Reflow-Prozesstechnologie ist bereit für die Trends der Zukunft

Nach wie vor sind Konvektionslötanlagen weltweit das Rückgrat der Surface Mount Technology (SMT). Dies ist vor allem durch ihre Flexibilität, hohe Effizienz und die guten Wärmeübertragungseigenschaften begründet. Gerade diese Eigenschaften sind heute wichtiger denn je, da die fortschreitende Digitalisierung, steigende Produktionszahlen, eine Vielfalt an Elektronikkomponenten und nicht zuletzt die standortübergreifende globale Produktion von Baugruppen dies erfordern.

Bild 1: Umgeschmolzene Pastendepots unter Luft (a) Rehm

Umgeschmolzene Pastendepots unter Stickstoff (b) Rehm

Stabile inerte Prozessumgebung erzeugen

In Konvektionsanlagen wird als Wärmeübertragungsmedium üblicherweise Stickstoff oder Luft verwendet. Im Stickstoffbetrieb wird der Anlage ein Volumen an Gas zugeführt (ca. 20 m³/h), welches zusätzlich zum zirkulierenden Gasflow erwärmt wird. Die durchschnittliche Leistungsaufnahme der Reflowlötanlage steigt dabei um ca. 700 Wh an. Das Stickstoffvolumen verdrängt die Luft und damit den Sauerstoff aus der Prozesskammer, wodurch eine stabile inerte Prozessumgebung erzeugt wird, welche die in-situ-Oxidation aller am Lötprozess beteiligten Partner verhindert. Benetzung und Lot-ausbreitung verbessern sich (Bild 1 a + b). Die Reflowlötanlagen von Rehm ermöglichen das Einstellen eines gewünschten Restsauerstoffwertes (Bild 2). Damit wird dem Anwender ein zusätzlicher Parameter zur Verfügung gestellt, um die Lötergebnisse für spezifische Boards optimieren zu können.

Bild 2: Verlauf des IST- und SOLL-Restsauerstofflevels. Rehm

Die Möglichkeit den Restsauerstofflevel anzupassen, schafft nicht nur eine optimale Kosten-/Nutzen-Balance, sondern auch bestimmte Fehlerarten zu vermeiden, insbesondere das Tombstoning. Durch den fehlenden Sauerstoff wird die Oxidation verhindert und die Benetzungsvorgänge beschleunigt, wodurch es zu einem Zeitversatz beim Benetzen der beiden Seiten eines Bauelements kommen kann – ein Tombstone entsteht. So können manchmal höhere Restsauerstoff-Konzentrationen (zum Beispiel 500 oder 800 ppm) während des Reflowlötens die Anzahl der Tombstones reduzieren. Von Schake [1] wurde gezeigt, wie das Restsauerstoffniveau die Tombstone-Rate bei 0201 und 01005 Bauelementen beeinflusst (Bild 3).

Bild 3: Tombstone-Rate in Abhängigkeit von der Lötatmosphäre. [1] Rehm

Optimale Temperaturprofilierung

Die Aufgabe der Temperaturprofilierung besteht darin, einerseits an allen Lötstellen eine zuverlässige stoffschlüssige Verbindung zu generieren und andererseits die Limitierungen der thermischen Beständigkeit von Komponenten nicht zu überschreiten. Zur Erzeugung eines geeigneten Temperatur-Zeit-Verlaufes können die Temperaturen, die Transportgeschwindigkeit und die Gebläsefrequenzen der Heizsysteme angepasst werden. Wie bereits aus dem Namen des Reflowlötverfahrens hervorgeht, wird die Prozessatmosphäre durch Zwangskonvektion selbst zum Wärmeübertragungsmedium. Rehm nutzt zur Erzeugung der Konvektionsströmung EC-Gebläsemotoren, welche mithilfe eines integrierten Frequenzumrichters direkt angesteuert werden können. Die Vorteile dieser Technik sind in der Tabelle 1 zusammengefasst. Mit der Steuerung des Volumenstroms hat der Betreiber eine zusätzliche Möglichkeit, das Temperatur-Zeit-Profil seiner Baugruppe zu beeinflussen (Bild 4).

Bild 4: Überlagerung zweier Reflowlötprofile aufgenommen bei unterschiedlichen Gebläsefrequenzen. Rehm

Die Variation der Gebläsefrequenz findet in der Reflowlötpraxis kaum Beachtung, jedoch bietet sie für kniffelige Aufgaben durchaus Lösungsmöglichkeiten. So wird sie beispielsweise bei der von der Firma Endress + Hauser patentierten Back-Side-Reflow-Technologie (Patent DE 102 11 647 B4 ) verwendet. Bei dieser Technologie werden hinsichtlich ihrer Lötwärmebeständigkeit kritische THD kopfüber im Reflowprozess gelötet. Während des Lötprozesses erfährt das unten hängende Package einen geringeren Wärmeeintrag als die oben durch die Leiterplatte ragenden Anschlüsse, die ihrerseits gelötet werden (Bild 5).

Bild 5: Temperatur-Zeitverlauf an einem DIP-Package. Rehm

Die Rolle der Transportgeschwindigkeit

Bild 6: Überlagerung der Temperatur-Zeit-Verläufe für 1.050 und 800 mm/min Transportgeschwindigkeit. Rehm

Mit der Änderung der Transportgeschwindigkeit verfügen Reflowlötanlagen über eine zusätzliche Methode, das Temperatur-Zeit-Profil zu verändern (Bild 6). In Tabelle 2 sind die wichtigsten Erkenntnisse zusammengefasst. Mit Verringerung der Geschwindigkeit nimmt die maximale Temperatur an allen Messstellen zu und der Temperaturunterschied zwischen den thermischen Massen auf der Baugruppe wird kleiner. Die Atmosphärentemperatur in der Umgebung der Baugruppe ändert sich nur marginal. Der Einfluss der Transportgeschwindigkeit auf die Wärmeübertragung in die Baugruppe ist dagegen enorm.

Bild 7: Überlagerung der Temperatur-Zeit-Verläufe für 1.050 und 800 mm/min Transportgeschwindigkeit. Rehm

Daraus lässt sich als Empfehlung ableiten, dass bei der Optimierung eines Reflowlötprofils zunächst die Transportgeschwindigkeit zu ändern ist, bevor alle anderen Anlagenparameter verstellt werden. Zu beachten ist, dass die Transportgeschwindigkeit ihre Wirkung auch auf Lötfehler, wie das Solderballing (Bild 7)und das Tombstoning (Bild 8), entfaltet. So kann beispielsweise mit langsamen Transportgeschwindigkeiten und dementsprechend längeren Vorheizzeiten die Anzahl der Lotperlen reduziert werden [2]. Aber auch eine Reduktion der Tombstone-Anzahl ist mit einer geringeren Geschwindigkeit möglich [3].

Bild 8: Tombstones in Abhängigkeit von der Transportgeschwindigkeit. [3] Rehm

Multiple Nutzung des flüssigen Stickstoffs

Während die beschriebenen Möglichkeiten zur Prozess-Inertisierung und Beeinflussung der Temperatur-Zeit-Verläufe als getrennte Parameter bekannt sind, stellt die multiple Nutzung des flüssigen Stickstoffs als Kühlmedium und inertes Medium zugleich eine Neuerung dar. Mit Coolflow hat Rehm erstmals eine Idee der Firma Air Liquide (EP 2 771 145 B1) maschinentechnisch umgesetzt, die das bisher übliche Kühlwasser aus den Reflowlötanlagen komplett verbannt. Gekühlt wird in diesen Anlagen mit flüssigem Stickstoff, der nach seinem Phasenwechsel gasförmig zur Inertisierung der Prozesskammer eingesetzt wird. Durch den Verzicht auf das Kühlwasser ergibt sich ein energetischer Vorteil für den Betreiber. Die VXP+ Lötanlagen mit Coolflow-Option benötigen ≤ 10 kWh im Betriebszustand unter realen Produktionsbedingungen. Gleichzeitig können damit auch sehr niedrige Kühlgradienten eingestellt werden, um die Kühlzeit zu beschleunigen.

Tabelle 1: Vorteile der EC- im Vergleich zu AC-Motoren Rehm

Im Rahmen der Studien [4] und [5] wurde der Einfluss eines niedrigen Kühlgradienten auf die Zuverlässigkeit der Lötstellen gründlich untersucht. Mittels EBSD durchgeführten Dendritenarmabstands-Messungen an 0402-Bauelementen auf NiAu- und iSn-Leiterplatten-Oberflächen wurde nur eine leichte Tendenz zur Kornfeinung dieser Lötstellen für schnelleres Abkühlen nachgewiesen. Messergebnisse zeigen, dass unter Berücksichtigung des Streubereiches keine signifikante Auswirkung des Abkühlgradienten und der Leiterplattenoberfläche auf das Gefüge der Lötstellen vorliegt (Bild 9).

Tabelle 2: Maximale Temperaturen aus den Temperatur-Zeit-Verläufen für 1050 und 800 mm/min Transportgeschwindigkeit. Rehm

Bild 9: Messungen des Dendriten-Armabstands mittels EBSD-Messungen an 0402-Lötstellen. [4] Rehm

Die nachfolgenden Scherkraft-Messungen nach dem Temperaturwechseltest von -40 / +125 °C bestätigen die Erkenntnisse der metallurgischen Untersuchungen und belegen, dass ein Abkühlgradient im allgemein akzeptierten Reflowlötbereich von 3-6 K/s keinen signifikanten Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Lötstellen hat [5]. Die Ergebnisse (Bild 10) zeigen, dass an den untersuchten CR1206 und LED-Bauelementen die Abnahme der Scherkraft nach 250, 500 und 1000 Zyklen für verschiedene Abkühlgradienten im identischen Bereich liegt. Daraus folgt, dass das System dem Anwender ein durchaus größeres Prozessfenster, insbesondere beim Löten sehr schwerer Baugruppen, eröffnet.

Bild 10: Abnahme der Scherkraft nach 0, 250, 500 und 1.000 Temperaturzyklen von -40 / +125 °C bei CR 1206 (oben) und LED (unten). Rehm

Eine Vielzahl von Anlagenparameter

Bild 10 unten






Rehm

In diesem Artikel wurden einige wesentliche Fragen zur Konfiguration der Konvektionslötsysteme und der daraus resultierenden Auswirkungen auf die Lötprozesse beantwortet. Es lässt sich festhalten, dass die Kombination aus den bereits bewährten Anlagenoptionen mit neu entwickelten Maßnahmen, wie EC-Motoren-Technik oder Rehm Coolflow, nicht nur eine Verbesserung der Prozesstechnik ermöglicht, sondern auch eine solide Grundlage für den Aufbau nachhaltiger und In-dustrie-4.0-konformer Fertigungsmaschinen bereitstellt.

(hw)