DVS-Berichteband-351-Leseprobe

Weichlöten 2019
Präzise Montage von
Sensoren und
optoelektronischen
Bauelementen
Vorträge der gleichnamigen Tagung
in Hanau am 8. Oktober 2019
Veranstaltung des DVS – Deutscher Verband für
Schweißen und verwandte Verfahren e. V.,
Düsseldorf, und der Fachgesellschaft „Löten“
im DVS

Bibliographic information published by the Deutsche Nationalbibliothek
The Deutsche Nationalbibliothek lists this publication in the Deutsche Nationalbibliografie;
detailed bibliographic data are available in the Internet at http://dnb.dnb.de.
DVS-Berichte Band 351
ISBN 978-3-96144-056-6
Die Vorträge wurden als Manuskript gedruckt.
Alle Rechte, einschließlich Übersetzungsrecht, vorbehalten. Nachdruck und Vervielfältigung dieses
Bandes oder von Teilen desselben nur mit Genehmigung der DVS Media GmbH, Düsseldorf.
© DVS Media GmbH, Düsseldorf ⋅ 2019
Herstellung: rewi Druckhaus, Reiner Winters GmbH, Wissen/Sieg

Vorwort
Weichlöten 2019 – Präzise Lötmontage von Sensoren und optoelektronischen Bauelementen
Der DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e. V. führt zusammen
mit der Fachgesellschaft Löten im DVS am 8. Oktober 2019 im Richard-Küch-Forum in Hanau
die Tagung „Weichlöten 2019“ durch.
Elektronische Baugruppen entwickeln sich immer weiter zur multifunktionalen Baugruppe.
Optische Komponenten, Sensoren und Aktoren erfordern Lötverbindungen, die nicht nur
leitfähig, mechanisch stabil und zuverlässig sind, sondern auch eine präzise Ausrichtung
gewährleisten. Während in der Standard-SMT das sogenannte "Self-Alignment" Toleranzen
beim Bestücken ausgleicht, kann für fokussierte LEDs oder Sensoren gerade dieser Effekt die
präzise Justierung verhindern. Auch nach dem Lötprozess muss oftmals eine Genauigkeit von
wenigen Mikrometern in x-, y- und z-Richtung gewährleistet werden.
Referenten aus Industrie und Forschung geben auf der Weichlöten 2019 einen kompetenten
Einblick über spezielle Montage- und Lötverfahren mit hoher Präzision sowie Anwendungen mit
besonderen Anforderungen an eine genaue Positionierung der Komponenten mit hoher
Reinheit und geringem thermischen Stress.
Die Veranstalter bedanken sich bei der Programmkommission für die Zusammenstellung der
Vorträge sowie bei den Referenten und Sponsoren für die Unterstützung bei der Durchführung
der Tagung.
Wir sind sicher, eine attraktive Veranstaltung bieten zu können.
Mathias Nowottnick
Vorsitzender der Programmkommission
Michael M. Weinreich
Geschäftsführer Fachgesellschaft „Löten“ im
DVS

Inhaltsverzeichnis
Vorwort
Vom Klang einer Orgel und von der Technik des Lötens ........................................................... 1
J. Schmidt, Berlin
Flussmittel- und Feststoffanteile in modernen Lötmitteln – Visionen und (Mindest-)
Anforderungen ........................................................................................................................... 4
U. Grimmer-Herklotz, Oberhausen
Optimierung der SMT-Prozesse für die Reel-to-Reel-Fertigung ............................................... 11
J. Niemeier, Berlin
Wie genau müssen SMT-Bauteile bestückt werden? ............................................................... 17
Norbert Heilmann, München
Induktionserwärmung für das Cu-Sn SLID-Waferbonden zum Packaging in der
Mikrosystemtechnik .................................................................................................................. 23
C. Hofmann, M. Wiemer, A. Fröhlich und M. Kroll, Chemnitz
Reaktive Multilagensysteme als interne Wärmequelle zum Fügen auf Wafer-, Chip- und
Komponentenebene .................................................................................................................. 29
K. Vogel, S. Hertel, F. Roscher, M. Wiemer und S. Zimmermann, Chemnitz
Materialien und Materialkombinationen zur präzisen Positioniergenauigkeit ............................ 35
J. Trodler, S. Gunst, J. Ehmes und Stefan Merlau, Hanau; H. Wohlrabe und O. Albrecht, Dresden
Autorenverzeichnis…………………………………………………………………………………... 46

Vom Klang einer Orgel und von der Technik des Lötens
J. Schmidt, Berlin
Der Bau einer Orgel verlangt musikalisches Empfinden, metallkundliches Wissen und die handwerkliche Kunst des
Lötens. Der Klang einer Orgel ist Harmonie des Geists, ist Philosophie und Mathematik.
Die Geschichte der Orgel beginnt vor über 2000 Jahren. Der griechische Mechaniker Ktesibios baut in Alexandria
Wasseruhren mit Zahnrädern aus Bronze, einem konstanten Wasserdruck und einer erstaunlichen Genauigkeit. Mit
der „Hydraulis“ des Ktesibios entsteht die Bauform einer Orgelpfeife. Im Jahr 800 wird Karl der Große in Rom zum
Kaiser gekrönt. Er ist der erste Herrscher, der Europa politisch und religiös einigt. Als Kaiser bekommt er viele und
kostbare Geschenke, aus Byzanz ist es eine Orgel. Im 14. und 15. Jahrhundert erkennt die Kirche die Bedeutung
der Orgel für die Darstellung der Macht. Die Orgel bekommt in der Kirche den sichtbaren Platz gegenüber dem Altar.
Johann Sebastian Bach und Dietrich Buxtehude komponieren für sie die begleitende Musik. Im 19. Jahrhundert wird
die Orgelmusik romantisch und findet Eingang in die Konzerthäuser. Orgelbauer müssen den Klang der Orgel kleinen
Räumen, großen Hallen und Konzertsälen anpassen. So wird jede Orgel einzigartig.
Die Orgel wird Welterbe
Im Jahr 2017 wurden der Orgelbau und die Orgelmusik in Deutschland in die Unesco-Liste des „Immateriellen Kulturerbes“
aufgenommen. Es ist die Würdigung einer langen kulturellen Geschichte, der Respekt vor einem Handwerk,
das in der Vergangenheit Schönes, Wertvolles und Dauerhaftes miteinander verbunden hat, und es ist die Erinnerung
an Menschen, die den Klang einer Orgel in Gotteshäuser und Konzertsäle brachten. Die Orgel spielt in der Kirche
für die Seele und erreicht das Herz, im Konzertsaal spielt sie für das Herz und erreicht die Seele. Mit der Schönheit
ihres Baus und dem Klang ihrer Musik wird sie die Königin der musikalischen Instrumente.
Große Organisten und bedeutende Männer der Geschichte begleiten ihren Ruf. Johann Sebastian Bach wird mit
seinen Kompositionen Teil des Erbes. Anton Bruckner hat seine Orgelimprovisationen in neun große Sinfonien eingearbeitet.
Albert Einstein hat beim Orgelspielen Gedanken ordnen können, und der Theologe, Philosoph, Arzt und
Organist Albert Schweitzer ermahnte die Menschen: „Eine große Schuld lastet auf uns und unserer Kultur“. [1] Für
seinen weltweiten Einsatz zur Völkerverständigung und gegen jede Form der kolonialen Ausbeutung erhielt er 1952
den Friedensnobelpreis. Die musikalische Kraft der Orgel und die Vielfalt ihres Klangs zum „Immateriellen Kulturerbe“
zu machen, ist der Hinweis auf eine gesellschaftliche Entwicklung, die zur Monotonisierung der Welt und zu einer
Wegwerfkultur führt. [2]
Der Klang einer Orgel
Die Orgel ist ein Tasteninstrument in der Gruppe der Aerophone. Der Klang setzt sich aus den Tönen zusammen,
die durch Luftschwingungen in Labialpfeifen und Lingualpfeifen entstehen. In einer Labialpfeife ist es ein von Hand
eingeschlagener Kernspalt, der die durchströmende Luft (Wind) zum Schwingen bringt, in der Lingualpfeife ist es
eine metallene Zunge (Bild 1). Die Frequenz der Schwingungen hängt von der Länge der Pfeife und von ihrem
Durchmesser sowie von den Ausführungen des Labiums, des Kernspalts und der Zunge ab. So sind es zum Beispiel
in einer 6 m langen Pfeife 16 Schwingungen, in einer nur 11 mm langen Pfeife 15.600 Schwingungen in der Sekunde.
Die Herstellung der Pfeifen ist bis auf das Umformen zu einem Rohr Handarbeit.
Der Wind für die vielen Pfeifen, die in Registern aufgeteilt sind, entsteht in einem Gebläse, wird in einem Magazinblock
auf einen konstanten Druck eingestellt und über das Herz der Orgel, die Windlade, und über Windführungen
den Pfeifen zugeführt. Die Steuerung des Winds erfolgt vom Organisten am Spieltisch. Der Klang einer Orgel wird
von der Anzahl der Register bestimmt. Beispielsweise hat die Orgel im Stephansdom von Passau 233 Register, die
Orgel im Leipziger Gewandhaus hat 91 Register, und die Orgel in der Musikhochschule in Weimar hat zehn Register.
Der Klang trägt aufgrund der handwerklichen Fertigung der Orgel den Namen seines Schöpfers. Er ist oft mit Geheimnissen
verbunden, die zusammen mit dem Namen den nächsten Generationen weitergegeben werden. In Hessen
ist es Georg Wagner, der im 17. Jahrhundert seine erste Orgel herstellt. In Frankfurt an der Oder baut Wilhelm
Sauer für die Jahrhundert-Halle in Breslau 1913 die größte Orgel der Welt. Gottfried Silbermann erwirbt in Sachsen
den Ruf eines bedeutenden Orgelbauers. Die Silbermann-Orgel im Freiberger Dom ist heute, nach 300 Jahren, die
berühmteste Barockorgel. Die Geschichte der Schuke-Orgel beginnt am Anfang des 19. Jahrhunderts. Schuke-Orgeln
gehören zu den Ausrüstungen großer Konzerthäuser. In den Potsdamer Werkstätten des Unternehmens (Bild 2)
hat eine junge Generation mit der Bewahrung der handwerklichen Tradition die Verpflichtung übernommen, das
Weltkulturgut Orgel zu schützen und zu erhalten.
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) b)
a)
a)
Bild 1. In der Labialpfeife (a) bringt ein von Hand eingeschlagener Kernspalt die durchströmende Luft zum Schwingen, in der
Lingualpfeife (b) ist es eine metallene Zunge.
Bild 2. Alexander Schuke
Orgelbau wurde 1820
gegründet und existiert
mittlerweile in der vierten
Generation.
Bild 3. In einem
Schmelzofen erschmilzt
der Orgelbauer die
Blei-Zinn-Legierung
für die Orgelpfeifen.
2 DVS 351

Legierung aus Blei und Zinn
Die Herstellung einer Labial- oder einer Lingualpfeife ist auch heute noch handwerkliche Arbeit. Ausgenommen davon
ist nur das Umformen des gegossenen Blechs zur Pfeife. Die Herstellung beginnt am Schmelzofen (Bild 3), in
dem nach dem persönlichen Rezept der Orgelbauer seine Blei-Zinn-Legierung erschmilzt. Auf einem Band entsteht
ein Gießblech (Bild 4), dessen Dicke mit handwerklicher Kunst eingestellt wird. Aus statischen Gründen kann bei
langen Pfeifen eine nach oben zugehende Verdünnung notwendig sein.
Nach dem Umformen des Blechs zu einer Pfeife werden die Längs- und Rundnähte in Handarbeit weichgelötet
(Bild 5). Das Weichlot mit der geringsten Arbeitstemperatur hat die eutektische Zusammensetzung aus 63% Zinn
und 37% Blei. Die Löttemperatur beträgt 168°C. Im 3. Jahrhundert v. Chr. baute der griechische Mechaniker Ktesibios
eine Wasserorgel, im 1. Jahrhundert n. Chr. beschrieb Plinius eine Legierung aus Blei und Zinn zum Löten. Die
Kirche entdeckte im 14. Jahrhundert die Orgel als Ausdruck ihrer Macht. Am Anfang des 18. Jahrhunderts machte
Johann Sebastian Bach die Orgel zur Königin der Instrumente. Im 21. Jahrhundert wird sie Weltkulturgut. Als „Immaterielles
Kulturerbe“ wird daraus die Verpflichtung, alte handwerkliche Kunst zu erhalten und sie den nächsten
Generationen zu übergeben.
Bild 4. Herstellung
des Gießblechs.
Bild 5. Die Längs- und Rundnähte
der Orgelpfeifen werden in Handarbeit
weichgelötet. (Bilder: Schmidt)
Literatur
[1] Schweitzer, A.: Kultur und Ethik. Verlag C.H. Beck, München 1990.
[2] Zweig, S.: Die Monotonisierung der Welt. Suhrkamp Verlag, Frankfurt am Main 1988.
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Flussmittel- und Feststoffanteile in modernen Lötmitteln – Visionen und (Mindest-)
Anforderungen
U. Grimmer-Herklotz, Oberhausen
„Wir sind auf der Suche nach einem rückstandsfreien Flussmittel!“ oder „Gibt es nicht auch eine SMD-Lötpaste ohne
Flussmittel?“. Anfragen, die in der Lötmittelbranche ihren Seltenheitswert längst verloren haben. Die Vision von einem
Lötprozess der ohne lästige Flussmittel und deren Rückstände auskommt, beschäftigt seit Jahrzehnten gleichermaßen
Lötmittelhersteller, Lötanlagenbauer und Baugruppenfertiger. Sauerstoffarme Lötatmosphären wie Vakuum,
Schutzgas, oder gesättigter Dampf (Dampfphase) reduzieren oder vermeiden zwar die Entstehung von Oxiden
im Lötprozess, können aber bestehende Oxidschichten auf den Lötpartnern nicht beseitigen. Lötverfahren mit
aktiven Prozessgasen, wie z.B. in Niederdruckplasma, sind in der Lage die Oxide aufzubrechen, verlangen aber eine
aufwändige und kostenintensive Ofentechnologie, die zudem (wie auch die Dampfphasentechnologie) nur eingeschränkt
inlinefähig sind. „State of the Art“ in der Baugruppenfertigung sind also flussmittelbasierende Lötprozesse
und die entsprechenden Lötmittel. Die wichtigsten sind Lötpasten für das Reflowlöten von oberflächenmontierbaren
Bauteilen (SMD), feststoffarme Flussmittel für das Schwalllöten von THT-Bauteilen in Wellen- und Selektivlötanlagen,
sowie Lötdrähte mit Flussmittelseele(n) für händische und automatisierte Kolben-, Induktions-, Heißluft- und
Laserlötprozesse. Die aktuell sinnvollen Flussmittelanteile in Lötdrähten und SMD-Lötpasten sowie die Feststoffanteile
in Flussmitteln für besagte Schwalllötprozesse sollen hier aus der Sicht eines Lötmittelherstellers aufgezeigt
werden. Hautsächlich sollen sogenannte No-Clean-Flussmitteltypen betrachtet werden.
1 Flussmittelgefüllte Weichlotdrähte (Röhrenlote)
Weichlotdrähte mit Flussmittelseele(n) müssen nach der Norm DIN EN ISO 12224-1 „Massive Lötdrähte und flußmittelgefüllte
Röhrenlote – Festlegung und Prüfverfahren - Teil 1: Einteilung und Anforderungen“, die Anforderungen
an die entsprechende Legierung nach ISO 9453 und den entsprechenden Flussmitteltyp nach ISO 9454-1 erfüllen.
Die aktuelle EN ISO 9454-1:2016 und die Prüfnormen EN ISO 9455-1 ff. bestimmen die Eigenschaften der Flussmittel.
Beschränkt man die Auswahl der Flussmittel auf die in der Baugruppenfertigung gängigen Typen (Flussmittelrückstände
mit einen hohen SIR-Wert (Oberflächenwiderstandswert) >100 MΩ und keinerlei Korrosionswirkung),
dann sind das die halogenidfreien Typen 1111, 1131, 1231, 2231 und die schwach halogenidaktivierten Typen
1122,1222 und 2222.
Tabelle 1. Klassifizierung von Flussmitteln nach der EN ISO 9454-1:2016
Die in der DIN EN ISO 12224-1:1998 beschriebene Ausbreitungsprüfung und die darin aufgeführten Mindestausbreitungswerte,
bezogen auf spezielle Röhrenlote, sind ausschließlich für bleihaltige Legierungen (Sn63Pb37(E),
Sn60Pb40(E) oder Sn62Pb36Ag2) zulässig. Da die Ausbreitung bleifreier Lote grundsätzlich etwas schlechter ist als
die von bleihaltigen Loten, würden die in Tabelle 2 aufgeführten Werte evtl. nicht erreicht werden können.
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Tabelle 2. Mindestausbreitung für spezielle flussmittelgefüllte Röhrenlote nach der EN ISO 12224-1:1998
Art der Flussmittelfüllung
(ISO 9454-1:1990)
1.1.1 und 1.2.1
1.1.2 und 1.2.2
1.1.3 und 1.2.3
2.1.1 und 2.2.1
2.1.2 und 2.2.2
2.1.3 und 2.2.3
Mindestausbreitungsfläche
mm²
80
200
110
80
150
100
Mindestausbreitungsverhältnis
%
65
85
80
65
85
80
Die wesentlich aktuellere EN ISO 9455-10:2013 ermöglicht neben Sn60Pb40 und Sn96,5Ag3Cu0,5 auch „jede andere
Lot- und Testtemperatur-Kombination, wie zwischen Kunde und Hersteller vereinbart.“ Eine Mindestausbreitungsfläche
bzw. ein Mindestausbreitungsverhältnis wird allerdings nicht vorgegeben. Die Wirksamkeit des Flussmittels
wird durch das Ausbreitungsverhältnis im Vergleich zu vorgegebenen Standard-Referenzflussmitteln bestimmt.
Die „typgerechte“ Wirksamkeit zu erreichen, ist nicht nur von der qualitativen Aktivierung, sondern auch vom Feststoffgehalt
im Flussmittel, bzw. vom Flussmittelanteil (in Draht oder Paste) abhängig. Der Feststoffgehalt gängiger
No-Clean Flussmittel für den Wellen- und Selektivlötprozess liegt zwischen 2,0 und 5,0 Gew.-%. SMD-Lötpasten
haben, abhängig von der Applikation, einen Flussmittelanteil von 10 bis 30 Gew.-% und flussmittelgefüllte Lötdrähte
werden, heute wie gestern, also bleihaltig oder bleifrei, mit Flussmittelanteilen von 0,7 bis 3,5 Gew.-% angeboten.
Die in der „Bleizeit“ entwickelten Flussmittelrezepturen und Flussmittelgehalte für Röhrenlote waren perfekt abgestimmt
auf die, durch die Schmelztemperatur der bleihaltigen Lotlegierungen, vorgegebenen Prozesstemperaturen
beim Kolbenlöten. Bei einer Lötspitzentemperatur von 330 bis 350 °C sind die, im Flussmittel enthaltenen, Aktivatoren
über die komplette Lötprozesslaufzeit funktionstüchtig und auch die Harzkomponente(n) verfärben sich kaum.
Je nach Flussmitteltyp, Aktivierung oder auch Anwendung haben sich folgende Flussmittelanteile in der Baugruppenfertigung
etabliert:
Halogenidfreie Drähte auf Harzbasis: 2,5 – 3,5 % Flux
Halogenidhaltige Drähte auf Harzbasis: 2,2 – 2,8 % Flux
Spezialdrähte für SMD-Rework: 0,7 – 1,5 % Flux
Mit Inkrafttreten der RoHS im Jahr 2006 wurde zunächst versucht, diese Rezepturen 1:1 auch für bleifreie Lötdrähte
zu übernehmen. Da die Löttemperatur der Schmelztemperatur der bleifreien Lotlegierungen angepasst und somit
um 30 – 50 K angehoben werden musste, war dies allerdings nur eine Notlösung. Die Wirksamkeit der Flussmittel
war zwar ausreichend nach EN ISO 9455-10, aber die Flussmittelrückstände wurden wesentlich dunkler (Bild 1) und
das Flussmittel spritzte stark beim Löten. Zudem wurden neue, kontaktlose Lötprozesse wie das Laser- oder Induktionslöten
entwickelt, die noch mehr Wärmeenergie in noch kürzerer Zeit in die Lötstelle einbringen. Um diesen
Anforderungen gerecht zu werden, mussten die Flussmittel nicht nur modifiziert, sondern in den meisten Fällen vollständig
neu entwickelt werden. Hierzu mussten andere flussmitteltaugliche Harze (ideal mit Eigenaktivierung), Dicarbonsäuren
mit passender (höherer) Aktivierungstemperatur und Additive gefunden und natürlich auch ins „richtige“
Mischungsverhältnis gebracht werden.
Bild 1. Flussmittelrückstand „alter“ Rezeptur
Bild 2. heller Rückstand eines modernen Lötdrahtes
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Moderne, bleifreie Röhrenlote sind stabil gegenüber den, im Lötprozess auftretenden Temperaturen, ermöglichen
adäquate Prozesszeiten, hinterlassen helle, unauffällige Flussmittelrückstände (Bild 2) und gewährleisten auch einwandfreie,
reproduzierbare Lötergebnisse.
Die Flussmittelanteile dieser Drähte und die daraus resultierenden Flussmittelrückstandsmengen auf den Baugruppen
haben sich aber nicht merklich verändert. Durch die höheren Löttemperaturen entsteht allerdings mehr Lötrauch.
Dadurch verkürzen sich die Reinigungs- bzw. Wechselintervalle von Absaugeinrichtungen und von deren Filtern.
Die oben aufgeführten Flussmittelanteile sind weiterhin gängig. Die Entwicklung neuer Lotlegierungen, Flussmittel
und auch Löttechniken ist aber sicherlich noch nicht abgeschlossen, so dass innovative Röhrenlote mit Flux-Anteilen
angeboten werden, die um 0,5 bis 1,0 % geringer sind als oben aufgeführt (mit Ausnahme der Rework-Lötdrähte).
2 SMD-Lötpasten
Wie die Röhrenlote sind auch SMD-Lötpasten durch entsprechende Normen reguliert. Seit die nationale Norm DIN
32513-1 aus 2005 ersatzlos zurückgezogen wurde, empfiehlt der Regelsetzer die Anwendung der
DIN EN 61190-1-2 “Verbindungsmaterialien für Baugruppen der Elektronik – Teil 1-2: Anforderungen an Lotpaste für
hochwertige Verbindungen in der Elektronikmontage“. Bezüglich der Flussmitteleigenschaften der Pasten wird auf
die DIN EN 61190-1-1 „Verbindungsmaterialien für Baugruppen der Elektronik - Teil 1-1: Anforderungen an Weichlöt-
Flussmittel für hochwertige Verbindungen in der Elektronikmontage“ verwiesen, für den Metallpulveranteil gilt der
Teil 1-3: „Anforderungen an Elektroniklote und an Festformlote mit oder ohne Flussmittel für das Löten von Elektronikprodukten“.
Tabelle 3. Einstufung der Flussmittel nach DIN EN 61190-1-1 (ohne die anorganischen Stoffe)
In der Zusammensetzung des
Flussmittels enthaltene Stoffe
Wirksamkeitsniveau des
Flussmittels
(Massenanteil Halogenid in %)
Bezeichnung des
Flussmittels
nach IEC
Bezeichnung des
Flussmittels
nach ISO
Kolophonium (RO)
Gering (< 0,01 %)
Gering (< 0,01 %)
Mäßig (< 0,01 %)
Mäßig (0,15-2,0 %)
Hoch (< 0,01 %)
Gering (< 0,15 %)
L0
L0
M0
M1
H0
L1
ROL0
ROL1
ROM0
ROM1
ROH0
ROH1
1111, 1131
1122
1131
1123
1131
1124
Harz (RE)
Gering (< 0,01 %)
Gering (< 0,15 %)
Mäßig (< 0,01 %)
Mäßig (0,15-2,0 %)
Hoch (< 0,01 %)
Hoch (> 2,0 %)
L0
L1
M0
M1
H0
H1
REL0
REL1
REM0
REM1
REH0
REH1
1211, 1231
1222
1231
1223
1231
1224
Organisch (OR)
Gering (< 0,01 %)
Gering (< 0,15 %)
Mäßig (< 0,01 %)
Mäßig (0,15-2,0 %)
Hoch (< 0,01 %)
Hoch (> 2,0 %)
L0
L1
M0
M1
H0
H1
ORL0
ORL1
ORM0
ORM1
ORH0
ORH1
2131, 2231
2122, 2222
2131, 2231
2123, 2223
2131, 2231
2224
Wirft man einen Blick auf die Liste der durchzuführenden Prüfungen zur Pastenqualifikation nach
DIN EN 61189-5-3, dann sind neben der Lotlegierung und dem Flussmittel die Pulverpartikelgröße, -verteilung und
-form, der Metallgehalt, die Viskosität, die Konturenstabilität und der Verlauf, die Aktivität (mittels Lotkugelprüfung),
die Klebefähigkeit und letztlich die Benetzung der Paste zu prüfen.
Eine SMD-Lötpaste stellt somit wohl das komplexeste Lötmittel dar. Lot und Flussmittel in einem Produkt, optimal
abgestimmt auf mehrere Prozesse innerhalb der Baugruppen-Fertigungslinie: Pastenauftrag (Drucken /Dosieren) -
Bauteilebestückung - Reflowlöten (Konvektion / Dampfphase) - Inspektion (AOI / ICT).
In der Reihenfolge der Prozesse werden der Paste folgende Eigenschaften abverlangt:
6 DVS 351

o
o
o
o
Drucken
• Konturenstabilität
• konstante Druckbarkeit
• konstantes Pastendepotvolumen
• gutes Auslöseverhalten
• gutes Abrollverhalten am Rakel
• gleichmäßige Viskosität über lange Zeiträume
Dosieren
• kein Absetzen des Metallpulvers in der Kartusche
• konstantes Pastenvolumen
• kein Nachtropfen
Bestücken
• hohe, langanhaltende Klebrigkeit
Löten
• gute Benetzung und Ausbreitung
• keine Lotperlenbildung
• geringe Neigung zum Voiding
• geringe Ausgasung
Bild 3. Konturenstabilität
Bild 4. Pastenvolumen und Nachtropfen
o
Inspektion
• geringe, nicht klebrige Flussmittelrückstände
• möglichst geringer Einfluss auf AOI Bild 5. AOI-Pseudofehler (Brücke?)
Einzeln betrachtet sind diese Anforderungen recht leicht zu erfüllen. Die Abdeckung sämtlicher „Pflichten“ führt aber
automatisch auch zu „Kompromissen“, da sich einige der maßgeblichen Eigenschaften leider widersprechen. Die für
die Bestückung maßgebliche Nassklebekraft der Paste wirkt sich z.B. negativ auf die Auslösung der Paste aus der
Druckschablone aus. Eine Reduzierung der Viskosität (die Paste wird flüssiger), die für die Einstellung der Druckbzw.
Dosierbarkeit einer Paste maßgeblich ist, geht auch mit einer Erhöhung des Flussmittelanteils einher (also auch
mehr Flussmittelrückstände), was wiederum die Konturenstabilität des Pastendepots beeinflusst. Im Umkehrschluss
kann der Flussmittelanteil nicht ohne Auswirkung auf die rheologischen Eigenschaften der Paste reduziert werden.
Berechnet man aus dem Gewichtsanteil des Flussmittels einer SMD-Paste mit 89 % Metallpulveranteil dessen Volumen,
so ergibt sich ein Fluxanteil von ca. 50 Vol.-%! Reduziert man den Flussmittelgehalt dieser Paste um nur
1 Gew.-% (was nebenbei zu einer Erhöhung der Viskosität um bis zu 100 Pa·s führen würde und erheblichen Einfluss
auf die Druckeigenschaften der Paste hätte), reduziert sich die Flussmittelmenge auf dem Board auf grade einmal
45 %, was im Vergleich zu allen anderen Lötprozessen mit Abstand immer noch die höchste ist!
Unter bestimmten Voraussetzungen (Löten in inerten Prozessgasen, Vakuum oder Heißdampf) lassen sich die aktiven
Bestandteile des Flussmittelanteils einer SMD-Lötpaste sehr wohl auf ein Mindestmaß reduzieren. Auf die
Menge der Flussmittelrückstände hat dies allerdings keinen merklichen Einfluss, da die Aktivatoren und Harze im
Flussmittelanteil durch Bindemittel und Füllstoffe ersetzt werden müssen, um die für die unterschiedlichen Applikationen
erforderlichen rheologischen Eigenschaften zu erreichen (Tabelle 4).
Tabelle 4. Gängige Flussmittelanteile in SMD-Pasten abhängig von der Applikation
Schablonendruck Dispenserapplikation Dip- / Jetprintapplikation
Flussmittelanteil 10,5 - 12,5 Gew.-% 15 - 17 Gew.-% 20 - 30 Gew.-%
Viskosität (Brookfield) 650 - 900 Pa·s 350 - 450 Pa·s 200 - 300 Pa·s
3 Flussmittel für Schwalllötprozesse
Neben den Anforderungen durch Prozess und Baugruppe sollte die Auswahl des „richtigen“ Flussmittels zunächst
an der Anwendungsform (Fluxersystem) festgemacht werden. Aktuelle Wellen- und Selektivlötanlagen sind mit
Sprüh- (Bild 6) oder auch (Micro-/Drop-)Jetfluxern (Bild 7) ausgestattet. Um eine Verstopfung der feinen Düsen durch
DVS 351 7

klebrige Harze zu vermeiden, werden hier hauptsächlich harzfreie Flussmittel mit niedrigem Feststoffgehalt zwischen
2,0 und 2,7 % verwendet. Auch die meisten erhältlichen VOC-freien Flussmittel sind ausschließlich mit Sprüh- oder
Jetfluxern applizierbar. Obwohl schon mehrfach „todgesagt“, verwenden kleine und mittelständische Dienstleister
aber auch immer noch Lötanlagen mit Schaumfluxersystem (Bild 8). Harzhaltige Flussmittel mit Feststoffanteilen >
2,5 % gewährleisten eine stabile feinporige Schaumkrone und eine gleichmäßige Flussmittelverteilung auf der Leiterplatte.
Bild 6. 2-Kopf-Sprühfluxer Bild 7. Pillarhouse Drop-Jet-Kopf Bild 8. Schaumfluxer
Die qualitativen Anforderungen sollten der DIN EN 61191-1 Abschnitt 5.3 „Flussmittel“ entnommen werden. Demnach
sollen für die Baugruppenfertigung Flussmittel nach DIN EN 61190-1-1 (Tabelle 3) (oder einer vergleichbaren
Norm) verwendet werden, die den Typen L oder M entsprechen. Für Baugruppen, bei denen die Flussmittelrückstände
nach dem Löten nicht entfernt werden (No-Clean-Lötprozesse) sollten ausschließlich Flussmittel der Gruppe
L verwendet werden, die die Anforderungen nach DIN EN 61191-1 Abschnitt 9.2.2 „Reinheitsgrad“ ohne Reinigung
/ Prüfung (C-00) erfüllen (Tabellen 5 und 6).
Tabelle 5. Bezeichnung der zu reinigenden Flächen (Reinigungsoptionen)
0 Keine Oberfläche ist zu reinigen
1 Eine Seite (die Seite der Lötmittelgruppe) ist zu reinigen
2 Beide Seiten der Baugruppe sind zu reinigen
Tabelle 6. Prüfung der Rückstände für die Prozesssteuerung
0 Keine Prüfung erforderlich
1 Prüfung für Kolophonium-Rückstände erforderlich
2 Prüfung für ionische Rückstände erforderlich
3 Prüfen Sie den Oberflächen-Isolationswiderstand so wie es zwischen dem Anwender und dem Hersteller
vereinbart wurde
4 Prüfen Sie die Oberflächen auf organische Verunreinigungen so wie es zwischen dem Anwender
und dem Hersteller vereinbart wurde
5 Weitere Prüfungen, wie zwischen dem Anwender und dem Hersteller vereinbart wurde
Auch die Anforderung an die thermische Stabilität des Flussmittels ist von Lötanlage zu Lötanlage unterschiedlich.
Wellenlötanlagen mit einer Doppelwelle erfordern eine hohe thermische Stabilität des Flussmittels. Dies wird mit
einem entsprechenden Feststoffanteil im Flussmittel erreicht. Ein Feststoffanteil von 2,5 - 3,5 % ist unter Normalatmosphäre
ausreichend um die Funktionalität des Flussmittels über den gesamten Lötvorgang bis zum Austritt der
Baugruppe aus der letzten Lötwelle zu gewährleisten.
Um eine gute Benetzung und einen ausreichenden Durchstieg zu gewährleisten, ist die Lötwellentemperatur in Selektivlötanlagen
höher einzustellen, als bei konventionellen Wellenlötanlagen (um bis zu 20 K). Dies basiert auf der
geringeren Wärmeübertragung auf die Lötstelle durch eine wesentlich geringere Kontaktzeit mit der kleinen Lötwelle.
Einerseits muss das Flussmittel diesem Anspruch gerecht werden (Aktivität, Quantität), andererseits besteht die
Gefahr, dass die Flussmittelrückstände, die nicht vollständig der Löttemperatur ausgesetzt und somit nicht ausreichend
ausreagiert sind, zu Ausfällen der Baugruppe durch Korrosion oder Migration führen können! Flussmittel für
selektive Lötprozesse sollten dementsprechend abgestimmt sein.
Prozessunterstützenden Schutzgase, die den Löttiegel abdecken und im Bereich um die Lötwellen für eine Reduzierung
des Sauerstoffeinflusses sorgen, ermöglichen die Verwendung feststoffärmerer Flussmittel. Insbesondere bei
den sogenannten N2-Volltunnel-Wellenlötanlagen sind Flussmittel mit Feststoffgehalten zwischen 1,8 und 2,2 %
„state of the art“. Da aber, abgesehen von Leiterplatten und Bauteilen mit ENIG-Oberfläche, sämtliche
8 DVS 351

Metallisierungen von elektronischen Bauteilen und PCBs bereits vor dem Eintritt in den inerten Prozessraum einer
Volltunnel-Wellenlötanlage eine mehr oder weniger starke Oxidschicht aufweisen, kann auf eine Befluxung nicht
vollständig verzichtet werden.
4 Zusammenfassung
Entwicklungstechnisch sind die bleifreie Löttechnik und die dazugehörenden Lötmittel den „Kinderschuhen“ entwachsen.
Nach 13 Jahren sind wir, um bei diesem Bild zu bleiben, in der Pubertät angekommen (mit all den dazugehörenden
Schwierigkeiten). Der Umgang mit bleifreien Loten ist vom Grundsatz her klar, die Prozesse mittlerweile eingefahren.
Die Phase der Optimierung dieser Prozesse ist angelaufen. Mit dieser Prozessoptimierung werden nun auch
die entsprechenden Lötmittel erforderlich. Insbesondere die Selektivlötprozesse stellen für die Flussmittelentwicklung
eine Herausforderung dar.
Die fortlaufende Miniaturisierung von Bauteilen erfordert u.a. auch eine Reduzierung der Körnung in SMD-Lötpasten
oder auch der Drahtquerschnitte von Lötdrähten. Je feiner das Metallpulver, desto größer wird die Gesamtoberfläche
des Pulvers im Verhältnis zu seinem Volumen. Dies erfordert eine stärkere Aktivierung des Pastenflussmittels.
Neue Technologien, wie z.B. der Einzug von LEDs in der Fahrzeug- und Straßenbeleuchtung, haben die Diskussion
um die Reduzierung von Löttemperaturen neu entfacht. Bismutbasierende Lotlegierungen haben einen schlechtere
Lötbarkeit als Lote auf Zinn-Silber-Kupfer-Basis. Auch hier ist eine höher aktivierte Flussmittelformulierung erforderlich.
Neben der Aktivierung der Metallisierung der Bauteile und des Metallpulveranteiles der SMD-Lötpaste, dient das
Flussmittel in SMD-Lötpasten auch zur Einstellung der Viskosität und ist somit obligatorisch für die Druck- und Dosierbarkeit
und die Klebrigkeit der Paste. Das wiederum würde den Ersatz der aktiven Bestandteile durch neutrale
„Füllstoffe“ erforderlich machen, die aber ebenso verhalten müssten wie die Aktivatorenmischung. Daher gibt es
keine flussmittelfreie SMD-Lötpaste die in diesem Sinne besonders für einen Vakuumprozess geeignet ist.
Zwar wären die Reduzierung der Flussmittelanteile bzw. Feststoffgehalte in den einzelnen Lötmitteln und die damit
einhergehende Verringerung der Rückstände auf der Baugruppe wünschenswert, allerdings nicht auf Kosten der
Löt-Performance!
Normen / Literatur / Quellen
DIN EN ISO 12224-1:1998 „Massive Lötdrähte und flußmittelgefüllte Röhrenlote – Festlegung und Prüfverfahren –
Teil 1: Einteilung und Anforderungen“
EN ISO 9454-1:2016 „Flussmittel zum Weichlöten – Einteilung und Anforderungen – Teil 1: Einteilung, Kennzeichnung
und Verpackung“
DIN EN ISO 9453:2014 „Weichlote — Chemische Zusammensetzung und Lieferformen“
DIN EN ISO 9455-10:2013 „Flussmittel zum Weichlöten – Prüfverfahren – Teil 10: Bestimmung der Wirksamkeit des
Flussmittels, Ausbreitungsprüfung“
DIN EN 32513-1:2005 „Weichlotpasten – Teil 1: Zusammensetzung, Technische Lieferbedingungen“
DIN EN 61190-1-1:2003 „Verbindungsmaterialien für Baugruppen der Elektronik - Teil 1-1: Anforderungen an Weichlöt-Flussmittel
für hochwertige Verbindungen in der Elektronikmontage“
DIN EN 61190-1-2:2014 “Verbindungsmaterialien für Baugruppen der Elektronik – Teil 1-2: Anforderungen an Lotpaste
für hochwertige Verbindungen in der Elektronikmontage“
DIN EN 61190-1-3:2015 “Verbindungsmaterialien für Baugruppen der Elektronik – Teil 1-3: „Anforderungen an Elektroniklote
und an Festformlote mit oder ohne Flussmittel für das Löten von Elektronikprodukten“
DIN EN 61189-5-3:2015 „Prüfverfahren für Elektromaterialien, Leiterplatten und andere Verbindungsstrukturen und
Baugruppen - Teil 5-3: Allgemeine Prüfverfahren für Materialien und Baugruppen - Lotpaste für bestückte Leiterplatten“
DIN EN 61191-1:2015 „Elektronikaufbauten auf Leiterplatten - Teil 1: Fachgrundspezifikation - Anforderungen an
gelötete elektrische und elektronische Baugruppen unter Verwendung der Oberflächenmontage und verwandter
Montagetechniken“
DVS 351 9

Bild 1, 3, 5: FELDER GMBH Löttechnik, eigene Aufnahmen
Bild 6: 2-Kopf Sprühfluxer, Pedro Ximinez, Lizenz: CC BY-SA 2.0 de
Bild 7: Drop-Jet-Kopf der Fa. Pillarhouse International Ltd.
Bild 8: Schaumfluxer, Pedro Ximinez, Lizenz: CC BY-SA 2.0 de
10 DVS 351

Optimierung der SMT-Prozesse für die Reel-to-Reel-Fertigung
J. Niemeier, Berlin
Die überwiegende Technologie zur Herstellung elektronischer Baugruppen ist die Verwendung von starren Leiterplatten
(printed circuit boards). Im Zuge einer zunehmenden Produktdifferenzierung und Produktionsoptimierung
werden jedoch vermehrt alternative Technologien eingesetzt. Insbesondere für kompakte Produkte eigenen sich
flexible Leiterplatten oder Stanzgitter.
Bild 1. Unterschiedliche Substrate im Vergleich
Die Aufgabe der SMD-Fertigung ist es, auf diese Substrate elektronische Bauteile zu montieren. Dazu sind folgende
Prozessschritte umzusetzen.
- Lotpaste auftragen
- Bauelemente bestücken
- Reflowlöten, d.h. die Lotpaste aufschmelzen
Durch eine Reel-to-Reel-Verarbeitung kann der Handlingsaufwand drastisch reduziert werden. Nachfolgend werden
zwei Beispiele beschrieben und gezeigt wie die klassischen SMD-Prozesse auf die besonderen Gegebenheiten
anzupassen sind.
Prozesse
Basisprozesse
Lotpaste auftragen
Bestücken
Löten
Beispiel 1: ABS-Sensor
Chip-Widerstände auf Stanzgitter
Beispiel 2: Beleuchtung
SMD-Bauteile auf Flex-Leiterplatte
Prüfprozesse
SPI
AOI
Handling
Substrathandling
NIO-Handling
Bild 2. Zwei Beispiele für Reel-to-Reel-Fertigung
Stanzgitter 30mm breit
Einzelschaltung 15mm lang
Lot:
SnAgCu
Bauteile: 0603
Geometrie: 2½D
Taktzeit
0,4s/Bauteil
Flex-Leiterplatte 12mm breit
Einzelschaltung 560mm lang
Lot:
Bauteile:
Geometrie:
Taktzeit:
SnBi
0402 bis SO28
2D
0,6s/Bauteil
DVS 351 11

1 Kompakte SMD-Linie für Chip-Widerstände auf Stanzgitter
In klassischen Fertigungslinien wird die Lotpaste meist im Schablonendruck aufgetragen. Diese ist jedoch bei dreidimensionalen
Stanzgittern nicht möglich. Da Dispensen von Lotpaste zu langsam ist, wird die Lotpaste mit einem
Jet-System aufgetragen. Der AeroJet von Musashi ermöglicht das Auftragen unterschiedlicher Lotpasten. Dabei wird
das Lot aus Standardkartuschen zugeführt. Die Paste wird mit gleichmäßigem Druck in die Dosierkammer gedrückt.
Dort beschleunigt ein beweglicher Kolben die Paste und schleudert sie durch die Düse auf das Substrat, ähnlich wie
bei einem Tintenstrahldrucker.
Da ohne Dosiernadeln gearbeitet wird, ist der Prozess robust gegenüber Höhentoleranzen. Die dosierte Menge wird
einzig und allein über die Dosierkammer und die Anzahl der zu dosierenden Dots definiert und ist somit präzise und
reproduzierbar. Da die Dosierkammer klimatisiert wird, ist die Viskosität der Paste zum Zeitpunkt der Dosierung
annährend konstant. Chargenweise Viskositätsschwankungen in der Kartusche werden kompensiert. Auch die Entleerung
der Kartusche ist deutlich besser als bei den Dispens-Verfahren. Der Kartuschendruck ist gering und konstant,
d.h. es muss nicht gepulst werden. Weiterhin ist für den Dosierprozess keine Z-Bewegung erforderlich. Folglich
gibt es auch keine Entmischung in der Kartusche und die Paste kann komplett für die eigentliche Aufgabe verwendet
werden.
Bild 3. AeroJet zum Auftragen der Lotpaste
Bild 4. Prinzipdarstellung AeroJet
Anschließend werden die Bauteile bestückt. Sie werden über TapeFeeder zugeführt. Das Bestücken erfolgt mit dem
INOPLACER von ATN. Die Bauteile werden mit einer Vakuumpipette aus der geöffneten Tasche des Zuführtapes
entnommen, über der Kamera in der Position vermessen und dann passgenau auf dem LeadFrame bestückt. Der
Vorteil der INOPLACER ist dabei die im Achssystem integrierten Vision-on-Fly Kamera, d.h. die Vermessung erfolgt
auf dem direkten Weg zur Bestückstelle und unmittelbar in der Bewegung. Über eine Lichtschranke wird der passende
Moment getriggert und der Hochleistungsblitz bringt eine ausreichende und kurze Beleuchtung für ein scharfes
Bild.
Bild 5. Integrierte Vision-on-Fly-Kamera (VOF)
12 DVS 351