Ihlemann verstärkt das Selektivlöten
Bei zweiseitigen, SMD-bestückten Leiterkarten ist das Wellenlöten für bedrahtete Bauteile nicht immer möglich. Die Ihlemann AG nutzt hier inzwischen eine dritte Selektivlötanlage, da das Löten der Drahtteile per Hand gravierende technologische Nachteile hat.
In vielen Bereichen können bedrahtete Bauteile nicht durch SMD ersetzt werden. Insbesondere, wenn es um größere mechanische Belastungen geht (z. B. bei Steckverbindern oder Schaltern) oder wo größere Ströme fließen wie in der Leistungselektronik, müssen diese Bauelemente weiterhin mittels Durchsteckmontage auf der Leiterplatte befestigt werden. THT-Bauteile werden dann häufig per Hand gelötet. In der Praxis zeigen sich hier allerdings gravierende Nachteile.
Jeder Lötvorgang ist zwangsläufig individuell unterschiedlich und kann auch von der gleichen Person nicht identisch wiederholt werden. Wenn die gewünschte Temperatur der Lötstelle über- oder unterschritten wird, kann es außerdem zu Qualitätsproblemen kommen. Eine zu geringe Temperatur verhindert bei THT-Lötungen den notwendigen Lotdurchstieg und die intermetallische Phase kann sich nicht ausreichend ausbilden. Ist die Temperatur zu hoch, bestehen Gefahren durch Überhitzung und von Vorschädigungen der Bauteile und der Leiterplatte.
Erfahrungen mit dem automatisierten Selektivlöten
Bernd Richter, Vorstand beim EMS-Dienstleister Ihlemann AG in Braunschweig, verweist auf gute Erfahrungen mit dem automatisierten Selektivlöten: „Jede einzelne Lötstelle kann separat programmiert werden, um Flussmittelmenge und Lötzeit selektiv zu steuern. So wird in der Serienfertigung eine höhere Qualität, Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit der Lötergebnisse erreicht.“
Der technologische Vorteil des Selektivlötens besteht aus Sicht des EMS-Dienstleisters vor allem darin, dass es sich um einen geregelten und sehr gut steuerbaren Prozess handelt, indem die Umgebungsbedingungen für jede Lötstelle und auch der Lötprozess selbst in der Selektivlötanlage programmiert und überwacht werden können.
- Die Löttemperatur und Kontaktzeit wird exakt eingestellt: Die Lötstelle wird in der Selektivlötanlage mit einem Stickstoff-Gasstrom vorgewärmt. Dabei umhüllt der Gasstrom die mit Lötzinn benetzte Lötdüse, während das Lötzinn über die obere Kante kontinuierlich abfließt. Abhängig von der thermischen Masse der Leiterkarte und den Erfordernissen der jeweiligen Lötstelle wird die Vorwärmzeit genau vorgegeben und die Temperatur über ein Messsystem konstant gehalten.
- Das Flussmittel wird mit einer Ultraschalldüse genau aufgetragen und auch der Lötzinnpegel wird durch eine automatisierte Regelung exakt eingehalten. So wird sichergestellt, dass die Löthöhe an der Düse immer konstant ist.
Der Nachteil des Selektivlötens ist zunächst, dass der Prozess für jede einzelne Lötstelle definiert werden muss. Nach den Erfahrungen bei Ihlemann reduziert sich der Programmieraufwand allerdings dadurch, dass Voreinstellungen aus Bibliotheken übernommen werden können. Außerdem wird der höhere Aufwand durch die höhere Qualität und durch Zeiteinsparungen bei den Prüf- und Nacharbeitsschritten mehr als ausgeglichen. Auch Abstände von 3 mm zu umliegenden Bauteilen, die nicht verlötet werden dürfen, sind noch umsetzbar.
Selektivlöten mit Oberseitenheizung
Eine neue Generation von Selektivlötanlagen ist mit einer Heizung für die Leiterplattenoberseite (Oberseitenheizung) ausgestattet. Dabei wird die Leiterplatte während des Prozesses von oben temperiert. Das ist insbesondere für Leiterplatten in der Leistungselektronik mit einer größeren Kupferschichtdicke und einer größeren Masse von Vorteil, weil diese während des Lötprozesses einen höheren Wärmebedarf aufweisen. Für solche Leiterplatten ist die zugeführte Wärmemenge ohne eine Oberseitenheizung oft nicht ausreichend, um die Leiterplatte und die Bauteile so zu durchwärmen, dass ein einwandfreier Lotfluss gewährleistet ist. Wird stattdessen eine höhere Lotbadtemperatur gewählt, sind Bauteil- und Leiterplattenschädigungen (Delamination) möglich und außerdem kann die Durchkontaktierung im Kantenbereich aufgelöst und unterbrochen werden. Es treten auch Probleme wie mangelhafter Lotdurchstieg, Nichtlötungen oder Beschädigungen benachbarter Bauteile auf. Mit einer ausreichenden und gleichmäßigen Erwärmung durch eine Oberseitenheizung lassen sich solche Probleme vermeiden.
Höhere Qualität und kürzere Prozesse
„Durch das Selektivlöten können wir bei gleichen Kosten eine deutlich höhere Qualität erreichen und den Fertigungsprozess beschleunigen. Die Selektivlötanlagen sind komplett in die Fertigungszellen der Lean-Fertigung integriert. Unsere Qualitätsüberwachung bestätigt, dass die Fehlerquote deutlich reduziert wird und wir nach dem Lötprozess ein fehlerfreies Board erhalten. Durch geringeren Aufwand bei Sichtkontrollen und durch den Wegfall von Nacharbeiten wird außerdem die Durchlaufzeit verkürzt“, berichtet Bernd Richter.
Durch die zunehmende Miniaturisierung wird es für Entwickler zudem immer schwieriger, die in den Designregeln vorgegebenen Abstände einzuhalten. Mit der neuen Selektivlötanlage sieht sich Ihlemann in der Lage, den Kanal zwischen zwei Bauelementen von bisher 5 mm auf 3-4 mm zu reduzieren. Für noch engere Strukturen sind bereits Tests mit kleineren Düsen in Vorbereitung.
Der EMS-Dienstleister bestätigt, dass trotz des zunächst höheren Investitions- und Programmieraufwands, die Kosten konstant gehalten werden konnten. Der Einsatz des Selektivlötens hat sich bei Ihlemann auch für kleine Losgrößen oder Prototypen bewährt.
