Das Löten über Dampfphase (Vapor-Phase-Reflow) wird auch Kondensationslöten genannt. Es hat gegenüber konventionellen Reflow- Verfahren einige entscheidende Vorteile, wie zum Beispiel den automatischen Ausschluss von Sauerstoff während des Lötvorganges, oder die maximale Löttemperatur von 240°C für jedes Bauteil, unabhängig von dessen Größe.
Wir arbeiten mit einer modernen Dampfphase von Asscon, die zusätzlich über eine Vakuumkammer verfügt, in der aus der Lotpaste unerwünschte Gasanteile entfernt werden können.
Wir arbeiten nach wie vor bei vielen Projekten mit klassischen Reflow- Anlagen unter Stickstoff.
Grund ist der relativ langsame Lötvorgang in der Dampfphase, der dazu führt, dass bestimmte Bauteile wie z.B. Elektrolytkondensatoren auf eben diese 240°C durcherwärmt werden. Das ist physikalisch im Dampf unvermeidlich.
Leider führt eine solche Durcherwärmung, am Beispiel des Elektrolytkondensators zur Gasbildung am Elektrolyt und erheblichem Kapazitätsverlust, verbunden mit vorzeitigem Ausfall des Bauteils.
Dies gilt auch für andere kritische Bauteile, bis hin zu Hochleistungs- LED`s die teilweise nicht für die Dampfphase geeignet sind.
Das Dampfmedium (Galden) verdunstet nach dem Löten in der Regel rückstandsfrei, wobei es bei bestimmten LED`s zur Trübung der Linse kommen kann, oder Reste des Mediums an oder in den Bauteilen verbleibt.
Durch interne Untersuchungen sind wir zur Überzeugung gekommen, dass besonders Bauteile, die einen hohen MSL Level haben, trotz Trocknung, diesbezüglich besonders gefährdet sind.
Restfeuchtigkeit, die auch nach Trocknung immer vorhanden ist, kann bei der Durcherwärmung zum sogenannten Popcorn-Effekt führen.
Siehe auch: Erklärung auf fed.de
Unsere Technik führt daher Lötprofilqualifikationen an aktiven und passiven Bauteilen durch. Die jeweilige Festlegung des geeignetsten Lötverfahrens erfolgt dann anhand von Checklisten.
Das Internet ist voll von Artikeln, welche die vielen Vorteile von Stickstoffatmosphäre beim Löten von Baugruppen belegen.
Hier wollen wir die Gründe erläutern, weshalb wir uns entschieden haben, alle unsere automatisierten Lötprozesse unter Stickstoffatmosphäre ablaufen zu lassen:
SMD- Bereich:
Beim Reflow- Lötprozess erfolgt in Normalatmosphäre eine Oxidation des aufschmelzenden Lotes. Durch diese Oxidation werden Prozessfehler zugedeckt, da das Oxid die Bauteile fixiert und somit Probleme mit dem Lot, der Schablone oder der Bestückung von Bauteilen kaschiert. Durch die mangelhafte Adhäsionsfähigkeit der oxidierten Oberfläche werden zudem „kalte“ Lötstellen provoziert.
Mittlerweile ist auch bei unserem Wettbewerb Reflow- Löten unter Stickstoff der Standard.
Beim Löten in der Dampfphase legt sich während des Lötvorganges das Dampfmedium (Galden) über die Lötstellen und verhindert dort die Anwesenheit von Sauerstoff. Versuche bei uns im Hause haben jedoch gezeigt, dass Oxidationen erfolgen, die zwar deutlich geringer als beim klassischen Reflow- Verfahren sind, jedoch bereits bei Temperaturen um 150°C entstehen. Also bereits in Bereichen außerhalb der Dampfzone, bevor das Lot verflüssigt wird.
Auch in der Dampfzone selbst kommt es zu Kontakt mit Sauerstoff.
Der Hersteller unserer Dampfphasen- Anlage (Asscon) hat daher einen zusätzlichen Stickstoffanschluss vorgesehen, den wir auch nutzen. Die Ergebnisse sind überzeugend, besonders was die Oberflächenstruktur angeht.
THT- Bereich:
Leider werden beim Wellenlöten die Vorteile der Stickstoffatmosphäre unterschätzt. Auch wir waren lange von den Lötergebnissen in Normalatmosphäre überzeugt. Die Lötstellen waren gut ausgebildet, Lötfahnenbildungen und sporadische Kurzschlüsse konnten wir durch geeignetes Flussmittel minimieren und durch Nacharbeit beseitigen.
Erst beim Röntgen konnten wir feststellen, dass gerade bei verdeckten Lötstellen (Kondensatoren, Stecker etc.) ein unzureichender Lötdurchstieg stattfinden kann.
Die Lötstellen sind dann nicht IPC610 konform und können im „worst case“ sogar brechen. Der Einsatz von Stickstoff, auch beim Wellenlöten hat bei uns dazu geführt, dass sich der Durchstieg wesentlich verbessert hat und zudem Brückenbildungen und Lötfahnen so gut wie ausgeschlossen sind.
Fazit:
Seit dem Einsatz von bleifreien Loten haben sich die Prozessfenster ohne Stickstoff bei allen Lötanlagen so verkleinert, dass ohne den Einsatz von Schutzgas keine zuverlässig guten Lötergebnisse reproduzierbar möglich sind.
Jahreszeitlich bedingte klimatische Änderungen (Temperatur, Feuchte) verschärfen diese Situation zusätzlich.
Damit wir unseren Kunden eine gleich bleibend gute Qualität liefern können haben wir entschieden, dass künftig alle unsere maschinellen Lötprozesse unter Stickstoff durchgeführt werden. Zusätzlich erfolgt eine Klimatisierung unserer Produktionsräume, um gleichbleibend stabile Umgebungsparameter zu erreichen.
Beim Produktionsprozess kommen die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter durchweg mit Leiterplatten und Bauteilen in Berührung. Sowohl bei der Bestückung von bedrahteten Bauteilen (THT), als auch beim Handling von Leiterplatten und Baugruppen.
Die Hautoberfläche des Menschen sondert über die Finger Schweiß und Fette ab.
Schweiß beinhaltet Elektrolyte wie Natrium, Chlor und Kalium. Daneben enthält er eine Reihe von anderen Bestandteilen, unter anderem kurzkettige Carbonsäuren wie Ameisensäure, Buttersäure, Hexansäure, Harnstoff, Harnsäure und Bicarbonat.
Diese Stoffe oxidieren die Oberfläche von Metallen (Zinn, Zink, Kupfer etc.), die im Elektronikbereich eingesetzt werden. Die Lötbarkeit der Metalle wird dadurch stark herabgesetzt oder gar verhindert. Zudem können die Metalle leitende Salze ausbilden, die zu vorzeitigem Ausfall von Funktionen führen können.
Die Fette der Haut verschlechtern erheblich die Lötverbindung zwischen Bauteil und Trägermaterial.
Dies ist besonders bei vergoldeten Oberflächen kritisch. Hier erkennt man auch deutliche Farbveränderungen an der Goldbeschichtung.
Aus den oben genannten Gründen ist bei kortec das Tragen von Handschuhen für alle am Produktionsprozess beteiligten Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter zwingend vorgeschrieben. Diese speziellen Handschuhe sind antistatisch, fusselfrei und erlauben taktiles Arbeiten.
Die kortec Industrieelektronik arbeitet nach eigenen Arbeitsanweisungen, die von unserem Qualitätsmanagement und unserer Technik erarbeitet wurden.
Sie entsprechen im Wesentlichen den in der IPC-A-620 Klasse2 definierten Kriterien.
Einige Punkte sind jedoch enger toleriert, so wie sie in der IPC-A-620 Klasse3 gefordert werden.
Diese „Verschärfung“ der Kriterien in unserer Fertigung ist das Ergebnis jahrzehntelanger Erfahrung als EMS- Dienstleister.
Wenn Sie eigene Hausnormen besitzen, sind wir gerne bereit, diese mit unseren Richtlinien aufeinander abzustimmen.
Seit 2005 sind wir ISO 9001 zertifiziert. Unser Managementsystem wird dabei immer wieder erweitert und aktualisiert.
Wir führen regelmäßig interne Audit`s in den verschiedenen Abteilungen durch und werden außerdem konstant durch unsere Kunden auditiert.
Alle Fertigungs- und Prozessparameter werden über Checklisten (z.B.: Produktionseinführungs-Änderungs Checkliste) festgelegt, an der alle beteiligten Abteilungen mitarbeiten.
Unser Qualitätsmanagement erstellt anschließend für jede erstmalig produzierte Baugruppe einen Erstmuster-Prüfbericht, in dem alle Prozessparameter, Auffälligkeiten und Anmerkungen eingetragen werden. Er wird jeder Erstlieferung beigelegt.
Einige unserer Kunden haben sehr massereiche Baugruppen (110u Kupferauflage, große Übertrager, Hochstromkontakte etc.).
Bei solchen Verhältnissen ist der Lötprozess in Bezug auf thermische Belastung und Durchstieg der Lötzinns ein entscheidendes Qualitätsmerkmal.
Unsere Lötanlagen mit Wörthmann Welle lieferten hier keine zufrieden-stellenden Ergebnisse mehr.
Daher investierten wir in zwei Modular-Wave Lötanlagen von Kirsten, mit jeweils zwei Vorheizzonen und Stickstoffatmosphäre über den Löttiegeln.
Diese Anlagen verfügen über einzelne funktionale Module mit jeweils getrennt einstellbaren Bandgeschwindigkeiten. Die Welle selbst wird nicht über ein elektromechanisches Pumpensystem hoch gedrückt, sondern über ein magnetisches Feld als Hohlwelle dynamisch an die Lötstellen gebracht.
Mit dieser Anschaffung stand uns nun ein alternatives Wellenlötverfahren zu Verfügung.
Wir produzierten ein anderes Produkt bis auf die Wellenlötungen identisch, und teilten dann die Nutzen auf beide Systeme auf.
Makroskopisch waren keine qualitativen Unterschiede zu erkennen. Erst beim Röntgen zeigten sich besonders beim Lötzinn- Durchstieg an verdeckten Stellen deutliche Unterschiede.
Die Ergebnisse entsprechen bei der konventionellen Welle gerade noch der Richtlinie IPC-610, aber sie arbeitet mit einem deutlich schmaleren Prozessfenster als die Kirsten modular-wave.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass eine separate Validierung des Wellenlötprozesses für jedes Projekt erforderlich ist. Die ermittelten Parameter erhalten Sie bei uns im Erstmuster- Prüfbericht.
Der Einsatz von Stickstoff und unterschiedlich programmierbare Band- Geschwindigkeiten in den Vorheiz- und Lötmodulen ist die Voraussetzung für breitere Prozessfenster, die es ermöglichen, auch kritische Baugruppen in sehr guter Qualität zu fertigen.
… und täglich grüßt das Murmeltier.
Wenn Sie diesen Film kennen, wissen Sie was wir im übertragenen Sinn damit meinen.
Alle Fertigungsprozesse werden für jedes Projekt von uns schon jahrelang individuell validiert und freigegeben.
In der Praxis ändern sich jedoch die Prozessparameter abhängig von der Raumtemperatur und Luftfeuchtigkeit.
Zum Beispiel hat eine Lotpaste die bei 18°C aufgetragen wird, andere Eigenschaften und Standzeiten wie z.B. bei 30°C. Die Lötstellenqualität schwankt entsprechend.
Ähnliches gilt für die eingesetzten Flussmittel. Diese Veränderungen setzen sich in gleicher Weise auch bei den verschiedenen Lötverfahren fort.
Das bedeutet ständige Feinjustierung der Parameter an die sich laufend ändernden Umgebungsbedingungen. Temperaturschwankungen im Laufe eines Tages von über 15°C sind keine Seltenheit. Die daraus resultierenden Abweichungen müssen ausgeglichen und Prozesse neu optimiert werden. Das kostet Zeit und die Nachjustierung erfolgt in der Produktionsphase.
Der Kunde stellt dann oft fest, dass chargenabhängig Baugruppen unterschiedlicher Qualität geliefert werden.
Die durch den Einsatz bleifreier Lote enger gewordenen Prozessfenster haben diese Thematik zusätzlich weiter verschärft.
Die kortec hat sich dieser Problematik gestellt und sich für eine Klimatisierung ihrer Fertigung entschieden. Die dafür entstandenen Kosten relativierten sich schnell, da stabile Prozesse auch eine stets hohe Kundenakzeptanz und Qualität bedeuten.
Die Bedeutung der Verwendung von Stickstoff- Atmosphäre bei Lötprozessen ist in vielen Fachartikeln ausgeführt.
Hier eine kurze Chronologie wie das bei kortec lief:
Angefangen haben wir mit Stickstoff im Jahr 2008 und zwar mit dem Kauf unserer selektiven Lötanlage. Das war zwingend, da eine selektive Lötwelle ohne Stickstoffatmosphäre überhaupt nicht funktionierte.
Wir schafften uns deshalb einen Stickstofferzeuger mit Membrantechnologie an, der in der Lage war 99,8% reinen Stickstoff zu erzeugen. Die Ergebnisse waren nicht überzeugend. Die Lötstellen wiesen eine ausgeprägte Bereitschaft auf Kurzschlüsse zu bilden, bzw. Lötfahnen hinter sich her zu tragen.
Die Nacharbeit war so intensiv, dass nach wie vor das manuelle Löten in diesem Bereich favorisiert wurde. Auf Empfehlung des Herstellers wechselten wir daraufhin auf einen Stickstofferzeuger mit Druckwechseladsorptionstechnik. Das Gerät lieferte Stickstoff in einer Reinheit von 99,997%.
Die Ergebnisse waren akzeptabler, allerdings es kam immer wieder zu Schwankungen in der Qualität des Stickstoffes und damit in der Lötstellenqualität. Die Stickstoffqualität war stark vom Kompressor, dem Druckkessel und von Umgebungstemperatur und Feuchtigkeit abhängig.
Mit unserer Entscheidung, ab 2015 alle automatisierten Lötprozesse unter Stickstoffatmosphäre laufen zu lassen, fiel auch die Entscheidung für einen Stickstofftank. Unser Lieferant Air Liquide liefert uns den Stickstoff in ausgezeichneter Reinheit mit gleichbleibender Qualität. Die selektive Lötanlage, die ebenfalls in diesen Stickstoffkreislauf eingebunden wurde, erzeugt nun tadellose Lötstellen, ohne Brücken oder Lötfahnen.
Es ist schon erstaunlich wie gravierend sich Verunreinigungen im Stickstoff noch nach der dritten Nachkommastelle auswirken können.
Speziell Elektrolytkondensatoren werden in den bleifreien Lötprozessen einem höheren Stress ausgesetzt. Dies bedeutet kapazitive Verluste bei jedem Lötprozess. Bedingt durch die wesentlich höhere Wärmeübertragung in der Dampfphase sind hier die Verluste höher als bei einem herkömmlichen Reflow Lötprozess. Aus diesem Grund sind viele Bauteile für den Dampfphasen Lötprozess nicht spezifiziert.
Die Wirkung ist am besten an einem Alltagsbeispiel erklärbar:
Wenn Sie Ihre Hand in 100°C heiße Luft halten (z.B. eine gut geheizte Sauna) ist das minutenlag ohne Probleme auszuhalten. Wenn Sie jedoch Ihre Hand in 100°C heißen Wasserdampf halten, wird das schnell schmerzhaft.
So ähnlich ergeht es auch der Elektronik. Im konventionellen Reflow- Ofen wird die Hitze mittels Luft übertragen, in der Dampfphasen- Anlage ist es eben verdampfte Flüssigkeit.
Ebenfalls sollte darauf geachtet werden, dass Elektrolytkondensatoren nur 1x dem Lötprozess ausgesetzt werden, da sich auch nach mehrmaligen Löten die Kapazitätsverluste weiter erhöhen.
Ähnliche Vorgehensweise gilt bei Bauteilen mit MSL Level. Diese Bauteile können bei Mehrfachlötungen delaminieren und zerstört werden. Auch hier sind viele Bauteile nicht für den Dampfphasen Lötprozess vom Hersteller frei gegeben.
Hier ein passender Artikel aus der Elektronikpraxis.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass das Dampfphasenlöten das einzige Lötverfahren ist, bei dem kein Bauteil mit keiner höheren Temperatur als 240°C gelötet wird. Aber es ist keineswegs das schonenste Verfahren. Dies ist immer baugruppenabhängig von der Technik neu zu entscheiden.
Lastenheft und Pflichtenheft
Das Lastenheft entsteht aus den Wünschen und Vorstellungen unserer Kunden. Darin werden die gewünschte Funktionalitäten, die Schnittstellen und die ungefähren Abmessungen der Baugruppe oder des Gerätes definiert. Weiter wird darin aufgeführt, welchen Normen und Richtlinien die Entwicklung entsprechen soll.
Das Pflichtenheft erarbeitet in der Regel der Kunde zusammen mit kortec. Darin werden die im Lastenheft genannten Eigenschaften näher spezifiziert und auf deren Machbarkeit hin geprüft. Die Prüfungen für die Einhaltung der Normen und Richtlinien werden festgelegt.
Es werden Meilensteine für die Projektbearbeitung bis zur Serieneinführung (0-Serie) definiert.
Das Pflichtenheft dient als vertragliche Grundlage für das Entwicklungsprojekt.
Bei kleineren Projekten reicht es normalerweise aus, wenn uns der Kunde die dem Lastenheft entsprechenden Informationen formlos und im Gespräch mitteilt. Wir können aus diesen Informationen in der Regel ein Pflichtenheft erstellen, was dann wiederum als vertragliche Grundlage dient.
Die im CAD erstellten Bauteilbibliotheken werden automatisch mit dem WWS synchronisiert. Die in den jeweiligen Datenbanken enthaltenen Bauteile entsprechen einander 1:1.
Das bedeutet, dass bereits während der Schaltplanerstellung alle im WWS hinterlegten technischen Daten, die Hersteller, die Artikelnummern, die Verfügbarkeit und der Preis auch im CAD direkt verfügbar sind.
Bereits bei der Schaltplanerstellung werden diese Daten übernommen.
Ohne manuellen Aufwand kann unmittelbar daraus eine detaillierte Stückliste generiert werden, die unser Einkauf dies direkt als Bestellauftrag an die Lieferanten weitergeben kann.
Ein Abgleich von Schaltplan und Stückliste wird somit überflüssig. Fehler werden vermieden, da auch bei Änderungen immer nur ein Dokument, nämlich der Schaltplan geändert werden muss.
Ein einzusetzendes Bauteil muss vorher zwingend im Warenwirtschaftssystem angelegt sein.
Wenn keine speziellen Vorgaben existieren, erstellen wir die Footprints der Bauteile entsprechend den herstellerspezifischen Angaben in den entsprechenden Datenblättern. Soweit es möglich ist, berücksichtigen wir dabei die Vorgaben der IPC-7351 (SMD) und der IPC-7251 (THD).
Die Datenbank mit den Footprints wird anschließend fixer Bestandteil der Bauteilbibliothek, die wiederum fest an das Warenwirtschaftssystem gekoppelt ist.
Falls Sie andere CAD- Systeme bevorzugen, ist das natürlich kein Problem, da wir auch Lizenzen anderer Hersteller haben (z.B. von EAGLE®).
