Viele Prozesse lassen den Laser attraktiv erscheinen – so zum Beispiel auch die berührungslose Übertragung hoher Energiedichten gegenüber dem mit einem Roboter gestützten Kolben-Lötprozess. Kein Verschleiß von Spitzen und damit ein geringer Wartungsaufwand, ein schnelles Erwärmen mit Lötzeiten von typischerweise unter einer Sekunde, eine hohe geometrische Flexibilität für dreidimensional geformte Baugruppen und eine hohe Präzision sind weitere Vorteile. Im Vergleich zum Reflowprozess kommen hingegen besonders die Vorteile der lokalen Erwärmung, das heißt die geringere thermische Belastung zum Tragen, beispielsweise bei temperaturempfindlichen Elementen oder in Kombination mit 3D-MID-Bauteilen, vor allem dann wenn nur eine überschaubare Anzahl an Lötstellen zu fügen ist.

Damit diese bekannten Vorteile jedoch sinnvoll genutzt werden können, müssen auch Lot und Flussmittel zu den Besonderheiten des Prozesses passen. Schnelle Aufheizraten und kurze Gesamtprozesszeiten sind hier die wesentlichen Herausforderungen, die bei vielen konventionellen Loten, sei es als Röhrenlot oder als Lotpaste, zu einer höheren Anzahl an Spritzern, die dann Laseroptik, Kamerasystem und Bauteil verschmutzen, und zu unerwünschten Lotperlen führen können.

Vergleich des Spritzens und der Lotperlenbildung beim Laserlöten mit konventionellen Pasten (links) und LSM-Lotpasten (rechts, ohne Perlen).

Vergleich des Spritzens und der Lotperlenbildung beim Laserlöten mit konventionellen Pasten (links) und LSM-Lotpasten (rechts, ohne Perlen). Tamura

Dispenseigenschaften gefragt

Besonders bei Lotpasten und dem Vergleich zum klassischen Reflowprozess sind die Unterschiede extrem. Während die Flussmittel-Bestandteile im normalen Reflowprozess für die Erwärmung, das heißt je nach Typ zum Schmelzen, Fließen, Reagieren und Verdampfen durchaus zwei- bis dreihundert Sekunden Zeit haben, müssen all diese Prozesse bei Lasererwärmung in unter einer Sekunde erfolgen, also um den Faktor 100 bis 1.000 schneller sein. Dies erfordert einerseits eine gute thermische Stabilität, um nicht zu einem explosionsartigen Spritzen zu führen und andererseits eine gute Aktivität, die auch in der kurzen Zeit eine gute Benetzung ermöglicht.

Damit die Gesamtprozesskette aus automatischer Lotapplikation und Löten schlüssig funktioniert, sind zudem präzise und stabile Dispenseigenschaften erforderlich. Diesen Herausforderungen hat sich Tamura nun mit der Entwicklung spezieller Laserlötpasten der LSM-Serie gestellt. Lösungen werden dabei sowohl für den im Fokus stehenden Laserlötprozess mit den kurzen Prozesszeiten als auch für verwandte Prozesse wie Erwärmung über einen Halogenstrahler oder eine Heizplatte angeboten, in denen für die etwas langsamere Aufheizgeschwindigkeit, die aber immer noch 20 bis 30 mal so hoch ist wie im Ofenprozess, unter anderem ein optimiertes Hot-Slump-Verhalten eingestellt wird. Als Legierung kommt dabei die Standardlegierung SAC305 zum Einsatz, aber auch niedrigschmelzende Legierungen wie SnBi sind möglich. Sowohl die Gesamtausbreitung kann je nach Variante reduziert werden als auch, was noch größere technische Bedeutung besitzt, das Auftreten von Lotperlen durch ein explosionsartiges Verhalten des konventionellen Flussmittels bei Lasererwärmung.

Vergleich der Flussmittelausbreitung beim Laserlöten mit konventionellen Pasten (links) und LSM-Lotpasten (rechts).

Vergleich der Flussmittelausbreitung beim Laserlöten mit konventionellen Pasten (links) und LSM-Lotpasten (rechts). Tamura

Langzeitstabiler Prozess

Eine detaillierte Betrachtung der gesamten Eigenschaften und Prozessschritte soll im Folgenden für den wichtigsten Vertreter der LSM-Familie die SAC305 Laserlötpaste LSM10-204-02 erfolgen. Tabelle 1

Charakteristik der Lotpaste zum Laserlöten.

Charakteristik der Lotpaste zum Laserlöten. Tamura

fasst hierzu die Basisdaten zusammen. Für die gute Benetzung bei kurzer Prozesszeit und gleichzeitig dennoch hoher Sicherheit gegenüber Elektromigration und Korrosion verfügt das Pastenflussmittel über chloridfreie Aktivatoren gemäß einer ROM0 Klassifizierung. Um einen vollautomatisierten Serienprozess zu erreichen, ist im ersten Schritt eine zuverlässige und präzise Applikation erforderlich. Hierzu wurde der Dispensprozess in zwei Varianten untersucht (Tabelle 2).

Problemlose Langzeitdispensversuche mit der Lotpaste.

Problemlose Langzeitdispensversuche mit der Lotpaste. Tamura

In beiden Fällen wurde ein langzeitstabiler Prozess ohne jegliche Dispensprobleme erreicht.

Der anschließende Lötprozess wurde anhand von auf 0,4 mm Ø Kupferpads aufgebrachter LSM10-204-02 Lotpaste, die mit einem Apollo Seiko MLS-808FS Laser gelötet wurde, untersucht. Die Wellenlänge des Lasers betrug 808 nm, sein Durchmesser 667 µm. Die Leistung wurde rampenförmig innerhalb der Lötzeit von 0,7 s auf 2,6 W gesteigert. Die insgesamt 100 Lötpunkte wurden anschließend mikroskopisch untersucht. In keinem Fall konnten ein Spritzen der Paste oder Lotperlen entdeckt werden. Als letzter optionaler Schritt in der Prozesskette wurde eine Reinigung untersucht. Durch 10 min Ultraschallreinigung mit Zestron FA+ bei 60 °C (anschließendes 10-minütiges Spülen/Tauchen in deionisiertem Wasser und 10 min Trocknung bei 120 °C) konnte eine schnelle und vollständige Entfernung der Flussmittelrückstände erreicht werden.

Lötpunkte der Paste LSM10-204-02 auf Cu nach dem Löten (links, Flussmittelrückstände optisch durch die Beleuchtung hervorgehoben) ohne Spritzer und Lötperlen und nach dem Waschen (rechts).

Lötpunkte der Paste LSM10-204-02 auf Cu nach dem Löten (links, Flussmittelrückstände optisch durch die Beleuchtung hervorgehoben) ohne Spritzer und Lötperlen und nach dem Waschen (rechts). Tamura

Den Umstieg erleichtern

In Summe stehen mit der LSM10-204-02 und den weiteren Pasten optimale Pasten für den Laserlötprozess vom automatisierten Dispensen, einem Löten innerhalb weniger als einer Sekunde bis hin zur einfachen Reinigung bereit. Der Umstieg von manuellen Kolben-Lötprozessen oder auch Reflow-Ofen-Lötprozessen wird so deutlich erleichtert, um Fehlerraten zu reduzieren, die Automatisierung zu erhöhen oder temperaturempfindliche Bauteile zu schützen.