Leiterplatte mit Lot

Bei der Bestückung gedruckter Schaltungen mit wärmeempfindlichen Bauteilen wird auf das Dampfphasenlöten (VPS) zurückgegriffen. (Quelle: Asscon)

Wegen seiner sehr guten thermischen Übertragungseigenschaften war zu Beginn der SMT-Bestückung das Löten in der Dampfphase, auch als Kondensationslöten bekannt, die bevorzugte Löttechnik. Der Prozess wird auch heute noch dort eingesetzt, wo Baugruppen mit einer Vielzahl von Komponenten mit sehr unterschiedlichen thermischen Massen zu löten sind. Dies ist den Vor- und Nachteilen des Dampfphasenlötens geschuldet.

Das sind die Vorteile des Lötens mit Dampfphase

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.

Das sind die Nachteile des Dampfphasenlötens

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.

Was bringt eine 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.

Warum große Wärmeübertragung der Feind des Profilers ist

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.

Daher wertet Profiling 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.

Wie funktioniert das Dampfphasenlöten?

Das Dampfphasenlöten ist auch unter dem Begriff Kondensationslöten bekannt. Die Frage stellt sich: Was passiert genau bei einer Kondensation beziehungsweise was macht der Dampf? Fährt man eine zu lötende Leiterplatte in eine Dampfphasenanlage, so wird die gesamte Baugruppe mit einem Flüssigkeitsfilm umgeben. Man spricht von Filmkondensation. Beim Eintauchen der Baugruppe in die Dampfphasen-Lötzone baut sich also um die Baugruppe ein Flüssigkeitsfilm auf. Die Wärmeübertragung erfolgt durch Wärmeleitung innerhalb dieses Flüssigkeitsfilms und geht immer in Richtung des kälteren Teils, also in Richtung der Baugruppe. Dieses Abkondensieren am Flüssigkeitsfilm ist  verbunden mit einer Änderung des Aggregatzustands: Die Moleküle des Dampfes gehen vom gesättigten in die Flüssigkeitsform über. Das Abkondensierendauert so lange, bis die Temperatur des gesättigten Dampfes die selbe Temperaturwie der Flüssigkeitsfilm hat. Sobald dieserZustand erreicht ist, ist das Bauteil verlötet. Der Flüssigkeitsfilm bringt also auch eine horizontale, gleichmäßige Temperaturverteilung etwa unterhalb einer BGA-Baugruppe. Ist das Abkondensieren abgeschlossen, kann auch die Temperatur im System nicht höher werden. Das gilt sowohl für die Baugruppe als auch für die Sattdampftempe-ratur. Eine Überhitzung ist rein physikalisch nicht möglich.

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.

Das ergab der interne 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.

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.

 Die Temperaturrate sowie die Zeit der Aufheizung beim Dampfphasenlöten
Erfreuliche Ergebnisse: Die Temperaturrate sowie die Zeit der Aufheizung waren identisch, sowohl mit dem Instrument innerhalb und außerhalb der Kammer. (Quelle: Solderstar)

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.

Zusätzlich erfasste Daten lassen sich per drahtloser Telemetrie an jeden geeigneten PC übertragen, dies ermöglichen Profilanalysen in Echtzeit.
Zusätzlich erfasste Daten lassen sich per drahtloser Telemetrie an jeden geeigneten PC übertragen, dies ermöglichen Profilanalysen in Echtzeit. (Quelle: Solderstar)

Zusammenfassung zum Dampfphasenlöten

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.

(mrc)

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