Multivakuum und Dynamic Profiling

Transkript

1 Multivakuum und Dynamic Profiling die neue Referenz für leistungsfähige lunkerfreie SMD Vakuumlötprozesse ASSCON Systemtechnik Worldwide leading in vapor phase soldering technology

2 Der Lötfehler Lunkerbildung Was sind Lunker / Voids? Kristalline Einschlüsse von Flussmittel Gasblasen durch Ausgasungsprozesse von Lösemitteln aus der Lotpaste Ausgasungsbestandteile aus nicht vollständig polymerisierten Bestandteilen in und auf der Leiterplatte (z.b. Lötstopplack) Eingelagerte Feuchtigkeit aus Baugruppe und Bauelemente-Materialien Reaktive Gase, die bei der Beseitigung der Oxydschichten durch Flussmittel entstehen Eingeschlossene Luft aus Rakel- und Bestückprozess (Ausschöpfen von Lotpaste durch den Rakel bei fehlendem Rakelsupport)

3 Welche negativen Einflüsse haben Lunker Eingeschränkte Wärmeabfuhr aus Bauteilen zur Leiterplatte (heat sink) Reduzierte Festigkeit von Lötstellen Reduzierte Vibrationsfestigkeit Leistungseinschränkungen im Hochfrequenzbereich Reduzierte elektrische Belastbarkeit von Bauteilen (z. B. Powermodule)

4 Maßnahmen zur Reduktion des Lunkeranteils vor dem Löten Einsatz optimierter Lotpasten Verwendung spezieller Geometrien im Pastendruck um ein Ausschöpfen der Lotpaste durch den Rakel zu verhindern - Gut: z. B. Stern- oder Kreuzgeometrien bekannt als Drainagedruck - Schlecht: z. B. flächige, raster- oder punktförmige Geometrien Exakte Anpassung des Lotpastenvolumens an die Anschlussgeometrie Trocknen von Baugruppen und Bauteilen Auf Tempern verzichten, da dies die Oxidation begünstigt Verwenden von Metallisierungen mit niedrigem Oxidationsgrad Durch die Optimierung aller oben genannter Parameter können Lunkerraten zwischen 10 und 15 % in der Serie erreicht werden.

5 Maßnahmen zur Reduktion des Lunkeranteils Prozessoptimierungen während des Lötprozess Einsatz der Dampfphasen Vakuumlöttechnik / MULTIVACUUM Sicherstellung eines exakt reproduzierbaren Lötprofils, das auf die Gegebenheiten des Produktes optimiert ist mittels DYNAMIC PROFILING Durch den Einsatz der Dampfphasen Vakuumlöttechnik können Lunkerraten bis weit unter 1 % in der Serie reduziert werden selbst bei Verlötung von großflächigsten Strukturen.

6 Wirkungsweise des Vakuums Unterdruck lässt Lunker / Void wachsen -> Bewegung in Richtung Begrenzung der Lötstelle Durch weiteres Wachstum durchbricht der Void den flüssigen Meniskus Der Void entlüftet und wird kleiner, die Entlüftungsöffnung schließt sich Durch die Rückkehr zum Normalathmosphärendruck komprimiert der nun relative Unterdruck den Restvoid zu seiner endgültigen minimalen Größe Abkühlen der Lötstelle und Einfrieren des voidarmen Zustands Beispiel: Verhalten eines Luftballons im hermetisch dichten Glaskolben bei Über- und Unterdruck

7 Trends und Grenzen beim Vakuumlöten Immer größer werdende Lötflächen, dadurch unvollständiges Austreiben von Lunkern im einfachen Vakuumprozess. Luftblasen müssen aktiv angeschoben werden um die Lötstelle doch noch verlassen zu können Hohe eingeschlossene Luftvoluminas in der Lotpaste direkt nach dem Drucken und Bestücken. Problem: Ausschöpfen von Lotpaste durch mangelhafte Rakelunterstützung, Lotspritzer. Je nach Lötlegierung unterschiedliche Viskositäten des geschmolzenen Lotes mit negativen Auswirkungen auf die Bewegungsfreudigkeit der Gasblasen während des Vakuumprozesses. Forderung nach möglichst vollständiger Prozessüberwachung.

8 Die Lösung: MULTIVACUUM Mehrere frei wählbare Vakuumschritte lassen sich auf die Erfordernisse des Produktes anpassen. Stufe 1: Ein regelbarer Vakuumschritt vor dem Löten Luft aus dem Druckprozess wird hier entfernt. Während dieses Schrittes erfolgt normalerweise noch keine thermische Behandlung. Gewisse Lösemittelanteile aus der Paste verdampfen schon hier. Stufe 2: Einen oder mehrere Vakuumschritte nach dem Löten. Die Enddrücke und Verweilzeiten sind jeweils produktspezifisch anpassbar. Ein Doppelvakuumschritt nach dem Löten wird speziell dann verwendet, wenn z.b. sehr große Lötflächen bearbeitet werden müssen.

9 Funktion Vorvakuum Große Lufteinschlüsse nach dem Drucken werden vor dem Löten entfernt. Lötstelle ohne Vorvakuum: Große Lufteinschlüsse hervorgerufen durch ausgeschöpfte Lotpaste beim Drucken. Problem: Viele Lotspritzer beim Start des Hauptvakuums. Ergebnis nach dem Vorvakuum: Deutlich weniger Lufteinschlüsse schon zu Beginn des Lötprozesses.

10 Funktion doppeltes Hauptvakuum Schritt 1 transportiert Gasblase in Randbereiche Schritt 2 treibt Gasblase vollständig aus. Lötstelle vor Vakuum. Ergebnis nach doppeltem Hauptvakuum.

11 Unterstützung des Vakuumprozesses Mit dem MULTIVACUUM-Prozess lassen sich vorhandene Voids weitgehend beseitigen. Um das Auftreten von Voids von Beginn an zu reduzieren und konstant zu halten, ist zudem ein auf die Belange des Produktes optimiertes Temperaturprofil nötig. Mit Hilfe von DYNAMIC PROFILING kann dies einfach erreicht werden. +

12 Die Herausforderung im Lötprozess Konstantes Profil bei jedem Lötvorgang Automatische Erstellung und Regelung eines Lötprofils Protokollierbar im Sinne der Qualitätssicherung (Traceability) Echtzeitmessung jedes Lötvorgangs auf Produktebene Einsetzbar von Losgrösse 1 - Fertigung bis zur Serienfertigung Einfache Erstellung eines Lötprofils anhand vorgegebener Sollwerte

13 Parameter eines Lötprofils 1. Vorwärmung: Leistungseingabe (ETR) zur Bestimmung des t 1 t 2 Vorwärmgradienten 2. Haltezone: Starttemperatur der Haltezone in C. t 2 t 3 Dauer der Haltezone in sec. 3. Löten: Leistungseingabe (ETR) zur Bestimmung des Lötgradienten t 3 t 4 4. Zeit über Liquidus: Haltezeit nach Erreichen der Endtemperatur (sec.) t 4 t 5 T in C T 2 2 T T 1 t 6 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t in sec.

14 Lösung: DYNAMIC PROFILING Verwendung eines Messnormals, das zusammen mit dem Lötgut einem Erwärmungsprozess unterzogen wird - Das Temperaturprofil des Messnormals entspricht annähernd dem Produkt - Thermoelemente zur Profilermittlung sind in jedem Messnormal eingebettet - Vor jedem Lötvorgang wird das Messnormal auf annähernd Produkttemperatur abgekühlt Das Temperatur/Zeit Verhalten des Messnormals wird als Stellgröße zur Profilregelung verwendet - Eine aktive Regelung des Temperaturprofils erfolgt während jedem Lötvorgang - Prozessschwankungen, hervorgerufen durch z.b. unterschiedliche Beladung oder durch unterschiedliche Temperatur des Werkstückträgers, werden ausgeglichen Eine gesicherte Rückverfolgbarkeit (Traceability) und Kontrolle der Lötprofile ist jederzeit möglich, wenn diese mit dem entsprechenden Softwaretool (ASSCON- BDE) in einer Datenbank gespeichert werden.

15 Dynamic Profiling Galden gekühlt PLC Pumpe Schlauch Produkt TE für Referenzmessung Messnormal Dampf Galden unterschiedliche Messnormale mit eingebetteten Thermoelementen zur Erfassung unterschiedlicher Produkte Kühlmediumzuführung 1 2 3

16 Erstellung eines Lötprofils in der Praxis Vorgehensweise zur Programmerstellung bei neuen Produkten: Aufzeichnung eines beliebigen Profils aller Messnormale und eines Golden Boards (GB) mittels z.b. BDE Auswahl des Messnormalprofils (1-3) das bestmöglich dem GB Profil entspricht. G B PROGRAMMERSTELLUNG: Eingabe der gewünschten Lötprogrammparameter in die Steuerung Auswahl des zu verwendenden Messnormals

17 Archivierung von Lötprofilen (BDE) Alle relevanten Anlagendaten, sowie Temperaturprofile können mittels Betriebsdatenerfassung gespeichert und archiviert werden. Einsatzmöglichkeiten: Traceability Lötprofiloptimierung Golden Board Messung Prozessvisualisierung Der Funktions- und Leistungsumfang der BDE Software variiert je nach Maschinentyp und Ausrüstung der Anlage.

18 Profilbeispiele aus der Praxis Linear- und Rampenprofil Unterschiedliche Gradienten Verschiedene Haltezeiten Verschiedene Zeiten über Liquidus Verschiedene Haltetemperaturen Bleihaltige/bleifreie Profile Kompensation verschiedener Startbedingungen Wiederholgenauigkeit

19 Linear- und Rampenprofil Linear- und Rampenprofile sind je nach Produktanforderung einfach zu realisieren. Identischer Anstieg bis hin zur Rampe Vergleich: Linear- und Rampenprofil

20 Stufenlos verstellbarer Gradient Hoher Gradient Der Gradient kann abhängig von den Produktbedürfnissen verändert werden Niedriger Gradient Verschiedene Gradienten

21 Verschiedene Temperaturen der Haltezone Hohe Starttemperatur Niedrige Starttemperatur Die Starttemperatur der Haltezone kann an Produktvorgaben angepasst werden. z.b. unterschiedliche Ausgasungstemperaturen von Lotpasten. Vergleich: hohe und niedrige Starttemperatur der Haltezone

22 Verschiedene Haltezeiten Kurze Haltezeit Lange Haltezeit Die Haltezeit kann an Produktvorgaben angepasst werden. z.b. längeres Ausgasen von Lotpasten um geringere Lunkerraten zu erreichen. Vergleich: kurze und lange Haltezeiten

23 Verschiedene Zeiten über Liquidus t 1 t 2 Je nach Produktanforderung einstellbare Zeiten über Liquidus Vergleich: verschiedene Zeiten über Liquidus t 1 < t 2

24 Löten mit und ohne Vakuum Vakuumzyklus Löten mit Vakuum minimiert Lunkerrate Die Vakuumbehandlung startet nach Beendigung des Lötens. Lunkerraten beim Löten von BGAs, Flip-Chips, Leistungsmodulen usw. bis unter 0,1% möglich Vergleich: identischer Lötverlauf mit und ohne Vakuum.

25 Bleihaltig und bleifrei in einer Maschine T 1 T 2 Max. Löttemperatur bleihaltig T1 Max. Löttemperatur bleifrei T2 T bleihaltig ist je nach Produkt geringfügig höher, da der Lötvorgang vor Erreichen der Dampftemperatur abgebrochen wird. Vergleich: bleihaltiger und bleifreier Lötzyklus mit identischer Dampftemperatur (Galden LS 230)

26 Vergleich verschiedener Startbedingungen z.b. kalter / heißer Träger Werden die zeitlich versetzten Profile übereinandergelegt ist das gleichbleibende Verhalten in den relevanten Bereichen deutlich sichtbar T = Tkalter Träger = T heißer Träger T

27 Wiederholgenauigkeit T 1 T 2 Diese Grafik zeigt die Wiederholgenauigkeit von sieben aufeinanderfolgenden Lötzyklen

28 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit