Multivacuum und Dynamic Profiling

die neue Referenz für leistungsfähige lunkerfreie SMDVakuumlötprozesse

Worldwide leading in vapor phase soldering technology

Der Lötfehler Lunkerbildung

Was sind Lunker / Voids?

Kristalline Einschlüsse von Flussmittel

Gasblasen durch Ausgasungsprozesse von Lösemitteln aus der Lotpaste

Ausgasungen aus nicht vollständig abgeschlossenen Polymerisations-prozessen(z.B. Lötstopplack)

Eingelagerte Feuchtigkeit aus Baugruppen und Bauelementen

Reaktive Gase, die bei der Beseitigung der Oxydschichten durch Flussmittelentstehen

Eingeschlossene Luft aus Rakel- und Bestückprozess (Ausschöpfen von Lotpastedurch den Rakel bei fehlendem Rakelsupport)

Eingeschränkte Wärmeabfuhr aus Bauteilen zur Leiterplatte (heat sink) Reduzierte Festigkeit von Lötstellen Reduzierte Vibrationsbeständigkeit Leistungseinschränkungen im Hochfrequenzbereich Reduzierte elektrische Belastbarkeit von Bauteilen (z. B. Powermodule)

Welche negativen Einflüsse haben Lunker

Einsatz optimierter Lotpasten Verwendung spezieller Geometrien im Pastendruck, um ein Ausschöpfen der

Lotpaste durch den Rakel zu verhindern- Gut: z. B. Stern- oder Kreuzgeometrien bekannt als Drainagedruck- Schlecht: z. B. flächige, raster- oder punktförmige Geometrien

Exakte Anpassung des Lotpastenvolumens an die Anschlussgeometrie Trocknen von Baugruppen und Bauteilen Auf Tempern verzichten, da dies die Oxidation begünstigt Verwenden von Metallisierungen mit niedrigem Oxidationsgrad

Durch die Optimierung aller oben genannten Parameter können Lunkerratenzwischen 10 und 15 % in der Serie erreicht werden.

Maßnahmen zur Reduktion des Lunkeranteilsvor dem Löten

Einsatz der Dampfphasen Vakuumlöttechnik / MULTIVACUUMSicherstellung eines exakt reproduzierbaren Lötprofils, das auf dieGegebenheiten des Produktes optimiert ist mittels DYNAMIC PROFILING

Durch den Einsatz der Dampfphasen Vakuumlöttechnik können Lunkerraten bisweit unter 1 % in der Serie reduziert werden selbst bei der Verlötung vongroßflächigen Strukturen.

Maßnahmen zur Reduktion des Lunkeranteilswährend des Lötprozesses

Wirkungsweise des Vakuums

Unterdruck lässt Lunker / Void wachsen -> Bewegung in Richtung Begrenzungder Lötstelle

Durch weiteres Wachstum durchbricht der Void den flüssigen Meniskus Der Void entlüftet und wird kleiner, die Entlüftungsöffnung schließt sich Durch die Rückkehr zum Normalathmosphärendruck wird der Restvoid zu

seiner endgültigen minimalen Größe komprimiert Abkühlen der Lötstelle und „Einfrieren“ des voidarmen Zustands

Beispiel: Verhalten eines Luftballons im hermetisch dichten Glaskolben bei Über- und Unterdruck

Trends und Grenzen beim Vakuumlöten Immer größer werdende Lötflächen führen zwangsweise dazu, dass beim

Druck- und Bestückprozess höhere Luftmengen in der Lötstelle eingeschlossenwerden (z.B. durch Ausschöpfen von Lotpaste wegen nicht ausreichenderRakelunterstützung). Werden diese Lufteinschlüsse/Lunker nicht entfernt,führt dies neben den bereits genannten negativen Einflüssen außerdem zuLotspritzern.

Die immer größer werdenden Lötflächen und das damit verbundene höherePastenvolumen führen außerdem dazu, dass Lunker immer schwierigerausgetrieben werden können. Ein einfacher Vakuumschritt kann diese Lunkernicht in jedem Fall mehr sicher aus der Lötstelle herausarbeiten.

Die mit den verschiedenen Lötlegierungen einhergehenden unterschiedlichenViskositäten des geschmolzenen Lotes beeinflussen die Bewegungsfreudigkeitder Lunker während des Vakuumprozesses.

Die Lösung: MULTIVACUUM

Durch mehrere frei einstellbare Vakuumschritte kann der Vakuumprozessoptimal an die Erfordernisse des einzelnen Produktes angepasst werden.

Stufe 1: Ein Vakuumschritt vor dem LötenBeim Lotpastendruck eingeschlossene Luft wird entfernt; es erfolgtnoch keine thermische Behandlung. Bestimmte Lösemittelanteile ausder Paste verdampfen schon hier.

Stufe 2: Ein oder mehrere Vakuumschritte nach dem LötenEnddruck und Verweilzeiten sind jeweils produktspezifisch einstellbar.Ein Doppelvakuumschritt nach dem Löten wird insbesondere bei sehrgroßen Lötflächen empfohlen.

Funktion Vorvakuum

Große Lufteinschlüsse nach dem Druckenwerden vor dem Löten entfernt.

Lötstelle ohne Vorvakuum:Große Lufteinschlüsse, hervorgerufendurch ausgeschöpfte Lotpaste beimDrucken.Problem: Viele Lotspritzer beim Startdes Hauptvakuums.

Ergebnis nach dem Vorvakuum:Deutlich weniger Lufteinschlüsseschon zu Beginn des Lötprozesses.

Funktion doppeltes Hauptvakuum

Schritt 1 transportiert Gasblase in Randbereiche Schritt 2 treibt Gasblase vollständig aus

Lötstelle vor Vakuum Ergebnis nach doppeltem Hauptvakuum

Unterstützung des Vakuumprozesses

Die Ergebnisse des MULTIVACUUM-Prozess lassen sich durch einproduktoptimiertes Temperaturprofil unterstützen und verbessern.

Durch den Einsatz von DYNAMIC PROFILING kann dieses produktoptimierteTemperaturprofil einfach erreicht werden.

+

Das produktoptimierte Lötprofil –die Herausforderung im Lötprozess

Automatische Erstellung und Regelung des Lötprofils Echtzeitmessung jedes Lötvorgangs auf Produktebene Konstantes Profil bei jedem Lötvorgang Protokollierbar im Sinne der Qualitätssicherung (Traceability) Einsetzbar von Losgrösse eins bis zur Serienfertigung Einfache Erstellung eines Lötprofils anhand vorgegebener Sollwerte

Parameter eines Lötprofils1. Vorwärmung: Leistungseingabe (ETR) zur Bestimmung des

t1 t2 Vorwärmgradienten

2. Haltezone: Starttemperatur der Haltezone in °Ct2 t3 Haltezeit (in sek)

3. Löten: Leistungseingabe (ETR) zur Bestimmung des Lötgradientent3 t4

4. Zeit über Liquidus: Haltezeit (in sek) nach Erreichen der Endtemperaturt4 t5

t1 t2 t3 t5t4

Tin°C

T1

T2

T3

t in sec.

t6

1

23

4

Die Lösung: DYNAMIC PROFILING

Verwendung eines Messnormals, das zusammen mit dem Lötgut in der Lötanlageerwärmt wird.- Die Temperaturprofile von Messnormal und Produkt sind nahezu identisch.- Das Thermoelement zur Profilermittlung ist im Messnormal eingebettet.- Vor jedem Lötvorgang wird die Temperatur des Messnormals durch aktive Kühlungan die Temperatur des Produkts (Raumtemperatur) herangebracht.

Das Temperatur- / Zeitverhalten (Aufwärmverhalten) des Messnormals wird alsStellgröße zur Profilregelung verwendet.- Eine aktive Regelung des Temperaturprofils erfolgt während jedem Lötvorgang.- Einflüsse auf den Prozess durch z.B. hervorgerufen durch z.B. unterschiedlicheBeladung oder unterschiedliche Temperatur des Werkstückträgers werden ausgeglichen.

Eine gesicherte Rückverfolgbarkeit (Traceability) und Kontrolle bzw. Nachprüfung derLötprofile ist mit dem Softwaretool ASSCON- BDE/SQL-Datenbank jederzeit möglich

DYNAMIC PROFILING

- unterschiedliche Messnormalemit eingebetteten Thermoelementenzur Erfassung unterschiedlicher Produkte

Kühlmediumzuführung 3

1

4

4

3

21

Erstellung eines Lötprofils in der Praxis

Vorgehensweise bei neuenProdukten mit Hilfe vonDYNAMIC PROFILING:

Die Referenzbaugruppe (GoldenBoard / GB) wird einem Lötzyklusunterzogen. Dabei werden dieProfile der Referenzbaugruppeund der Messnormale auf-gezeichnet.

Anschließend wird dasjenigeMessnormal ausgewählt, dessenProfil dem derReferenzbaugruppe am bestenentspricht.

Das gewünschte Lötprogrammwird erstellt und dasausgewählte Messnormalzugeordnet.

231

GB

Archivierung von Lötprofilen(ASSCON-BDE / SQL-Datenbank)

Alle relevanten Anlagen-daten, sowie Temperatur-profile können mittelsBetriebsdatenerfassunggespeichert und archiviertwerden.

Einsatzmöglichkeiten: Traceability Lötprofiloptimierung Golden Board Messung Prozessvisualisierung

Der Funktions- und Leistungsumfang derBDE Software variiert je nach Maschinentypund Ausrüstung der Anlage.

Profilbeispiele aus der Praxis

Linear- und Rampenprofil

Unterschiedliche Gradienten

Verschiedene Haltezeiten

Verschiedene Zeiten über Liquidus

Verschiedene Haltetemperaturen

Lötprofile für bleihaltige und bleifreie Prozesse

Kompensation unterschiedlicher Startbedingungen

Wiederholgenauigkeit

Linear- und Rampenprofil

Linear- und Rampenprofile sindje nach Produktanforderungeinfach zu realisieren

Vergleich: Linear- und Rampenprofil

Stufenlos verstellbarer Gradient

Der Gradient kann je nachProduktanforderungverändert werden

Verschiedene Gradienten

Verschiedene Temperaturen der Haltezone

Die Starttemperatur derHaltezone kann an Produkt-vorgaben angepasst werdenz.B. für unterschiedlicheAusgasungstemperaturenvon Lotpasten

Vergleich: hohe und niedrige Starttemperatur der Haltezone

Verschiedene Haltezeiten

Die Haltezeit kann anProduktvorgaben angepasstwerdenz.B. für längeres Ausgasender Lotpaste um geringereLunkerraten zu erreichen

Vergleich: kurze und lange Haltezeiten

Verschiedene Zeiten über Liquidus

Zeit über Liquidusindividuell nachProduktanforderungeinstellbar

23Vergleich: verschiedene Zeiten über Liquidus t1 < t2

Löten mit und ohne Vakuum

Löten mit Vakuum minimiert die Lunkerrate Die Vakuumbehandlung startet nach

Beendigung des Lötens Lunkerraten beim Löten von BGAs, Flip-

Chips, Leistungsmodulen usw. bis unter0,1% möglich

Vergleich: identischer Lötverlauf mit und ohne Vakuum.

Bleihaltig und bleifrei in einer Maschine Max. Löttemperatur

bleihaltig T1 Max. Löttemperatur

bleifrei T2 T - bleihaltig ist je nach Produkt geringfügighöher, da der Lötvorgang vor Erreichen derDampftemperatur abgebrochen wird.

Vergleich: bleihaltiger und bleifreier Lötzyklus mit identischer Dampftemperatur(Galden LS 230)

Vergleich verschiedener Startbedingungenz.B. kalter / heißer Träger

Werden die zeitlich versetztenProfile übereinandergelegt ist dasgleichbleibende Verhalten in denrelevanten Bereichen deutlichsichtbar

T = T kalter Träger

= T heißer Träger

Wiederholgenauigkeit

Diese Grafik zeigt dieWiederholgenauigkeit vonsieben aufeinanderfolgendenLötzyklen

T2

T1

Vielen Dank

Diese Präsentation ist Eigentum der ASSCON Systemtechnik-Elektronik GmbH, Messerschmittring 35,86343 Königsbrunn, Germany.