Innerhalb der Produktionstechnik wird zunehmend die Frage diskutiert, wie sich auch in Hochlohnländern nachhaltig eine hohe Wettbewerbsfähigkeit erreichen lässt. Um einerseits zunehmend individuelleren Produktwünschen der Kunden gerecht zu werden und andererseits dennoch hohe Stückzahlen schnell und kostengünstig fertigen zu können, sind derzeit umfangreiche Entwicklungs- und Forschungsarbeiten im Gange. Während die im öffentlichen Interessenfokus stehende Industrie-4.0-Initiative schwerpunktmäßig zunächst Themen wie Cyber Physical Systems und das Internet der Dinge adressiert – also eine enge Verknüpfung mit der Informationstechnologie – zeichnen sich parallel dazu auch in den klassischen Fertigungstechnologien wichtige Entwicklungstrends ab.

Hierzu gehört unter anderem die Forderung nach verkürzten Prozessketten. Ein Lösungsansatz hierzu kann die Integration verschiedener Aufgaben und Funktionen in ein Bauteil, einen Werkstoff oder einen Prozess sein. Hinzu kommt die Notwendigkeit, zunehmend die Prozesssicherheit und die Zuverlässigkeit der Produkte zu steigern und eine verbesserte Qualitätssicherung und Prüfbarkeit sicherzustellen. Nur bei sicheren und prüfbaren Prozessen kann letztlich auch die Rückkopplung zu den rechnergestützten Systemen sinnvoll erfolgen und so ein wichtiger Schritt in Richtung Industrie 4.0 gemacht werden.

Auch vor dem Bereich des Weichlötens machen diese Entwicklungstendenzen logischerweise nicht halt. Einen Beitrag, um dabei den beschriebenen Forderungen nach kürzeren Prozessen und höherer Qualität gerecht zu werden, können dabei aktuelle Entwicklungen im Bereich der Lot- und Flussmittelpasten leisten. Vor allem im Hinblick darauf, da mit etwa 65 Prozent der Pastenauftrag eine der häufigsten Fehlerquellen innerhalb der gesamten Prozesskette des Reflow-Lötens ist.

Lotpasten zum Dippen

Um BGA-Bauteile beziehungsweise Bauteile mit Gull-Wing-Anschlüssen gezielt mit Lot und Flussmittel zu beschicken, bieten die neu entwickelten Lotpasten von Elsold eine wirtschaftlich und technologisch attraktive Alternative zum Dispensen, die die Forderungen der Produktionstechnik nach schnelleren Prozessen sowie gesteigerter Qualität und Zuverlässigkeit direkt adressiert. Beim Dippen werden die Bauteile in einem definierten Prozess einfach in die Lotpaste getaucht, die durch die gezielt eingestellte Viskosität und Klebrigkeit sowie die feine Körnung des Lotpulvers in der richtigen Menge am Bauteil verbleibt. Die Eintauchtiefe beim Dippen ist dabei durch die geometrischen Gegebenheiten des Bauteils bestimmt, das Bauteil selbst bekommt keinen Kontakt zur Dip-Paste. Im Vergleich zum Dispensen lässt sich beim Dippen eine erhebliche Zeitersparnis erzielen. Zudem ist wegen der geringeren Menge an aufgetragener Lotpaste die Gefahr der Brückenbildung zwischen den Anschlüssen deutlich kleiner.

Durch das Auftragen von Lot wird außerdem die Gefahr von kalten Lötverbindungen minimiert, die sonst etwa durch Unplanaritäten verursacht werden können. Die Dip-Pasten sind geeignet für alle Lötverfahren mit indirekter Erwärmung. Bild 1 verdeutlicht den Pastenauftrag durch Dippen und das Resultat beim anschließenden Löten. Elsold bietet Dip-Pasten sowohl in der bleifreien Variante SAC305 als auch bleihaltig als Sn63Pb37 an. Um einen zuverlässigen und erfolgreichen Dip- und anschließenden Löt-Prozess zu ermöglichen, zeichnen sich beide Pasten durch eine gute Benetzung auf allen üblichen metallischen Oberflächen aus. Das wird auch durch Testergebnisse bei Industriepartnern bestätigt. Darüber hinaus lassen sich die Dip-Pasten problemlos dosieren. Eine weitere Eigenschaft ist die hohe Aktivität auf allen Substraten, ebenso die lange Offenzeit und gute Klebrigkeit über mehr als 8 h. Die Flussmittelklassifizierung entspricht J-STD-004 ROL1. Alle üblichen Test- und Prüfverfahren wie Lotkugel-Test (IPC-TM 650, Methode 2.4.43), Kupferspiegeltest L (IPC-TM-650, Methode 2.3.3) und Silber-Chromat-Papiertest (IPC-TM-650, Methode 2.3.35.1) werden bestanden. Der Isolationswiderstand (J-STD-004, IPC-TM-650, Methode 2.6.3.3) liegt im ungereinigten Zustand nach 168 h bei 1,0 • 109 Ω, beim Kontrollboard bei 1,2 • 1010 Ω.

Flussmittel mit Signalwirkung

Die Integration mehrerer Funktionen in einem Produkt ist eine probate Methode der Prozesskettenverkürzung. So bieten pastöse Flussmittel, wie die von Elsold entwickelten Tacky-Flux-Systeme, die Möglichkeit, die Aufgabe von Flussmittel und Klebstoff in einem Produkt zu kombinieren. Die Pastenflussmittel lassen sich durch Dispensen, Sieb- oder Schablonendruck sowie durch Tauchen oder Bestreichen aufbringen. Durch ihre hohe Klebkraft ist es möglich, die Bauteile bis zum Löten in Position zu halten. Dadurch entfällt der zusätzliche Prozessschritt des Klebstoffauftrags. Das Lot lässt sich über ein vorhandenes Depot oder zum Beispiel auch in Drahtform zuführen. Die Flussmittel weisen ein sehr gutes Benetzungsverhalten auf, verfügen über weite Prozessfenster und sind kompatibel mit allen gängigen Leiterplattenoberflächen. Verschiedene Varianten, sowohl mit no-clean-Flussmitteln als auch wasserlösliche, sind erhältlich. Auch bei Rework-Anwendungen bietet die Kombination von Flussmittel und Klebstoff eine deutliche Vereinfachung der Prozesskette.

Um zudem der Forderung nach einer besseren Kontrollierbarkeit, beispielsweise innerhalb einer automatischen optischen Inspektion, nachzukommen, wurden zudem Varianten entwickelt, denen Taglichtleuchtfarben zugegeben wurden. Aus verschiedenen Varianten und Konzentrationen wurden Rezepturen entwickelt, die eine optimale Sichtbarkeit sowohl von aufgetragener Flussmittelpaste als auch anschließend von deren Rückständen nach dem Löten sicherstellen. Bild 2 zeigt die in Kartuschen abgefüllte Flussmittelpaste zur Veranschaulichung der Signalwirkung.

Trends in der Pulvermetallurgie der Lotpasten

Neben den beschriebenen produktionstechnischen Entwicklungstrends, die insbesondere auch rheologische und chemische Aspekte der Pastenentwicklung betreffen, sind auch weiterhin auf der metallurgischen Seite, also bei Legierungen und Lotpulvern, wichtige Entwicklungen zu erwarten. Hierbei sind zwei Schwerpunkte zu erkennen: einerseits der Einsatz von Reaktionsloten, andererseits die Verwendung feinerer Pulverfraktionierungen.

Ein Beispiel für Reaktionslote, also Lote deren eigentliche Legierung sich erst in situ im Lötprozess bildet, stellt die bleifreie Lotpaste SM-388-SACBI-189 dar. Diese enthält eine Mischung von bleifreien Weichloten, die bereits bei etwa 200 °C vollständig aufschmelzen, und so weitaus niedrigere Temperaturprofile als die üblichen bleifreien Zinn/Silber/Kupfer-Lote ermöglichen. Eine niedrig schmelzende Komponente (Bi58Sn42) schmilzt bereits ab 139 °C auf und löst während der weiteren Erwärmung eine höher schmelzende Komponente (SAC305).

Es entsteht eine einheitliche Lotlegierung mit einer Erstarrungstemperatur im Bereich von 188 bis hin zu 192 °C. Über dieses Prinzip der Reaktionslote können letztlich niedrigere Löttemperaturen und höhere Einsatztemperaturen und damit wiederum Vorteile bei Prozess und Bauteilqualität erreicht werden. Der zweite Trend feinerer Lotpulverfraktionierungen erlaubt geschmeidigere Lotpasten. Die Vorteile liegen auf der Hand: Insbesondere bei feinen Strukturen und kleinsten Anschlussflächen lässt sich ein erheblich verbessertes Druckbild gepaart mit reduzierten Fehlerraten aufgrund fehlender Lotpaste bei sehr kleinen Aperturen erreichen.

Productronica 2013: Halle A3, Stand 155

Dr. Klaus Bartl

ist verantwortlich für Solder Engineering bei Elsold

Dr. Nils Kopp

ist stellvertretender Leiter Forschung und Entwicklung bei Elsold

(mrc)

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