Die Technik des Vakuumloetens – Pressearbeit

Was bietet Löten mit Vakuumprofilen? – Teil 1

Im Bereich der Elektronikfertigung steigen ständig die Anforderungen an die sogenannte Voidfreiheit von Lötstellen, also eine Reduzierung bzw. Eliminierung von Hohlräumen in der Verbindungtechnik zwischen Bauteilanschlüssen und Anschlusspads. Durch immer neue Varianten der sogenannten Bottom Terminated Components (BTC), wie sie in Abbildung 1 zu sehen sind, stehen täglich neue Herausforderung an. Nicht nur die Anschlussgeometrien sind entscheidend, sondern es geht dabei um zahlreiche „Stolperfallen“. In dem ersten Teil werden die Motivation und einige Grundlagen näher erläutert, welche im zweiten Teil dann um Ergebnisse und Ausblicke erweitert wird.

Abbildung 1: BTC (Quelle: IPC7093)

Die Einflüsse in der Baugruppenfertigung auf die Lötstellenausbildung und somit auf deren Qualität ist durch unüberschaubar viele Parameter beeinflusst, die immer schwerer zu kontrollieren bzw. zu beherrschen sind. In der Abbildung 2 ist im Arbeitskreis Poren eine Übersicht zu den Faktoren aufgestellt worden, die einen ersten Einblick in die Komplexität der Problematik bietet. Hier gibt es allerdings nur 2 Faktoren die kurz vor der Produktion der betreffenden Baugruppen benutzt werden können, um die Ausbildung von Voids zu reduzieren bzw. zu eliminieren. Zum einen ist dies die Schablone und die Gestaltung der Apertur, zum anderen die Nutzung der Vakuumtechnologie beim Löten selber. Hierbei kann das Vakuumlöten sogar im Produktionsprozess als „Feuerwehr“ bei kurzfristig erhöhtem Auftreten von Hohlräumen genutzt werden. Somit steht der Nutzung von Standardverfahren und Standardlotprofilen für die Serienproduktion nichts im Wege und es kann flexibel auf evtl. Schwankungen der Zulieferqualität von Bauelementen, Leiterplattenoberflächen oder Chargenschwankungen bei Pasten reagiert werden.
In modernen Vakuumlötanlagen wie der Condenso X sind neben der Serienproduktion auch Reparaturen von Baugruppen möglich, bei denen im ersten Lötdurchgang auf einer herkömmlichen Lötanlage zu große Hohlräume erzeugt wurden und diese sonst als Verwurf gekennzeichnet werden müssten, da sie die Kriterien der einschlägigen IEC Normen oder IPC Richtlinien verletzen.

Die Definition des Vakuums ist in der DIN 28400 wie folgt definiert: „Vakuum heißt der Zustand eines Gases, wenn in einem Behälter der Druck des Gases und damit die Teilchenzahldichte niedriger ist als außerhalb oder wenn der Druck des Gases niedriger ist als 300 mbar, d. h. kleiner als der niedrigste auf der Erdoberfläche vorkommende Atmosphärendruck“.

Abbildung 2: Einflussfaktoren auf Voids und Zuverlässigkeit (Quelle: AK Poren; Dr. Wohlrabe, TU Dresden)

Dabei wird in modernen Vakuumanlagen nicht mehr nur vom einfachen Absaugen der Atmosphäre gesprochen, sondern der Anwender hat die Möglichkeit die Steilheit (Gradienten) des Vakuumziehens zu beeinflussen sowie Haltezeiten bei einem festgelegten Druck einzustellen. Damit erhalten vor allem sensitive Bauelemente oder auch Flussmittel die Möglichkeit sich den Umgebungsbedingungen anzupassen. Ansonsten sind Bauteilschädigungen oder Lotspritzer die Folge. Diese Vakuumprofilierung ist aber nicht als separater Schritt zu sehen sondern steht während des gesamten Lötprozesses zur Verfügung. Damit können sie neben dem Temperaturprofil auch die Druckverhältnisse anpassen und damit verschiedene Aufgaben erfüllen. Sie können in der Lotpaste aufgenommen Luftfeuchte vor dem Löten entfernen oder bei z.B. 160°C das gesamte Gas im Prozess austauschen, um entweder die aus dem Leiterplattenmaterial und der Lotpaste ausgedampften Residues zu entfernen, damit diese nicht im Kühlprozess auf Bauteilen kondensieren können (z.B. Optiken). Die Condenso X vom führenden Hersteller von Vakuumdampfphasenanlagen bietet hier dem Anwender die größtmögliche Flexibilität um auf verschiedenste Aufgaben zu reagieren und gezielt und reproduzierbar auf den Herstellungsprozess ihrer Baugruppe einzuwirken.
Als Vorschau auf den 2 Teil wird in der Abbildung 4 das verwendete Vakuum- und Temperaturprofil gezeigt, mit dem BGA- und QFN-Bauteile auf der Condenso X in der Fallstudie gelötet wurden. Dabei wurden die Baugruppen nicht nur mit und ohne Vakuum gelötet, sondern es wurde auch die Schablonenapertur variiert. Hier soll sich zeigen inwiefern das Voidergebnis in beiden Lötprozessen beeinflusst werden kann.

Abbildung 4: Ausgewähltes Vakuumprofil für die Lötaufgabe

Den Artikel „Was bietet Löten mit Vakuumprofilen?“ finden Sie z.B. in der Ausgabe PLUS 10.