Wirtschaftlich und schnell

Jürgen Friedrich, Ersa GmbH, Wertheim

Betrachtet man das gesamte Spektrum der heute verfügbaren Selektivlöttechnik, so spannt sich der Bogen vom Lötroboter, Licht- und Laserlötanlagen über Induktionslötsysteme bis hin zu Lötanlagen, die mit kleinen Lötwellen arbeiten. Aus wirtschaftlichen Gründen und dem Streben nach höchstmöglicher Qualität und Reproduzierbarkeit haben sich in der Elektronikfertigung auf breiter Front Systeme durchgesetzt, die auf Basis kleiner Lötwellen arbeiten.

In der Praxis unterscheidet man Systeme mit einer kleinen Lötwelle, die die THT-Lötstellen auf der Baugruppe sequentiell abarbeiten, und Systeme mit mehreren Lötwellen, die alle Selektivlötstellen simultan löten. Die Vorteile beider Systeme liegen auf der Hand. Single-Wave-Systeme sind aufgrund des programmierbaren Bewegungsablaufes sehr flexibel, die Multiwellensysteme bieten dem Kunden sehr kurze Zykluszeiten. Kombiniert man beide Lötverfahren in einer Anlage, eröffnet sich dem Anwender die Möglichkeit, sowohl hohe Stückzahlen in kurzen Zykluszeiten auf der Multiwelle zu verarbeiten, wie auch Baugruppen in geringer Stückzahl auf der flexiblen Single Wave zu produzieren.

Der Kreis der Anwender, die diese moderne Löttechnologie einsetzen, reicht vom KMU mit wenigen Mitarbeitern über EMS-Dienstleister bis hin zu global agierenden Konzernen mit weltweiten Fertigungsstätten. Ein wichtiger, stetig wachsender Markt ist z. B. die Automobilindustrie. Der Anteil der Elektronik in Kraftfahrzeugen nimmt kontinuierlich zu. Um die Integrität dieser komplexen Systeme sicherzustellen, müssen die einzelnen elektronischen Baugruppen höchsten Qualitätsansprüchen genügen. Ein manueller Touch-up der Baugruppen, und sei es nur zum Entfernen einer Lötbrücke, ist heute nicht mehr zulässig. Das heißt, eine fehlerhaft produzierte Baugruppe muss verschrottet werden.

Vor diesem Hintergrund müssen moderne Selektivlötsysteme in der Lage sein, die selektiven Lötprozesse selbständig zu überwachen sowie die Stabilität und die Reproduzierbarkeit der Prozesse sicherzustellen. Nur so lässt sich ein hohes FPY erzielen. Konträr zu diesen Qualitätsgedanken steht die Forderung nach hohen Verfügbarkeiten der Systeme, um sie unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten möglichst effektiv betreiben zu können. In der Praxis bedeutet das, dass alle Zeiten, in denen das Lötsystem gegebenenfalls nicht produzieren kann, auf ein Minimum reduziert werden müssen. Zeiten für das Prüfen von Parametern, Umrüstung, Wartung, Programmierung etc. sind durch konstruktive Maßnahmen so gestaltet, dass eine hohe Verfügbarkeit der Systeme sichergestellt ist.

Die SMT ist heute in fast allen Bereichen der Elektronik die Standardtechnologie. Trotzdem existiert ein gewisses Bauteilspektrum, das nicht als SMDs verfügbar ist. Diese bedrahteten Bauteile nachträglich selektiv auf die SMT-Baugruppen zu löten stellt einen zusätzlichen Prozessschritt dar, der in den Fertigungen nicht zum Nadelöhr werden darf. Deshalb sind Betrachtungen zur Zykluszeit in Abhängigkeit der Lötstellen sehr wichtig. Um in High-Volume-Fertigungen Zykluszeiten im Bereich von 20 Sekunden realisieren zu können, fällt die Wahl des Selektivlötprozesses fast ausschließlich in den Bereich des Multiwellenlötens.

Wie in Wellenlötprozessen üblich ist auch beim Multiwellenlöten die Prozessschrittfolge das Fluxen, Vorheizen und Löten.

Die Absicherung der Prozesse beginnt auch hier bereits in der Entwicklungsphase der Baugruppen. Hier stellt das Unternehmen den Entwicklern Empfehlungen für das Layout der Baugruppen zur Verfügung.

Nur wenn gewisse Mindestabstände zu benachbarten SMDs eingehalten werden, ist das Prozessfenster für einen sicheren Prozess ausreichend groß.

Der Flussmittelauftrag beim Selektivlöten muss örtlich begrenzt erfolgen. Auf Bereiche der Leiterplatte, die von den Selektivlötwellen nicht benetzt werden, darf kein Flussmittel aufgetragen werden. Um dies sicherzustellen, kommen heute Multi-Drop-Fluxköpfe zum Einsatz, die aus der industriellen Tintenstrahltechnik übernommen wurden. Das Flussmittel wird hier nicht zerstäubt, sondern als einzelne kleine Tröpfchen gezielt auf die Leiterplattenoberfläche aufgetragen. Dazu sind die Fluxköpfe auf ein X-Y-Achssystem montiert, das programmgesteuert unter der im Transportsystem fixierten Baugruppe bewegt wird.

Wie das Ausdrucken einer Seite auf einem Tintenstrahldrucker, ist auch das Fluxen der Baugruppen ein sequentieller Prozess, dessen Zykluszeit vom Umfang der zu fluxenden Fläche bestimmt wird. Um die Zykluszeiten des Fluxens an die kurzen Zykluszeiten des Lötens anzupassen, können die Fluxer mit bis zu vier Fluxköpfen ausgerüstet werden. Diese arbeiten dann entweder parallel mit einem Flussmittel, oder man trennt die Systeme in maximal zwei mal zwei Köpfe, die mit zwei unterschiedlichen Flussmitteln betrieben werden können. Letzteres kommt häufig bei EMS-Dienstleistern zum Einsatz, die flexibel auf die Forderungen ihrer Kunden reagieren müssen. Die Wahl des geforderten Flussmittels erfolgt im Lötprogramm. Der präzise Flussmittelauftrag, der mit den achsengesteuerten Multi-Drop-Köpfen erreicht wird, wird im automatischen Betrieb der Lötsysteme kontinuierlich überwacht. Die automatische Überwachung muss sowohl die Position wie auch die Flussmittelmenge erfassen. Beide Parameter werden in den Lötanlagen mittels Laserlichtschranken erfasst und ausgewertet. Weichen die Parameter um gewisse Toleranzen von ihren Sollwerten ab, wird der Prozess gestoppt und eine entsprechende Betriebsmeldung für den Bediener signalisiert.

Die Vorwärmung der Baugruppen hat in bleifreien Lötprozessen einen hohen Stellenwert. Der Wärmehaushalt der Lötstellen ist beim Einsatz von SnCu- und SnAgCu-Loten stark von der Vorheiztemperatur abhängig, wenn die Baugruppen eine hohe Wärmekapazität aufweisen. Die genannten Lote erstarren schneller, da der Wärmeüberschuss über dem Schmelzpunkt, im Vergleich zu SnPb-Loten, geringer ist. Dieser physikalische Nachteil der Lotwerkstoffe kann über eine effektive Vorheizung kompensiert werden.

Generell stehen in den Selektivlötsystemen des Unternehmens Heizmodule mit kurzwelligen Quarzstrahlern und Hybrid-Konvektionsheizungen zur Verfügung. Zum Vorwärmen der Baugruppen von unten kommen Quarzstrahler zum Einsatz, die optionalen Oberheizungen sind Hybrid-Konvektionsheizmodule. Die Oberheizungen können sowohl im Vorheiz- wie auch im Lötmodul eingesetzt werden. Je nach Anlagentyp lassen sich bis zu vier Vorheizmodule in eine Lötanlage integrieren.

Die Größe der Heizmodule ist standardisiert und richtet sich generell nach der maximalen Baugruppengröße. Werden nur kleine Baugruppen prozessiert, können die Heizmodule mit einem zweiten Leiterplattenstopper segmentiert werden. Damit verdoppelt sich die Kapazität der Vorheizung, und die Zykluszeit der Baugruppen lässt sich so halbieren. Der Einsatz von Oberheizungen in den Lötmodulen stellt eine kontinuierliche Temperatur der Baugruppe während dem Lötprozess sicher und verhindert das Abkühlen der Baugruppen bei langen Lötzyklen. Beim Dip-Löten ist diese Option, dank der kurzen Lötzeiten, nicht erforderlich.

Die Forderung nach kurzen Zykluszeiten impliziert fast ausnahmslos den Einsatz von Multiwellenlöttiegeln zum simultanen Dip-Löten. Herzstück dieser Lötmodule ist das produktspezifische Lötwerkzeug: die Düsenplatte. Diese besteht aus einer massiven Grundplatte, auf der Lötdüsen angeordnet sind, deren Größe und Positionen mit den Lötstellen auf der zu lötenden Baugruppe korrelieren. Neben Standardlötdüsen werden die Geometrien der Lötdüsen sehr oft an die Gegebenheiten auf den Baugruppen angepasst. Diese Düsen werden am 3D-CAD konstruiert und anschließend aus einem Stück aus dem Vollen gefräst. Die langjährige Erfahrung in der konstruktiven Gestaltung der Lötdüsen ist der Garant für die Stabilität der Lötergebnisse, die hohe Verfügbarkeit der Anlagen und das hohe Qualitätsniveau der Lötstellen. Die Düsenplatte ist mittels Schnellverschlüssen auf einer Druckkammer im Lottiegel arretiert, wodurch sie einfach und schnell wechselbar ist. Die Druckkammer wird über eine Induktionslotpumpe mit Lot versorgt. Das Lot tritt von unten in die Lötdüsen ein, steigt nach oben und erzeugt so die kleinen Lötwellen.

Die neue Generation der Ersa Multiwellenlöt- aggregate ist mit elektromagnetischen Lotpumpen ausgestattet, die keinerlei bewegliche Teile aufweisen und damit wartungsfrei arbeiten. Die Pumpenleistung ist stufenlos regelbar, so dass die Höhe der Lötwellen ganz exakt einstellbar ist. Die Pumpen sind für alle heute gängigen bleifreien Lote geeignet. Das Standardlötaggregat hat einen optimierten Lotinhalt von ca. 220kg (SAC305), ist von außen beheizt und verfügt über eine Schutzschicht gegen den Angriff bleifreier Lote. Die maximal zu lötende Fläche beträgt in diesen Aggregaten 360 x 380mm. Über dem Lötaggregat ist eine Haube angeordnet, die mit Schutzgas geflutet wird. Sie umschließt den gesamten Lötbereich und das Transportsystem, damit eine stabile Schutzgasatmosphäre während des Lötens sichergestellt ist. In diese Haube lässt sich eine Option integrieren, die beim Dip-Löten von den Kunden häufig gefordert wird: die Fixierung von Bauteilen während des Lötprozesses. Da in den Selektivlötanlagen des Unternehmens generell der Raum über den Baugruppen frei und nicht von Greifern und Handlingsystemen belegt ist, bietet sich hier der große Vorteil der Integration der Niederhalter in das Lötmodul. Die Niederhaltesysteme werden nur einmal benötigt und sind, wie die Lötdüsenplatten, schnell wechselbar. Teure Werkstückträger mit integrierten Bauteilniederhaltern gehören beim Einsatz der neuen Lötsysteme der Vergangenheit an.

Der Ablauf des Lötprozesses ist so, dass zunächst die Baugruppe im Transportsystem über dem Lötaggregat fixiert wird. Die Lotpumpe wird auf Arbeitshöhe umgeschaltet und der komplette Tiegel wird für 2 – 3 Sekunden in einen genau definierten Abstand zur Baugruppe angehoben. Die Lötstellen tauchen für die programmierte Zeit in die Lötwellen ein und werden in dieser Zeit ausgebildet. Danach wird der Tiegel abgesenkt und die Baugruppe für den Weitertransport entriegelt. Das Rüsten der Dip-Lötmodule stellt eine weitere Herausforderung dar. Damit durch das Rüsten die Verfügbarkeit der Anlage nicht leidet, kann ein zweites Lötaggregat installiert werden. Die vom Unternehmen entwickelte „on-the-fly“-Rüstoption erlaubt das Rüsten und Einrichten des nicht im Einsatz befindlichen zweiten Lötmoduls während dem laufenden Betrieb der Anlage. Dadurch steigt die Verfügbarkeit der Anlage, da zwischen zwei Produkten ohne Stillstandszeit umgeschaltet werden kann. Weitere Standardoptionen im Lötaggregat sind die Lotniveaukontrolle und die Barrenzinnzuführung.

In Fertigungen mit hohem Anteil angelernter Arbeitskräfte kann es vorkommen, dass bei einem Produktwechsel auf der Linie z. B. eine falsche Düsenplatte oder ein falscher Bauteilniederhalter in die Lötanlage eingesetzt wird. Derartige Fehler würden unweigerlich zu Fehlproduktionen führen, bis sie irgendwann entdeckt würden. Um solche Fehler im Ansatz auszuschließen, sind Lötdüsenplatte und Niederhalter codierbar. Die Lötanlagen verfügen über eine Trace-Schnittstelle, über die sie mit kundenspezifischen MES- und ERP-Systemen kommunizieren. Vor der Prozessfreigabe durch das MES an die Lötanlage prüft das übergeordnete System, ob die Codierungen von Lötdüsenplatte, Niederhalter und das gewählte Lötprogramm für das Produkt geeignet sind. Stimmen die Daten überein, wird die Prozessfreigabe erteilt, und die Produktion auf der Lötanlage kann gestartet werden. Bei falschen Daten bleibt der Prozess gesperrt. Im laufenden Betrieb werden alle maschinenspezifischen Daten sowie die produktionsrelevanten Daten der spezifischen Baugruppen in der Lötanlagensteuerung gespeichert und über die Trace-Schnittstelle dem MES-/ERP-System zur Verfügung gestellt. Dadurch ist die Rückverfolgbarkeit und Qualitätssicherung der gefertigten Baugruppen zu jeder Zeit gewährleistet.

Die Ecocell unterscheidet sich von anderen Selektivlötsystemen dadurch, dass das Transportsystem in der Anlage in einer U-Form angeordnet ist. Damit kann sie vorzugsweise in flexiblen Fertigungsinseln oder auch „side line“ eingesetzt werden. Sie bietet Platz für fünf Einzelbearbeitungsstationen, die z. B. mit 1x Fluxen, 2x Vorheizen sowie 2x Dip-Löten, bestückbar sind. Mit dieser Konfiguration lassen sich Zykluszeiten von unter 30 Sekunden pro Werkstückträger/Baugruppe und ein Rüstwechsel „on-the-fly“ realisieren. Die Programmierung der Anlage kann offline mittels dem unternehmenseigenen CAD-Assistenten erfolgen, einer grafischen Programmieroberfläche, die eingescannte Fotos der Baugruppen zur Programmierung des Fluxers nutzt. Beim Dip-Löten reduziert sich die Programmierung des Lötmoduls auf wenige Parameter, da eine grafische Programmierung der Bewegung nicht erforderlich ist.

Bedingt durch das U-förmige Transportsystem erfolgt in der Anlage eine Umsetzung der Baugruppen durch einen verfahrbaren Shuttle. Um die Prozesskette hier nicht zu unterbrechen, ist der Shuttle mit einer Vorheizkassette bestückt, optional auch mit einer Oberheizung. Die Ver- und Entsorgung des Lötsystems mit Baugruppen erfolgt manuell oder über halbautomatische Transportsysteme. Hierzu steht das gesamte Spektrum des modernen Baugruppenhandlings zur Verfügung und erlaubt sehr flexible, kundenspezifische Lösungen. Eine weitere Besonderheit stellt der optionale FIFO-Kühlpuffer im Auslaufbereich dar. Er bietet 8 FIFO-Positionen und gewährleistet bei entsprechender Taktung, dass alle Baugruppen, die sich in der Lötanlage befinden, ohne Unterbrechung die Lötanlage durchlaufen. Damit ist gewährleistet, dass bei jedem Eingriff, Stopp oder einer Verzögerung von außen, der eigentliche Selektivlötprozess, bestehend aus Fluxen, Vorheizen und Löten, immer unter gleichen Bedingungen stattfindet. Die Baugruppen werden vom Puffer aufgenommen, bis eine Entnahme wieder möglich ist. Gleichzeitig werden die Baugruppen im FIFO-Puffer aktiv gekühlt. Die Baugruppentemperatur am Ausgang des Puffers beträgt <35°C. Die Baugruppen können damit sofort von den Mitarbeitern oder nach geschalteten Prüfsystemen weiterverarbeitet werden. Weitere Optionen sind AOI-Systeme im Zuführ- und Auslaufbereich des Systems. Diese Systeme dienen zur Verifikation der Bestückung bzw. der Beladung der Werkstückträger bzw. zur Prüfung der Lötergebnisse.

Die Multiwellenlöttechnologie ermöglicht dem Anwender einen stabilen und reproduzierbaren Selektivlötprozess mit kurzen Taktzeiten. Umfangreiche Ausstattungsmerkmale erlauben wirtschaftliche Prozesse mit niedrigen Betriebskosten, hoher Verfügbarkeit der Lötsysteme und gleichzeitig hoher Qualität der gelöteten Baugruppen. Eine durchgängige Prozessüberwachung und -absicherung ermöglicht den Betrieb der Anlagen ohne Bediener, gleichzeitig ist sie die Basis für die Rückverfolgbarkeit der gefertigten Baugruppen.

Neben der vorgestellten Dip-Löttechnologie bietet man als Systemlieferant eine weite Palette an Selektivlötsystemen. Die Spannweite reicht von der einfachen, manuell zu beladenden Ecoselect1 bis zur Versaflow-Familie, einer flexiblen modularen Plattform von Inline-Selektivlötsystemen mit bis zu sechs Lötaggregaten und Dual-Track-Transportsystemen. Die Kombination von Dip-Löten und Miniwelle in einer Anlage bietet dem Anwender ein Höchstmaß an Flexibilität bei einem Minimum an Stellfläche und Taktzeit.

Ein weiterer großer Vorteil für die Selektivlötsysteme des Unternehmens ist die Austauschbarkeit von Fertigungsparametern und -erfahrungen, die nicht am eigenen Fabriktor endet. Alle Selektivlötanlagen arbeiten zuverlässig auf der gleichen Software-Plattform, und das weltweit unter den unterschiedlichsten Anforderungen und Bedingungen, sehr häufig auch im Dreischichtbetrieb, 7 Tage die Woche.