electronics K o m p l e t t l ö s u n g e n in best hands

Transkript

1 electronics K o m p l e t t l ö s u n g e n für die Elektronik in best hands

2 Inhalt 4 Seidel Elektronik - Das Portfolio 6 Klassifizierung von Elektronikbaugruppen 7 Löten in der Praxis 8 Wellenlöten 9 Reflowlöten 10 Selektives Löten 12 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zum Löten unter Schutzgas 14 Wellenlöten unter Stickstoff 17 Messung des Restsauerstoffwertes 18 Gasversorgung nach Maß 19 Service rund ums Gas 2

3 electronics in best hands Seidel Elektronik ist Auftragshersteller für elektronische und mechatronische Produkte sowie Outsourcingpartner für Dienstleistungen. Dynamisches Wachstum und ökologische und ökonomische Nachhaltigkeit sind ebenso charakteristisch für unser Unternehmen wie Qualität, Kompetenz und Transparenz. Für die permanente Zufriedenheit der Kunden sorgen rund 300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter am Standort Deutschlandsberg, die Top-Leistungen für Hightech-Produkte erbringen. Das erklärte Ziel von Seidel Elektronik ist es, die optimale Balance zwischen stabiler, vorgeplanter Serienfertigung und der vom internationalen Markt geforderten Flexibilität zu finden. Mit flexibler Produktion, umfassendem Service und ausgeprägter Kundenorientierung hat sich Seidel Elektronik als wachstumsstarker Dienstleister im Bereich Elektronik etabliert. Als oberstes Ziel jeglicher Geschäftsbeziehung steht die Zufriedenheit der Kunden, wodurch langfristig loyale Kundenbeziehungen aufgebaut werden sollen. Aus dieser Maxime wird der zentralen Fokussierung auf Kundenwünsche und -bedürfnisse eine besondere Bedeutung zugemessen. Da sich die jeweiligen Ziele unterschiedlich darstellen können, gilt es, die Wünsche und Bedürfnisse der Kunden in jeder Geschäftsbeziehung neu zu identifizieren und die Organisation auf die Erfüllung dieser auszurichten. Die Entwicklung von Lösungen rund um den Gaseeinsatz zusammen mit den Kunden ist wesentlicher Teil der Unternehmensphilosophie von Messer. Daher arbeiten Seidel Elektronik und Messer seit Jahren überaus erfolgreich zusammen. Messer ist einer der führenden Anbieter von Industriegasen und Gaseanwendungstechnologien. Die Angebotspalette umfasst alle Arten und Qualitäten von Gasen und Dienstleistungen, ebenso wie die Gaseversorgung über Flaschen, Flüssigtanks, Pipelines und Erzeugung vor Ort sowie die entsprechende Gaseanwendungstechnik. Für die Elektronik wird die gesamte Prozesskette von der Halbleiterproduktion bis zur Flachbaugruppenfertigung mit Gasetechnologien abgedeckt. 3

4 Seidel Elektronik: Das Portfolio Seidel Elektronik ist Systemhersteller komplexer elektronischer und mechatronischer Produkte und Geräte vom Klein- bis Großserienbereich. Systemhersteller bedeutet, neben der klassischen Fertigung von Produkten Logistik- und Engineeringdienstleistungen gemäß den Kundenanforderungen anzubieten, beziehungsweise die Kunden mit diesen auf den Geschmack zu bringen. Co-Engineering Als umsichtiger Entwicklungspartner ergänzt Seidel Elektronik Ihre Kernkompetenz durch individuell gestaltete Lösungskonzepte. Gemeinsam begleiten wir die Entwicklung und Optimierung Ihrer Produkte von der Prototypenfertigung bis zur Serienreife. Unsere Leistungen reichen dabei vom Leiterplattendesign, über mechanische Konstruktion und Designverifizierung bis hin zur Komponentenauswahl und der Entwicklung von Test- und Prüfgeräten. Klare Auftragsvereinbarungen, gemeinsam definierte Zielvorstellungen und transparentes, nachvollziehbares Handeln bilden den Rahmen für unsere moderne und kundenorientierte Abwicklung. Bei uns sind Sie in guten Händen! Prototypenfertigung In dieser Schlüsselphase des Produktentstehungsprozesses stehen wir Ihnen als kompetenter Partner zur Seite. Durch Komponentenspezifikation und Suche von Alternativbauteilen, rasche Materialbeschaffung durch ein weltweites Beschaffungsnetzwerk und der anschließenden Prototypenfertigung schaffen wir die optimalen Voraussetzungen für kurze Produkteinführungszeiten. Mit einer seriennahen Produktion der Prototypen können frühzeitig Optimierungs- und Einsparungspotenziale zum Vorteil des Kunden erkannt werden. Kabelkonfektion Wir produzieren nach Ihren Anforderungen kundenspezifische Kabel und Steuerleitungen in Klein- und Mittelserien. Unser Angebot erstreckt sich vom Schneiden, Crimpen über Umspritzen von Steckern bis hin zur Kabelbaummontage. Mit unserem gut ausgestatteten Maschinenpark und modern eingerichteten Handarbeitsplätzen nach neuesten Arbeitsmethoden können wir Ihnen maßgeschneiderte, kundenspezifische Lösungen anbieten. Produktion Elektronik und Mechatronik Modernste Produktionstechnik ist der Garant für höchste Qualität Ihrer Produkte. So werden elektronische Flachbaugruppen stets nach dem neuesten Stand der Technik gefertigt. Darüber hinaus verfügen wir über großes Know-how bei der Montage von Gehäusen und der Herstellung von feinmechanischen Geräten. Seidel Elektronik bietet Ihnen Produkte und Lösungen in den Bereichen SMD- und THT-Bestückung, In-Circuit-Test, Funktionsprüfung, Boundary Scan Test, Programmierung, Assembling, Feinwerktechnik, RunIn-, BurnIn- und Klimatests. Über 60 % der Produkte werden als Box Build hergestellt. Wir lassen gute Hände schaffen! Logistik Seidel Elektronik verfügt über ein dichtes Logistik-Netzwerk, das selbst bei schwierigen Marktbedingungen die Beschaffung Ihrer Komponenten zu marktgerechten Preisen sicherstellt. In unserer Logistik arbeiten viele gute Hände permanent für Sie. Alle Bauelemente werden bei strategischen Partnern eingekauft, wodurch gleichzeitig Transport-, Lager- und 4

5 Handlingkosten optimiert werden. Unsere Just-in-Time-Lieferabwicklung sorgt für optimalen Ressourceneinsatz. Zusätzlich bieten wir Ihnen die Kommissionierung von Direktlieferungen sowie die komplette Koordination Ihrer Transportlogistik an. Nutzen auch Sie unser eigenes Logistikzentrum für zusätzlichen Warenumschlag. Das bedeutet: Ihr Produkt zur richtigen Zeit am richtigen Ort. Wir boxen das durch! Services SERVICE wird bei Seidel Elektronik groß geschrieben: So haben unsere Kunden über den Web-Browser und einen Online-Zugang jederzeit die Möglichkeit, die Prozesse zu jedem Projektzeitpunkt im Detail mitzuverfolgen. Unsere Online Manufacturing Services umfassen unter anderem die Bereitstellung einer umfangreichen Bauelemente-Bibliothek mit Tausenden von Datenblättern, den Zugriff auf Ihre technischen Produktdaten, die Überwachung von Bestandsentwicklungen, die Visualisierung des Order-Fullfilling-Prozesses (Aufträge, Rahmenkontrakte) sowie die Verfolgung von Reklamationsund/oder Reparaturvorgängen. Transparenz schafft Vertrauen und gibt Ihnen Sicherheit. Kurzgesagt: good hands for services! Seidel Elektronik wurde mit dem E 2 MS Award zum Elektronikdienstleister des Jahres 2007 ausgezeichnet. Der Award wird alle zwei Jahre in drei Kategorien verliehen und bestätigt Seidel Elektronik, auf dem Weg zum führenden Dienstleister für EMS zu sein. 5

6 Klassifizierung von Elektronikbaugruppen aus Sicht der Fertigung Klasse I Reine SMT-Bestückung (ein- und zweiseitig) THT & SMD Reflow Lötpaste aufbringen SMD Aufsetzen Löten z.b. Reflow THT & SMD Reflow SMT Reflow SMT Reflow SMT Reflow SMT Kleben Klasse II Reine THT-Bestückung (ein- und zweiseitig) THT bestückt THT-Bauteile bestücken Flexen und Vorbeizen Wellenlöten THT bestückt THT bestückt 2. Seite partiell gelötet Klasse III Gemischte Bestückung von THT und SMT-Bauteile THT & SMD Reflow Lötpaste aufbringen SMD Aufsetzen Löten z.b. Reflow THT-Bauteile bestücken Flexen und Vorbeizen Wellenlöten THT & SMT Reflow THT (partiell) & SMT Reflow THT (partiell) & SMT Reflow SMT Kleben THT & SMT Reflow THT (partiell) & SMT Reflow 6

7 Löten in der Praxis Lötfehler und ihre Vermeidung Steigende Anforderungen an das Löten von SMD- & THT- Baugruppen mit immer engeren Pitchabständen im Wellen- bzw. Reflowlötbereich stellen höchste Anforderungen an den Lötprozess. Die durchschnittliche Packungsdichte sowie die Integration auf Flachbaugruppen stiegen deutlich. Neue Bauteilgehäuseformen mit engeren Rastermaßen (<0,5) sowie BGA-, Mikro-BGA und Flip-Chip-Gehäuse und die Bauformen 01005, 0201, bzw kommen zum Einsatz. Auf Prozesssicherheit und Prozessqualität muss größter Wert gelegt werden. Aus diesem Grund müssen die entsprechenden Lötverfahren den gestiegenen Anforderungen entsprechen. Lötfehler haben nicht immer die Wurzeln in der Lötanlage, sondern werden meist von vielen anderen Faktoren hervorgerufen. Die Lötfehler können grundsätzlich in drei Gruppen eingeteilt werden: Bauelementefehler: Die Anschlussflächen der Bauelemente sind durch längere Lagerung oxidiert bzw. verunreinigt und deshalb für eine Lötung mit gering aktivierten Flussmitteln (klassifiziert nach den Normen IPC-J-STD004 bzw. DIN EN ) schwer lötbar. Ferner könnte auch die Vorbehandlung (Verzinnung, Vergoldung, Beschichtung mit Lötlack, etc.) in einer nicht ausreichenden Qualität oder mit fehlender Sperrschicht ausgeführt sein. Die Lötbarkeit der Bauelementeanschlüsse sollte im Zweifelsfall anhand der Norm IPC-J-STD002 oder durch die Benetzungswaage überprüft werden. Schichtdicken können durch metallographische Schliffe bzw. ein Röntgenfluoreszenzmessgerät beurteilt bzw. die Dicke gemessen werden. Ionische Rückstände auf den Bauelementen oder auf der Leiterplatte können durch die Messung mit einem Contaminometer lt. IPC-TM650 überprüft bzw. analysiert werden. Materialfehler an Bauelementen können auch mit einem intakten Lötverfahren nicht immer kompensiert werden. Layoutfehler: Ein optimales Leiterplattendesign ist die Basis für eine wirtschaftliche und qualitativ hochwertige Produktion. Ein ungünstiges Layout kann eine Menge von Problemen hervorrufen. Die hohen Anforderungen an die Schaltungsfunktion, EMV, UL, VDE usw., sowie diverse Normen stellen die Entwickler/Konstrukteure vor neue Herausforderungen. Layoutgrundlagen sind in vielen Werksnormen dokumentiert und oft mit kundenabhängigen Vorgaben verbunden. Designrichtlinien sind z.b. im Kombendium FED-22-02A zusammengefasst. Der immer höher werdende Integrationsgrad macht es besonders schwierig, ein fertigungsfreundliches, kostenoptimiertes und energiesparendes Produkt zu designen. Darum ist es für den Entwickler von besonderer Wichtigkeit das Feedback der Fertigung, Prüfung, Materialwirtschaft u. a. zu erhalten, um diese entsprechend berücksichtigen zu können. Grundsätzlich sollten Produkte, die sich noch im Entwicklungsstadium befinden, möglichst unter Serienbedingungen produziert werden. Seidel Elektronik bietet durch einen sogenannten Erstmusterbericht ein Feedback Instrumentarium an, in welchem anhand der Fertigungsschritte etwaige Probleme aufgeschlüsselt, dokumentiert und zum Kunden kommuniziert werden. Prozessfehler: Dies ist der meist diskutierte Anteil an Lötfehlern, der aber durch die gezielte Prozessführung positiv beeinflusst werden kann. Entscheidend für einen sicheren Prozess ist eine fundamentale Untersuchung der einzelnen Parameter. Moderne Anlagentechnik kann dem Prozessingenieur durch zahlreiche Sensoren und detaillierte Prozessdatenaufzeichnung die Überwachung und Optimierung von Prozessschritten vereinfachen. 7

8 Wellenlöten Flussmittel: Flussmittel haben die Aufgabe, die Verunreinigungen an den Anschlussflächen der Bauteile zu entfernen, die Lötflächen zu aktivieren und die Lötwelle zu entspannen. Die Flussmittel werden nach ihren Aktivatoren eingeteilt. Die Klassifizierung von Flussmitteln und deren Rückstände erfolgt nach den Normen IPC-J-STD004 bzw. DIN EN Andere in der Vergangenheit verwendete Normen wie z.b. EN DIN (2.2.3) und die DIN 8511 (FSW32) haben keine Gültigkeit mehr. Flussmittelrückstände müssen, je nach Anwendung, nach dem Löten entfernt werden. Die Trendentwicklung geht weg von alkoholbasierenden hin zu wasserbasierenden Flussmitteln mit geringem Feststoffanteil (Aktivator). Vorheizung: Durch die Vorheizung wird das Flussmittel aktiviert sowie die Leiterplatte und Bauteile vorgewärmt, so dass in der Welle keine zu großen Temperaturschocks für die Baugruppe entstehen. Das Temperaturprofil sollte dem eingesetzten Flussmittel, der Baugruppe und der verwendeten Lotlegierung angepasst werden. Die Vorheizung wird meist durch Wärmestrahler im kurz- oder langwelligen Bereich vorgenommen. Bei wasserbasierenden Flussmitteln und bei Lötanlagen in welchen bleifreie Lotlegierungen verarbeitet werden, kommt auch meist eine Konvektionsheizung zum Einsatz. Lötwelle: Die Geometrie, Form, Höhe, Intensität sowie Abstand und Anordnung der Lötwelle schlagen sich entscheidend auf das Lötergebnis nieder. Auch die Art der Lötmaske sowie Durchlaufrichtung der Leiterplatte und der Lötwinkel wirken sich massiv auf das Ergebnis aus. Je nach Baugruppe sollte ein Temperaturprofil erstellt werden, in der der Wärmeverlauf verfolgt werden kann. Wird der Lötbereich mit Stickstoff innertisiert, so kann immer von definierten Prozessbedingungen ausgegangen werden, die sowohl die Fehlerzahl als auch die Rückstände auf ein Minimum reduzieren. Auch der Verbrauch an Lot wird um einen wesentlichen Faktor reduziert, da keine Oxidation und somit keine Krätze entsteht. Bei bleifreien Lotlegierungen wird mit der Verwendung von Stickstoff auch die Oberflächenspannung reduziert, was wiederum die Fließund Benetzungseigenschaften des Lotes beeinflusst. Stickstoff trägt beim Wellenlöten massiv zur Reduktion von Betriebskosten bei. Mensch Maschine Umwelt Material Methode Motivation Kenntnisse und Fähigkeiten Qualitätsbewusstsein Erfahrung Know-how Gesundheitszustand Arbeitsorganisation Kommunikation Unterlagen/Pläne Informationen Zeit Lötrahmen Fluxertyp und Zustand Vorheizung Lötwelle Transport Anlagenprozessfähigkeit Wartung/ Vorbeugende Instandhaltung Auslastung Prozessgas/Restsauerstoff Betriebsmittel Prozessüberwachung Anlagentyp Dokumentation Raumtemperatur Luftfeuchtigkeit Luftdruck Klima im Lager Schallpegel Restsauerstoffgehalt im Stickstoff Luftreinheit Bauteileverpackungsmaterial Fachgerechte Entsorgung Produktqualität Flussmittelart und Menge Lotlegierung/ Verunreinigungen Verunreinigung Leiterplatte Basismaterial Leiterplatte Lötbarkeit Lagerzeit und Art Oberflächenveredelung Bauteilkonfektionierung Vorbehandlung Oberflächenbeschaffenheit Layout Konstruktion Abstände Ergonomie Vormontage/Vorbereitung Wellenart Kontaktzeit Lotwelle Temperaturprofil Handling Reinigung Reproduzierbarkeit Lötzinntemperatur WEllenlötPROZESS 8

9 Reflowlöten In der SMD-/Reflowtechnik wirkt sich das Zusammenspiel von Lotpaste, Sieb- Schablonendruck und Reflowlötung wesentlich auf das Ergebnis aus. Lotpaste: Die Lotpaste besteht aus kleinen Lotkugeln (im µm Bereich) in einer bestimmten Aussiebung und Metallzusammensetzung (Legierung) und einem Flussmittel, das in einem bestimmten Verhältnis (90: 10 im Gewichtsverhältnis) vermischt wird. Das Flussmittel besteht aus Alkohol, Säuren (Aktivatoren) und Stabilisatoren, die je nach Bedarf und Anwendung mehr oder weniger aktiviert sind. Diese Pasten werden nach ihrem Flussmittelaktivationsgrad (siehe Flussmittel beim Wellenlöten) in verschiedene Gruppen eingeteilt. Die Lagerung der Pasten sowie sämtliche Verarbeitungsparameter (Rakeldruck, Rakelgeschwindigkeit) und Umwelteinflüsse (Luftfeuchtigkeit etc.) sind von essentieller Bedeutung. Für Großserienfertigung ist es möglich, die Lotpaste in geschlossenen Rakelsystemen zu verarbeiten, um dadurch den Abfall an Lotpaste zu reduzieren. Das automatische Nachfüllen von Lotpaste auf offene Rakelsysteme aus Kartuschen ist mit Lotpastendispensern gängig. Siebdruck: Durch Sieb- oder Schablonendruck wird die Lotpaste auf die Leiterplatte in einer definierten Menge aufgebracht. Dabei ist das Verhältnis von Padgröße, Anschlussdimension und Lotpastenmenge wichtig. Die Stärke der Schablone ist verantwortlich für die aufgebrachte Pastenhöhe. Raster im Finepitch- bzw. im Ultrafinepitchbereich stellen an den Siebdruckautomaten hohe Anforderungen. Durch die Kombination von Steuer- und Leistungselektronik wird häufig der Einsatz von so genannten Stufenschablonen (mehrere Schablonenblechstärken in einer Schablone vereint) nötig. Sehr wichtig ist hier die Genauigkeit, um einen reproduzierbaren Druck zu erreichen. Die Überprüfung des ausgeführten Druckes erfolgt hier meist mit einem 2-D & 3-D Visionssystem. Vor der Bedruckung wird die Lage der Leiterplatte an Hand der Zentriermarken (Fitucials) und die Lage des Siebes mit einer Kamera überprüft und die entsprechende Lagekorrektur durchgeführt. Je nach verwendeten Siebdruckautomaten wird die Leiterplattenposition zur Schablone oder die Schablonenposition zur Leiterplatte ausgerichtet. Durch die Lagekorrektur ist ein Optimum an Sicherheit im Bezug auf den Druckversatz gewährleistet. Die Qualität der Kontur sowie die Geometrie der Schablonenöffnungen Mensch Maschine Umwelt Material Methode Motivation Kenntnisse und Fähigkeiten Qualitätsbewusstsein Erfahrung Know-how Innovation Gesundheitszustand Arbeitsorganisation Kommunikation Unterlagen/Pläne Informationen Regelkreise Zeit Schablonendruck Schablonenstärke Design und Qualität der Schablone Prozessfähigkeit Halbautomat/Vollautomat 2D/3D Optisches Vision-System Bestücken Toleranz Prozessfähigkeit Geschwindigkeit Positionierung Reflowlötanlage Zwangskonvektion/Strahlung Transport Temperaturprofil Restsauerstoffgehalt Prozessfähigkeit Raumtemperatur Luftfeuchtigkeit Luftdruck Klima im Lager Schallpegel Restsauerstoffgehalt ESD Beleuchtung Luftreinheit Bauteileverpackungsmaterial Fachgerechte Entsorgung Lotpaste Lotpastenlegierung Korngröße der Paste Viskosität der Paste Lagerung der Paste Bauteile Lötbarkeit der Bauteile Basismaterial Leiterplatte Lagerzeit und Art Verunreinigung Leiterplatte Oberflächenveredelung (z.b. HAL,OSP) Oberflächenbeschaffenheit Layout Konstruktion Pitch-Abstände Ergonomie Vision-System Kontrolle Vorheizung / Temperaturprofil Handling Kleberauftrag Bestückprinzip Genauigkeit Software Abläufe Reproduzierbarkeit REFLOWLÖTPROZESS 9

10 und das Dicken/Öffnungsverhältnis spielen bei der Schablone eine entscheidende Rolle. Reflow: Der Begriff Reflow löten bedeutet Löten durch Wiederaufschmelzen. Das gängigste Verfahren ist das Löten mit über die Leiterplatte strömender Luft (immer häufiger wird auch Stickstoff verwendet) durch Zwangskonvektion. Seltener ist das Reflow löten mit Strahlungsöfen hier wird die Leiterplatte mit Bauteilen durch Infrarotstrahlung erwärmt. Ein weiteres Reflow Lötverfahren ist das Kondensationslöten (Dampfphasenlöten): Hier wird die Leiterplatte in eine Dampfdecke einer siedenden Flüssigkeit getaucht. Die Wärmeübertragung erfolgt dabei durch das Kondensieren des Dampfes auf der kalten Leiterplatte und den Bauteilen. Der Temperaturanstieg ist bei diesem Lötverfahren sehr groß. In der Regel wird für jede Baugruppe ein spezifisches Temperaturprofil erstellt. Dieses Profil muss der Baugruppe und der verwendeten Paste angeglichen werden. Die Messung der Temperaturkurve erfolgt mit speziellen Temperaturmessgeräten (Messshuttles) auf der originalen Leiterplatte oder mit einem typischen Dummy. Der Temperaturunterschied (Delta T) auf der Leiterplatte spricht für die sichere Lötung und sollte bei einer guten Lötanlage und einer komplizierten Baugruppe <5 C sein. Wird die Baugruppe unter Stickstoffatmosphäre gelötet, können rückstandsarme Pasten zum Einsatz kommen. Das hat zur Folge, dass eine aufwändige Reinigung entfallen kann. Löten unter Stickstoff setzt voraus, dass der Restsauerstoffgehalt (ROL) in der Anlage überprüft wird. Die immer kleiner werdenden Bauteile (Chipbauteile 0201 oder 0402) in Verbindung mit einem sehr geringen Restsauerstoffwert- bedingt durch die höhere Benetzungskraft der Lote unter Stickstoffatmosphäre - haben zufolge, dass der so genannte Grabsteineffekt wieder vermehrt auftritt. Die eigentliche Ursache hierfür ist aber die unterschiedliche Erwärmung der Pads. Abhilfe hierfür kann ein etwas sparsamerer Umgang mit dem Stickstoff oder eine Anpassung des Temperaturprofils sein. Selektives Löten In aller Regel werden gemischt bestückte Leiterplatten bei geringem THT Anteil partiell (selektiv) gelötet. Es hängt vom Leiterplattendesign und der zu produzierenden Menge der Leiterplatte ab, ob überhaupt selektiv gelötet wird bzw. welche Unterart des selektiven Lötens angewendet wird. Grundsätzlich hat jede Unterart des selektiven Lötens ihre Vor- und Nachteile. Man sollte bereits bei der Produktentwicklung bzw. beim Produktdesign darauf Rücksicht nehmen welche Technologie im Haus oder beim Dienstleister zur Verfügung steht. Laserlöten kommt bei eher geringeren Stückzahlen an Leiterplatten bzw. Lötstellen auf den Leiterplatten zur Anwendung. Der große Vorteil dieser Technik gegenüber dem Handlöten ist die exakte Reproduzierbarkeit dieses Prozesses. Das Miniwellenlöten kommt bei Produktionen zum Einsatz, bei welchen die Durchsatzleistung einer Laserlötanlage nicht mehr ausreicht. Jedoch müssen hier 10

11 andere Platzvoraussetzungen der zu lötenden Bauteile gegeben sein, um diese Technik überhaupt verwenden zu können. Die größte Durchsatzleistung der selektiven Lötverfahren hat das Hub-Tauchverfahren. Bei Initialkosten für ein neues Produkt. Das Verwenden einer Vorheizung in der Selektiv-Lötanlage reduziert den thermischen Stress der Baugruppe bzw. der Bauteile und kann auch zur Taktzeitreduzierung führen. diesem Verfahren werden mittels speziell angefertigten Lötwellenadaptern alle Lötstellen auf den Leiterplatten zeitgleich gelötet. Dieses Verfahren hat auch die größten Bei den selektiven Lötverfahren mit flüssigem Lot in Lottiegeln kann durch den Einsatz von Stickstoff auch das Fließverhalten des Lotes Mensch Maschine Material Erfahrung Motivation Infomationen Handling Kenntnisse und Fähigkeiten Kommunikation Gesundheitszustand Arbeitsorganisation Fachgerechte Entsorgung Qualitätsbewusstsein Lötdüsen Standarddüsen Sonderdüsen Material der Lötdüsen Benetzbarkeit der Lötdüsen Wechselzeit der Lötdüsen Verschleiss der Lötdüsen Vorheizung Wartung / Reinigung Lotmenge im Tiegel Produktqualität Flussmittelart und Menge Lotlegierung/ Verunreinigungen Verunreinigung Leiterplatte Basismaterial Leiterplatte Lötbarkeit Lagerzeit und Art Oberflächenveredelung Bauteilkonfektionierung Maschinendokumentation Vorbehandlung Wiederholgenauigkeit Oberflächenbeschaffenheit Prozessfähigkeit der Anlage Taktzeit Selektives Löten beeinflusst werden. Die Krätzebildung durch Oxidation bzw. der Flussmitteleinsatz werden ebenfalls reduziert. Außerdem wird durch den Einsatz von Stickstoff oder anderen Inertgasen bzw. Gasgemischen die Standzeit der Selektivwelle erheblich verlängert, was zum einen den Wartungsaufwand reduziert und zum anderen eine Serienproduktion überhaupt ermöglicht. Deshalb werden Selektivlötanlagen ausschließlich unter Stickstoff betrieben. Großen Wert sollte man auf die verwendeten Materialen beim Maschinenbau setzen. In Abhängigkeit dieser Materialien steigt oder sinkt der Wartungsaufwand an der Maschine erheblich. Hochwertigere Materialien bei den Lötdüsen (beschichtet) reduzieren den Verschleiß der selbigen bzw. verringern die Verunreinigung des geringen Lötvolumens im Tiegel und dadurch der erzeugten Lötstellen. Methode Induktionslöten Miniwellenlöten Laser Löten Hub-Tauchlöten Durchstieg Baugruppe zur Düse ausgerichtet Baugruppe beliebig positioniert Restsauerstoffwert Lötzinntemperatur einseitiger Lotfluss gerichteter Lotfluss Bauteilvorbereitung Vormontage Temperaturprofil Transportsystem Layout Freiräume um Lötstellen Abstände Bauteilpositionierung Ablaufdokumentation Umwelt Serienfertigung Mischfertigung von mehreren Produkten Auslastung Lagerbedingungen Klimatische Bedingungen in der Fertigung Schallpegel Luftreinheit 11

12 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zum Löten unter Schutzgas Vergleicht man zunächst nur die Kosten für das Lötverfahren, so erscheint das Löten unter Stickstoff auf den ersten Blick unwirtschaftlich. Bei genauerer Betrachtung und unter Einbeziehung der Kosten für die Nacharbeit stellt sich aber sehr schnell heraus, dass das Löten unter Stickstoffatmosphäre auch Kostenvorteile bei Verwendung von bleihaltigen Loten bieten kann. Dabei hat der Einsatz von Stickstoff einen Einfluss auf nachfolgende Punkte: Reduzierung der verbleibenden Rückstände, optisch saubere Leiterplatten Weniger Nacharbeit durch verändertes Fließverhalten Weniger Kontaktprobleme beim ICT- und FAT-Test Bessere Benetzung und verbessertes Durchstiegsverhalten Höhere Lötqualität Reduzierung des Flux- und Lötmittelverbrauches auf ein Minimum Geringere Anlagenwartung und somit bessere Auslastung der Maschinen Weniger Brücken im Reflowbereich durch die geringere Oberflächenspannung des Lotes Größeres Prozessfenster (die Verarbeitung von verschiedenen Produkten mit den gleichen Prozessparametern bei gleich guter Qualität) 12

13 Unter Einbeziehung der Veränderungen des Wellenlötprozesses durch den Einsatz von Stickstoff ergibt sich eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung, die in der aktuellen Betrachtung eher zu Gunsten des Stickstoffs ausfällt. Nur durch eine sehr hohe Reduzierung der Nacharbeitskosten durch den Einsatz von Stickstoff kann dessen Einsatz gerechtfertigt werden. Wird in eine solche Wirtschaftlichkeitsbetrachtung die Änderung der Technologie zur bleifreien Produktion aufgenommen, so ergibt sich ein völlig neues Bild. Dem Diagramm ist eine solche Betrachtung zu entnehmen. Es zeigt sich sehr deutlich, dass es günstiger ist, eine Oxidation des teuren bleifreien Lotes durch den Einsatz von Stickstoff zu verhindern. Das Entfernen der Metalloxide (Schlacke) und der damit verbundene Neueinsatz von Lotmaterial sind deutlich teurer als der Einsatz von Stickstoff. Je nach Anwendung sollte für das Produkt das in Summe günstigste Verfahren unter Einbeziehung aller Einflüsse und Folgen gewählt werden. Im Folgenden werden die wichtigsten Aspekte des Gaseeinsatzes bei der Flachbaugruppenproduktion behandelt: In den letzten Jahren gewann das Löten unter Schutzgas zunehmend an Bedeutung. Mittlerweile ist es als Stand der Technik weitgehend akzeptiert. Dennoch gibt es eine Reihe von Punkten, die in der Praxis zu beachten sind: So ist die Frage nach dem richtigen Restsauerstoffgehalt der Lötatmosphäre aufgrund der damit verbundenen wirtschaftlichen Implikationen von großer Bedeutung. 13

14 Wellenlöten unter Stickstoff Zur Inertisierung von Wellenlötanlagen gibt es eine ganze Reihe von Möglichkeiten, wobei man grob drei Varianten unterscheidet: Zum einem bietet heute fast jeder Hersteller Anlagen, die von vornherein für den Einsatz von Stickstoff vorbereitet sind. Zumeist ist hier die von den Baugruppen durchlaufene Strecke vollständig durch einen Tunnel von der Außenwelt abgeschirmt, womit sich wirtschaftlich Restsauerstoffwerte (ROL, engl.: residual oxygen level) von typisch 20 bis 400 ppm einstellen lassen. Mit vollständig gekapselten Anlagen, die sowohl am Eintritt als auch am Austritt Vorhänge oder Klappen aufweisen, können alle aufgeführten Vorteile des Stickstoffeinsatzes genutzt werden. Insbesondere kann durch die Einstellung des ROL-Wertes innerhalb der Anlage auf das Benetzungsverhalten und damit auf die Lötqualität Einfluss genommen werden. Diese Nutzung des Prozessparameters Lötatmosphäre ist für Firmen, die ein hohes Produktspektrum haben und nur geringe Einflussmöglichkeiten auf das Layout besitzen, von enormer Vollanlage Tunnel LBA + MTS LBA Düsensysteme Sehr Hoch ca ,- Euro Hoch ca ,- Euro Mittel ca Euro Mittel ca ,- Euro Niedrig ca ,- Euro Sehr Hoch Über 95 % Hoch ca % Hoch ca. 70 bis 90 % Mittel ca. 60 bis 80 % Niedrig ca. 40 bis 70 % Bedeutung. Daneben werden oft bestehende Anlagen mit Kurztunneln oder Lötbadabdeckungen (LBA) nachgerüstet. Beide Varianten der Nachrüstung bauen auf den Abdeckungseffekt durch die Leiterplatte und die umschließende Maske. Die Tabelle sowie das Diagramm geben einen Überblick über die Inertisierungsmöglichkeiten von Wellenlötanlagen. Sehr Hoch Hoch Mittel Mittel Niedrig System Investition Krätzereduzierung Fehlerreduzierung Stickstoffverbrauch Hoch bis sehr Hoch 15 bis 45 m 3 /h Hoch 12 bis 18 m 3 /h Mittel 8 bis 12 m 3 /h Mittel 6 bis 10 m 3 /h Niedrig 4 bis 8 m 3 /h 14

15 Messer bietet Nachrüstsätze an, die als Tunnel oder Lötbadabdeckung ausgeführt werden. Damit ist es möglich, nahezu alle Vorteile des Stickstoffeinsatzes zu nutzen. Welche Lösung im konkreten Fall nun gewählt wird, hängt von der jeweiligen Zielsetzung ab. Einen hohen Einfluss auf die Entscheidung hat allerdings die Kostenersparnis durch die mögliche Schlackereduzierung der jeweiligen Inertisierungsvariante. So stellt sich sicherlich die Frage, ob nicht durch den Einsatz einer Volltunnelanlage die Mehrkosten der Investition durch die reduzierten Kosten der Schlacke ausgeglichen werden können. Gemeinsam mit unseren Kunden und basierend auf unserem Know How bietet Messer eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung an. Welche Effekte erzielt man nun mit der Inertisierung des Wellenlötprozesses? Grundsätzlich verhindert Stickstoff den schnellen Oxidationsprozess der flüssigen Metalle. Hierbei gilt die Faustregel, dass die Oxidationsgeschwindigkeit sich mit jeder Erhöhung um 10 K verdoppelt. Als Folge der Inertisierung kann man auf aggressive Flussmittel und Reinigungsschritte verzichten. Moderne Schutzgas Wellenlötanlagen, wie von Seho, repräsentieren eine neue Maschinengeneration, die alle Aspekte der modernen Fertigung vereint. Der Betrieb von Selektiv Lötanlagen mit Schutzgas macht den Weg frei für anspruchsvolle Lötaufgaben. Darüber hinaus hat der Stickstoffeinsatz beim Wellenlöten weitere Effekte: Durch die Oxidfreiheit der Wellen-Oberfläche wird die Behinderung der Ausbildung der Lötstelle vollständig unterdrückt. Dadurch kann der Teil des Flussmittels, der für die Reduktion dieser Metalloxide vorgesehen ist, eingespart werden. Neben der Materialersparnis erreicht man höhere Standzeiten, da der Tiegelbereich nur noch sehr selten gereinigt werden muss. Beim Reinigen gelangen oft giftige Bleioxidpartikel in die Produktionshalle. Daher ist auch aus Gründen des Arbeitsschutzes eine Inertisierung des Wellenlötprozesses von Vorteil. Die Lötfehlerrate wurde in den letzten Jahren intensiv in Abhängigkeit von der eingestellten Lötatmosphäre (Restsauerstoffgehalt) untersucht. Die Frage, ob die Fehlerrate im betrachteten Prozess tatsächlich durch Stickstoff verändert wird, hängt von einer Vielzahl von Parametern ab. Es kann als sicher gelten, dass ein schlecht geführter Prozess durch Stickstoff nicht unbedingt besser wird. Insgesamt werden Fehler, die auf Benetzungsprobleme zurück- 15

16 geführt werden können, deutlich reduziert. Beachtet man alle relevanten Parameter (Layout, Temperaturprofil, ), können beim Wellenlöten unter Stickstoff erhebliche Fehlerreduktionen erreicht werden. Dies ist auf das bessere Benetzungsverhalten durch die geringere Oberflächenspannung der flüssigen Legierungen unter Stickstoff zurückzuführen. Insbesondere für den Einsatz von bleifreien Materialien gewinnt dieser Vorteil des Einsatzes von Stickstoff zunehmend an Bedeutung. Dadurch kann das wesentlich schlechtere Benetzungsverhalten der bleifreien Lote im Vergleich zur heutigen Technologie erheblich verbessert werden. Oft wird beim Stickstoffeinsatz auch auf ein vergrößertes Prozessfenster hingewiesen. Gemeint ist damit, dass Variationen von Bauteilen und Leiterplatten keinen starken Einfluss auf das Lötergebnis mehr haben. Beim Wellenlöten unter Stickstoff werden zumeist zwei Bereiche für den Restsauerstoffwert eingestellt: Wie aus der Grafik ersichtlich, reichen Werte um ppm, wenn die Reduktion der Krätzebildung im Vordergrund steht. Somit ist der Einsatz von Nachrüstsystemen, Tunnel oder LBA, möglich und vorteilhaft. Sollen jedoch sämtliche Vorteile zum Tragen kommen, werden Werte zwischen 100 und 500 ppm eingestellt. Obwohl auch bei den Nachrüstsystemen solche ROL-Werte erreichbar sind, sollte hier der Einsatz einer Vollstickstoffanlage intensiv geprüft werden. Nur absolute noclean-prozesse mit sehr hohen Anforderungen werden unter 100 ppm betrieben, entscheidend ist auch hier die Reduzierung der Lötfehler. Luft StickstofF Abhängig von der Fehlerart, kann der Effekt der höheren Benetzungskraft zur Reduktion der Fehlerrate genutzt werden. Der Verbrauch an Stickstoff hängt natürlich von der gewählten Inertisierungstechnik, der Anlagenauslastung (Sauerstoffeinbrüche) und dem eingestellten ROL ab. Für typische Fälle sind im Diagramm die entsprechenden Verbrauche angegeben. Große Benetzungswinkel Kleiner Benetzungswinkel Luft Stickstoff -20ppm Ursachen: Oxydation des Lotes Oxydation der Metalloberfläche Unterschiede beim Spreitungs- und Benetzungsverhalten 16

17 Messung des Restsauerstoffwertes Der Restsauerstoffwert wird zumeist mit einer elektrochemischen oder einer Zirkonoxidzelle gemessen: Das Messgas wird dazu durch einen Filtersatz gepumpt, wo die Reste der Lötdämpfe entfernt werden sollen. In der Praxis ist es oft schwierig festzustellen, ob die Filtersätze schon gesättigt sind und die Messzelle bereits durch Rückstände geblendet wird. Dem vom Gerät angezeigten Wert sollte nicht sehr viel Vertrauen entgegengebracht werden. Auch schlagen sich in der Messleitung oft Flussmittelrückstände nieder, die auf Dauer den Durchfluss erheblich behindern können. Aufgrund der oft langen Messleitungen zeigen die Geräte nur einen Zeitmittelwert an. So können z.b. beim Nutzendurchtritt durch eine Anlage gerade im kritischen Moment während der Benetzung durch das Lot sehr hohe Restsauerstoffwerte auftreten, die messtechnisch kaum erfasst werden. Messer bietet hierzu einen umfangreichen Messgerätepool mit dem entsprechenden Know How der ROL-Messung an. Dazu gehört neben den Kenntnissen der Mess- und Filtertechnik auch das Wissen um das Wie und das Wo der Messung. Insbesondere werden Langzeitaufzeichnungen der Anlagen durchgeführt, um ein nachvollziehbares Abbild der Anlagen zu bekommen. Es ist in den meisten Fällen möglich, durch Gase-Know-How (spezielle Einbauten wie Filtervorsätze, automatische Kalibriereinrichtungen usw.) die anstehenden Probleme der kundenseitigen Messgeräte dauerhaft zu lösen. Falls das zu aufwändig ist, können die Messgeräte vor Ort mit Kalibriergasen überprüft oder durch Bereitstellung eines geeigneten Gerätes kreuzgetestet werden. Reflowlöten unter Stickstoff Stickstoff wird beim Reflowlöten vor allem dann genutzt, wenn noclean-pasten, OSP oder fine pitch Bauelemente eingesetzt werden. Hier kommen die gleichen Vorteile wie beim Wellenlöten zum Tragen. Lötfehler, die auf dem Benetzungsverhalten basieren, werden in einer inerten Atmosphäre deutlich reduziert. Beim Einsatz bestimmter Oberflächen, wie z.b. NiPd oder OSP, wird oft Stickstoff empfohlen. Die Qualität der Lötverbindung und Häufigkeit von Lötfehlern werden maßgeblich von den Umschmelzbedingungen der Lotpaste bestimmt. Dabei hat der Restsauerstoffgehalt der Ofenatmosphäre einen entscheidenden Einfluss auf das Lötergebnis. Bereits bei einem Restsauerstoffgehalt von etwa 1% gehen die Fehlerraten (s.o.) deutlich zurück, wenn RMA-Pasten eingesetzt werden. Bei besonders hohen Anforderungen (no-clean, VLR-Pasten) sollten aber Restsauerstoffgehalte zwischen 50 ppm ppm eingestellt werden. Der genaue Wert hängt u. a. vom gewählten Pastensystem ab. Luft Stickstoff 17

18 Gaseversorgung nach Maß Die Erzeugung von Stickstoff durch Tieftemperatur-Rektifikation ist seit der Jahrhundertwende der vorherrschende Produktionsprozess. Der so gewonnene Stickstoff ist von hoher Reinheit und wird entweder in Gasflaschen gefüllt, als Flüssigkeit in Tanks oder durch Pipelines zum point of use gebracht. Heute gibt es jedoch eine Reihe nicht-kryogener Trennverfahren wie die Druckwechseladsorption oder die Membrantechnik. Unter bestimmten Randbedingungen sind diese Verfahren wirtschaftliche Alternativen zur traditionellen Flüssigversorgung. Die Auswahl der optimalen Versorgungsart hängt von einer Reihe von Faktoren ab. Eine fundierte Beratung ist daher in allen Bedarfsfällen unerlässlich. Messer bietet, wo immer es für den Anwender sinnvoll ist, die Vor-Ort-Erzeugung von Stickstoff an. Messer betreibt in Europa und Asien bereits eine Vielzahl von derartigen Anlagen. Eigene Entwicklungsarbeiten und Kooperationen mit Anlagenbauern stellen sicher, dass die jeweils effizienteste Technologie zum Einsatz kommt. Wesentliche Einflussfaktoren für die Auswahl der optimalen Versorgungsart sind: Spitzen- und Durchschnittsbedarf die geforderten Gasreinheiten Bedarfsprofil bzw. Auslastung der Anlage Zusatznutzung von kryogener Kälte Energieverbrauch Verfügbarkeit von Pressluft Rund um die Fertigung elektronischer Baugruppen lassen sich u. a. folgende typische Einsatzfälle ausmachen: 1) Großverbrauch im Mehrschichtbetrieb > 250 Nm3/h: In diesen Fällen können Generatoren vor Ort wirtschaftlich betrieben werden. Die Reinheit des produzierten Stickstoffs liegt im ppm-bereich. 2) Normaler Betriebszustand von Reflow-Wellen- und Selektiv-Lötanlagen: Der ROL-Wert der Lötatmosphären liegt zwischen 20 und max. 900 ppm. Die Versorgung erfolgt über eine Flüssig-Stickstoff- Versorgungsanlage. Der Stickstoff hat dabei eine max. ROL-Konzentration von 10 ppm. Alle Angaben zum Verbrauch von Stickstoff der Anlagen basieren auf einer Reinheit von max. 10 ppm. Beim Einsatz von Anlagen mit einem höheren ROL-Wert, steigt der Verbrauch an Stickstoff entsprechend an. 3) Spezialfall: BGA-Rework-Station Da die Prozessbedingungen bei der Reparatur von BGAs Stickstoff erfordern, werden derartige Rework- Arbeitsplätze oft mit Gasflaschen versorgt. Das dazu erforderliche Flaschen-Handling ist mit erheblichem Aufwand verbunden. Eine kleine Membrananlage liefert Stickstoff in hinreichender Qualität und kann bei Bedarf einfach ein- bzw. ausgeschaltet werden. Vefahren physikalisches Trennprinzip ROL/ppm Generator PSA Membrantechnik kleine kryogene Luftzerlegungsanlage (Einsäulenapparat, Tieftemperaturrektifikation) Luftzerlegungsanlage nach dem Prinzip der Druckwechseladsorption, PSA = Pressure Swing Adsorption Luftzerlegung durch selektive Permeation durch dünne Polymermembranen < 5 ppm < 1000 ppm ca. 0,5 % 18

19 Service rund ums Gas Die Anwendung der Gase wird bei Messer durch kundennahe Fachabteilungen unterstützt: Messer verfügt über ein Team zur Betreuung der Flachbaugruppenfertigung mit einem Dienstleistungsangebot, das weit über die Gaseversorgung hinausgeht. Im Verbund mit namhaften Unternehmen der Elektronikindustrie werden hier Gaseanwendungstechniken entwickelt, die von der Halbleiterproduktion bis zur Baugruppenfertigung die gesamte Prozesskette abdecken. Der Einsatz von Gasen in der Elektronik, etwa Stickstoff zum Löten, ist wie oben beschrieben seit langem Stand der Technik. Messer bietet für die Elektronik ein umfassendes Technologie- Service- und Dienstleistungspaket: Wirtschaftlichkeit Am Anfang einer jeden Verfahrensanwendung steht eine genaue Wirtschaftlichkeitsuntersuchung. Dazu gehört z. B. die Auswahl einer passenden Lötatmosphäre (Restsauerstoffgehalt) und damit eng verbunden die Minimierung des Gaseverbrauchs. Messer berät außerdem bei der Auswahl des am besten geeigneten Gaseversorgungskonzeptes (z.b. lokale Stickstofferzeugung oder Versorgung über Flüssiggasanlieferung). Falls es notwendig ist, werden vor Ort Versuche durchgeführt, um ein optimales Prozessfenster einzustellen. Untersuchung von Lötprozessen Natürlich kann es trotz aller Bemühungen zu Problemen in der Produktion kommen. Messer bietet dafür zusammen mit anerkannten Experten Analysedienstleistungen an. Mit dem Fraunhoferinstitut für Siliziumtechnologie in Itzehoe (ISIT) werden Baugruppen und Lötprozesse untersucht. Die Fachleute können auch vor Ort bei der Prozessoptimierung behilflich sein. Darüber hinaus können Leiterplatten- und Bauteiloberflächen untersucht werden. Dazu stehen eine Vielzahl hochmoderner Messmethoden zur Verfügung: So werden mit konventionellen Mikroskopen (LIMI und REM) metallographische Feinschliffe begutachtet, mittels AES Oberflächenbelegungen (z.b. Kontamination, Oxidation) sicher bestimmt oder mit dem AFM (Atomic Force Microscope) mechanische Oberflächeneigenschaften vermessen. Entwicklungsprojekte Neben einer Vielzahl von Service- Dienstleistungen beschäftigt sich unsere Entwicklungsabteilung insbesondere mit der Umstellung der Flachbaugruppenproduktion auf die bleifrei - Technologie. Dazu wurde eine Vielzahl von Kooperationsprojekten mit namhaften Partnern und Kunden initiiert. Die praktische Umsetzung des technologischen Wissens unserer Mitarbeiter und die Nutzung der Erkenntnisse unserer Grundlagenuntersuchungen stehen bei diesen Projekten im Vordergrund. Von besonderem Interesse sind Oberflächenspannungen sowie das Benetzungsverhalten bleifreier Lotmaterialen unter Schutzgasatmosphären mit verschiedenen Restsauerstoffgehalten. Für den Produzenten von Flachbaugruppen sind diese Daten eine wichtige Entscheidungsbasis zur Auswahl des zukünftigen Lotmaterials. Ein kleiner Ausschnitt unserer Aktivitäten zeigt: Entwickeln von Lösungen gemeinsam mit dem Kunden ist auch wesentlicher Teil unserer Philosophie. Unseren Kunden bieten wir individuelle, bedarfsgerechte Lösungen, basierend auf unserem Know-How, dem unserer Kooperationspartner sowie unabhängiger Institute. Möchten auch Sie davon profitieren? Sprechen Sie uns an! 19

20 SEIDEL Elektronik GmbH Nfg. KG Frauentalerstraße 100 A-8530 Deutschlandsberg Messer Group GmbH Technologie Management Industrie Gahlingspfad 31 D Krefeld uhlsolutions.at Tel.: Fax: office@seidel.at Tel: Fax: info@messergroup.com