Bei der Herstellung elektronischer Baugruppen spielen thermische Prozesse naturgemäß eine große Rolle. Einer dieser thermischen Prozesse, bei dem ein hoher Energieeintrag in die Baugruppe erfolgt, ist der Reflow-Lötprozess, der bei der Fertigung von SMD-Baugruppen seit Jahrzehnten zu den zuverlässigsten und daher auch meistgenutzten Methoden zählt. Die durch das Reflowsystem generierte Wärmeenergie wird dabei aber nicht nur auf das Produkt übertragen, sondern auch in den Ofen selbst. Dieser Umstand ist bei den etablierten Verfahren unumgänglich, reduziert jedoch deutlich die energetische Effizienz.

Mögliche Realisierung der eingebetteten Heizschicht in einer Multilayer-Leiterplatte.

Mögliche Realisierung der eingebetteten Heizschicht in einer Multilayer-Leiterplatte. Universität Rostock

Energieeffizienz verbessern

In den Anfängen wurden in Reflowanlagen Strahler verwendet, die elektrische Energie in Strahlungswärme umwandelten. Heute gängiger Standard ist die Umwandlung elektrischer Energie in thermische Energie, die durch Konvektion an die Baugruppen übertragen wird. Auch wenn die Technologie im Laufe der Jahre verbessert wurde, werden bis dato ausschließlich externe Wärmequellen eingesetzt. Betrachtet man die Wärmeübertragung aber unter dem Aspekt der Energieeffizienz, ist eine steigende Tendenz von Strahlungswärme über Konvektionswärme bis schließlich hin zu Leitungswärme nachweisbar.

Es liegt also nahe, dass die Übertragung der thermischen Energie über Wärmeleitung mehr Vorteile bietet als durch Konvektion. Die aktuell effektivste Methode zur Übertragung von Wärmeenergie auf eine Lötstelle ist die Verwendung von Dampf als Medium. Die bessere Wärmeübertragungsbilanz bewirkt ein Reduzieren der benötigten elektrischen Energie und resultiert somit in einer energieeffizienteren Anlage.

Eine noch deutlichere Steigerung der energetischen Effizienz bei der Herstellung von SMD-Baugruppen wird im Projekt ERFEB erforscht, das von Siemens Corporate Technology koordiniert wird. Hier untersuchen Material- und Anlagenspezialisten der Branche, ob die zur Lötung einer Baugruppe erforderliche Energie durch Integration der Heizsysteme in den Schaltungsträger eingebracht werden kann. Die Energie wird damit innerhalb des Produktes selbst erzeugt, wodurch der gesamte Energieverbrauch deutlich reduziert wird. Bei diesem neuen Verfahren ist eine Heizschicht im Substrat eingebettet, die elektrische Energie in thermische Energie umwandeln soll.

Grundsätzliche Versuchsproben für die Material- und Anlagenqualifizierung zur Evaluierung der Heizmaterialien.

Grundsätzliche Versuchsproben für die Material- und Anlagenqualifizierung zur Evaluierung der Heizmaterialien. Universität Rostock

Herausforderungen und Konsortium

Aus der Realisierung einer im Schaltungsträger integrierten Heizschicht ergeben sich unterschiedlichste Aufgabenbereiche, für die jeweils ein Experte im Forschungsprojekt ERFEB herangezogen wird. Da der Widerstand von Kupfer, dem gängigen Material für Leiterbahnen, für diese Aufgabe zu gering ist, muss zunächst ein neues Material gefunden werden.

In einem ersten Schritt ist ein Widerstand zu definieren, bei dem mit Spannungen bis 48 V eine Leistung von 1 bis 2 W/cm² erzeugt werden kann. Anschließend muss ein geeignetes Material für diesen Widerstand ermittelt werden. Hierbei müssen die Parameter Berücksichtigung finden, die ein Auftragen des Materials mit gängigen Methoden der Leiterplattenfertigung ermöglichen. Zur Erreichung dieser Forderung sind im Konsortium des Forschungsprojekts im Bereich Material zwei Experten vertreten: Der Materialhersteller Future-Carbon, der mit wissenschaftlicher Expertise vom Forschungsdienstleister Neue Materialien Bayreuth (NMB) begleitet wird. In einem nächsten Schritt wird dieses Material auf spezielle Testleiterplatten appliziert, die von B&B Sachsenelektronik hergestellt werden. Hier wird darüber hinaus die Einbettung des Materials in das Substrat getestet und mögliche Anpassungen ermittelt. Der Leiterplattenhersteller wird dabei von der Universität Rostock (IEF/IGS) und von Siemens Corporate Technology Berlin unterstützt.

Aufgrund der veränderten Wärmeübertragung von innen nach außen ist auch das Verbindungselement, die Lotpaste, zu untersuchen und mögliche Verbesserungen müssen in ein angepasstes Produkt überführt werden. Für diese Aufgabe zeichnen im Projekt die Experten von Heraeus Materials Technology verantwortlich. Nach der Optimierung der Lotpaste sind in einem weiteren Schritt die Bauteile zu untersuchen. Dabei wird in erster Linie getestet, inwiefern sich der veränderte Wärmefluss auf die Bauelemente auswirkt. Diese Untersuchungen werden durch Siemens, im Speziellen dem Teilbereich Corporate Technology durchgeführt, die Experten auf dem Gebiet der Fertigung elektronischer Baugruppen sind.

BMWi förderung

Das Forschungsprojekt ERFEB wurde Ende 2017 gestartet und ist auf eine Laufzeit von 3 Jahren ausgelegt. Im Rahmen des Projekts werden unterschiedliche Heizschichten entwickelt und Verarbeitungstests durchgeführt sowie Methoden zur Applikation und Nutzung des Verfahrens im Bereich des Lötens und darüber hinaus untersucht. Das Projekt unter Leitung des Projektträgers Forschungszentrum Jülich wird durch das BMWi gefördert (Kennzeichen ERFEB, 03ET1533A).

Für die Nutzung des neuen Lötprozesses auf Basis einer eingebetteten Heizschicht ist es natürlich auch erforderlich, eine neue Anlage zu entwickeln, die die Vorteile der neuen und der aktuellen Technologien miteinander vereint: Eine höhere Energieeffizienz mit der Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit einer Konvektions-Reflow-Lötanlage. Die Entwicklung und Realisierung einer solchen Anlage wird durch die Experten des Lötanlagenherstellers Seho Systems umgesetzt.

Beispielhafte Anlage für den Lötprozess durch die Nutzung einer eingebetteten Heizschicht nach dem Paternoster-Prinzip.

Beispielhafte Anlage für den Lötprozess durch die Nutzung einer eingebetteten Heizschicht nach dem Paternoster-Prinzip. Seho

Zur optimalen Nutzung des am Forschungsprojekt beteiligten Expertenwissens und mit dem Blick über den Tellerrand hinaus, führen die wissenschaftlichen Partner, Neue Materialien Bayreuth, die Universität Bayreuth und die Universität Rostock mit dem Institut für Gerätesysteme und Schaltungstechnik, Simulationen sowie weitere Experimente durch.

Die neue Lötanlage

Das Konzept der im Substrat integrierten Heizschicht ermöglicht es, ein Temperaturprofil zu realisieren, das von äußeren Bedingungen deutlich unabhängiger sein wird als dies bisher der Fall ist. Es sollte also möglich sein, die Baugruppen stationär durch Variation der elektrischen Energie über die eingebettete Heizschicht zu löten, anstatt sie durch verschiedene Zonen mit unterschiedlichen Temperaturen zu bewegen.

Als Resultat dieser alternativen Prozessabfolge kann sich eine Verkürzung des Lötprofils ergeben, was dem Durchsatz der Anlage und damit dem Produktionsvolumen zugutekommt. Die von Seho Systems angestrebte Lösung ist ähnlich einem Paternoster aufgebaut, um die Stellfläche möglichst gering zu halten. Da der Einfluss von Sauerstoff als Reaktionspartner während des Lötprozesses reduziert werden soll, wird die Anlage mit Stickstoff geflutet. Darüber hinaus wird eine Temperatur von rund 120°C im System angestrebt, um Umgebungsschwankungen als möglichen Einflussfaktor zu eliminieren.

Vorteile des neuen Systems

Da die für den Prozess erforderliche Löttemperatur in der Baugruppe selbst erzeugt wird, muss die Lötanlage nicht auf die üblichen Prozesstemperaturen erwärmt werden, sodass die energetische Effizienz deutlich erhöht wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Konvektions-Reflow-Lötverfahren ist mit einer integrierten Heizstruktur eine theoretische Energie- und Stickstoff-Verbrauchsreduzierung von bis zu 50 Prozent möglich – und dies bei gleichem Durchsatz. Da die Bewegung der Baugruppen durch den Ofen entfällt, werden die Anforderungen der neuen Anlage an Stellfläche in der Produktion deutlich reduziert und damit verbessert.

3D-Darstellung einer eingebetteten Heizschicht.

3D-Darstellung einer eingebetteten Heizschicht. Seho

Darüber hinaus kann die eingebettete Heizschicht auch für weitere Fertigungsschritte genutzt werden, wie beispielsweise dem Laminieren der Platine oder für jede Art der Trocknung von aufgebrachtem Material, beispielsweise Sinterpaste oder Schutzschichten. Auch nach der Fertigung der Baugruppe kann die integrierte Heizschicht weiter genutzt werden. Denkbare Applikationen sind hier beispielsweise das Trocknen der Leiterplatte bei hoher Luftfeuchte, beim Einsatz in niedrigen Umgebungstemperaturen, um die Grenzen der Komponenten einzuhalten, oder auch als Vorhaltetemperatur der Baugruppe.