IBL Löttechnik Dampfphasenlöten: Zuverlässige Reflow-Technologie - ideal für »bleifrei«

Durch die Umstellung auf bleifreie Lote, die zunehmende Komplexität der Baugruppen und den sehr geringen Energiebedarf erlebt das Dampfphasenlöten seit einigen Jahren eine Renaissance. »Die Hauptvorteile einer modernen Dampfphasenlötanlage sind die niedrigen Prozesstemperaturen, die frei einstellbaren Temperaturgradienten und -profile und eine homogene inerte Prozessatmosphäre. Außerdem erkennt eine solche Anlage die Lötzeit automatisch«, erklärt Andreas Flechtmann, Geschäftsführer bei IBL.

IBL Löttechnik mit Sitz in Königsbrunn ist spezialisiert auf die Dampfphasentechnologie und die Produktion von Dampfphasenlötanlagen sowie Peripheriegeräten. Das Unternehmen produziert in Königsbrunn, gilt als Pionier in der Dampfphasenlöttechnik und zählt zu den weltweit führenden Herstellern. Nach Meinung von Flechtmann ist das Dampfphasenlöten, auch Kondensationslöten oder Vapour Phase Reflow genannt, das schonendste, energiesparendste und zuverlässigste Lötverfahren. Es ist für jede Art von SMD-Komponenten und Trägermaterialien geeignet. Alle Bauteile lassen sich verarbeiten, ohne vorher aufwändig Temperaturprofile ermitteln zu müssen. »Die Vorteile der Wärmeübertragung in der Dampfphase in Verbindung mit einer neuen Prozess- und Maschinengeneration stellen ein hervorragendes Werkzeug für einfaches und zuverlässiges Reflow-Löten dar, unabhängig davon, ob verbleite oder unverbleite Lote verarbeitet werden«, meint Flechtmann.

Einerseits erfordert es ein Reflow-Lötprozess wie das Dampfphasenlöten, die gesamte Baugruppe gut zu durchwärmen, so dass das Lot auch an unzugänglichen Stellen aufgeschmolzen wird. Andererseits sind Überhitzungen zu vermeiden, um Delaminierungen oder Bauteilschädigungen auszuschließen. Insbesondere beim Verarbeiten von bleifreien Loten ist das Prozessfenster sehr klein geworden. Mit einem Dampfphasensystem lassen sich auch schwer zu erwärmende Baugruppen, wie mehrlagige Leiterplatten - auch doppelseitig inhomogen bestückt, ohne Überhitzungen problemlos löten. »Das physikalische Prinzip der Dampfphase schließt eine Überhitzung zuverlässig aus, weil die Prozesstemperatur auf die Dampftemperatur des Dampfphasenmediums begrenzt ist«, so Flechtmann. Weil der inerte Mediumdampf zudem schwerer als die Umgebungsluft ist, sind die Baugruppen in einer Schutzgasatmosphäre eingeschlossen. Dies vermeidet Oxidationen während des Lötprozesses und verbessert die Benetzungseigenschaften der Lotpaste. Eine kostenintensive Stickstoffflutung ist beim Dampfphasenlöten daher nicht notwendig.

Dampfphasenlöten spart Platz und Energie

Auf dem Markt gibt es eine Vielzahl Maschinentypen und Anbieter für Dampfphasenlöten. Die Maschinen-Palette erstreckt sich vom Laborsystem für Prototypen über Batchmaschinen bis hin zu Inlinesystemen für die Großserienproduktion. »Für herausragende lunkerfreie Lötstellenqualität hat sich das Vakuumdampfphasenlöten verbreitet und findet vor allem dank des zunehmenden Bedarfs an Leistungselektronik immer mehr Zuspruch«, erklärt Flechtmann. Moderne Dampfphasenlötsysteme benötigen eine nur geringe Grundfläche und damit weniger Platz als ein vergleichbarer Konvektionsofen. Als weiteren Vorteil des Dampfphasenlöten nennt Flechtmann den geringen Energieverbrauch, der bei weitem kleiner sei als bei allen anderen Reflowlötmethoden. »Im Vergleich zu einer Konvektionsanlage mit gleicher Leistung verbrauchen unsere Anlagen etwa 30 Prozent weniger«, gibt Flechtmann zu bedenken. Sobald das Lötsystem nicht voll ausgelastet ist, gehe dieser Vorteil noch stärker in Richtung Dampfphasentechnologie, so Flechtmann, weil die Dampfphase bei geringer Beladung oder in Pausen einen deutlich reduzierten Energieverbrauch hat, während ein Konvektionssystem mit konstanter Leistung unabhängig vom Beladungszustand betrieben wird.

 

Welches ist das passende Dampfphasenmedium für bleifreie Lote?

Dreh- und Angelpunkt im Reflow-Lötprozess ist die Zusammensetzung des Lots: Konvektions- und Infrarot-Lötprozesse stoßen an ihre Grenzen bei bleifreien Lotpasten, weil diese durchweg höhere Schmelztemperaturen aufweisen als bleihaltige Verbindungen. Diese Tatsache stellt auch besondere Anforderungen an das verwendete Dampfphasenmedium. Dank der Schutzgasatmosphäre in der Dampfphase sind die Benetzungseigenschaften bleifreier Lotpasten annähernd vergleichbar mit verbleiten Pasten.

Am weitesten verbreitet unter den bleifreien Verbindungen sind Zinn-Silber-Kupfer-Lote (SnAgCu), am häufigsten zum Einsatz kommt dabei der Typ SAC305. Der Schmelzpunkt liegt hier zwischen 217 °C und 221 °C, weil es sich bei dieser Legierung nicht um ein eutektisches Lot handelt - eutektische Legierungen haben einen eindeutig bestimmbaren Schmelzpunkt. Im Dampfphasenlötsystem kommt dafür meist ein Prozessmedium von 230°C zum Einsatz. Ein weiteres weit verbreitetes bleifreies Lot ist das deutlich preisgünstigere Zinn-Kupfer Lot (SnCu), das einen eutektischen Schmelzpunkt von 227°C aufweist. »Für dieses Lot empfahl man bislang, mangels Alternative, eine Dampftemperatur von 240°C«, weiß Flechtmann und verweist auf eine Innovation von IBL: »Wir haben vor kurzem in Zusammenarbeit mit Solvay Solexis das Medium HS 235 mit einer Dampftemperatur von 235°C entwickelt.« Dieses neue Medium ist auch ideal für SnAgCu-Lote. Da die Dampftemperatur zudem über der Schmelzetemperatur von Reinzinn (231,92 °C) liegt, wirkt HS 235 außerdem »Whiskerbildung« entgegen. Dabei handelt es sich um nadelförmige Einkristalle von wenigen Mikrometern Durchmesser und bis zu mehreren hundert Mikrometern Länge, die aus galvanisch oder pyrolytisch abgeschiedenen Schichten herauswachsen und Kurzschlüsse verursachen können. »Insbesondere wenn keine exakten Informationen über die Schmelzeigenschaften des Lotes von BGAs und anderen vorverzinnten Komponenten vorliegen, empfehlen wir den Einsatz von HS 235. Damit lassen sich alle gängigen bleifreien Lote zuverlässig aufschmelzen«, erläutert Flechtmann. »Dieses Medium stellt aus heutiger Sicht den besten Kompromiss für alle bleifreien Anwendungen dar und liefert optimale Ergebnisse.«

Die Wärmeübertragung ist entscheidend

Die Wärmeübertragung zählt neben dem verwendeten Lot zu den entscheidenden Parametern im Lötprozess. Wie aufwändig bzw. effektiv die Steuerung dieser Wärmeübertragung erfolgt, hängt von der Ausstattung und natürlich letztlich vom Preis des Dampfphasensystems ab: IBL bietet mit der Economy-Serie SV260 und SV360 und dem Laborsystem MiniLab leicht zu handhabende und kostengünstige Einsteigermodelle an, in denen sich über die variable Heizleistung die Temperaturprofile einstellen lassen. Je mehr Leistung der Heizung zugeführt wird, desto mehr Dampf entsteht und desto mehr Wärme wird übertragen. Der Einsatzbereich dieser Anlagen reicht bis zu mittleren Losgrößen. Flechtmann verweist allerdings auch auf die Grenzen solcher Einstiegssysteme: »Wegen der verzögerten Reaktion zwischen Heizleistungsänderung und resultierendem Effekt auf der Baugruppe ist eine wiederholbare Temperaturprofilerzeugung bei diesem Einsteiger-Konzept nicht möglich. Bei variierenden Linearprofilen, beispielsweise Anti-Tombstoningprofile oder Plateautemperaturprofile, stößt dieses Prinzip prozessbedingt an seine Grenzen.«

Anders verhält es sich bei der Wärmeübertragungssteuerung durch Höhenvariation, der von IBL entwickelten und patentierten »Soft Vapor Phase« (SVP): Dieses Verfahren steuert die Wärmeübertragung im Dampf über die Höhenvariation der Baugruppen im Dampf. »Mit dieser Technologie ist es erstmals möglich, beliebige Temperaturprofile in der Dampfphase abzubilden«, erläutert Flechtmann. Hauptvorteil des Prinzips ist die sofortige Reaktion des Temperaturgradienten als direkte Funktion der Eintauchtiefe des Lötgutes. »Beliebige Temperaturprofile, seien es Plateau- oder Linearprofile, können eingestellt und jederzeit wiederholbar ausgeführt werden«, verdeutlicht Flechtmann. »Zudem werden alle Prozessparameter über die Steuerung gemessen, auch an der Baugruppe, so dass eine schnelle Qualitätskontrolle auch ohne aufwändiges Profilieren möglich ist.« Integriert ist das SVP in die IBL-Maschinen der Premium-Serie, die für Klein- bis hin zu Großserien einsetzbar sind. Der »Syncro Mode« stellt über eine kontinuierliche Sensorüberwachung sicher, dass die Lötprofile über die Zeit konstant geregelt sind, unabhängig vom Beladezustand des Systems und ohne Eingriff des Bedieners. Die Soft-Vapor-Temperature-Control (SVTC) ermöglicht eine schnelle und präzise Profilwahl.