Induktionslöttechnik schont textile Leiterbahnstrukturen

Bei konventionellen industriellen Lötprozessen, also beispielsweise beim Reflowlö­ten, beim Heißluftlöten oder beim Laserlöten, die üblicherweise in der Elektronik zur Kontaktierung elektronischer Bauelemente angewendet werden, kommt es zu einer hohen thermischen Belastung des umgebenden Leiterplattenmaterials. Die herkömmlich eingesetzten Substrate sind für solche Belastungen ausgelegt und halten diesen Belastungen daher problemlos stand. Bei leitfähigen textilen Applikationen, bei denen elektronische Bauelemente löttechnisch auf dem Textil kontaktiert werden, ist dies jedoch nicht der Fall.

Durch die Wärmeeinwirkung kommt es zu Schrumpfungsprozessen oder sogar zum Durchbrennen des Textils. Daher sollte der Wärmeeintrag, der zum Aufschmelzen des Lotes notwendig ist, möglichst gering gehalten werden. Dies geschieht durch den Einsatz niedrigschmelzender Lotpasten. Die thermische Schädi­gung des umgebenden Textils lässt sich zusätzlich durch den Einsatz spezieller Lötverfahren minimieren.

Das Reflowlötverfahren hat für Textilien den Nachteil, dass das gesamte Substrat beim Lötprozess erhitzt wird. Daher sind für textile Applikationen Selektivlötverfahren, insbesondere das Laserlöten, von besonderem Interesse. Das Laserlöten stellt aber hohe Anforderungen an die Positioniergenauigkeit des Laserstrahls und es besteht die Gefahr der lokalen Schädigung oder gar der Zerstörung des umliegenden Gewebes, wenn der Energieeintrag zu hoch eingestellt ist. Außerdem können nur Bauelemente mit außen zugänglichen Kontaktflächen kontaktiert werden. Das Induktionslöten wird zwar in der Elektronikindustrie selten ange­wendet, bietet aber gerade bei textilen Applikationen viele Vorteile.

Beim Induktionslötverfahren werden nur die leitfähigen Komponenten (elektrisch leitfähiger Faden und Anschlusspins der elektronischen Bauelemente) durch elekt­romagnetische Induktion erwärmt, sodass hier keine direkte Erwärmung am Textil auftritt und somit die Schädigung des Textils minimiert wird.

Lösungsweg/Forschungsergebnisse

Eine von ATN Auto­matisierungstechnik Niemeier speziell entwickelte Induktionslötmaschine wurde hierbei so konzipiert, dass der Lötkopf nicht oberhalb der Löt­stelle angeordnet ist, wie es bei den Standardmaschinen des Herstellers der Fall ist. Hintergrund war dabei der Plan, die Lötein­heit nachträglich in einen vorhandenen Maschinentisch einer Textilmaschine inte­grieren zu können. Der Lötkopf wird daher bei diesem Maschinenkonzept von unten an die Lötstelle heran­geführt, wobei das Textil in einem positionierbaren Klemmrah­men eingespannt wird.

Induktionslötmaschine für textile Applikationen. TITV

Im Klemmrahmen eingespanntes textiles Band beim Auflöten von SMD-LEDs. TITV

Es erfolgten Lötuntersuchungen auf textilen Substraten, in denen metallisierte Fäden oder feine Drähte eingearbeitet sind. Die Lötergebnisse dieser Versuchsproben wurden mit Versuchsproben verglichen, die mittels Handlöten, Laserlöten und Reflowlöten hergestellt wurden. Wei­terhin wurde die Zuverlässigkeit der Kontaktierun­gen mittels speziell entwickelter Prüfverfahren ermittelt. Anhand eines De­monstrators ließ sich die Einsetzbarkeit des Induktionslötverfahrens bei textilen Applikationen nachweisen.

Bei den Lötuntersuchungen zeigte sich, dass die eingestellten Lötparameter ent­scheidend für das Lötergebnis sind und dass diese Parameter von vielen Faktoren abhängig sind:

• Lötzeit
• Lötleistung
• Programmiertes Lötprofil
• Menge der aufgebrachten Lotpaste
• Abstand der Induktionsspule zum Gewebe bzw. zur Leiterbahn
• Spulenform der Induktionsspule

Die Dimensionen der Leiterbahnen, deren Leitfähigkeit und insbesondere auch die Dimensionen des zu kontaktierenden, leitfähigen Bauteilpins haben weiterhin ent­scheidenden Einfluss auf das Lötergebnis und sind bei der Einstellung der Lötpara­meter zu beachten. Der Energieeintrag an der Lötstelle muss so gering wie möglich eingestellt werden. Bei zu hoch eingestellten Lötleistungen kann es zum Ausfall der elektronischen Bau­elemente und zur Schädigung am Textil kommen. Bei optimal eingestellten Parametern lassen sich qualitativ gute Lötstellen herstellen, bei denen das textile Grundmaterial nicht beziehungsweise nur minimal geschädigt wird. Ein Fi­xieren der Bauteile beim Induktionslötprozess, zum Beispiel mittels eines vorher aufgebrach­ten SMD-Klebstoffes ist sinnvoll und verbessert die Haftung der Bauteile. Dadurch wird auch ein mögliches Abheben der Bauteile beim Lötvorgang verhindert.

Auf textilen Leiterbahnen aufgelötete LED, die vorher mittels SMD-Klebstoff fixiert wurde. TITV

Die Form und Größe der Induktionsspule kann individuell an die Lötstellen und an die Bau­formen der elektronischen Bauelemente angepasst werden. Somit lassen sich auch Bauteile mit mehre­ren und untenliegenden Anschlusspins (zum Beispiel RGB-LEDs) in einem Lötvorgang kon­taktieren. Mit einer solchen, selbst dimensionierten Induktions­spule wurde ein textiles RGB-Display als Demonstrator realisiert, bei dem die Leiter­bahnen aus Elitex-Fadenmaterial sticktechnisch auf dem textilen Trägermaterial aufgebracht wurden. Bei die­sem Display ist jede LED in ihrer Farbe und in ihrer Helligkeit einzeln programmierbar. Die verwendete Induktionslötanlage gestattet auch eine teilautomatisierte Fertigung, bei der die Positionierung des Textils zur Lötschleife und der Lötvorgang programmierbar sind. Somit können mehrere Lötstellen hintereinander verlötet wer­den. Das Dispensen der Lotpaste und die Bauteilzuführung erfolgten bei den durchgeführten Kon­taktierungsversuchen manuell. Es wurde aber ein Kon­zept erarbeitet, wie die ge­samte Herstellung solcher Schaltungen vollautomatisiert an einer Stickmaschine er­folgen kann.

Individuell angepasste Induktionsspule zum gleichzeitigen Löten aller Anschlusspins von RGB-LEDs. TITV

Detailaufnahme einer mittels Induktionslötverfahren kontaktierten RGB-LED, TITV

Zuverlässigkeit der Kontaktierungen

Die hergestellten Versuchsproben wurden im Smart Textiles Prüflabor des TITV Greiz bezüglich ihrer Zuverlässigkeit überprüft und mit anderen Proben verglichen, die mit konventionellen Kontaktierungsmethoden hergestellt wurden. Hierbei konnte eine hohe Zuverlässigkeit nachge­wiesen werden, die mit anderen Lötverfahren vergleichbar ist. Zur Ermittlung der Haftfestigkeit aufgelöteter Bauelemente ist ein Prüfverfahren mit einer Zwick- Materialprüfmaschine entwickelt worden. Hierbei wird ein Blech mit einem Schlitz, durch den das zu prüfende Substrat mit dem aufgelöteten Bauteil geführt wird, in die obere Einspannvorrichtung der Maschine eingespannt und anschließend ein Zugversuch durchgeführt.

Eingespannte Versuchsprobe beim Zugversuch. TITV

Die Erfassung der Kraft-Dehnungswerte erfolgt am PC. Es wird die Kraft ermittelt, bei der sich das aufgelötete Bauteil vom textilen Substrat beziehungsweise von der kontaktierten Leiterbahn löst. Vergleichende Untersuchungen an mit unterschiedli­chen Lötverfahren kontaktierten Bauelementen zeigten, dass die Bauelemente ähnli­che Abrisskräfte aufweisen. Die ermittelten Kräfte liegen je nach Bauteil im Bereich von 20 bis 70 N. Weiterhin erfolgten Anwendungssimulationen mit einem Martindale-Scheuerprüfgerät sowie mit der hausinternen Prüfeinrichtung Flexomat 2. Auch hierbei konnten eine hohe Haftfestigkeit und eine hohe Funktionssicherheit der Kontaktierungen nachgewiesen werden.

Fazit

Der Einsatz des Induktionslötens verbessert die Produktqualität und ermöglicht, dass Smart Textiles effizienter gefertigt und neue Anwendungsfelder erschlossen werden können. Dieses in der Textilindustrie erstmals eingesetzte Lötverfahren hat gegenüber bisher eingesetzten Verfahren den Vorteil, dass die textilen Trägermaterialien beim Kontaktierungsprozess weitgehend geschont werden. Weiterhin lassen sich Bauteile mit untenliegenden Lötkontakten verlöten, die sonst nur mit dem Reflowlötverfahren kontaktiert werden können.

BMWi

Das IGF-Forschungsvorhaben Nr. 19701 BR „Ver­besserung der Qualität von Smart Textiles durch Einsatz des Induktionslötverfahrens zur Kontaktierung elektronischer Bauelemente“ wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.

(pg)