Lötanlagen-Typen

Löten mit Reflow-, Dampfphase, Wellenlöt- oder Selektivlöt-Anlage

Im Laufe der Zeit haben sich verschiedene Verfahren für das Löten von Platinen etabliert. Dabei hat sich jede Technologie weiterentwickelt und ihre eigenen Stärken entwickelt. In der folgenden Auflistung sollen die gängigen Verfahren vorgestellt werden.

Dampfphasen-Lötanlage

Bei der Dampfphasen Technik wird die Lötpaste durch Dampf geschmolzen. Dabei werden die Platinen auf eine Plattform in eine Art Dampfkessel gegeben. Anschließend strömt heißer Dampf in den Kessel gegeben, welcher sich auf der Lötpaste absetzt und diese zum schmelzen bringt. Da der Dampf sich gleichmäßig im Kessel verteilen kann, kommt es zu einer sehr ausgeglichenen Wärmeverteilung über die Platine. Die Temperatur, mit welcher die Platine bearbeitet wird, lässt sich über eine Höhensteuerung kontrollieren. 

Durch den Prozess lassen sich Bauteile mit hoher Masse gut bearbeiten, da die Wärme die ganze Platine überzieht. Dadurch hat man eine konstante Temperaturverteilung und der Prozess bedarf weniger Anpassung und Finetuning als es in anderen Technologien notwendig ist. Die Temperaturentwicklung durch Kondensation ist außerdem vorteilhaft, um das Überhitzen eines Boards zu vermeiden. Diese Eigenschaft ist speziell bei Prozessen mit bleifrier Lötpaste passend. Die Dampfphasen-Technologie bringt auch ohne den Einsatz von Stickstoff gute Löt-Ergebnisse. Das macht den Einsatz von Dampfphasen-Lötanlagen nicht nur prozesstechnisch einfacher, sondern hat auch finanzielle Vorteile. 

Auf der anderen Seite ist der, durch den Prozess bedingte, schnelle Temperaturanstieg für viele Anforderungen ungeeignet. Das Profil lässt sich generell nur sehr schwierig beeinflussen, was Korrekturen oft schwierig macht. Generell eignen sich Dampfphasen-Lötanlagen für kleine Stückzahlen und weniger für die Serienproduktion.

Wellenlöt-Anlage

Die Wellenlöt-Anlage arbeitet in 4 Phasen. Im ersten Schritt werden die Lötstellen mit Flussmittel benetzt. Dieses wird im nächsten Schritt durch Hitze aktiviert. Dann kommt der eigentliche Löt-Vorgang. Dabei werden die Platinen über eine Lötwelle gefahren und die benetzten Pins dementsprechend verlötet. Anschließend wird die Platine in der nächsten Phase abgekühlt um sie so für das manuelle Handling vorzubereiten. 

Selektivlöt-Anlage

Das Selektiv-Löten ist der Wellenlöt-Anlage relativ ähnlich. Allerdings werden hier die einzelnen Lötstellen „selektiv“ mit Flussmittel benetzt und mit Lötpaste versehen. Diese Eigenschaft ist essentiell, wenn Bauteile zu unterschiedlichen Zeitpunkten verlötet werden sollen.  Die Selektiv-Lötanlage ist auch in Kombination mit einer Stickstoff-Zuführung möglich. 

Reflow-Lötanlagen

Bei Lötverfahren in Verbindung mit einem Reflow-Ofen wird die Lötpaste vorab auf die Platine gegeben. Zu Beginn wird das Weichlot als Lötpaste auf die Platine gegeben. Dafür bieten sich je nach Anwendung verschiedene Verfahren an. Dazu gehört Stencil/Siebdruck bzw. der Schablonendruck, Dispenser oder galvanische Verfahren. Die Wahl des Verfahrens hängt dabei von unterschiedlichen Faktoren ab. Häufig wird jedoch der Stencil-  bzw. Siebdruck verwendet. Dabei wird die Lötpaste auf ein Sieb gegeben und anschließend mit einem Stencil durch das Sieb auf die Platine gegeben. Das Sieb sorgt dafür, dass die Lötpaste dorthin kommt wo sie hingehört und keine Bereiche besetzt werden an denen keine Lötpaste gewünscht ist. Bei diesem Prozess ist darauf zu achten, dass der Stencil frei von Verunreinigungen ist. Andernfalls entsteht ein unsauberes Druckmuster. Außerdem ist auf die parallele Ausrichtung der Platine gegen über des Stencils zu achten, um eine homogene Verteilung der Lötpasten-Schicht gewährleisten zu können. Ein wesentlicher Prozess-Parameter ist unteranderem die Höhe der Lötpaste. Wenn zu wenig Paste verwendet wird ist Verbindung zwischen Platine und Bauteil instabil. Wenn zu viel Paste verwendet wird kann es zu Fehlern wie dem Spattering kommen oder das Bauteile nicht eng genug am Board sitzen und der Verbindungswiderstand zu hoch ist. 

Wenn die Lötpaste aufgetragenen wurde, wird die Platine mithilfe einer Pick & Place-Maschine  bestückt. Durch die Beschaffenheit der Lötpaste bleiben die Bauteile an der Paste haften. Grund dafür ist das beigemischte Flussmittel (Flux), welches die Lötpaste weich macht. Dann folgt der eigentliche Reflow-Prozess: Die Leiterplatte wird gemäß einem vordefinierten Profil erhitzt und die Lötpaste schmilzt. Die Bauteile sinken in die Paste ein und die Verbindung zwischen Platine und Bauteil ist geschaffen. Der Lötprozess lässt sich dabei nochmal in verschiedene Phasen. In der Preheat-Phase wird das gesamte Platine erhitzt. Wichtig dabei ist, dass die Hitzeverteilung homogen über die gesamte Platine geschieht. In dieser Phase wird deswegen nur langsam hochgeheizt (Slow Ramp-Up). Meist wird hier mit einer Temperatursteigerung von 3 Grad Celsius pro Sekunde gearbeitet. Wenn die Platine inklusive Paste zu schnell aufgeheizt wird, wirkst sich das negativ auf die Lötpaste auf. 

In der Soak-Phase wird die Temperatur weiter erhitzt und das Flussmittel wird aktiviert. Die erhöhte Temperatur löst das Flussmittel aus der Paste  und es wird in Gas-Form dem Ofen abgeführt. Nun befindet sich die Platine in einem Temperatur-Bereich in dem organische Restbestandteile verdampft werden, soweit welche vorhanden sein sollten.

Wenn das Profil sein Peak erreicht hat wird die Lötpaste weich bis flüssig. Die Bauteile können nun in die Paste einsinken und sich mit der Platine verbinden. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die Lötpaste lange genug in weicher bis flüssiger Form gehalten wird. So kann sichergegangen werden, dass die Bauteile lange genug Zeit hatten in die Paste einzusinken. Wenn diese Phase zu kurz gestaltet wird, sitzen die Teile nur auf der Oberfläche der Lötpaste und stellen keine solide Verbindung zur Platine her. Welche genaue Temperatur in dieser Phase angelegt werden muss, hängt vor allem von der Lötpaste, Dimension und physischen Eigenschaften des Board und der Bauteile ab. Dabei darf die Peak-Temperatur nicht zu hoch sein, um eine Beschädigung der Bauteile zu vermeiden. Wenn die Peak-Temperatur zu niedrig ist kann es allerdings passieren, dass die Lötpaste nicht weich genug ist und die Bauteile nicht tief genug einsinken.

In der Cooling-Phase kann in der Regel etwas schnell abgekühlt werden, als davor aufgeheizt wird. Hier kann das Temperatur-Profil um 4 Grad Celsius pro Sekunde gesenkt werden bis das Bauteil auf eine Temperatur gebracht ist, bei der es mit der Hand berührt werden kann.

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