Bild 1: Mit der Vakuum-Reflow-Lötanlage VisionXP+ Vac von Rehm Thermal Systems können Elektronikfertiger mit einer Anlage sowohl mit Vakuum als auch bei normalen Druckverhaltnissen löten.Rehm
Als sich Galileo Galilei (1564 – 1641) die Frage nach der Existenz der absoluten Leere (lateinisch: vacuus) stellte, wurde sie erstmals aus dem philosophischen in den physikalisch-technischen Bereich überführt. Heute, 371 Jahre nach der Erzeugung des ersten künstlichen Vakuums durch Evangelista Torricelli, ist die Vakuum-Technik ein wichtiger und gängiger Bestandteil der Verfahrenstechnik. In der Elektronikfertigung ist insbesondere die Anwendung des Grobvakuums (von 300 mbar bis hin zu 1 mbar) zu verschiedenen Zwecken sehr verbreitet.
Die wichtigsten Vakuumanwendungen in der Elektronikfertigung sind das Trocknen, das Lackieren, der Gaswechsel und das Vakuumlöten. Während der Einfluss der Poren auf die Zuverlässigkeit der Lötstellen von Komponenten mit geringer Strombelastung, etwa bei Signalübertragung, seit Jahren für heiße Debatten unter Forschern und Anwendern sorgt, werden vor allem in der Leistungselektronik und Hochzuverlässigkeitstechnik zunehmend porenfreie Lötverbindungen gefordert. Diese werden erzeugt, wenn das noch schmelzflüssige Lot nach der Realisierung der Lötverbindung einem Vakuumprozess unterzogen wird.
... und (3b) ohne Vakuum, mit der Konvektionslötanlage VisionXP+ Vac.Rehm
Bild 3: Röntgendurchstrahlbilder einer QFN44-Lötstelle nach dem Löten (3a) mit Vakuum ...Rehm
Entwicklung des Reflow-Lötens mit Vakuum bei Rehm
Bereits im Jahr 1999 hat Rehm Thermal Systems das erste Vakuum-Lötsystem VAC400 zum Löten elektronischer Baugruppen auf den Markt gebracht. Kurz darauf wurde in einem Condenso-Lötsystem die Kondensations-Löttechnik (Dampfphasenlöten) mit geeigneter Vakuumtechnik kombiniert. Beim Vakuumlöten mit der Condenso kann das Vakuum in der Prozessabfolge wahlweise als Vorvakuum und/oder finales Vakuum verwendet werden. So bietet das Condenso-Lötsystem neben seiner sehr guten Wärmeverteilung sowohl die Möglichkeit zum Trocknen von Pasten als auch zur Erzeugung porenfreier Lötverbindungen.
Bild 2: Vakuumkammer der Konvektionslötanlage VisionXP+ Vac.Rehm
Der Wunsch nach einem höheren Durchsatz und einer besseren SMT-Linien-Integration verlangte neue technische Lösungsansätze. Dafür hat Rehm seine Kompetenzen sowohl auf dem Gebiet des Konvektionslötens als auch der Vakuumtechnologie in einer neuen Option für eine Konvektions-Reflow-Lötanlage vereinigt. Der Anlagentyp heißt VisionXP+ Vac; die Vakuumkammer (Bild 2) ist optional verfügbar.
Vakuum-Option macht den Lötprozess flexibel
Die Konvektions-Reflow-Lötanlage mit Vakuumoption entfernt bereits direkt nach dem Aufschmelzen des Lotes – während sich das Lot noch im optimalen schmelzflüssigen Zustand befindet – zuverlässig Poren und Ausgasungen. Mit einem Vakuum zwischen 100 mbar und 10 mbar sind Void-Raten von unter 2 Prozent realisierbar (Bild 3a). Für eine exakte Einstellung der Prozessparameter wird bei der VisionXP+ Vac das Vakuum nicht an der Vakuumpumpe, sondern direkt in der Prozesskammer gemessen. Druckverlauf und Geschwindigkeit lassen sich individuell einstellen und als Profilparameter absichern. Der mechanische Aufbau der Anlage bietet die Option, das Vakuum wahlweise zu nutzen oder die Lötanlage als klassische Konvektions-Lötanlage zu verwenden (Bild 3b).
Technische Vorkehrungen vermindern den Wartungsaufwand
Die Vakuumkammer (Bild 2) wird bei der Vakuum-Lötanlage VisionXP+ Vac (Bild 1) als Ergänzung zu den vorhandenen Peakzonen installiert. Die integrierte Pyrolyse und separate Filterung der in der Vakuumkammer abgesaugten Atmosphäre sind zusätzliche Pluspunkte im Bereich der Wartung und Reinigung. Ein ausreichend dimensionierter Stellweg der Vakuumkammer in der Servicestellung erlaubt eine gute Zugänglichkeit an die inliegende Mechanik während der Wartungsintervalle. Das automatische Auffahren der Prozesskammer in Prozess- oder Wartungsposition minimiert Stillstandzeiten und verringert somit den Wartungsaufwand.
Optimale Temperaturen und
stabile Prozesse
Die Vakuum-Lötanlage verfügt über einen dreigeteilten Transport: Vorheiz-/Peakbereich, Vakuum-Einheit und Kühlstrecke. Alle drei Bereiche des Transportsystems werden optional mit einer Mittenunterstützung für besonders breite Baugruppen ausgestattet. Die Möglichkeit, beim Einsatz des Vakuums die Transportgeschwindigkeit im Kühlbereich zu reduzieren, erlaubt es, die Kühlzeit der Baugruppen zu verlängern und damit eine optimale Temperatur für nachfolgende Prozessschritte bereitzustellen. Mit der Erweiterung des Transportsystems um eine zweite Spur wird der Durchsatz der Anlage zusätzlich erhöht.
Alle Heizzonen der Vakuum-Lötanlage sind individuell regelbar und thermisch voneinander getrennt, wodurch eine flexible Profilführung und ein stabiler Reflow-Prozess ermöglicht werden. Die Messung eines Temperaturprofils bei eingeschaltetem Vakuumprozess (Bild 4) zeigt, dass trotz eines sehr niedrigen zu erreichenden Unterdrucks von 10 mbar, alle Profilvorgaben
(≤ 3 K/s Aufheizen, tL ≤ 90 s, TP ≤ 240 °C) erfüllt wurden. Mithilfe der in der Kammer integrierten Heizung lässt sich die Temperatur der Baugruppe in der Vakuum-Einheit an die Vorgaben der gängigsten Normen anpassen. Dadurch gelingt ein zeiteffizienter und stabiler Produktionsablauf.
Bild 4: Druck- und Temperaturprofil eines Lötprozesses mit der VisionXP+ Vac.Rehm
Kondensations- oder Konvektionslötanlagen mit und ohne Vakuum verfügbar
[inlinebild55780Um eine geeignete Kombination aus Kondensations- oder Konvektionslöten und der Vakuumtechnologie zu identifizieren, müssen die einzelnen zu erfüllenden Ziele genau analysiert werden. Trotz einer gemeinsamen Hauptanforderung, den Porenanteil in den Lötverbindungen zu reduzieren, unterscheiden sich die Möglichkeiten und die Anwendungsbereiche der Lötverfahren. Die Tabelle 1 vergleicht einige wesentliche Merkmale beider Vakuum-Lötverfahren. Dabei kann insbesondere die Art der zu verarbeitenden Baugruppen, die Verfügbarkeit des Vakuumprozesses und die Produktivität als einschneidend eingestuft werden. Die fertigungs-, baugruppen- und kundenspezifischen Aspekte spielen stets eine primäre Rolle bei der Auswahl der optimalen Kombination aus Löt- und Vakuumtechnik. Im Technology Center von Rehm in Blaubeuren können beide Verfahren getestet werden, um so den besten Prozess für die zu fertigende Baugruppe zu ermitteln.
Seit der Markteinführung dieses Konvektions-Reflow-Lötsystems mit Vakuumoption wurden bereits mehrere Anlagen bei großen und auch mittelständischen Elektronikherstellern in Betrieb genommen. Ausschlaggebend waren für die Anwender die signifikante Erhöhung der Zuverlässigkeit der Lötstellen durch den Vakuum-Prozess und die Flexibilität der Anlage, den Vakuum-Prozess bei Bedarf auch ausschalten zu können.
Eck-Daten
Konvektions-Reflow-Löten in einer Anlage mit und ohne Vakuum
Rehm Thermal Systems hat seine Konvektions-Reflow-Lötanlage
VisionXP+ um eine Baureihe mit Vakuumoption VisionXP+ Vac erweitert. Diese Anlage kann wahlweise sowohl mit Vakuum als auch ohne Vakuum betrieben werden. SMD-Hersteller können so flexibel auf die Qualitätsanforderungen ihrer Kunden reagieren. Das Vakuum wird direkt nach dem Aufschmelzen des Lotes angelegt. Mit einem Vakuum zwischen 100 mbar und 10 mbar sind Void-Raten von unter 2 Prozent realisierbar.
Paul Wild
(dw/mrc)
