Horizontales Kondensationslöten - Neue Verpackung

BAUGRUPPENFERTIGUNG
Dampfphasenlöten mit horizontalen Transportsystemen
Horizontales
Kondensationslöten
Um die Nachteile konventioneller Dampfphasenlötsysteme zu eliminieren hat Rehm Anlagenbau hermetisch dichte
Prozesskammern entwickelt, die einerseits den horizontalen Transport des Lötguts (Baugruppen) durch die Anlagen,
andererseits die Injektion eines definierten Volumens Dampf bzw. Flüssigkeit in die Kammer ermöglichen. Dadurch wird
der Betrag an latenter Wärme, die für das Aufheizen der Baugruppe zur Verfügung steht, steuerbar.
Das Kondensationslöten, auch Dampfphasenlöten
oder Vapourphaselöten genannt,
ist eins der ältesten Reflowlötverfahren.
Es wurde 1975 von R.C. Pfahl und H.H.
Ammann [1] patentiert. Beim Kondensationslöten
nutzt man die bei der Zustandsänderung
vom dampfförmigen in den flüssigen
Zustand freiwerdende latente Wärme,
um eine Baugruppe zu erwärmen. Die Temperatur
bleibt während der Zustandsänderung
des Mediums (Phasenübergang)
stets konstant, wodurch die maximale
Temperatur der Baugruppe die Siede- bzw.
Kondensationstemperatur des Mediums
nicht überschreiten kann.
Diese Begrenzung der maximalen Temperatur
ist ein wesentlicher Vorteil des Kondensationslötens.Während
der Zustandsänderung
des Mediums wird ein sehr
großer Betrag an Wärme freigesetzt, der zur
raschen Temperaturerhöhung der Baugruppe
führt. Es wurden bis zu 300 W/m 2 K
als Wärmeübergangskoeffizient für das
Kondensationslöten ermittelt [2], während
für das Konvektionslöten (Luft oder Stickstoff)
um einen Faktor 10 kleinere Werte
typisch sind.
Große Wärmeübergangskoeffizienten haben
steile Temperaturanstiege zur Folge,
was beim Reflowlöten von elektronischen
Boards teilweise nachteilig sein kann. Der
Standard JEDEC IPC 20 D begrenzt z. B. für
feuchteempfindliche nichthermetische
Halbleiter-SMDs den Aufheizgradient auf
+3 K/s. Steile Gradienten können die
˘
AUTOR
Dr. Hans Bell,
Rehm Anlagenbau GmbH
Reflowfehler Popcorning, Tombstoning
und Splattering zur Folge haben. Beim
klassischen Dampfphasenlöten war eine
Beeinflussung des Ausheizgradienten
während des Kondensationsprozesses nicht
möglich.
Kondensationslöten
In einem Behälter wird eine geeignete
Flüssigkeit zum Sieden gebracht, wodurch
über der Flüssigkeit eine Dampfdecke entsteht.
In diese Dampfdecke wird die zu
lötende Baugruppe getaucht und der
Dampf kondensiert schlagartig auf deren
kalter Oberfläche. Die Kondensation kann
in diesem Moment nicht beeinflusst werden,
d. h. die Baugruppe heizt sich entsprechend
der natürlichen Gegebenheiten
auf, eine Einflussnahme auf den
Gradienten ist nicht möglich. Ein weiterer
Nachteil des klassischen Verfahrens
liegt in der stets notwendigen vertikalen
Eintauchbewegung des Lötguts in den
Dampf. Vertikale Bewegungen erhöhen
meist die Zykluszeit von typischerweise
horizontal arbeitenden SMT-Fertigungslinien.
In den frühen Neunzigern versuchte
man diesen Nachteil durch den Kompromiss
eines schräg angeordneten Transports auszugleichen.
Allerdings sind viele SMD aufgrund ihrer
Bauform und der geringen Haftkraft der
Reflowpaste sehr empfindlich gegen das
Verrutschen, so dass ein schräger Transport
kaum für elektronische Baugruppen
geeignet ist. Aus diesem Grund wurde bis
heute das Prinzip der vertikalen Bewegung
in den Dampf weiterverfolgt. Für das
Problem der Beeinflussung des Aufheizgradienten
wurden verschiedene Lösun-
gen realisiert. Sehr häufig werden vor die
eigentliche Dampfzone zusätzliche Zonen
angeordnet, die mittels Strahlung oder
Konvektion für ein Vorheizen der Baugruppe
sorgen. Dies hat weiterhin den
Nachteil, dass in der entscheidenden Lötphase
wiederum kein Einfluss auf den Temperaturverlauf
genommen werden kann
und zusätzlich die bekannten Nachteile
der z. B. Strahlungserwärmung (große Temperaturunterschiede
zwischen den Lötstellen
auf der Baugruppe) zumindest für
den Vorheizbereich in Kauf genommen
werden müssen.
Das Vertikale Verfahren
Eine andere Lösung ist das sukzessive, vertikale
Eintauchen der Baugruppe in den
Dampf. Hierbei wird der Baugruppe nur
soviel Dampf angeboten, wie an Dampfdecke
bzw. Dampfmenge über ihr kondensieren
kann. Je tiefer die Baugruppe in
die Dampfdecke eingetaucht wird, umso
mehr Dampf steht zur Verfügung (Bild 1).
Bei diesem Verfahren bleibt unberücksichtigt,
dass der Dampf (Dampf ist ein
Bild 1: Stufenweises Eintauchen in die Dampfdecke.
Die rot umrandeten Bereiche zeigen die
zur Verfügung stehenden Dampfvolumen
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˙
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KOMPAKT
Durch hermetisch dichte Prozesskammern
ist es mit den KLS- und Condenso-Anlagen
möglich, horizontal arbeitende Kondensationslötanlagen
zu realisieren.Während
die KLS-Anlagen den Dampf mittels eines
Generators erzeugen, arbeiten die Condenso-Anlagen
auf der Grundlage der
Flüssigkeitsinjektion. Die Steuerung des
Dampfvolumens erlaubt eine reproduzierbare
Temperaturprofilierung für die
Baugruppen insitu des Kondensationsprozesses.
In beiden Anlagen können
zusätzlich Vakuumlötprozesse realisiert
werden, die die Erzeugung von voidfreien
Lötstellen gestatten.
Bild 2: Prinzip der Condensoline Kondensationslötanlage
Gas) keine ebene Grenzfläche zur Umgebung
(Luft/Stickstoff) haben kann. Mindestens
beim Eintauchen der Baugruppe
wird die Dampfdecke in große Turbulenz
geraten und sich teilweise mit der umgebenden
Luft vermischen. Dies führt einerseits
zu einem nicht vorhersagbaren
Volumen an kondensierbarem Dampf, andererseits
kann sich aufgrund der Partialdruckkurve
der eingemischten Luft die
Kondensationstemperatur des Dampfes
ändern. Somit birgt dieses Verfahren den
Nachteil, wenig reproduzierbare Temperaturverläufe
zu generieren. Die Hin- und
Herbewegung der Baugruppe kann zudem
das Verrutschen von Bauelementen begünstigen.
Die Nachteile konventioneller
Dampfphasentechnik sind:
˘ Vertikales Eintauchen in die Dampfdecke,
˘ Keine Möglichkeit des horizontalen
Transportes und
Bild 3: Beeinflussung der Temperaturprofilierung durch Mediuminjektion
(T S = 230 °C)
˘
Keine reproduzierbare Beeinflussung
des Temperaturverlaufs insitu des Kondensationsprozesses.
Lösungkonzept Injektion
Rehm Anlagenbau ist zur Lösung des Problems
einen neuen Weg gegangen. Hermetisch
dichte Prozesskammern ermöglichen
einerseits den horizontalen Transport
des Lötguts (Baugruppen) durch die Anlagen,
andererseits kann ein definiertes Volumen
Dampf bzw. Flüssigkeit in die Kammer
injiziert werden, wodurch der Betrag
an latenter Wärme, die für das Aufheizen
der Baugruppe zur Verfügung steht, steuerbar
wird.
Die Condenso-Anlagen arbeiten auf der
Basis des Injektionsprinzips (Bild 2). Aus
einem Vorratstank wird mittels einer
Pumpe ein definiertes Volumen Flüssigkeit
(Galden) auf den beheizten Boden der
Pro-zesskammer gefördert. Die Flüssigkeit
verdampft, wodurch der Baugruppe ein
definierter Betrag an latenter Wärme
zur Verfügung steht.
Durch die Steuerung
des injizierten Flüssigkeitsvolumens
kann
auf die Reflowprofilierung
unmittelbar
Einfluss genommen
werden. (Bild 3) zeigt
zwei Temperaturprofile
der selben
Baugruppe, die bei
unterschiedlichen Parametereinstellungen
aufgenommen wurden.
Üblicherweise werden
Perfluorpolyether
(Galden) für das Vapourphasenlöten
verwendet. Diese Medien sind inert und
schaffen eine (mit dem Stickstoff vergleichbare)
Schutzgasatmosphäre während
des Lötprozesses. Für das bleifreie Löten wird
die Verwendung eines bei 240 °C siedenden
Mediums empfohlen, um ein sicheres Umschmelzen
und eine gute Durchmischung
des Gefüges aller Lötstellen zu erreichen.
(Bild 4) zeigt mittels Kondensationslöten
hergestellte bleifreie Lötstellen.
Optionales Vakuumlöten
Sowohl die KLS-Anlagen als auch die Condenso-Anlagen
von Rehm bieten optional
die Möglichkeit, nach dem Löten ein ˘
Bild 4: SnAgCu-Lötstelle auf chemisch Silber
Bild 5: Dampfphasenvakuumlötanlage mit
Vakuumrezipient nach DE 199 11 887 C1
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Bild 6: Gesteuerte Druckkurve eines Vakuumprozesses
Vakuum bzw. Unterdruck zu erzeugen, um
ggf. Voids aus der schmelzflüssigen Lötstelle
zu entfernen. Die Güte des Vakuums
ist hauptsächlich von der an die Prozesskammer
angeschlossenen Vakuumpumpe
abhängig. Während des Löt- und Vakuumprozesses
steht das Lötgut in der
Prozesskammer still. Dies ist ein wesentlicher
Vorteil.
Bei anderen marktüblichen Anlagen und
Verfahren [4] muss das Lötgut dem in der
Anlage integrierten Rezipienten durch eine
vertikale Hubbewegung erst zugeführt
werden (Bild 5). Dies hat die Nachteile,
dass die Baugruppe im schmelzflüssigen
Zustand des Lotes bewegt werden muss,
die Baugruppe während der Bewegungsphase
Wärmeverluste erleidet (ihre Temperatur
nimmt ab) und ein zusätzlicher
Bild 7: Röntgenbild von SnAgCu-Lötstellen
Zeitbedarf entsteht,
der die Zeit über Liquidus
unnötig verlängert.
Sehr gute voidfreie Lötstellen werden mit
einem Vakuum bzw. Unterdruck von
≤20 mbar erreicht. Das Vakuumsystem der
KLS- und Condenso-Anlagen gestattet es,
sowohl die Vakuumzeit als auch den gewünschten
Enddruck den individuellen
Bedürfnissen der zu lötenden Baugruppe
anzupassen. Dies kann z. B. notwendig
werden, wenn die schmelzflüssige Lötstelle
unter Vakuumeinfluss zum Splattering
neigt. Eine gesteuerte Druckkurve für
den Löt- und Vakuumprozess zeigt Bild 6.
Bild 7 zeigt eine voidfreie Lötstelle nach dem
Vakuum-Kondensationslöten.
Die Condenso-Batchanlage erlaubt die
Verarbeitung von Baugruppen mit den
Abmessungen 550 mm x 530 mm x
130 mm. Das Inlinesystem kann Baugruppen
mit den Abmessungen 1 000 mm x
450 mm x 50 mm verarbeiten (Bild 8). Bei
der Condensoline 1 600 beträgt die nutzbare
Prozesskammerlänge 1 500 mm. Ein
in der Breite verstellbares Transportsystem
erlaubt den Transport der Baugruppen
durch die Anlage ohne Carrier. Mit einer
nominalen Transportgeschwindigkeit von
Bild 8: Das Condensoline Inline-Kondensationslötsystem
ca. 800 mm/min erreicht dieses Kondensationslötsystem
mit Konvektionslötanlagen
vergleichbare Werte.
Literatur
[1] Robert C. Pfahl, Hans H. Ammann, Method
for soldering, fusing or brazing,
Western Electric Company, Bell Laboratories,
US Patent 3,866,307, 1975
[2] Hans Bell, Harry Berek, Heinz Herwig,
Andreas Moschallski, Mathias Nowottnick,
Inline-Kondensationslöten,
VTE 14(2002) Heft 2 S. 66
[3] FSL Deutschland GmbH, MRT Vapourphase-System
MRT, Dieburg 1992
[4] Patent DE 199 11 887 C1 Asscon
Systemtechnik-Elektronik GmbH, Semikron
Elektronik GmbH, Verfahren
zum Reflowlöten in einer Dampfphasenvakuumlötanlage,
21.12.2000
˘
Rehm Anlagenbau Kennziffer 400
Fax +49/73 44/96 06 25
www.rehm-anlagenbau.de
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