Automatisiertes selektives Löten von bedrahteten Bauelementen Teil 2

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1 Manfred Fehrenbach, Geschäftsführer der Eutect in Dusslingen, Automatisiertes selektives Löten von bedrahteten Bauelementen Teil 2 4. Kolbenlöten 4.1. Verfahrensgrundlagen und Vorteile Das automatisierte Kolbenlöten ist ein Verfahren, bei dem die Wärme direkt über eine abgefederte Lötspitze auf das Bauteil übertragen wird. Somit ist immer ein optimaler Wärmeübergang zwischen Lötspitze und zu lötendem Bauteil vorhanden. Weiterhin werden Lagetoleranzen der zu lötenden Bauelemente dadurch teilweise ausgeglichen. Die Lötspitzentemperatur kann problemlos geregelt werden. Und schließlich sind die Anschaffungskosten für den Lötkolben nur gering. Die Form der Lötspitze muss der Lötaufgabe angepasst werden, meistens kann jedoch eine Standardlötspitze verwendet werden. Bild 10: Kolbenlötung mit motorischer Schlittenzuführung und geregeltem Drahtvorschub SWF 4.2. Verfahrensbedingte Anforderungen Zwar ist der Lötkolben ein kostengünstiges Bauteil, die komplette Lösung erfordert jedoch einen hohen mechanischen Aufwand für das Handling, insbesondere für die Zustellung, die Abfederung und den Toleranzausgleich. Anders als die Miniwelle reagiert der Lötkolben äußerst empfindlich auf Toleranzen. Beim Lötkolben werden Lot und Flussmittel gleichzeitig über den Draht zugeführt. Dabei wird häufig beim Löten das Flussmittel aus dem nicht verbrauchten Draht gezogen. Das Röhrenlot enthält dann für 8

2 eine bestimmte Länge kein Flussmittel mehr. Ist das der Fall, schlägt der nachfolgende Lötvorgang mit hoher Wahrscheinlichkeit fehl. Eine Möglichkeit, die dadurch bedingte hohe Ausschussquote des Verfahrens zu senken, besteht darin Lot-Volldraht zu verwenden und das Flussmittel separat aufzutragen. Der geregelte Drahtvorschub (siehe Punkt 6) verleiht diesem Verfahren zudem eine gewisse Prozesssicherheit. 5. Induktionslöten 5.1. Verfahrensgrundlagen und Vorteile Die Erwärmung der Lötstelle erfolgt berührungslos durch elektromagnetische Induktion. Hierbei lässt sich die eingebrachte Wärmeleistung sehr genau regeln. Wichtige Vorteile betreffen die schnelle gleichmäßige Erwärmung sowie eine gewisse Unabhängigkeit von der Lage und Ausrichtung des Bauteils und von der Lagetoleranz der Lötstelle. Außerdem fällt beim Induktionslöten nur ein geringer Wartungsaufwand an. Es ist möglich, das Magnetfeld, das sich um die Induktionsschleife bildet und das die wärmeerzeugenden Wirbelströme in der Lötstelle bzw. dem Pin induziert, zu fokussieren. Wie ein Brennglas Licht bündelt, kann der so genannte Feldlinienkonzentrator die Feldlinien gezielt verdichten und damit die Induktionswärme rund um in die Lötstelle gezielt eintragen. Eine beschleunigte und fokussierte Erwärmung bei einer geringeren thermischen Belastung der Umgebung ist die Folge. Prinzipbedingt erwärmen die Induktionswirbelströme nur elektrisch leitende Metalle; beim Induktionslöten werden deshalb Einhausungen, Halterungen und andere Bauteile aus Kunststoff in der Nähe der Lötstelle keiner thermischen Belastung ausgesetzt. Empfindliche elektronische Bauteile sollten jedoch nicht dem Magnetfeld direkt ausgesetzt werden. Im Zusammenhang mit dem geregelten Drahtvorschub hat sich das Induktionslöten im Bereich passiver Bauelemente zu einer attraktiven Alternative zur Mini-Welle entwickelt, insbesondere bei Produkten mit hohen Stückzahlen und niedrigen Fehlerraten (z. B. 10 ppm) sowie der Forderung nach einem schnellen Wärmeeintrag. Die Löttemperaturen decken den Bereich zwischen 250 und C ab und umfassen damit sowohl Aufgaben für das Weich- wie das Hart- und Hochtemperaturlöten. 9

3 Bild 11: Induktionslötung mit geregeltem Drahtvorschub SWF 5.2. Verfahrensbedingte Anforderungen Da Wirbelströme in sämtlichen leitenden Metallen entstehen, ist das Induktionslöten für Leiterplatten nicht geeignet. Denn hier besteht die Gefahr, dass sich die hochfrequenten Wirbelfelder und die vagabundierenden Ströme über Leiterbahnen auf benachbarte aktive Bauelemente wie Transistoren oder Mikroprozessoren ausbreiten und diese beschädigen. Das Induktionslöten empfiehlt sich deshalb eher für das Löten passiver Bauteile, etwa Spulen oder Drahtverbindungen. Eine weitere Einschränkung entsteht aus der Forderung, dass die Induktionsspule für eine optimale Erwärmung die Lötstelle eng umfassen muss, weshalb diese auf jeden Fall rundum zugänglich sein muss. Führt man Lotdraht und Flussmittel separat zu, steigt die Prozesssicherheit, ebenso durch die Verwendung des geregelten Drahtvorschubs (siehe Punkt 6). 10

4 5.3 Typische Anwendungen: passive Bauelemente Induktionslötung von Kupferdrahtspule an Kondensator Bild 12: Bügelträger mit je 2 Kupferdraht-Spulen und 2 Kondensatoren Bild 13: Induktionsspule umschließt Kupferdraht Bild 14: Meniskusbildung zwischen Draht und Kondensator Bild 15: Temperaturüberwachung des Induktionslötvorgangs mit einer Wärmebildkamera Im Wärmebild erkennt man die Positionierung des Induktors direkt über dem Spulendraht. Betrachtet man die Wärmebildaufnahmen, so wird ersichtlich dass sich der Spulendraht wesentlich langsamer erwärmt als der Kondensator. Neben Wärmebildkameras können auch Pyrometer zur Temperaturüberwachung eingesetzt werden. Die Temperaturregelung gleicht etwaige Bauteil- oder Positioniertoleranzen aus und trägt wesentlich zur Prozesssicherheit bei. 11

5 5.3.2 Induktionslötung von Kupferdraht an Messingbolzen Bild 16: Träger mit geregeltem Drahtvorschub und Induktionskopf Bild 17: Induktionsspule umschließt Messingbolzen Bild 18: Sauber gelötete Lotkuppenbildung mit Kupferdraht 6. Laserlöten 6.1. Grundlagen des Verfahrens und Vorteile Häufig kommen Diodenlaser zum Einsatz. Mit einer Optik wird ein Laserstrahl präzise auf die zu lötende Stelle fokussiert. Die Wärmestrahlung wird von der Lötstelle absorbiert, wobei sich die mit hoher Leistungsdichte zugeführte Energie sehr genau regeln lässt. Die Möglichkeit, den Laser exakt zu fokussieren, erlaubt das Löten von kleinen und sogar miniaturisierten Lötstellen. Das berührungslose Verfahren erfordert schließlich auch nur einen begrenzten Aufwand für die Wartung. Das Laserlöten mit dem geregelten Drahtvorschub gewinnt durch die zunehmende Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen zunehmend an Bedeutung. Das Laserlöten wird in der Automobil- und auch in der Konsumelektronik eingesetzt, typischerweise bei Leiterplatten mit feinen und feinsten Strukturen. Bild 19:Laserlötung mit geregeltem Drahtvorschub SWF 12

6 6.2. Verfahrensbedingte Anforderungen Das Laserlöten hat einen hohen Anspruch an den Gesamtaufbau der Anlage. Der Anwender muss, im Vergleich zum Löten mit der Mini-Welle, von einem um 30 bis 40 % höheren Invest für die Anlagentechnik ausgehen. So muss beispielsweise die Lötzelle die geforderte Laserschutzklasse erfüllen. Der eigentliche Prozess ist auch nur über Spezialgläser zu beobachten. Des Weiteren muss das Fertigungspersonal besondere Fähigkeiten und Know-how mitbringen, um die Anlage korrekt bedienen zu können. Der Prozess als solcher ist aufgrund seiner zahlreichen sensiblen Parameter äußerst komplex, so ist z. B. die Wärmeabsorption einzelner Materialien exakt zu beachten. Schließlich muss noch erwähnt werden, dass dieses Verfahren mit seinem eng fokussierten Laserstrahl hohe Anforderungen an die Form- und Lagetoleranzen der Lötstelle stellt. Über die Verwendung von speziellen Röhren-Flussmittel- Zusammensetzungen können die Wartungszyklen an der Laseroptik deutlich reduziert werden. Die Verwendung eines geregelten Drahtvorschubs erhöht die Prozesssicherheit dieses Verfahrens. 7. Geregelter Drahtvorschub Der geregelte Drahtvorschub SWF (Sensitive Wire Feed, Patent Eutect Löttechnik) ist für das automatisierte Kolbenlöten, Induktionslöten sowie für das Laserlöten eine entscheidende Voraussetzung, um den gesamten Lötprozess sicherer und reproduzierbarer zu gestalten. Bei diesen drei Verfahren ist es zwar möglich, die der Lötstelle zugeführte Wärmemenge zu messen (z. B. über ein Infrarot-Thermometer) und die Wärmequelle zu regeln. Die Zuführung des Lotdrahtes, das heißt, die für eine hochwertige Verbindung notwendige Lotmenge ist entscheidend für die Qualität. Das System erkennt über eine Veränderung in der Draht-Anpresskraft den Zeitpunkt, an dem der Lotdraht zu schmelzen beginnt, reagiert auf Fehler wie einen falsch positionierten oder ausgewichenen Draht und überbrückt auch Toleranzen in der Arbeitshöhe., Dadurch gelingt es, mit dem SWF auch bei selektiven Lötverfahren mit Lotdraht die benötigte Lotmenge reproduzierbar zuzuführen. Eine komplette Prozessdaten-Erfassung ist damit bei sicherheitsrelevanten Baugruppen für jede selektive Lötstelle möglich. Auch dadurch erhöht sich die Prozesssicherheit für diese Lötprozesse. 13

7 Bild 20: Lotdrahtzuführung SWF mit Steuerbox C1 - das Diagramm zeigt den geregelten Drahtvorschub mit Regelungsablauf 14

8 8. Typische Einsatzgebiete Einsatzbeispiele der selektiven Löttechnologien Stellvertretend zu den Selektiv-Lötanwendungen sollen an dieser Stelle die Besonderheiten in der Verarbeitung von Flexfolien) und von Kupferlackdraht auf gezeigt werden. 8.1 Selektivlöten von Flexfolien (Flexible-Printed-Circuits; FPC) Nur wenige Verbindungstechniken kommen den Anforderungen moderner Produktkonstruktion so sehr entgegen wie die Technik der FPC (flexible gedruckte Schaltung). Das Einsatzgebiet der Flexfolie erstreckt sich von der Consumer- bis zur Automotive-Elektronik. Für die komplexen 3D-Einbauräume und dynamischen Biegebelastungen ist die Flexfolie ein sicherer Schaltungsträger. Durch ein vorgegebenes Flexfolienschaltbild sind Verdrahtungsfehler ausgeschlossen. Aufgrund der steigenden Anforderungen an die Verbindungstechnik werden an die Flexfolien folgende Anforderungen gestellt: beliebig formbares 3D-Design, thermische Widerstandsfähigkeit Flexibilität und wählbare Dicke sowie Kostenoptimalität. Polyimid Polycarbonat (PC) Polyethylennaphtalat (PEN) Polyethylenternephtalat (PET) Polyethylenterephtalat Additiv-Technik (PET-additiv) Polyethylenterephtalat Low-shrink (PET-ls) FR4 (Referenz) Semiflex Bild 21: Flexfolien-Auswahl und deren thermische Einsatzgebiete: Polyimid (PI mit Tmax 220 C), Polyethylennaphtalat (PEN mit Tmax 160 C), Polyethylenterephtalat (PET mit Tmax 85 bis 105 C), Semiflex (FR4 als Referenzmaterial mit Tmax 220 C) (Quelle: ZAVT) Flexfolien Selektiv-Lötautomation Der folgende Abschnitt zeigt auf, wie durch den Einsatz der Selektiv-Miniwellen- Lötautomation in Verbindung mit der Flexfolien-Fixiertechnik eine signifikante Verbesserung der Flexfolien-Lötqualität durch nachfolgende Kriterien und Maßnahmen erreicht wird: Folien-fixierparallele Lötebene mit Maskentechnik, Lötdüsensystem für bleifreie-oxidfreie Schutzgas-Lotflusstechnik, 15

9 Lötautomationszelle für frei programmierbare Prozesskoordinaten in X-Y-Z- Drehachsen mit Lotabrisswinkel und gezieltem selektiven Flussmittelauftrag mit optimaler Flussmittel-Aktivierung sowie Automatische-Optische-Inspektion (AOI) der Lötstelle. Bild 22: Typische Flexfolienprodukte Flexfolien-Verarbeitung und Besonderheiten des Lötprozesses Für die Flexfolien-Verarbeitung werden die bekannten bleifreien Elektroniklote und Flussmittel verwendet. Das Reinigen von Oxiden, Fetten und verarbeitungsbedingten Verunreinigungen (Mikroschmutzpartikel) an der Flexfolie und an die zu lötenden Anschluss-Pingeometrien erfolgt durch eine ca. 300 C heiße, selektive Miniwelle, die stetig fließendes und oxidfreies Lot der Prozessstelle zur Verfügung stellt. Durch die geringen thermischen Massen erfolgt eine schnelle Wärmeübertragung zwischen der Pingeometrie zur Flexfolie innerhalb von ca. 0,8 bis 1,2 s. Damit bleiben angrenzende Kunststoffgeometrien formstabil und werden thermisch nur geringfügig oder nicht belastet. Die geforderten Produkt-Bauteilgeometrien bleiben somit uneingeschränkt erhalten. Weitere Verarbeitungsprozesse können somit auf reproduzierbare Bauteilgeometrien aufsetzen. Der selektive minimale Flussmittelauftrag reduziert die Problematik der Flussmittelreste hinsichtlich Migrations- und Korrosions-Erscheinungen auf benachbarte Bauteile und hält damit die Prozessumgebung langfristig für Folgeprozesse verfügbar. Im Besonderen kann der Flussmittelprozess mit umweltfreundlichen, wasserlöslichen Flussmitteln mit geringem Feststoffgehalt erfolgen. Durch die Flussmitteltrocknung wird zusätzlich die Lotperlen-Problematik entschärft. Bild 23: Fehlerhafte Flexfolien-Stecker-Verbindung durchhängend und in Schieflage angelötet (Quelle: ZAVT/Eutect-Labor) 16

10 Bild 24: Flexfolien in Maskentechnik reproduzierbar und auf Planheit für den Lötprozess positioniert 17

11 8.1.3 Layoutempfehlungen für die Flexfolien-Verarbeitung Als Flexfolien-Layoutempfehlungen sollten die Leiterbahnen, im Besonderen deren Ecken und Konturen-gerundet und fließend ineinander übergehen. Dabei darf die Lötfläche größer als die Deckfolienöffnung sein. Bild 25: Vermeidung ungleichmäßiger Abstände zwischen den Leiterbahnen und Lötaugen Bild 26: Reduzierung der Kerbwirkung durch fließende Übergänge zwischen verbundenen Schaltungsteilen Bild 27: Lötflächen so groß wie möglich auslegen und den Übergang zur Leiterbahn fließend Bild 28: Lötflächen größer als Deckfolienöffnung oder in dieser verankern Bild 29: PEN-Folie zeigt nach der Lötung eine Änderung der Folienoberfläche. Sie wird wellig und uneben. Auch bei diesem Material ist von einer Selektivlötung abzuraten (Quelle: ZAVT/Eutect- Labor) Bild 30: PET-low-shrink: Vor dem Lötprozess Bild 31: PET-low-shrink: Nach dem Lötprozess PET-low-shrink hat keine Metallisierung an der Lötstelle. Das Substratmaterial schmilzt an und schrumpft sehr stark, deshalb ist vermutlich auch mit Metallisierung keine 18

12 ausreichende Lötstelle möglich. Von Selektivlötungen für PET-low-shrink ist daher abzuraten. Bild 32: Flexfolien PI-RA-DK (25- fach) Beidseitig gut kontaktiert Quelle: ZAVT/Eutect-Labor Bild 33: Flexfolien PI-RA (25-fach) Einseitig gut kontaktiert, Quelle: ZAVT/Eutect-Labor Resümee zur Flexfolien selektiv Lötautomation: Die Lötstellen sind sichtbar sauber, frei von störenden Rückständen, brückenfrei mit einwandfreiem Lötmeniskus und Durchstieg vorliegend. Die hochwertige Flexfolien-Aufnahmetechnik gepaart mit einer qualitativ hochwertigen, maschinenbau- technischen Lötautomation ermöglicht einen sicheren Verarbeitungsprozess. 8.2 Selektives Hoch-Temperatur-Weichlöten von Kupferlackdraht Die Verbindungstechnik zwischen Kupferlackdraht und elektrischen Anschlussstiften werden im Automotive- und Konsumerbereich bis zu 150 C Dauertemperatur z.b. direkt am Motorraumbereich belastet. Aufgrund dieser Anforderung wird für die Verarbeitung von bestimmten Kupferlackdraht- Isolationsklassen eine Löttemperatur von bis zu 560 C benötigt. Dies stellt für den Lötmaschinen-Hersteller eine besondere Herausforderung dar. Obwohl dies ein Weichlötprozess ist, findet dieser an der Grenze zu den Harlöttemperaturen statt. 19

13 Bild 34 Typische Kupferlackdraht-Produkte: Spulenkörper, Kleintransformatoren, Glockenanker, Relais, Schrittmotoren, Magnetköpfe, Zündspulen, Magnetventile, SMD-Umformer 20

14 8.2.1 Metallurgische Reaktionen im Lötprozess Die Löslichkeit des Kupferlackdrahtes und der Anschluss-Stifte im flüssigen Lot sowie die Bildung intermetallischer Phasen sind Prozesse, die bei guter Benetzung zu einer qualitativ guten Lötverbindung führen sowie die Haltbarkeit der Lötverbindung erhöhen. Bezogen auf die Auflösungsgeschwindigkeit im Lot Pb92Sn lösen sich Kupfer-Werkstoffe in Sn60Pb bis zu 30 mal und in reinem Sn bis zu 100 mal schneller auf. Mit wachsendem Zinngehalt des Lotes ist also eine Beschleunigung der Auflösungsgeschwindigkeit zu verzeichnen. Das ablegierte Kupfer setzt sich im Lotbad als Ablagerung im Tiegelgrund ab. Unter Verwendung von Sn-Legierungen die mit Kupfer auf ca. 4 % auflegiert wurden, lassen sich die die Ablegierraten reduzieren. Bei Zinn-Kupfer-Grenzwertüberschreitungen muss das Lotbad ausgetauscht werden da sich das Fliessverhalten des Lotes und die mechanischen Eigenschaften der Lötverbindung nicht mehr im zulässigen Bereich befinden. Die Auflösungsgeschwindigkeit von Kupfer-Werkstoffen im reinen Sn ist mit 3,7 µm/s bei einer Badtemperatur von 400 C deutlich höher als bei einer Badtemperatur von 350 C. Bei hoch bleihaltigen Loten wie Pb92Sn oder Pb96Sn beträgt die Auflösungsgeschwindigkeit von Cu bei 400 C nur 0,2 µm/s und wirft damit nur sehr geringe Probleme auf. Bild 35 Auflösungsgeschwindigkeit von Cu-Werkstoffen in Abhängigkeit der Lotbadtemperatur 21

15 Bild 36 Auflösungsgeschwindigkeit von Cu-Werkstoffen in Abhängigkeit des Sn-Gehaltes 22

16 Bild 38: Auflösungsgeschwindigkeit von Cu-Werkstoffen in Abhängigkeit der Lotbadtemperatur Bild 39: Auflösungsgeschwindigkeit von Cu-Werkstoffen in Abhängigkeit des Sn-Gehaltes Selbst bei diesen kurzen Taktzeiten von 0,05-2,5 sec kann sich das Kupfer auflösen und es kommt zu einer deutlichen Reduktion des Drahtdurchmessers. Besonders bei den fließenden Selektivlötwellen unter Schutzgas - statt statischer Hub-Tauch-Lötvorgänge - nimmt die Kupfer-Lösungsgeschwindigkeit um Faktor 2 bis 4 zu Bild 40: Kupfer-Ablegierung an SnAgCu-Lötverbindung Bild 41: SnCu-Lot, T= 350 C, geringe Ablegierung nach ca. 30 Minuten im statischen Hub-Tauch- Lotbad Bild 42: SnCu-Lot, T= 350 C, extreme Ablegierung nach ca. 30 Minuten bei Miniwellen- Umspühlung (Bild 40, 41, 42: Quelle IZM-Berlin) 23