Das SWF-Modul (Sensitive Wire Feed) (Bild 1) ermöglicht durch adaptive Regelung erstmals, dass die Lotdrahtzufuhr eines Prozesses zur Regelgröße und zum Schlüsselprozess wird. Somit werden die spezifischen Wärmequellen für Induktion-, Kolben- und Laserlöten sowie Auftragschweißen über den Drahtvorschub SWF als Master geregelt und zwar so, dass der Löt- oder Prozessstelle und der damit verbundenen thermischen Masse nur die prozessspezifische Wärmemenge zugeführt wird, die für den Lötprozess erforderlich ist.
Exakte Zuführung des Lotdrahtes
Die exakte Zuführung des Lotdrahtes war zuvor immer ein Schwachpunkt dieser Verfahren. Mit dem geregelten Drahtvorschub SWF wird erstmalig über den physikalisch definierten Schmelzpunkt des verwendeten Lotdrahtes die Wärmequelle eingeregelt. Aufwändige und ungenaue „pyrometrische Plazebokontrollsysteme“ können eingespart werden.
Durch das in der Kraft definierte Auftreffen des Drahtes auf der Prozessfläche wird der SWF binnen Bruchteilen von Millisekunden referenziert und fördert folgend nur die gewollte Menge an Draht ein. Die Einbringung des Lotdrahtes beginnt dabei erst, wenn die Aufsetzkraft des Drahtes über den Wärmeeintrag bei Erreichen des physikalischen Schmelzpunktes gegen Null geht (Bild 2). Damit hat die über die Prozessumgebung angeschmolzene Drahtspitze die beste Voraussetzung für eine „warme“ Lötstelle mit reproduzierbarer Drahtmenge.
Ist die definierte Menge an Draht im Prozess, wird der Draht sofort kontrolliert aus dem Prozess gezogen. Dieser Drahtrückzug dient zum einen dem Verhindern des Nachfließens nicht gewollter Lotmengen und Flussmitteln, bei Flussmittelseelendrähten. Zum anderen werden Antennenlötungen, bei denen der Draht an der Baugruppe hängen bleibt, vermieden werden.
Die richtige Wärmemenge
Die eingebrachte Lot- und Wärmemenge in beide Partner (Prozessfläche an Draht) ist maßgeblich für eine hochwertige Verbindung und unerlässlich für ein gutes Lötergebnis verantwortlich. Durch die elektromechanische Sensorik ermöglicht der SWF jetzt eine optimal regelbare, reproduzierbare und knickfreie Zuführung des Drahtes und damit der Lotmenge.
Das System erkennt anhand der Veränderung der Drahtanpresskraft den Zeitpunkt, an dem der Lotdraht zu schmelzen beginnt, reagiert auf Fehler wie einen falsch positionierten oder ausgewichenen Draht und überbrückt auch Toleranzen in der Arbeitshöhe. Während sich beim Löten mit Miniwelle und beim Hub-Tauch-Löten die korrekte Lotmenge bedingt durch chemisch physikalische Prinzipien von selbst einstellt, gelingt dies jetzt mit dem SWF auch bei den genannten selektiven Lötverfahren mit Zusatzdraht durch Definition eines optimalen produktspezifischen Referenzpunktes.
Kolbenlöten
Das automatisierte Kolbenlöten ist ein Verfahren, bei dem der Wärmeübergang direkt über eine definierbar gefederte Lötspitze auf das Bauteil übertragen wird (Bild 3). Somit ist immer ein optimaler Wärmeübergang zwischen Lötspitze und zu lötendem Bauteil vorhanden. Weiterhin werden Lagetoleranzen der zu lötenden Bauelemente dadurch ausgeglichen. Die Lötspitzentemperatur wird mithilfe von 150 W direkt in der Lötspitze geregelt.
Geringe Anschaffungskosten machen das automatisierte Löten mittels Lötkolben besonders attraktiv. Wobei diese zunächst sehr einfache Technik über die Bauteil-, Pad- und Lötspitzen- Toleranzgeometrien in der Vollautomation eine komplexe Herausforderungen darstellt. Die technische Prozessverfügbarkeit und die damit verbundene Qualitätsausbringung liegen jedoch nur im akzeptablen Bereich. Die Schlechteilrate liegt in der Regel im Prozentbereich.
Induktionslöten
Beim Induktionslöten erfolgt die Erwärmung der Lötstelle berührungslos durch elektromagnetische Induktion (Bild 4). Je nach Frequenz der Erregerschleife wird die Lötstelle eher Außen oder Innen erwärmt. Hierbei lässt sich die eingebrachte Wärmeleistung sehr genau regeln. Ein signifikanter Vorteil ist die schnelle gleichmäßige Erwärmung der Lötstelle. Nicht zu vernachlässigen sind Abstandstoleranzen zwischen Induktor und Prozessoberfläche, da der Energieeintrag im Abstandsquadrat eingeht.
Inzwischen gibt es Möglichkeiten mit denen es möglich ist, die wärmeerzeugenden Wirbelströme in der Lötstelle zu fokussieren. Wie ein Brennglas Licht bündelt, werden über den Feldlinienkonzentrator die Feldlinien gezielt verdichtet und damit die Induktionswärme direkt und gezielt in die Lötstelle eintragen. Die wesentlichen Vorteile sind eine beschleunigte und fokussierte Erwärmung bei einer geringeren thermischen Belastung der Umgebung.
Auf Grund der physikalischen Wirkmechanismen erwärmen die Induktionswirbelströme nur elektrisch leitende Metalle; beim Induktionslöten werden deshalb Einhausungen, Halterungen und andere Bauteile aus Kunststoff in der Nähe der Lötstelle keiner thermischen Belastung ausgesetzt.
Im Zusammenhang mit dem geregelten Drahtvorschub hat sich das Induktionslöten im Bereich passiver Bauelemente zu einer attraktiven Verbindungstechnik entwickelt, insbesondere bei Produkten mit hohen Stückzahlen und ppm-Anforderungen sowie der Forderung nach einem schnellen gezielten Wärmeeintrag (Bild 5). Die Löttemperaturen decken den Bereich zwischen 250 und 1.000 °C ab und umfassen damit sowohl Aufgaben für das Weich- als auch das Hartlöten.
Konzentrisches Laser-Löten
Das konzentrische Laser-Löten mit dem geregelten Drahtvorschub gewinnt immer mehr an Bedeutung. Es wird in der Automobil- und auch Konsumerlektronik eingesetzt, typischerweise bei Leiterplatten mit feinsten Strukturen. Es eignet sich aber ebenso bei der Steckerlötung, Kabelkonfektionierung sowie für das selektive bleifreie löten empfindlicher Bauteile. Durch die konzentrische Anordnung der Strahlquellen kann in einem Winkel von 360° um den Draht ein in Leistung und Geometrie beliebiger Fokus gewählt werden (Bild 6).
Mit Hilfe einer Optik werden mehrere kohärente infrarote Strahlungsquellen als geregelte Laserenergie präzise auf die zu lötende Stelle eingekoppelt und variabel fokussiert. Der Lötprozess wird über den physikalischen Schmelzpunkt des Lotdrahtes eingeregelt. Dieser schnelle Temperaturanstieg in der Prozessfläche ermöglicht den Laserlötprozess innerhalb der typischen Dauer von 1 bis 3 s auszubilden.Mit der Kombination aus geregelter Drahtzufuhr und konzentrischer Strahlquellenanordnung entsteht erstmalig ein über den Schmelzpunkt des Lotdrahtes geregelter Laser-Lötprozess.
Mit der geregelten Drahtzuführung werden schnelle Änderungen des Absorbtions- und Emmisionsgrades während dem Lötprozess – bedingt durch z.B. Spiegelungen des aufgeschmolzenes Lotes sowie eingebrachtes Flussmittel – die Lasereinkopplung angepasst. Damit kann auf die störanfällige ungenaue Pyrometermessung verzichtet werden.
Bei Bedarf können empfindliche Bauteilgeometrien die im Prozessumfeld liegen ausgeblendet bzw. vom Laser nicht angesteuert und damit thermisch geschont werden. Die Möglichkeit, den Laser exakt zu fokussieren, erlaubt das Löten von sehr kleinen, miniaturisierten Lötstellen. Das berührungslose Verfahren erfordert schließlich auch nur einen begrenzten Aufwand für die Wartung. Die Laseroptik wird durch ein schnell zu wechselndes Schutzglas geschützt.
Resümee
Mit dem SWF-Modul steht nicht nur ein mechanisch sondern auch steuerungstechnisch flexibel kombinier- und integrierbares Modul zur Verfügung. In Verbindung mit dem Eutect-Modulbaukasten oder als OEM-Lösung steht der optimalen und produktorientierten Automation nichts mehr entgegen, da das Modul durch seine auf dem Actio-Reactio-Gesetz basierenden Regelung die Qualität nur steigert, Fertigungsprozesse beherrschbar und ökonomisches Handeln möglich macht.
Manfred Fehrenbach
(hb)
