Hohe Prozesssicherheit bei bedrahteten Bauelementen
Kleinere Strukturen und engere Pitchabstände bringen die Lötprozesse in der Elektronikfertigung häufiger an ihre Grenzen. Bei der Verarbeitung von bedrahteten THT-Komponenten hat die Ihlemann AG mit einer neuen Wellenlötanlage und begleitenden Optimierungen die Prozesse verbessert und abgesichert.
Immer kleinere Baugruppen, engere Rastermaße und eng aneinander liegende Lötpads können vor allem beim Wellenlöten bedrahteter THT-Komponenten zu Brückenbildungen und anderen Lötfehlern führen. „Die Lötprozesse beim Wellenlöten sind komplexer als beim Reflowlöten und erfordern mehr Know-how und eine zuverlässige Technik. Je geringer die Abstände werden, umso stärker wirken sich die Oberflächenspannung des Lotes und die hohen Benetzungskräfte der Pin- und Padoberflächen aus. Hier konnten wir die Prozesssicherheit durch eine neue Anlage deutlich verbessern“, berichtet Bernd Richter, Vorstand bei EMS-Dienstleister Ihlemann AG.
Prozessführung beim Löten
Nach den Erfahrungen des EMS-Dienstleisters beeinflussen viele Parameter die Lötergebnisse. Das Design der Baugruppen wird immer häufiger vom Miniaturisierungstrend bestimmt. Bei der deutlich höheren Bauteildichte kann die Platzierung der Bauteile leichter zum Problem werden. Sie sind oft zu eng oder zu dicht am Rand der Platine angeordnet. Auch zu kleine und zu enge Abstände bei den Lötpads können zu Fehlern führen.
Mit der Miniaturisierung steigen auch die Anforderungen an die Prozessführung der Wellenlötanlage. Flussmittelauftrag, Temperaturprofile für die Vorheizphase, Auswahl der Lotlegierung, Benetzungszeit und Benetzungsverhalten in der Lötwelle und die Qualität der Schutzgas-Atmosphäre müssen engere Toleranzen einhalten.
Weniger Flussmittel und veränderte Lotlegierung
Das Flussmittel soll problematische Oxidationsvorgänge verhindern und die Oberflächenspannung des flüssigen Lots verringern. Wird zu viel Flussmittel verwendet, entstehen problematische Rückstände. Zu wenig Flussmittel kann eine ausreichende Durchkontaktierung verhindern. Mit der neuen Wellenlötanlage kann das Flussmittel jetzt exakter dosiert werden und durch die Schutzgas-Atmosphäre wird auf der Baugruppe weniger Flussmittel benötigt. Das führt zu weniger Rückständen und vermeidet Fehler beispielsweise beim späteren Lackieren.
Eine weitere Veränderung betrifft die verwendete Lotlegierung. Die bisher eingesetzte silberhaltige Zinn-Legierung neigte dazu, das Kupfer der Leiterplatten aufzulösen. Mögliche Nachteile bei zusätzlichen Lötvorgängen mit sehr dünnen Kupferschichten sind bei der jetzt verwendeten reinen Zinnlegierung stark reduziert. Desweiteren hat die neue Lotlegierung ein gleichmäßigeres Erstarrungsverhalten und führt somit zu optisch glänzenderen Lötstellen, ähnlich wie bei bleihaltigen Legierungen.
Des Weiteren bietet die neue Anlage die Möglichkeit, Leiterplatten mit hohem Kupferanteil besser zu durchwärmen und damit einen verbesserten Lötdurchstieg zu erzielen.
Stickstoff ist nicht gleich Stickstoff
Die neue Wellenlötanlage arbeitet mit einer Schutzgas-Atmosphäre aus Stickstoff. Bei der bisherigen Lösung hatte Ihlemann den Stickstoff in einer Luftzerlegungsanlage selbst erzeugt. Die Reinheit hatte für die bisherigen Anforderungen weitgehend ausgereicht, konnte aber Wetter- und jahreszeitbedingt schwanken. Diese Schwankungen konnten zu Einbußen bei den Lötergebnissen, zu Schlacken und zur Oxidation im Lottiegel führen. Durch die Umstellung auf angelieferten Flüssigstickstoff konnte der Restsauerstoffanteil nochmals um den Faktor zehn verringert und die Qualität der Lötstellen dadurch verbessert werden.
Geeignet für die Leanfertigung
Miteinander verknüpfte Arbeitsschritte und ein reibungsloser Produktionsfluss mit schnellen Durchlaufzeiten kennzeichnen die Leanfertigung bei Ihlemann. Der EMS-Dienstleister hatte deshalb eine Wellenlötanlage gesucht, die flexibel ist für kleine Lose und sich auch von den Abmaßen gut in eine Fertigungsinsel integrieren lässt. Die jetzt gefundene kompakte Lösung mit einer Länge von nur 4,15 m benötigt vergleichsweise wenig Platz und unterstützt den gewünschten schnellen Durchlauf durch die U-Zelle.
Höhere Prozesssicherheit
Die Stabilität der Lötergebnisse und die Prozesssicherheit reichten bei der alten Technik nicht mehr aus. Der Lötprozess war nicht ausreichend gegen Schwankungen der Umgebungstemperatur oder Änderungen der Luftfeuchtigkeit abgeschirmt. So musste die Wellenlötanlage je nach Jahreszeit nachjustiert werden. „Mit der neuen Anlage und unseren Prozessanpassungen hat sich die Prozessstabilität um den Faktor 5 erhöht. Ist die Anlage einmal eingestellt, sind weitere Eingriffe in den Lötprozess nicht mehr erforderlich“, beschreibt Bernd Richter die Verbesserungen.
Die Anschaffung der prozesstechnisch verbesserten Stickstofftunnellötanlage war bei qualitätskritischen Baugruppen sofort erfolgreich. Bei einer im Design nicht optimalen Baugruppe war es durch sehr enge Bauteilabstände wiederholt zu Qualitätsproblemen mit Lötbrücken gekommen. Diese Probleme verschwanden nach der Umstellung auf die neue Anlage. Auch Brückenbildungen auf der Unterseite von Leiterplatten durch sehr eng anliegende Vias oder Leiterbahnen können jetzt vermieden werden. Während bei der alten Anlage pro Schicht einzelne Parameter 5- bis 6-mal nachjustiert werden mussten, reicht jetzt die einmalige Einrichtung. Auch die Verarbeitung bleihaltiger Lötverbindungen ist mit dieser Technologie möglich.
Für das Löten einzelner THT-Bauteile auf hochintegrierten HDI-Leiterplatten (High Density Integration) werden bei Ihlemann automatisierte Selektivlötprozesse genutzt.
