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Um den Herausforderungen im Prozess adäquat zu begegnen, hat Solderstar speziell für Dampfphasenanlagen ein Profilingsystem entwickelt.
Zusätzlich erfasste Daten lassen sich per drahtloser Telemetrie an jeden geeigneten PC übertragen, dies ermöglicht Profilanalysen in Echtzeit.
Über den USB-Anschluss am Datenlogger kann man während des Ofendurchlaufs die Daten analysieren.

In der Dampfphase lassen sich große thermische Massen  gleichmäßig und rasch erwärmen, wobei die Peak-Temperatur gut kontrollierbar ist. Diese Technik setzt thermische Energie beim Übergang des Mediums vom gasförmigen in den flüssigen Zustand frei. Dieser Phasenübergang, auch als Kondensation bekannt, hält an bis die Baugruppe die Temperatur des Dampfs erreicht hat. Ein Vorteil ist, dass die Baugruppen nicht überhitzt werden können – ein großes Plus im Bleifrei-Prozess. Zudem sorgt der Prozess für ein kontinuierliches, gleichmäßiges Erhitzen der kompletten Baugruppe, unabhängig davon, aus welchen Materialien sie besteht. Der Lötprozess ist frei von Sauerstoffresten – ohne den Einsatz von Stickstoff. Schließlich wird die Wärmeenergie sehr effizient übertragen, weshalb die Energie- und damit auch die Betriebskosten sinken.

Teil 2

In der April-Ausgabe der Productronic wird der zweite Teil des Fachartikels erscheinen. Dabei werden die Ergebnisse des internen Solderstar-Tests vorgestellt.

Natürlich gibt es auch einige Nachteile, beispielsweise der schnelle Temperaturanstieg sowie praktisch keine Einwirkung des Anwenders auf das Temperaturprofil. Entsprechend dieser Bedingungen konzentrierte sich das Dampfphasenlöten auf spezielle Anwendungen mit großen thermischen Massen oder komplexen Baugruppen in kleineren Stückzahlen wie in der Militärelektronik oder Luft- und Raumfahrt. Populär ist das Verfahren beispielsweise in Entwicklungslabors für Prototypen und Nullserien sowie bei Herstellern kleinerer Stückzahlen, doch eignet sich das moderne Ofenequipment auch für hochvolumige, komplexe Produktionsprozesse.

Profilierte Dampfphase

Um den Herausforderungen im Prozess adäquat zu begegnen, hat Solderstar speziell für Dampfphasenanlagen ein Profilingsystem entwickelt. Die neuesten Modelle bieten nun dem Anwender wesentlich mehr Kontrolle über den Lötvorgang. Dabei bleiben die großen Vorteile dieser Technik wie die fixierte Peaktemperatur erhalten, jedoch lassen sich nun Temperaturgradienten und Lötprofile frei bestimmen, automatisch die Zeit über Liquidus kontrollieren sowie stets in einer perfekten inerten Gasatmosphäre löten.

Ursprünglich war es einmal der Traum der Hersteller dieser Lötanlagen, auf ein Temperaturprofiling verzichten zu können. Doch in der Produktionswirklichkeit zeigt sich, dass man etwas, das man nicht messen kann, auch nicht kontrollieren kann. Man sollte eigentlich wegen der äußerst gleichmäßigen Temperaturübertragung annehmen, dass Lötfehler wie Grabsteinbildung (Tombstoning, Komponenten stehen aufrecht) nicht vorkommen, aber nicht immer halten sich die Schaltungsentwickler an die Empfehlungen der Anlagenhersteller, deswegen müssen Lötanlagen in der Regel von Prozessspezialisten eingestellt und überwacht werden, um Qualität und Zuverlässigkeit sicherzustellen.

Unabhängig davon, ob Löten im Batch, Inline, atmosphärisch oder unter Vakuum erfolgt, Solderstar entwickelte dafür eine Lösung, die Anwender in die Lage versetzt, Lötprozesse und deren Qualitätsanforderungen zu verstehen und zu kontrollieren. Ein zweiteiliges Instrument mit Schutz per Hitzeschild und geringer Masse verringert eventuelle Auswirkungen auf den Lötprozess und kann über die verschiedenen Stadien wie Vorheizung, Dampfphase und im Vakuum eingesetzt werden. Nach dem Prozessdurchlauf lässt sich die heiße Abdeckung rasch für Datenübertragung und Kühlung abnehmen, wobei das Risiko, das Instrument zu beschädigen, erheblich reduziert ist. Zusätzlich erfasste Daten lassen sich per drahtloser Telemetrie an jeden geeigneten PCs übertragen, dies ermöglicht Profilanalysen in Echtzeit.

Lötvorgänge kennzeichnen sich dadurch, dass jeder Komponentenanschluss auf einer Baugruppe auf eine lötfähige Temperatur gebracht wird, selbst Steckverbinder oder große BGAs. Dabei ist sicherzustellen, dass kein Teil überhitzt wird oder eine Leiterplatten-Delamination einsetzt. Somit wird beim Bleifreilöten das Prozessfenster ziemlich eng. Doch mit der Dampfphase ist es sogar möglich, doppelseitig bestückte FR4-Boards zuverlässig und ohne die Gefahr von Beschädigung durch Überhitzung zu löten.

Anwendungsspezifische Profilierungsmethoden

Das Marktangebot umfasst einen weiten Bereich unterschiedlicher Lösungen, vom Labor-Equipment für Prototypen, Batch-Systeme für mittlere Losgrößen bis hin zu In-Line-Konfigurationen für die hochvolumige Produktion. Einige Batch-Maschinen lassen sich später bei Bedarf auch noch für den Inline-Betrieb aufrüsten. Rehm Thermal Systems und IBL Technologies empfehlen etwa das Profiling-Equipment von Solderstar für ihre Lötanlagen.

Diese unterschiedlichen Maschinenkategorien lassen sich in ihrem thermischen Profil mit Solderstar definieren, beispielsweise die Öfen für mittlere Fertigungsvolumen. Sie arbeiten im Batchbetrieb, wobei zum Löten die Baugruppen in Körbe geladen werden. Diese Körbe werden dann von der Maschine in die Dampfphasenkammer zum Vorheizen und Löten transportiert und nach dem Prozess wieder ausgegeben. Für diesen Maschinentyp ist die Profilerstellung schwierig, sie weisen oft interne Thermopaare auf, die mit der Außenwelt verbunden werden. Ein externes Profilersystem wird zum Erfassen der Temperaturkurve verwendet, allerdings ist die Verdrahtung für die laufende Kontrolle der täglichen Produktion nicht unbedingt ideal. Solche Lötöfen gibt es auch als Vakuum-Ausführung. Dabei ist die Prozesskammer hermetisch abgedichtet, eine Verdrahtung unmöglich und nur ein Durchlaufsystem verwendbar. Hier kann das Solderstar-System seine Stärken ausspielen.

Der in der Volumenfertigung präferierte Inline-Prozess ist mit Thermopaar-Verdrahtungen genauso schwierig im Dampfphasenofen zu profilieren wie ein großer Reflowofen mit langen Anschlüssen zum Profilinginstrument. Solche Leitungen behindern den gesamten Lötprozess und außerdem sind die Ergebnisse nicht immer zuverlässig. In Vakuumanlagen lassen sich solche Leitungen sowieso nicht einsetzen. Das Solderstar-System Pro-VP ermöglicht sowohl Anwendern von Batch- als auch Inline-Dampfphasenanlagen auf die gleiche Weise thermische Profile für ihre Produkte zu erfassen wie die üblichen Reflow-Lötöfen. Dieses System besteht aus dem Datenlogger Pro, der von einem Hitzeschutz ohne große Masse geschützt ist und somit komplikationslosen Betrieb in den unterschiedlichen Maschinenzonen wie Vorheizung, Dampfphasenlöten und im Vakuum ermöglicht. Die erfassten Daten werden per drahtloser Telemetrie einfach an einen nahe platzierten PC übertragen und können in Echtzeit analysiert werden. Nach dem Einsatz lässt sich der leichte Hitzeschild von der Einheit einfach abnehmen und der Datenlogger zum Auslesen und weiteren raschen Abkühlen entnehmen. Das Gerät bietet die Möglichkeit, den Datenlogger extern per Verdrahtung anzuschließen. Damit eignet es sich für Elektronikherstelller mit unterschiedlichen Lötsystemen (auch Wellenlöten), denn mit einem Instrument lassen sich alle Aufgaben erledigen. Zudem kann man über den USB-Anschluss am Datenlogger während des Ofendurchlaufs die Daten analysieren. Dieses Gerät, das durch den Ofen läuft, ist das Hauptinstrument des Systems. Nur dieses erlaubt die thermische Profilierung von Vakuum-Maschinen.

Der Feind des Profilers: große Wärmeübertragung

Wegen des in Dampfphasenanlagen eingesetzten fluorierten Kohlenwasserstoffs Galden ist im Vergleich zu üblichen Reflow-Konvektionsöfen die Wärmeübertragung sehr hoch. Deswegen kommt dem Schutz des Datenloggers gegen Überhitzung besonders hohe Bedeutung zu. Natürlich darf auch kein Dampf in das Innere der Profilingeinheit gelangen, denn dieser würde das Gerät zerstören. Kommt dann noch Vakuum ins Spiel, steigen die Herausforderungen weiter, denn das System muss allen Differenzdrücken widerstehen, die im Prozess vorkommen. Und eine Echtzeit-Telemetrie ist nötig, um die Instrumentendaten aus dem Ofen beziehungsweise der Vakuumkammer an einen PC weiterzuleiten.

Zur Lösung dieser Aufgabenstellung gibt es zwei Möglichkeiten:

Erstens: Die gesamte Auswerteelektronik plus Thermopaare innerhalb eines thermisch geschützten Geräts (One Box). Vorteil sind die geringen Abmessungen des Systems. Nachteilig ist, dass es perfekt abgedichtet sein muss, um den Einflüssen des Vakuums zu widerstehen, außerdem ist ein sehr guter Schutz gegen die Hitze nötig, was Gewicht und thermische Masse in die Höhe treibt. Nach dem Ofendurchlauf ist das Instrument sehr heiß. Weil die Einheit abgedichtet ist, heizt sie nach und es besteht die Gefahr der Beschädigung von Batterie und Elektronik. Eine Zwangskühlung ist deshalb nötig.

Zweitens: Zweiteiliges Instrument (Two Boxes). Die Schutzabdeckung des Datenloggers lässt sich sehr einfach und rasch nach dem Ofendurchlauf entfernen. Vorteil ist der bessere thermische Schutz sowie die rasche Abkühlung nach Einsatz. Der Datenlogger lässt sich bei Bedarf in unterschiedlichen Ofensystemen einsetzen und im Jahresrhythmus muss nur ein Instrument regelmäßig gewartet und kalibriert werden. Als Nachteil weist das System etwas größere Abmessungen auf. Viele Prozessspezialisten haben Bedenken, dass die Einheit im Ofen zu viel thermische Energie aus dem Dampf aufnimmt und somit die Messung ungünstig beeinflussen könnte. Je mehr Masse solch ein Instrument hat, umso mehr Bedenken werden laut.

Tatsächlich ist die thermische Masse problematisch in ihrem Prozesseinfluss. Deshalb wurde ein leichtes, dünnes Schutzschild entwickelt, das eine große schützende Oberfläche bei sehr geringer thermischer Masse aufweist. Die Teflon-Beschichtung ist resistent gegenüber Ablagerungen aus dem Kohlenwasserstoff Galden und hat keine negativen Auswirkungen auf den Prozess. Das dünne, leichte Schutzschild erwärmt sich sehr rasch und sobald die Prozesstemperatur erreicht ist, findet darauf praktisch keine Kondensierung mehr statt. Die speziell gerippte und verstärkte Konstruktion enthält eine Druckentlastung, damit sie sich nach dem Durchgang im Vakuum leicht öffnen lässt.

Profiling wertet die Dampfphase auf

Im Vergleich zu Konvektionsausführungen spart die Dampfphase erheblich Platz in der Fertigung. 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