Die flexible Plattform Versaflow von Ersa ist für unterschiedliche Anforderungen konzipiert.

Die flexible Plattform Versaflow von Ersa ist für unterschiedliche Anforderungen konzipiert.Ersa

Sequenziell arbeitende Systeme bieten dem Anwender eine hohe Flexibilität, mit der auch eine Losgröße 1 wirtschaftlich gefertigt werden kann. Hohen Durchsatz erzielt man hingegen mit simultan arbeitenden Anlagen, deren Zykluszeiten im Bereich der klassischen Wellenlöttechnik liegen. Die Wahl des optimalen Verfahrens in Abhängigkeit von der Anwendung ist mitunter nicht einfach, doch unterstützt Ersa seine Kunden bei der Auswahl und der Konfiguration ihrer Lötsysteme.

Selektive Lötsysteme stehen dem Markt heute in vielen Spielarten zur Verfügung. Vom mittelständischen KMU über EMS-Dienstleister bis hin zu global agierenden Konzernen lässt sich dieses Lötverfahren heute in der Fertigung elektronischer Baugruppen einsetzen. Unabhängig vom gewählten System bestehen allerdings auch im Bereich der Selektivlöttechnik die allgemeinen Forderungen nach geringer TCO (Total Cost of Ownership) und hoher Wirtschaftlichkeit, bei gleichzeitig hohem FPY (First-pass yield). Die Systeme müssen eine hohe Verfügbarkeit aufweisen, entsprechend kurz dürfen Stillstandszeiten sein. Stand der Technik sind deshalb heute Anlagen, welche die selektiven Lötprozesse selbständig überwachen sowie die Stabilität und die Reproduzierbarkeit der Prozesse sicherstellen. Die konstruktive Gestaltung der Lötanlagen erlaubt es, Wartungs- und Reparaturarbeiten schnell auszuführen, was wiederum zu einer hohen Verfügbarkeit beiträgt.

Mini- und Multiwellen

Das große Bauteilspektrum an bedrahteten Bauteilen, das trotz der heute als Standard eingesetzten SMD-Technologie immer noch verarbeitet werden muss, forciert die stetige Weiterentwicklung der selektiven Löttechnik. Alternative Technologien, beispielsweise die Einpresstechnik für Steckerleisten, sind zwar ebenfalls verfügbar, setzen sich aber zurzeit nicht auf breiter Front durch. Das Weichlöten ist deshalb nach wie vor die bevorzugte Verbindungstechnologie zum Fügen elektronischer Bauteile auf Leiterplatten.

Das selektive Löten findet in der Regel auf bereits ein- oder doppelseitig reflowgelöteten Baugruppen statt. Dieser zusätzliche Prozessschritt darf nun in der Baugruppenfertigung nicht zum Nadelöhr werden. Der Durchsatz in den Selektivlötanlagen muss deshalb auf die Kapazität und die Zykluszeiten der restlichen Linien angepasst sein, um einen kontinuierlichen Produktionsfluss sicherzustellen. Nur so wird eine Zwischenlagerung von zu lötenden Baugruppen aktiv verhindert und die Kapitalbindung minimiert.

Um in High-Volume-Fertigungen Zykluszeiten im Bereich von 20 bis 30 s realisieren zu können, fällt die Wahl des Selektivlötprozesses fast ausschließlich in den Bereich des Multiwellenlötens. Wird hingegen eine hohe Flexibilität bei kleinen Stückzahlen gefordert, ist das Miniwellenlöten die erste Wahl. Die Flexibilität reicht heute so weit, dass selbst Losgrößen von nur einer Baugruppe wirtschaftlich zu fertigen sind. Die Absicherung der Prozesse beginnt für beide Lötverfahren auch hier bereits in der Entwicklungsphase der Baugruppen. Hierbei unterstützt Ersa die Entwickler mit Empfehlungen zum Layout von Baugruppen: Nur wenn gewisse Mindestabstände zu benachbarten SMDs eingehalten werden, ist das Prozessfenster für einen sicheren Prozess ausreichend groß.

Zuverlässige Fluxsysteme

Bild 1: Das Fluxmodul mit vier Multi-Drop-Köpfen ermöglicht es die Zykluszeiten des Fluxens an kurzen Zykluszeiten des Lötens anzupassen.

Bild 1: Das Fluxmodul mit vier Multi-Drop-Köpfen ermöglicht es die Zykluszeiten des Fluxens an kurzen Zykluszeiten des Lötens anzupassen.Ersa

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 ihren Ursprung in der industriellen Tintenstrahltechnik haben. Der Vorteil dieser Technologie liegt darin, dass das Flussmittel nicht zerstäubt, sondern als einzelne kleine Tröpfchen gezielt auf die Leiterplattenoberfläche aufgetragen wird. Dazu sind die Fluxköpfe auf ein X-Y-Achssystem montiert, das sich programmgesteuert unter der im Transportsystem fixierten Baugruppe bewegt.

Um die Zykluszeiten des Fluxens an die kurzen Zykluszeiten des Lötens anzupassen, können die Fluxer der Multiwellensysteme mit bis zu vier (Bild 1), die der Miniwellen Anlagen mit maximal zwei Fluxköpfen ausgerüstet werden. Die Fluxköpfe arbeiten optional entweder parallel, zur Reduzierung der Zykluszeit, oder getrennt, zur Verarbeitung unterschiedlicher Flussmittel. Zur Prozessüberwachung des präzisen Flussmittelauftrages stehen in beiden Lötsystemen eine Reihe von Optionen zur Verfügung. So lassen sich beispielsweise automatisch die Fluxposition wie auch die aufgetragene Flussmittelmenge kontinuierlich überwachen.

Bild 2: Vorheizmodul mit optionaler Oberheizung besteht aus Hybrid-Konvektionsheizmodulen.

Bild 2: Vorheizmodul mit optionaler Oberheizung besteht aus Hybrid-Konvektionsheizmodulen.Ersa

In den Selektivlötsystemen von Ersa stehen Heizmodule mit kurzwelligen Quarzstrahlern und Hybrid-Konvektionsheizungen zur Verfügung. Zum Vorwärmen der Baugruppen von unten kommen Quarzstrahler zum Einsatz, die optionalen Oberheizungen (Bild 2) sind Hybrid-Konvektionsheizmodule. Die Oberheizungen lassen sich sowohl im Vorheiz- als auch im Lötmodul einsetzen. Dabei ist die Größe der Heizmodule standardisiert und richtet sich nach der maximalen Baugruppengröße. Werden nur kleine Baugruppen prozessiert, ist es möglich, die Heizmodule mit einem zweiten Leiterplattenstopper zu segmentieren. Damit verdoppelt sich die Kapazität der Vorheizung, und die Zykluszeit der Baugruppen lässt sich so halbieren.

Flexibel arbeitende Miniwellen-Lötaggregate

Die hohe Flexibilität der Miniwellen-Lötaggregate erreicht man durch die programmierbare Bewegung des Lottiegels auf einem X-Y-Z-Achssystems, das den Tiegel unter der im Transportsystem fixierten Baugruppe bewegt. Der frei programmierbare Bewegungsablauf ermöglicht individuelle Prozessparameter für jede Lötverbindung.

Die Lottiegel selbst sind auf kleinste Oberflächen und Lotinhalte hin optimiert und generell mit Stickstoff beflutet um die Oxidation des Lotes auf ein Minimum zu reduzieren. Beim Austritt aus dem Tiegel wird der Stickstoff auf die Lötwelle konzentriert und bildet damit eine optimale Schutzgasatmosphäre für den Lötprozess. Kleine Tiegeloberflächen bieten den bleifreien Loten wenig Angriffsfläche und die geringen Füllmengen von etwa 12 kg bedeuten bei Wechseltiegeln eine geringe Investition für die teureren bleifreien Lotlegierungen. Die Lotpumpe ist für die konstante Förderung kleinster Lotmengen ausgelegt und arbeitet induktiv, ohne mechanisch bewegte Teile. Die Wartung des Tiegels wird dadurch sehr einfach und beschränkt sich auf ein Minimum.

Bild 3: Das Miniwellen-Lötaggregat mit benetzbarer Lötdüse sorgt für eine hohe Lötqualität.

Bild 3: Das Miniwellen-Lötaggregat mit benetzbarer Lötdüse sorgt für eine hohe Lötqualität.Ersa

Die Lötdüsen sind in unterschiedlichen Durchmessern erhältlich. Sie sitzen auf einem Magnetsockel und lassen sich einfach und schnell wechseln. Die Oberfläche der Düsen ist benetzbar (Bild 3), dadurch ergeben sich große Vorteile in Bezug auf die Lötqualität und die Randfreiheit um die Selektivlötverbindungen. Gleichzeitig wird das Lotniveau der Tiegel überwacht. Wenn Lot fehlt, ersetzt eine Lotdrahtzufuhr die fehlende Menge automatisch. Auf dem Achssystem des Lötmoduls lassen sich optional zwei Lottiegel anordnen. Bei diesen Optionen ist entweder der Abstand der beiden Lötdüsen zueinander verstellbar, oder die beiden Tiegel können abwechselnd angehoben beziehungsweise abgesenkt werden. Im ersten Fall ist es möglich, simultan auf zwei Baugruppen zu löten, mit der zweiten Option ist es möglich, entweder zwischen zwei unterschiedlich großen Lötdüsen umzuschalten oder mit zwei unterschiedlichen Lotlegierungen zu arbeiten.

Die Multiwellen-Lötaggregate

Bild 4: Detail einer Lötdüsenplatte mit anspruchsvoller Lötdüsengeometrie.

Bild 4: Detail einer Lötdüsenplatte mit anspruchsvoller Lötdüsengeometrie.Ersa

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 (Bild 4). 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 in einem Stück aus dem Vollen gefräst.

Die jüngste Generation der Multiwellenlötaggregate von Ersa ist mit elektromagnetischen Lotpumpen ausgestattet, die keine beweglichen Teile aufweisen und damit wartungsfrei arbeiten. Die Pumpenleistung ist stufenlos regelbar, so dass die Höhe der Lötwellen exakt einstellbar ist. Die Pumpen sind für alle heute gängigen bleifreien Lote geeignet. 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 ist optional ein Bauteilniederhalter integrierbar, der kippgefährdete Bauteile während des Lötens in Position hält.

Bild 5: Das zweite Lötaggregat in bedienderfreundlicher Wartungs- und Einrichtposition.

Bild 5: Das zweite Lötaggregat in bedienderfreundlicher Wartungs- und Einrichtposition.Ersa

Die Niederhaltesysteme werden nur einmal benötigt und sind, wie die Lötdüsenplatten, schnell auswechselbar. Teure Werkstückträger mit integrierten Bauteilniederhaltern sind daher nicht mehr nötig. Damit durch das Rüsten die Verfügbarkeit der Anlage nicht leidet, lässt sich ein problemlos ein zweites Lötaggregat installieren. Die Rüstoption „on the fly“ erlaubt das Rüsten und Einrichten des nicht im Einsatz befindlichen zweiten Lötmoduls während des laufenden Betriebs der Anlage. Dadurch steigt die Verfügbarkeit der Anlage, da zwischen zwei Produkten ohne Stillstandszeit umgeschaltet werden kann (Bild 5). Lotniveaukontrolle und eine Barrenzinnzuführung zählen zu weiteren Standardoptionen die für die Lötaggregate zu haben sind.

Programmierung, Traceability und Prozessverriegelung

Die Programmierung der Anlage kann offline mittels des CAD-Assistenten erfolgen, einer grafischen Programmieroberfläche, die eingescannte Fotos oder DXF-Daten der Baugruppe zur Programmierung nutzt. Im laufenden Betrieb lassen sich alle maschinenspezifischen Daten und die produktionsrelevanten Daten der spezifischen Baugruppen in der Lötanlagensteuerung speichern und über die Trace-Schnittstelle dem MES-/ERP-System zur Verfügung stellen. Dadurch ist die Rückverfolgbarkeit und Qualitätssicherung der gefertigten Baugruppen zu jeder Zeit sichergestellt.

Alle Selektivlötsysteme bieten die Möglichkeit der Prozessverriegelung. Damit werden Bearbeitungsfehler durch falsche Rüstung der Anlagen vermieden. Vor der Prozessfreigabe durch das MES an die Lötanlage prüft das übergeordnete System, ob die Rüstung der Anlage und das gewählte Lötprogramm für das Produkt übereinstimmen. Bei positivem Ergebnis wird die Prozessfreigabe erteilt und die Produktion auf der Lötanlage gestartet. Bei falschen Daten bleibt der Prozess gesperrt.

Modernes Selektivlöten

Die moderne Selektivlöttechnologie ermöglicht dem Anwender stabile und reproduzierbare Prozesse mit wahlweise kurzen Taktzeiten respektive hoher Flexibilität. Ersa bietet als Systemlieferant eine weite Palette an Selektivlötsystemen. Die Spannweite reicht von der einfachen, manuell zu beladenden Ecoselect 1 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 Flexibilität bei geringer Stellfläche und kurzer Taktzeit.