Energieeffizienz im Wellenlötprozess steigern

Die Aktivierung von Bauteil und Leiterplatten-Oberfläche ist die grundlegende Voraussetzung, um eine Verbindung zwischen Lot und Anschlüssen zu erhalten. Diese Aufgabe übernimmt das Flussmittel. Deutliche Einsparungen können beim Flussmittel-Verbrauch erzielt werden, wenn es nicht vollflächig auf die gesamte Baugruppe aufgebracht wird, sondern selektiv an den zu lötenden Stellen, auch in konventionellen Wellenlöt-Prozessen. Abhängig vom Produkt sind hier Einsparungen von bis zu 75 Prozent möglich.

Werden Lötmasken im Prozess verwendet, ergeben sich weitere positive Effekte. Zum einen ist ein Kriechen des Flussmittels unter den Masken weitestgehend ausgeschlossen. Ein Vorteil im Hinblick auf die Produktqualität, denn Flussmittel-Rückstände auf der Baugruppe können zu deutlichen Qualitätseinbußen bis hin zum Ausfall des Produkts führen. Zum anderen müssen aber auch die Masken selbst deutlich weniger gewartet und gereinigt werden, wodurch die Gesamtkosten in der Fertigung weiter reduziert werden.

Der Select Flux von Seho ist auf genau diese Applikationen ausgelegt. Das System ist mit drei unterschiedlichen Düsen ausgestattet, die einzeln oder kombiniert programmiert werden. Dadurch können individuelle Sprühbreiten von 10 mm bis 60 mm erzeugt werden. Um der vergleichsweise kurzen Taktzeit eines Wellenlöt-Systems gerecht zu werden, wurde der Prozessablauf des Systems optimiert.

Der Flussmittelauftrag findet beispielsweise während des Durchlaufs der Baugruppen statt, ohne dass diese gestoppt werden. Unnötige Wartezeiten werden eliminiert, indem die Übernahme der Baugruppen von vorgelagerten Systemen oder die Weitergabe an nachfolgende Anlagen parallel erfolgt. Der selektive Flussmittelauftrag in konventionellen Wellenlötprozessen punktet damit mehrfach. Ohne Taktzeiteinbußen wird der Flussmittelverbrauch effektiv gesenkt, der Aufwand für Reinigung und Wartung reduziert und gleichzeitig die Prozess- und Produktqualität verbessert.

Optimierung der Vorheizung

Ein Großteil des elektrischen Energieverbrauchs einer Wellenlötanlage, nämlich rund 70 Prozent, wird für die Vorheizung der zu lötenden Baugruppen benötigt. Unter dem Aspekt der Energieeffizienz spielen dabei mehrere Zustände einer Lötanlage eine Rolle. Im Zustand „Ausgeschaltet“ benötigt die Maschine eine längere Zeitspanne, um wieder einsatzbereit zu sein. Im Zustand „Standby“ erreicht die Maschine nach nur wenigen Minuten wieder den Bereitschaftszustand. Im Zustand „Keine Last/Bereit“ kann ein Produkt jederzeit einlaufen, jedoch befindet sich aktuell kein Produkt in Bearbeitung. Und im Zustand der variablen Belastung laufen weniger Produkte in die Maschine ein, als sie verarbeiten könnte. Den maximalen Durchsatz erreicht die Maschine bei 100 Prozent Last.

Unterschiedliche Düsen, einzeln oder kombiniert programmierbar. Seho

Je nach Produktionsmix ist es nun erforderlich, mehr als einen Zustand zu optimieren, um die beste Energieeffizienz zu erzielen. Aufgrund der zunehmenden Produktvielfalt und der geringeren Losgrößen sind neue Technologien notwendig, um kontinuierlich qualitativ hochwertige Lötverbindungen zu erhalten. Andernfalls müssten mehrere kleine, spezialisierte Anlagen, anstelle einer großen Lötanlage, eingesetzt werden. Dies würde jedoch zu höheren Kosten in Bezug auf Flächenbedarf in der Fertigung, zu mehr Wartungsaufwand und zu einem höheren Energieverbrauch führen.

Als Vorheizungen werden im Wellenlötbereich üblicherweise Konvektionsheizungen oder Strahlungsheizungen eingesetzt, oder eine Kombination beider Verfahren. Strahlungsheizungen können verschiedene Arten von Infrarotstrahlern sein, die sich in der Wellenlänge (kurz-, mittel- oder langwellig) und in der Reaktionsgeschwindigkeit unterscheiden. Die meisten der derzeit verwendeten Heizstrahler haben jedoch eine große Verzögerung beim Umschalten zwischen verschiedenen Einstellungen.

Einfluss von Varianten und Durchsatz

Eine beispielhafte Wellenlötanlage mit 2,4 m Strahlungsvorheizung ist üblicherweise mit 1,8 m Infrarotstrahlern mit langsamer Ansprechgeschwindigkeit und 0,6 m Strahlern mit schneller Ansprechgeschwindigkeit ausgestattet, um die Temperatureinstellung für verschiedene Produkte ohne große Verzögerungen zu ermöglichen. Der Leistungsverbrauch bei hoher Belastung liegt dabei im Bereich von 11,5 kW. Die Maschine im Bereitschaftszustand ohne Last zu halten, führt aufgrund der langsamen Ansprechgeschwindigkeit der Infrarotstrahler zu einem kontinuierlichen Verbrauch von mindestens 10 kW. Ein Ausschalten der Infrarotstrahler kommt nicht in Betracht, da sie zu stark abkühlen und bedingt dadurch eine zu große zeitliche Verzögerung eintreten würde, um die gewünschten Parameter wieder zu erreichen. Mit einer Last von weniger als 100 Prozent ergibt sich demnach keine Reduzierung des Energieverbrauchs, da alle Heizungen ständig aktiv gehalten werden.

Höhere Energieeffizienz mit schnellen Emittern

Der Energieverbrauch einer Lötanlage kann für den Bereitschaftszustand ohne Last sowie für niedrigeren Durchsatz deutlich gesenkt werden, wenn neue, schnell reagierende Strahler [1] eingesetzt werden. Gleichzeitig bieten diese Strahler den Vorteil, Parameter von einem Produkt zum anderen ohne größere Verzögerungen umschalten zu können. Diese Pulsarstrahler, oder Pulsar Emitter, sind im gesamten Vorheizbereich der Wellenlötanlage einsetzbar. Drei Faktoren spielen bei der Erreichung des deutlichen Reduzierens des Energieverbrauchs eine entscheidende Rolle: Ist die Maschine leer und in den Standby-Modus gewechselt, können die Heizungen auf ein Minimum gesetzt werden, da es nur Sekunden dauert, bis die Heizleistung wieder innerhalb des Arbeitsbereichs ist. Die notwendige Energie, um die Umgebungsbedingungen in der Anlage konstant zu halten, beträgt nur etwa 3,5 kW. Mit dieser minimalen Energiezufuhr wird eine Absenkung des Temperaturniveaus im Tunnel effektiv vermieden und damit auch jeglicher Einfluss auf das Temperaturprofil des Produkts. Beträgt der Durchsatz weniger als 100 Prozent, können alle Emitter, über denen sich aktuell kein Produkt befindet, in ihre Standby-Einstellung geschaltet werden. Dadurch ist eine geringere Last auch direkt mit einem niedrigeren Energieverbrauch verknüpft. Bei 100 Prozent Last ist die Leistungsaufnahme der Anlage identisch mit der Leistungsaufnahme einer Anlage mit konventioneller Vorheizung.

Selektiver Flussmittelauftrag im Wellenlötprozess. Seho

Schnelle Reaktionsgeschwindigkeit gefragt

Einer der Hauptvorteile der neuen Pulsar-Emitter basiert ebenfalls auf ihrer schnellen Reaktionsgeschwindigkeit. Bei der Bearbeitung von unterschiedlichen Produkten mit unterschiedlichen thermischen Anforderungen, die verschiedene Parametereinstellungen im Hinblick auf die Heizleistung erfordern, ist keine Wartezeit zwischen den Produktgruppen erforderlich. Durch die Schaltung einzelner Strahler anstelle von ganzen Segmenten sind kürzeste Baugruppenabstände realisierbar. In der Praxis bedeutet dies, dass jeder einzelne Strahler unterhalb eines Produktes mit den individuell hierfür benötigten Einstellungen betrieben wird. Zum Erreichen dieses individuellen Einstellwertes ist kein zusätzlicher Abstand zwischen verschiedenen Produkten erforderlich.

Reguliergeschwindigkeit unterschiedlicher Strahlertypen [1]. Seho

Abhängig von der Beschaffenheit der zu lötenden Leiterplatten und Lötmasken, vor allem im Hinblick auf thermische Masse und Oberfläche, kann die Wärme der Atmosphäre innerhalb der Maschine einen großen Einfluss auf das Temperaturprofil haben. So könnte beispielsweise eine massearme Baugruppe zu stark aufgeheizt werden, wenn sie nach einer großen Serie von massereichen Baugruppen mit entsprechend hoher Leistungseinstellung die Anlage durchläuft, da sich die Atmosphäre zwangsläufig im Volllastbetrieb aufheizt.

Um ein konstantes Temperaturprofil zu erreichen, erfassen zusätzliche Temperatursensoren in der Anlage kontinuierlich den Zustand der Atmosphäre und berechnen den Einfluss auf die Leiterplatte. Mit dieser zusätzlichen Regelung führt eine hohe Temperatur innerhalb der Anlage zu einer Absenkung der Strahlungsleistung für das in diesem Bereich laufende Produkt. Dadurch wird die für das jeweilige Produkt resultierende Vorwärmtemperatur unabhängig vom Anlagenzustand sehr konstant gehalten.

Flexibel auf Herausforderungen reagieren

Obwohl der Wellenlötprozess einer der ältesten Prozesse in der Elektronikproduktion ist, muss er dennoch sowohl im Fertigungsablauf als auch mit dem Produktionsequipment flexibel auf Herausforderungen reagieren können. Durch Weiterentwicklungen im Maschinenbereich und neue Prozesse wird die Effizienz in der Elektronikfertigung stark verbessert. Speziell im Hinblick auf die Energieeffizienz spielt die Minimierung von Wartezeiten hier eine entscheidende Rolle.

[1] Toshiba: Fast Medium Wave Infrared Emitters

Productronica: Halle A4 Stand 578

(hw)