestandteile beruhen auf Ausgasungen von Bauelementen und auf den Baugruppen eingeschleppte Luftfeuchtigkeit. Die Zahlen variieren je nach Bestückungsdichte, Substrat und Komponenten.

Wird das vorgegebene Profil der Lotpas-ten-Hersteller nicht eingehalten, beeinträchtigt dies ebenso die richtige Ausdampfung der Flussmittel-Bestandteile und schränkt die Wirksamkeit eingebauter Kondensatfallen ein. Im Klartext: Zu geringe Vorheizwerte (130 bis 140 °C) verschieben die Ausdampfungen der Lotpas-te zu sehr in andere Zonenbereiche. Spätestens in der Peakzone, während der Umschmelzung des Lotes, entstehen dann zu große Dampfmengen aus den Pasten-Bestandteilen. Ein im Ofen implementiertes Kondensatmanagement wird dadurch un-ter Umständen stark überlastet und verdreckt vorzeitig. Partielle Nassbereiche, speziell unterhalb des Transportes innerhalb der Peak- und Kühlzone, könnten als erstes auf diese Ursache hinweisen.

Eine zu lange und hohe Verweilzeit dagegen führt zu vorzeitigen Ausgasungen des Flussmittels in der Lotpaste ebenso wie zu Ausgasungen des Laminates, für des-sen Kondensatabfuhr die Maschine eventuell nicht konzipiert ist. Neben der anstehenden thermischen Überlas-tung der Komponenten kann unter Umständen die Aktivi-tät des Flussmittels (je nach Typ und Aufbau) eingeschränkt werden, da einige Bestandteile bereits verbrannt sind. Die Folgen sind un-zureichende Benetzungen, schlecht ausgeprägte Menisken, granulöse Oberflächen, nicht sauber benetzte Pad-Ecken etc..

Ein Lotpasten-Wechsel wird allgemein erst dann angestrebt, wenn folgende Probleme auftreten:

• Nacharbeiten wegen Lotperlen, Tomb-Stoning oder schlechten Lötergebnissen

• zu kurze Schablonen-Standzeiten

• mangelnde Bestück-Sicherheiten (Klebkraft, vorzeitiges Austrocknen der Lotpaste nach dem Druck)

• geforderte Sauberkeit der Lötstellen

• mangelnde Kontaktierbarkeit

Diese Punkte beeinträchtigen den Produktionsablauf beachtlich. Der Faktor Maschinen-Stillstandszeiten (ob Wartung oder Reparatur) gerät dabei sehr oft ins Hintertreffen.

Viele der auf dem Markt befindlichen Standard-Lotpasten verrichteten bislang gute Dienste. Ein Wechsel zur Optimierung der Fertigungslinie ist vielerorts abhängig von Freigabeuntersuchungen, dem Fertigungsequipment, Umwelteinflüssen und den unterschiedlich zu verlötenden Materialien der Komponenten. Dennoch lohnt sich in jedem Fall der Vergleich neuerer Lotpasten, um den Fertigungsprozess zu verbessern. Nach erfolgreichen Vorab-Testserien mit einer neuen Lotpaste über einen gewissen Zeitraum, empfiehlt es sich die Maschine bei der nächsten anstehenden Wartung von Grund auf zu reinigen (ob Abluft- oder N2-Betrieb). Sämtliche Abluftkanäle sollten von alten Flussmittel-Rückständen befreit werden, damit eine einwandfreie Absaugung sichergestellt ist, und sich die abgesaugten Dämpfe nicht gleich wieder an kälteren Stellen (Harzablagerungen) des Ofens niederschlagen können (u.U. Herabtropfen von Kondensatrückständen).

Seit geraumer Zeit sind einige gute Lot-pasten verschiedener Hersteller auf dem Markt. Neben der geforderten Sauberkeit und Zuverlässigkeit der gelöteten Baugruppe, unterscheiden sich diese Lotpas-ten in der Benetzung (gut ausgeprägte Menisken, glatt aufgeschmolzen – nicht granulös bis hin zu den Pad-Ecken etc.), in ihrer Verarbeitbarkeit und dem Kondensat-ausstoß. Einer dieser Hersteller, der sich bereits seit 20 Jahren einen guten Namen mit Synthetikflussmitteln weltweit verschafft hat, ist die Firma Cobar aus Breda in den Niederlanden

Anhand eines konkreten Einsatzbeispiels wird deutlich, wie sich die Kosten durch Wahl einer geeigneten Lotpaste reduzieren lassen. Bei dem Einsatz der Synthetik-Lotpaste von Cobar stand neben den Kondensatabscheidungen in den Reflow-Öfen eine Qualitätsverbesserung der zu fertigenden Baugruppen im Vordergrund. Die Fertigungslinien wurden zuvor gereinigt und gewartet. Zunächst wurden die verwendeten Lötprofile aufgezeichnet. Die herkömmlichen Sattelprofile werden heutzutage aufgrund neuerer Flussmitteltechniken und höheren Metallanteilen in der Paste nicht mehr in diesem Stil verwendet. Die Anwendung des typischen, oft anzutreffenden Sattelprofiles ergab in einigen Werken dennoch gute Lötungen mit erheblich weniger Lotperlen, guten Benetzungen und geringeren Rückständen. Vorzugsweise wird ein Temperaturprofil mit kurzem Temperatursattel empfohlen.

Neben den guten Lötergebnissen überzeugte der geringe Wartungsaufwand. Die im Reflow-Ofen verbliebenen Rückstände lassen sich ohne Mühen entfernen, Alkohol und ähnliche Reiniger werden nicht mehr verwendet. Lediglich das Lochblech und die Kondensatfalle werden wöchentlich einmal mit dem Staubsauger abgesaugt Der bislang zusätzliche Reinigungsaufwand für die Kondensatfallen mit Wascheinrichtungen entfällt gänzlich. Der Verbrauch des alkalischen Reinigers beträgt jetzt nur noch 10 % des alten Bedarfes (vornehmlich Schablonenreinigung etc.). Zudem entfallen die Entsorgungskosten des Mediums. Die Maschinen-Stillstandszeiten und die entsprechenden Personalkosten für die Wartung wurden drastisch reduziert. Die jährlichen Kosten (Wartungsstillstand, Personal, Reinigungsmedien etc.) konnten von 37 530 DM für die vorherige Lotpaste auf 11 794 DM bei der synthetischen Paste verringert werden. Dadurch konnten 25 736 DM im Jahr eingespart werden.

Die Lotpaste Cobar S6M-325XM3 hat sich zudem bei Tomb-Stoning-Problemen wie etwa eine ungleiche thermische Masseanbindung der Leiterbahnzüge an das Löt-Pad, unvorteilhafte Löt-Pad-Geometrie, zu dicke Lötstop-Resiste, teils zu großer Pastenauftrag, hoher N2-Anteil etc., bewährt. Nicht nur durch die Speziallegierung SN62.5, sondern auch durch eine andere Visco-Elastizität werden die Komponenten auf der Baugruppe gehalten und gelötet.

Insbesondere die Temperaturprofilierung stellt in vielen Werken ein Hindernis hinsichtlich der Auswertung und leichten Ablesbarkeit der gewonnenen Daten dar. Mit einem guten Messwerkzeug (Temperatur-Profiler) und zusätzlicher Messpalette zur Untersuchung der Wiederholgenauigkeit von Reflow-Öfen (inklusive kompletter SPC-Analyse) lässt sich die Überprüfung, Auswertung und Archivierung um einiges erleichtern.

EPP 160