Temperaturmessprofile sorgen für zuverlässige Lötverbindungen

Egal ob Reflow-, Wellen- oder Selektivlöten – bei allen Weichlötverfahren ist die Übertragung von Wärme auf das Lot und das Lötgut notwendig. Bei sehr komplexen Boards mit hohem Bauteilemix und unterschiedlichen Wärmemassen ist das Einhalten eines geringen Delta-T eine große Herausforderung. Vorausgesetzt, dass der Wärmeübergangskoeffizient für ein bestehendes Lötsystem und die zu verarbeitende Baugruppe (Lötgut) konstant ist, hängt die Wärmestromdichte vor allem von der Temperaturdifferenz ab. Daher sind Temperaturmessungen im Weichlötverfahren unerlässlich. Die derzeit gebräuchlichsten Messmittel in der Baugruppenfertigung sind die Thermoelemente vom Typ K. Basis der elektrischen Temperaturmessung mittels Thermoelement bildet ein physikalischer Wandlungseffekt: Werden in einem Stromkreis aus zwei verschiedenen Leitern (Metalle, Legierungen oder Halbleitern) die Kontaktstellen unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt, so tritt eine Thermospannung oder auch elektromotorische Kraft auf. Dieser Effekt wurde 1821 von Thomas Seebeck entdeckt und nach ihm benannt.

Zum Einsatz in der Baugruppenfertigung kommen vorwiegend K-Typ-Thermoelemente aus Nickel-Aluminium/Nickel-Chrom. Deren Drahtenden sind zusammengelötet beziehungsweise geschweißt und bilden die Messstelle, die der Messtemperatur ausgesetzt wird. Die andere Seite bildet die Anschluss- oder Vergleichsstelle, die oft innerhalb der Elektronik realisiert ist. Zwischen Messstelle und Vergleichsstelle, entsteht jene elektromagnetische Kraft, die als Thermospannung gemessen wird. Da der Temperaturunterschied zwischen der Mess- und Vergleichsstelle ausgewertet wird, ergibt sich die Notwendigkeit die Temperatur der Vergleichsstelle (so genannte Kaltstellenkompensation) sehr genau zu erfassen. K-Typ-Thermoelemente sind im Temperaturbereich von -200 bis +1300 °C einsetzbar. Da Thermoelemente in vielen Ausführungsformen gehandelt werden, ist für die Nutzung in der Baugruppenfertigung auf hohe Genauigkeit (Klasse 1) und schnelles Ansprechverhalten (Ausführungen mit geringer Masse und kleinem Drahtdurchmesser) zu achten. Sollten Verlängerungsleitungen für Thermoelemente zum Einsatz kommen, sind Kabel aus identischen Thermomaterial die erste Wahl.

Das Messsystem PTP Contact-Screening von Globalpoint ICS beispielsweise eignet sich für Messungen auf Wellen- und Selektivlötanlagen. Das Messsystem wird als optionale Ausstattung für die neuartigen Wellenmessboards Wave V5 sowie als separate Ausführung Wave CS angeboten. Bedingt durch das Messverfahren, die Zustandsabfrage von 100 Kontakten auf Verbindung mit dem Wellenlot, wird hochauflösend im Abstand von 50 ms das Querprofil erfasst. Die Kontakte sind im Abstand von 2,54 mm in einer Reihe quer zur Transportrichtung angeordnet. In der PTP-Software erfolgt die Auswertung, indem das Kontaktfeld über 10 s dargestellt wird. Hochauflösend werden Verteilung und Kontaktzeiten sichtbar bzw. berechnet. Für Messaufgaben auf Selektivlötanlagen erfolgt die Anordnung der Kontakte als Array 10 x 10, etwa im Abstand von 1 mm. Durch mehrmaliges Anfahren und Auswerten dieses Arrays werden Aussagen zur Verteilung, Position, Ablaufverhalten des Lotes und weiteres berechnet. Auch das Selektivmessboard ist kundenspezifisch mit zusätzlichen thermischen Messfeldern erhältlich.

Reflow-Profil unter die Lupe

Tatsächlich gibt es ein ideales Reflowprofil, es kann aber sehr unterschiedlich ausfallen. Auf einer Fünf-Zonen-Anlage, mit Unterheizung einzig in der Peakzone, wird das optimale Profil für eine x-beliebige Flachbaugruppe anders ausfallen als auf einer 12-Zonenanlage mit drei Peakzonen, Unterheizung in den Vorzonen und mehr als einer Kühlzone. Die Reflowanlage und deren Möglichkeiten beim Anlagensetup bestimmen also weitgehend das resultierende Temperaturprofil und den Grad der erreichbaren Optimierung. Grundlage jeder Profiloptimierung, unabhängig von der zur Verfügung stehenden Reflowanlage, ist die strikte Einhaltung aller Herstellerbedingungen für die Verarbeitung. Dazu gehören neben den IPC/JEDEC-Normen zum Beispiel die Vorgaben für Bauteile (max. Temperatur oder Zeit über einer Temperatur), Leiterplatte (Oberfläche, Verarbeitungszeiten), Lotpaste (Einhaltung der Verarbeitungsvorgaben, Zeit-Temperatur-Fenster) und das vorhandene Know-how des Anlagenbedieners der die wichtigen Lötparameter (Zeit über Liquidus, Peaktemperatur, Gradientenvorgaben) beeinflusst. Globalpoint ICS unterstützt die Profiloptimierung durch ein Optimierungstool in der PTP-Software und bietet dazu auch ein Vororttraining an.

Wichtig dabei ist, das von den Lotpasten-Anbietern vorgegebene Temperatur-Zeit-Fenster unbedingt einzuhalten. Nur innerhalb dieses Bereiches wirken die chemischen Bestandsteile und bereiten die Kontaktoberflächen, wie etwa die Entfernung von Oxidationsschichten, auf die Liquidusphase vor. Neben der besseren Einflussnahme auf das Profil durch eine hohe Anzahl von Zonen in der Vorheizung kommt man auch hier wieder mit dem Optimierungstool zur Lösung. Schwierig wird der Weg zu einem optimalen Profil, wenn unterschiedlich bestückte Positionen ähnliche Temperaturverläufe sehen sollen; hier lässt sich mit dem Tool zumindest ein guter Kompromiss finden.

Optimierungstools zur optimalen Profilauslegung

Die Temperaturprofiler müssen zwei wichtige Aufgaben in der Elektronik-Flachbaugruppenfertigung erfüllen. Die erste Aufgabe definiert das ISO 900x Qualitätsmanagement, das die kontinuierliche Prozesskontrolle vorschreibt. Globalpoint ICS nutzt für diesen Bereich die PTP-Messboards, die für Reflow-, Wellen-, Vapourphase- und Selektiv-Lötanlagen entwickelt wurden. Zum Beispiel erfasst das Reflow-Konvektions-Messboard wichtige Anlagenparameter wie Zonentrennung, Gradienten, Querprofil, Einfluss der Unterheizung, Atmosphärentemperatur und Lastmodul für die Beurteilung Wärmeenergie.

Erst wenn man sicher ist, dass die Lötanlage korrekt arbeitet, ist der zweite Schritt zur Profiloptimierung sinnvoll. Die zweite Aufgabe hat ein bestmögliches Lötergebnis als Ziel, das sich als Folge einer optimalen Profilauslegung zeigt. Erhält man beispielsweise eine (neue) Baugruppe zur Profilierung, so sollten selbstverständlich alle Bauteile gelötet werden. Dabei bestimmt die größte thermische Masse – hier die gewünschte Verbindung von Bauteilanschluss und Pad – wesentlich den Profilverlauf. Dies sei auch der Ausgangspunkt für das Optimierungstool, betont er: Mit nur einer Messung ist es möglich, das Bauteil beziehungsweise Ausgangsprofil, das die größte thermische Masse repräsentiert, zu ermitteln. Im Optimierungstool wird dann durch Variation der vorhanden Zonentemperatur-Vorgaben oder zusätzlicher Änderung der Transportgeschwindigkeit der Profilverlauf neu berechnet. Die Berechnung des neuen Profilverlaufs ist sehr genau, da als Basis eine reale Messung dient in der die Gesamtheit der Einflüsse erfasst wurde. Gegenüber dem Wettbewerb bedeutet dies einen Vorteil: Wettbewerber müssen die Eigenschaften der Lötanlage, also Temperaturen, Wärmeübertragungskoeffizent oder Gradienten, und die Faktoren einer Baugruppe wie Fläche, Oberfläche, Dichte, Wärmekapazität und Gewicht erst beschreiben und durch viele Messungen verifizieren.

Ein stabiles und optimiertes Temperaturprofil hängt von der Heizungsauslegung und der Leistungsregelung ab. Diese sind anlagenspezifisch und werden vom Anlagenhersteller vorgegeben. Wieviel Wärmeenergie die Anlage liefert, also auf eine Flachbaugruppe prinzipiell überträgt, ist in Grenzen über das Setup variierbar. Die Messtechnik von Globalpoint ICS beinhaltet die Möglichkeit, den Energieeintrag durch Konvektion qualitativ zu erfassen. Um dies zu realisieren, wurde auf dem Reflow-Messboard ein Messfeld mit relativ großer thermischer Masse integriert. Dieses Messfeld ist, um störende Einflüsse durch das Messboard zu verhindern, wiederum thermisch vom Messboard getrennt und so ausgelegt, dass das resultierende Temperaturprofil keinen Sättigungsverlauf zeigt. Der Profilverlauf, speziell die Steigung und die erzielte Maximaltemperatur, kennzeichnen den Lotwärme- und Energieeintrag.

Messsysteme für Temperaturprofile

Trotz aller Finessen: ein Allround-System wird es so schnell nicht geben. Dazu gibt es in der Praxis oft schwer zu vereinbarende Zielvorstellungen. Globalpoint ICS alsHersteller von Messsystemen bietet zwei Systeme an: Eine Standard-Elektronik für die Prozesse Reflow-Konvektion, Welle und Selektiv und eine spezielle Ausführung für den Reflow-Dampfphasenprozess. Aktuelle Profiler für den Prozess Reflow-Konvektion benötigen eine Transporthöhe weniger als 25 mm über Stiftkette und bieten dabei ausreichenden Wärmeschutz. Hingegen kann der Reflow-Dampfphasenprozess vergleichsweise bis zu zehnmal mehr Wärmeenergie auf das Lötgut übertragen. Für die Messtechnik resultiert daraus ein wesentlich höherer Bedarf an Wärmeschutz. Globalpoint ICS bietet daher sein Dampfphasensystem in zwei Größen mit 40 mm und 50 mm Transporthöhe an. Auch hierbei ist eine Echtzeit-Funkübertragung, selbst bei Betrieb mit geschlossener Vakuumkammer, vorhanden. Wichtiges Kriterium für den Nutzer von Dampfphasen-Profilern ist das Gewicht der Messsysteme. Man kann mit einer sehr hohen Eigenmasse des Profilers die Eigenerwärmung respektive Temperaturbelastung hinauszögern, was allerdings eine sehr große Beeinflussung des nahen Prozessraumes zur Folge hat. Im Vergleich zum Wettbewerb, kommen die Dampfphasen-Profiler von Globalpoint ICSmit etwa 50 Prozent des Gewichts aus.

Der Kunde und sein Bedarf sind und bleiben das Maß für Entwicklungsvorhaben des Unternehmens. Als sich der Hersteller im Jahr 2003 in den Markt „Messtechnik für Weichlötprozesse“ begab, war die erste Aktivität eine Recherche zu den vorhandenen Temperatur-Profilern und den Markterfordernissen. Die damaligen Temperaturprofiler wurden „Logger oder Tracker“ genannt und boten nur die interne Speicherung der Daten, also keine Echtzeit-Datenübertragung. Damit verbunden war ein relativ großer Handlingsaufwand. Hinzu kam oft ein falsches Verständnis von Kundenbindung, das heißt, man nutzte am Profiler Sonderstecker und benötigte dadurch spezielle Adapter um die genormten Steckverbinder für Thermoelemente zu nutzen. Grundsätzlich fehlten auch oft aktuelle Technologien wie SMD-Design für die Elektronik, Li-Ionen-Akkus oder Funk-Echtzeit-Datenübertragung, für die Realisierung von Produkten. Technologisch veraltete, meist billig in Asien gefertigte Produkte entsprachen weder unseren Erwartungen, noch den der Kunden. Dem folgend beinhaltete bereits unser erster PTP-Temperaturprofiler die Echtzeit-Datenübertragung auf Bluetooth Basis, einen Li-Ionen-Akku und einen Standard-Steckverbinder. Ein weiterer wichtiger Aspekt betrifft die Software. Die PTP-Software beinhaltete beispielsweise als erste eine Exportfunktion der Daten nach MS Excel. Software-Weiterentwicklungen stehen überdies als Download zur Verfügung. Durch die enge Zusammenarbeit mit der Fraunhofer Gesellschaft ISIT und Industriepartnern sei die Integration von aktuellen Erkenntnissen zum Lötprozess gegeben.

Fünf Fragen an die Geschäftsführer von Globalpoint ICS, Christian und Renate John

Sie haben globalPoint ICS im Jahr 1999 gegründet. Was war Ihre Motivation?

Die Firma wurde im Dezember 1999 gegründet und firmiert seit April 2000 als Globalpoint ICS. Basis dieser Erstentwicklung war eine fast zehnjährige Tätigkeit in der Flachbaugruppen-Fertigung und die Mitwirkung eines externen Mitarbeiters. Der Wunsch die Firma weiter zu entwickeln, Verantwortung für ein selbst entwickeltes Produkt zu haben, führte zu der Erkenntnis dass nur ein komplettes Messsystem eine tragfähige Basis darstellt. Folgerichtig wurde die PTP-Software für Windows, Funkelektronik und Messboards für alle Weichlöt-Prozesse entwickelt.

Sie arbeiten eng mit der TU Dresden und mit dem Fraunhofer ISIT zusammen. Was versprechen Sie sich von diesen Kooperationen?

Seit Gründung bieten wir allen Forschungs- und Ausbildungsinstituten unsere Produkte mit hohem Sonderrabatt. Deutschland braucht ein hohes Forschungs- und Ausbildungsniveau um die Qualitätsaussage „Made in Germany“ zu erhalten. Wir nutzen das Potenzial und integrieren gern die Ergebnisse gemeinsamer Projektarbeit in unsere Software. Die Bewertung von Profilparametern und das Optimierungstool sind Ausdruck dieser Kooperation.

Als kleines Unternehmen, welche Ziele verfolgen Sie für die nächsten zwei, drei Jahre?

Unsere Aufgabe wird sein den Entwicklungsstand unseres Temperaturprofilers und der Messboards auf höchstem Niveau zu halten. Der Wettbewerb schläft nicht und die Zeit bringt stets neue interessante technische Lösungsansätze für Weiterentwicklungen.

Wie wird sich Ihrer Meinung nach der Markt der Elektronikfertigung hier in Deutschland und Europa entwickeln?

Der Markt der Elektronikfertigung hat sich speziell in Deutschland in den letzten Jahren sehr positiv entwickelt. Zumindest bestätigen das unsere in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegenen Umsätze. Wir wünschen uns eine  weitere positive Entwicklung, natürlich auch für Europa und weltweit. Wir haben gerade unsere Software mit Benutzeroberflächen in Russisch, Italienisch, Portugiesisch, Spanisch und Chinesisch freigegeben. Das ist, neben Deutsch und Englisch, eine gute Basis für unsere europäische Marktbearbeitung.

Welchen Ausstellungsschwerpunkt setzen Sie auf der SMT-Messe 2014?

Wir werden unsere neueste Entwicklung, das Contact Screening, besonders hervorheben. Das schon vor vielen Jahren „totgesagte“ Wellenlöten erlebt mit der Leistungselektronik und den zu fertigenden Baugruppen eine neue Bedeutung. Dabei sind Qualität und zuverlässige Fertigung ausschlaggebend für den Erfolg eines Betriebs/Produkts. Wir sehen speziell für Wellen- und Selektivlötanlagen sehr gute neue Auswerteergebnisse für Verteilung und Zeitdauer des Lotkontaktes. Beim Selektivlöten möchten wir ein Kontaktfeld, da sollen 100 Kontakte alle 50 ms abgefragt werden, vorstellen.

SMT Hybrid Packaging 2014: Halle 9, Stand 538

(mrc)