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Um den Herausforderungen im Prozess adäquat zu begegnen, hat Solderstar speziell für Dampfphasenanlagen ein Profilingsystem entwickelt.
Erfreuliche Ergebnisse: Die Temperaturrate sowie die Zeit der Aufheizung waren identisch, sowohl mit dem Instrument innerhalb und außerhalb der Kammer.
Zusätzlich erfasste Daten lassen sich per drahtloser Telemetrie an jeden geeigneten PC übertragen, dies ermöglichen Profilanalysen in Echtzeit.

Zur Probe aufs Exempel wurde das System von Solderstar mit der kleinsten Ausführung des Dampfphasenofens Asscon Quicky 450 geprüft. Das kleinste Modell deswegen, denn wenn Auswirkungen auf den Prozess stattfinden würden, dann würde dies auf der Maschine mit der kleinsten Prozesskammer am frühesten zu beobachten sein. Das Temperaturprofil wurde zum einen mit der direkten Anbindung per Verdrahtung durchgeführt, also ohne Instrument in der Kammer, und zum anderen mit dem Instrument im Ofen.

Der Test wurde durchgeführt, um drei wesentliche Faktoren zu überprüfen:

1. Abschließende Bewertung der thermischen Eigenschaften des neuen VP-Hitzeschilds.

2. Dichtigkeitsprüfung der neuen O-Ring-Abdichtung.

3. Lokalisieren von irgendwelchen Effekten der thermischen Abschirmung auf den Prozess.

Ergebnisse des internen Solderstar-Tests

Das Schutzschild ist für die meisten Dampfphasenprozesse völlig ausreichend, denn die neue O-Ring-Abdichtung schützt hinreichend. Sowohl die roten als auch die grünen Linien des Temperaturprofils überdecken sich praktisch weitgehend im Aufheiz- und Peakbereich. Die grüne Linie zeigt eine etwas längere Peakzeit, weil hier der Prozess etwas länger verweilt. Die Temperaturrate sowie die Zeit der Aufheizung waren identisch, sowohl mit dem Instrument innerhalb als auch außerhalb der Kammer.

Teil 1: Alte Liebe neu entdeckt

Teil 1 „Vor- und Nachteile des Lötens mit Dampfphase“ erschien in der März-Ausgabe 2015 der Productronic.

Die in einer kleinen Maschine verfügbare thermische Energie in der Dampfphase ist geringer als bei größeren Maschinen; man wird hier das Profilingsystem vorzugsweise intern einsetzen. Der Temperaturschutz mit seiner geringen Masse ist sehr schnell aufgeheizt und die thermische Energie, die absorbiert wird, ist gering. Deshalb konnte zu keiner Zeit ein Einbruch der Dampfphase beobachtet werden und der Prozess blieb unberührt. Das System wurde nicht nur intern geprüft, sondern auch von namhaften Equipmentherstellern wie Rehm und IBL. Beide haben das Profilersystem getestet und empfehlen es für den Einsatz mit ihren Ofenanlagen. IBL bietet Solderstar jetzt auch direkt zusammen mit seinen Lötanlagen an.

Zuverlässige Echtzeit-Telemetrie

Ein anderer wichtiger Punkt der Entwicklungsarbeit war die Echtzeit-Telemetrie für die zuverlässige Funktion in der Vakuum-Prozesskammer. In solchen Prozessen beobachten die Spezialisten das Profil vorzugsweise in Echtzeit. Das ist allerdings in Maschinen, gemacht aus Metall, nicht unkritisch, denn sie schwächen die Funksignale stark ab. Noch kritischer wird es mit Signalen aus einer Vakuumkammer, die wie ein Faradayscher Käfig wirkt. Hier hat man sonst üblicherweise Leitungen nach Außen fest verdrahtet.

Die dazu von Solderstar entwickelte innovative Methode ist eine außergewöhnliche Lösung. Das System basiert auf einem vermaschten Netzwerk, das eine zuverlässige, selbst-heilende Verbindung sicherstellt. In diesem Verfahren können Router und Repeater bei Bedarf so eingesetzt werden, dass sie als eine Art Relaisstation die Signale weiterleiten. Normalerweise ist aber kein Repeater nötig, wenn sich der PC für den Datenaustausch innerhalb eines Radius von 10 m befindet. Zusätzlich wird auch noch ein Zwei-Wege-Protokoll verwendet, wenn das Signal nicht zu 100 Prozent garantiert werden kann. Stellt das System für einige Sekunden eine einbrechende Verbindung fest, puffert der Datenlogger und lädt dann die Daten ab, sobald die Verbindung wieder steht. Anschließend geht es weiter mit der Echtzeit-Datenerfassung.

Konsequenzen

Es zeigt sich, dass Dampfphasenlöten auch bei hohen Fertigungsvolumen wirtschaftlich sehr interessant ist. Moderne Maschinenkonzepte ermöglichen sehr gute Durchsatzleistungen bei hochqualitativen Ergebnissen. Der Dampf füllt im Ofen alle Bereiche einer Kammer gleichmäßig aus und stellt somit eine gleichförmige Temperaturverteilung über Baugruppen und damit gute Lötergebnisse sicher. Bei Reflow-Konvektionsöfen kann hingegen die Temperaturverteilung deutlich schwanken. Die physikalisch inhärente Begrenzung der Maximaltemperatur in einem Dampfphasensystem sorgt dafür, dass keine weiteren Maßnahmen gegen Überhitzung des Lotguts nötig sind. Dieses Qualitätsmerkmal wirkt sich sehr positiv auf die Langzeit-Zuverlässigkeit der damit gelöteten Baugruppen aus. Ein Reflow-Konvektionsofen hingegen verlangt umfangreiche Vorbereitungen beim Erstellen des Temperaturprofils. Außerdem kann im Betrieb eine Überhitzung von Baugruppenbereichen nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden, insbesondere dann, wenn auf einem Board die thermischen Massen stark variieren.

In einem Dampfphasenofen wird zum Erzielen von optimalen Lötergebnissen nur eine Übertemperatur von 5 K bis 10 K über dem Schmelzpunkt der Lotpaste benötigt. Andere Reflow-Verfahren brauchen jedoch 30 K bis 35 K Übertemperatur, weil die Wärmeübertragung deutlich langsamer erfolgt. Niedrigere Löttemperaturen reduzieren den Temperaturstress der Bauteile und des Leiterplattensubstrats (Delamination), auch das Popcorning der Komponenten wird minimiert. In diesem Prozess herrscht grundsätzlich eine sauerstofffreie Atmosphäre (bessere Benetzung der Lötoberflächen) ohne zusätzliche Investitionen oder Kosten für Equipment und Gase.

Auch die Energiebilanz stellt sich vorteilhafter dar (Leistungsaufnahme nur 5 kW bis 6 kW für große Inline-Systeme) als bei Konvektionssystemen, denn die Wärmeenergie wird in der Flüssigkeit zum Erzeugen des Dampfs gespeichert. Mit weiter verbesserten Isoliermaßnahmen wird die Abstrahlung von Wärmeenergie in die Umgebung reduziert, was in vielen Fällen zusätzlichen Kühlungsbedarf in der Fertigung erheblich reduziert. Trotz der geringeren Baugröße von Dampfphasenöfen lassen sich die Prozesse im gleichen Umfang wie bei konventionellen Reflow-Lötanlagen überwachen.

Profiling wertet die Dampfphase auf

Im Vergleich zu Konvektionsausführungen spart die Dampfphase erheblich Platz in der Fertigung ein. Berücksichtigt man die heutigen und künftigen Entwicklungen bei komplexen Bauteilen sowie Fertigungsprozessen, dann zeigt sich, dass Dampfphasenlöten in vielen Fällen eine angemessene Lösung darstellt. Zusammen mit dem Temperaturprofilingsystem SolderStar, seinen speziellen Funktionen und der Software lassen sich die Prozesse in diesen Lötanlagen passend definieren und im gleichen Umfang wie bei konventionellen Reflowöfen überwachen.

SMT Hybrid Packaging 2015: Halle 7, Stand 516