Weniger Voidanteile, homogene Temperaturprofile Vakuum-Dampfphasenlöten löst MID-Herausforderungen

Abbildung 1

Dampfphasenlöten in Kombination mit Vakuum hat ganz besondere Eigenschaften. Können sich diese auf den dreidimensionale Lötprozess eines MID-Bauteils (Molded Interconnect Devices) positiv auswirken?

Die MID-Technologie kommt zum Einsatz, wenn eine deutliche Miniaturisierung, geometrische Gestaltungsfreiheit und eine Reduzierung der Komponentenanzahl einer Baugruppe gefordert wird. Dafür werden  die in der Regel auf verschiedene Komponenten verteilten elektrischen und mechanische Eigenschaften in einer MID-Komponente vereinigt. So wurde in Rahmen des BMBF-Verbundvorhabens IEKU ein intelligentes energieautarkes Drucksensorsystem mit einem Gehäuse in MID-Technologie entwickelt. Durch das MID-Gehäuse konnte der Sensor sehr kompakt und mit reduzierter Anzahl der Komponenten ausgeführt werden. 

Die dreidimensionale Gestaltung des Gehäuses führt dazu, dass die Kontaktstellen zwischen dem Schaltungsträger und den Leiterplatten über die Höhe verteilt sind. Wie in Abbildung 2 dargestellt, wurde das Gehäuse in der für Dampfphasenlöten schlechtesten Position gelötet, nämlich als Becher. Bei herkömmlichen Anlagen führt eine solche Ausrichtung des Bauteils zu einer hohen Verschleppung des Dampfphasenmediums. Daraus resultieren eine unterschiedlich schnelle Aufheizung der Lötstellen, Mediumverlust aus der Anlage und eine negative Beeinflussung des Lötprofils.

Lötversuch unter Dampfphase ohne Vorvakuum

Um diesen Effekt zu untersuchen, wurde zuerst ein Lötversuch unter Dampfphase mit einem bleifreien Temperaturprofil durchgeführt. Dafür wurden, wie in Abbildung 2 dargestellt, Thermoelemente auf verschiedenen innenliegenden Bestückungsebenen sowie auf dem oberen und unteren Gehäuserand aufgebracht. Zuerst wurden die Temperaturprofile am Bauteil beim Einspritzen des Galdens unter Umgebungsdruck und mit nachfolgendem Hauptvakuum aufgenommen. Wie in Abbildung 2 zu sehen ist, zeigen die Mess-Ergebnisse deutliche Unterschiede der Aufheizgeschwindigkeiten auf. Die starken Differenzen bei der Temperaturentwicklung am Bauteil können auf zwei Ursachen zurückgeführt werden: Zum einen verursacht die beim Dampfphasenlöten von unten nach oben aufsteigende Dampfschicht einen über die Höhe des Gehäuses zeitlich verzögerten Wärmeeintrag, zum anderen kann die Luft aus den unteren Bereichen nicht vollständig verdrängt werden. Diese beiden Effekte beeinflussen das Aufheizverhalten des Bauteils. 

 

Lötversuch unter Dampfphase mit Vorvakuum

Im nächsten Untersuchungsschritt wurde der Versuch bei gleicher Bauteilausrichtung und Fühlerposition unter Anwendung des Vorvakuums wiederholt. Gleich zur Beginn des Lötprozesses wurde ein Vorvakuum von 100 mbar aufgebaut und das Galden eingespritzt. Die in Abbildung 3 dargestellten Messergebnisse zeigen beim Dampfphasenlöten unter Vakuum eine deutlich gleichmäßigere Temperaturentwicklung an verschiedenen Bauteilpositionen, die einen gleichmäßigen Übergang über den Liquiduspunkt bei unterschiedlichen Bestückhöhen ermöglicht.  

Verteilung des Galdendampfes in der Prozesskammer

Unter der Anwendung des Vakuums bildet sich beim Vorwärmen und Löten statt einer nach oben aufsteigenden Dampffront eine gleichmäßige Verteilung des Galdendampfes in der Prozesskammer. Damit wird der Nachteil des Temperaturgefälles bei konventionellen Dampfphasenanlagen (je näher an der Wärmequelle, desto früher wird erwärmt) und Konvektionsanlagen (je näher an der Wärmequelle, desto früher und höher wird erwärmt) vermieden. Dies wird durch das Fehlen größerer zu verdrängenden Luftmassen und der schnelleren Ausbreitung der Gasmoleküle im entspannten Raum hervorgerufen. Diese Effekte wirken sich positiv auf die Profilierung des Lötprozesses und somit auf die Qualität der Lötstellen.  

Zusammenfassung

Durch die Anwendung des Dampfphasenlötens in Kombination mit Vakuum lassen sich neben der Reduktion der Void-Anteile auch geometriebedingte Abweichungen der Temperaturprofile beheben. Wie am Beispiel der Temperaturprofilmessungen an einem MID-Gehäuse gezeigt, konnte durch das Vorvakuum eine deutliche Annäherung der Aufheizgradienten an allen Messstellen erreicht werden, und das vom Dampfphasenlöten bekannte kleine Delta T bei der Peaktemperaturen wurde beibehalten. Außerdem kann die Anwendung des Vorvakuums zu einem schnelleren und gleichmäßigeren Aufheizen von Baugruppen mit größeren thermischen Massen angewendet werden. Zusammenfassend lässt sich daraus schließen, dass das Vakuum beim Dampfhasenlöten einen zusätzlichen und sehr flexiblen Einflussparameter zur Evaluierung eines optimalen Lötprofils bietet und darüber hinaus eine Galdenverschleppung bei Bauteilen mit Bechergeometrie verhindert. (zü)                                           ■