Kondensationslöten wird flexibler CondensoX-Serie von Rehm Thermal Systems erweitert um die kompakte Anlage CondensoXC

Rehm Thermal Systems und Apros Consulting

 Die elektronische Baugruppenfertigung hat durch die Weiterentwicklung von Reflow-Konvektionslötanlagen einen enormen Sprung nach vorn gemacht. Auf Grund der zunehmenden Komplexität der Baugruppen, Schmelzpunkt des Lotes und erlaubten Prozesstemperaturen der Bauteile, sind Konvektionsanlagen aber nicht immer das erste Mittel der Wahl. Für die Entwickler geht es stetig weiter. Konsequent wird in den Forschungsabteilungen der Hersteller an der Optimierung bestehender und der Entwicklung neuer Systeme gearbeitet – Qualitätssteigerung, Prozessoptimierung und Anwenderfreundlichkeit geben die Ziele vor.

Ein Verfahren, das sich in der Industrie durchgesetzt hat und immer mehr Anwendung findet, ist das Kondensationslöten – auch Vapourphase- oder Dampfphasenlöten genannt. Diese Art des Lötprozesses spielt ihre Vorteile klar im Bereich der Qualität der Ergebnisse aus.

Rehm Thermal Systems kann bei der Entwicklung und Herstellung von Reflow-Kondensationslötanlagen langjährige Erfahrung vorweisen und hat diese Erfahrung im Laufe der Jahre immer weiter ausgebaut. Neben dem Konvektionslöten beschäftigte man sich bereits Ende der 90er Jahre auch mit dem Kondensationslöten und konnte 2002 mit der KLS 400 Batch die erste Rehm-Anlage mit Kondensationslöttechnologie auf den Markt bringen. Diese war bereits zusätzlich mit einer Vakuumoption für voidfreies Löten ausgestattet. Auf dem Erfolg dieser Technologie wurde das Dampfphasenlöten im Hause Rehm weiterentwickelt und ist mit der heutigen CondensoX-Serie weltweit im Einsatz.

Kondensation oder Konvektion?

Kondensationslötanlagen haben gegenüber Konvektionsanlagen verschiedene Pluspunkte. Ein entscheidender Vorteil ist für viele Anwender, dass die maximal mögliche Temperatur der Baugruppe durch den Siedepunkt des zur Erzeugung des Dampfes verwendeten Mediums begrenzt ist. Für bleifreie Lote wird in aller Regel ein Medium mit einer Siedetemperatur von 240 °C verwendet. Dieser Dampf kondensiert solange auf der Baugruppe bis 240 °C erreicht werden, 241 °C sind aber nicht mehr möglich. Dies stellt sicher, dass die teils sehr empfindlichen Bauteile nicht überhitzt werden können und minimiert die Ausfallrate im Vergleich zu anderen Verfahren deutlich. Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, dass durch den Dampf eine inerte Atmosphäre erzeugt wird – somit ist kein zusätzlicher Stickstoff notwendig um eine Oxidation der Baugruppe zu vermeiden.

Galden als Medium

Als Wärmeträgermedien werden Perfluorpolyether (PFPE) eingesetzt – Galden^® der Solvay Solexis S.p.A. Die Dampfphase eines PFPEs ist sechsmal schwerer als Luft – das heißt, der Dampf bleibt über dem flüssigen PFPE „liegen“ und verdrängt die Restluft nach oben. Wenn nun also eine Baugruppe in die Dampfphase eintaucht, wird sie in einer inerten Atmosphäre erhitzt. Durch diese inerte Atmosphäre wird so die Oxidation der metallischen Bauteile vermieden. Die hervorragenden Wärmeübertragungskoeffizienten und dielektrischen Eigenschaften machen PFPE zum optimalen Medium für das Dampfphasenlöten. Ein weiterer großer Vorteil des Verfahrens ist die homogene Wärmeübertragung auf die gesamte Baugruppe.

Die Siedetemperatur des Galden^® wird der verwendeten Lotpaste angepasst. In den Rehm-Anlagen ist der Einsatz von unterschiedlichen Galdentypen, von Galden 200 – Galden 260, möglich. Üblicherweise wird Galden 240 verwendet, das bei der Kondensation unter Normaldruck eine Maximaltemperatur von 240 °C erreicht.

Die CondensoX-Serie und ihre Vorteile

 

• Horizontaler Transport

Die Vorteile durch den Einsatz eines Mediums haben alle Dampfphasenlötanlagen gemeinsam. Die CondensoX-Serie hat gegenüber den am Markt befindlichen Systemen jedoch zwei wesentliche Pluspunkte. Zum einen werden bei den konventionellen Anlagen die Baugruppen vertikal in eine nach oben offene Siedekammer in den Dampf abgesenkt und anschließend im aufgeschmolzenen Zustand nach oben herausgenommen. Dies kann zum Verrutschen von Bauteilen durch die Vertikalbewegung führen. Bei den Rehm-Systemen werden die Baugruppen im aufgeschmolzenen Zustand nicht mehr bewegt.

 

• Injektionsprinzip und Drucksteuerung

Zum anderen setzt Rehm eine patentierte Injektionstechnik ein. Dabei wird die Baugruppe in eine hermetisch dichte Prozesskammer eingebracht und zur Erzeugung des Dampfes das Galden^® in genau der richtigen Menge zum richtigen Zeitpunkt auf eine beheizte Bodenplatte eingespritzt. Dies ermöglicht durch die Beeinflussung von Galdenmenge und Umgebungsdruck die exakte Steuerbarkeit des Prozesses und des Temperaturprofils.

Durch die Injektion des Mediums auf die beheizte Bodenplatte der Vakuumkammer kann sich der Dampf frei in der Prozesskammer ausbreiten. Die Vakuumkammer ermöglicht die Erzeugung eines Vakuums vor dem eigentlichen Löten. Hierdurch wird die Dampfausbildung nochmals verbessert. Nach Beendigung des Lötprofils wird, ohne dass die Baugruppe hierfür bewegt werden muss, direkt in der Prozesskammer ein Vakuum erzeugt.

Die Möglichkeit, den Druck nicht nur nach dem Lötvorgang, sondern gezielt während des Lötens als Prozessparameter einzusetzen, ist eine Abgrenzung zu den üblichen Dampfphasenlötanlagen. Konventionell arbeiten sie als sogenannte „offene“ Systeme, d.h. die Prozesskammer ist offen und dem äußeren Luftdruck ausgesetzt. Im Unterschied hierzu wird bei den CondensoX eine vakuumdichte Prozesskammer verwendet. Der Siedepunkt einer Flüssigkeit hängt naturgemäß vom Luftdruck ab. Die CondensoX-Anlagen erlauben es, diese Tatsache gezielt zu nutzen, um über eine Druckanpassung in der Prozesskammer den Siedepunkt des Galden^® zu variieren.

Besonders für Dienstleister, die nicht ausschließen können, dass verschiedene Lote mit unterschiedlichen Siedepunkten verarbeitet werden müssen, bietet diese Möglichkeit große Vorteile. Muss ein konventionelles bleihaltiges Lot mit niedrigerem Schmelzpunkt gelötet werden, so wird im Lötprofil lediglich der Druck entsprechend eingestellt. Die Anlage wird mit dem zum Lot mit dem höchsten Schmelzpunkt passenden Galden^® befüllt und über das entsprechende Lötprofil wird der Prozessdruck entsprechend vorgegeben, um den Siedepunkt zu reduzieren. So muss das Medium nicht gewechselt werden. Diese Möglichkeit vermeidet nicht nur die Bevorratung zweier Medien, sondern auch das lästige und sorgfältige Reinigen der Anlage beim Wechsel, um die Verunreinigung beider Medien zu verhindern.

 

• Galdenfilterung

Beim Rehm-Prozess in einer Kammer bleibt das Galden^® in einem geschlossenen Kreislauf: es wird injiziert, verdampft, abgesaugt, kondensiert, gereinigt und wieder dem Produktionsprozess zugeführt. Die Anlagen der CondensoX-Serie sind wohl die einzigen Vapour-Phase-Anlagen, bei denen mit jedem Lötzyklus 100 % des benutzten Mediums gefiltert und anschließend weiterverwendet wird.  Die Verunreinigungen werden bei der vollständigen Filtrierung des verwendeten Galden^® gezielt und sauber in einem Filter abgeschieden werden.

 

• WPS 2.4 – Kontinuierliche Temperaturerfassung

Außer der Idee, immer die gleichen Temperaturprofile für eine Fertigungslinie passgenau reproduzieren zu können, ist ein weiteres Ziel in der modernen Fertigung elektronischer Baugruppen heute auch, den Werdegang einer Baugruppe detailliert nachverfolgen zu können (Traceability). Auch das war immer im Fokus der Entwickler von Rehm Thermal Systems. Dafür müssen natürlich die Temperatur- und Druckprofile der einzelnen Chargen auch erfasst und dokumentiert werden können.

Im (Vakuum-)Dampfphasenlötprozess war das lange nicht möglich. Temperaturverläufe wurden in den meisten Anlagen über Vorwärmzonen und das Eintauchen in die Dampfphase, quasi mechanisch gesteuert. Mit dem patentierten Injektionsverfahren von Rehm kann das Temperaturprofil exakt geregelt werden. Nur muss die Profilierung auf konsistente Daten zurückgreifen können. Die Erfassung solcher Daten war sehr aufwändig und schwierig. Die Produktion musste in einem Testlauf immer wieder unterbrochen werden, um die Daten auszulesen.

Das WPS 2.4 ist ein weltweit neuartiges Messsystem für das Kondensationslöten, welches zur kontinuierlichen Kontrolle des Temperaturprofils eingesetzt werden kann. Das Messsystem basiert auf der SAW-Technologie (surface acoustic waves). Die Verbindung zwischen dem Sensor und der Auswerteeinheit ist drahtlos. Das WPS 2.4 besteht aus einem Sensor mit Antennen sowie einer Funk- und Auswerteeinheit.

Der Temperatursensor wird direkt am Warenträger der CondensoX-Lötsysteme von Rehm angebracht. Er arbeitet passiv und benötigt für die Messung keine externe Energieversorgung. Ohne störende Kabel und ohne Batterie kann ein komplettes Lötprofil ermittelt und in Echtzeit an die Anlagensoftware übertragen werden – ohne die Produktion zu unterbrechen oder zu beeinflussen. Das Tool wurde speziell für die CondensoX-Serie mit optimierten Antennen für Prozesskammer und Kühlstrecke angepasst. Softwaregestützte Dokumentations- und Auswertefunktionen von Rehm (Rehm Recorder) ermöglichen ein neues Traceability-Level.

Für jedes neue Produkt muss vor dem eigentlichen Lötvorgang ein umfangreiches Lötprofil erstellt werden, in welchem alle prozessrelevanten Parameter wie Temperatur, Galdenmenge, Zeitverlauf oder Druck festgelegt sind. Mit dem WPS 2.4 kann die Temperaturkurve, die mit der Profilierung erstellt wurde, während der Produktion präzise und lückenlos überwacht und dokumentiert werden. Das Tool begleitet den kompletten Lötprozess – von der Vorwärmung über die Peakzone bis zum Ende der Abkühlphase. Der Sensor des WPS 2.4 wird dafür direkt am Warenträger auf Höhe der zu lötenden Baugruppe angebracht. Eine Antenne des WPS 2.4 befindet sich innerhalb der Prozesskammer der CondensoXS-Anlage, eine weitere außen in der Kühlzone. Während des Lötens misst der Sensor die Temperatur kontinuierlich und generiert als innovatives Werkzeug rückverfolgbare Daten.

Einer der Vorteile dieses Systems ist, dass die Messfühler nicht an fixen Orten in den Anlagen montiert sind, sondern mit den Baugruppen durch den gesamten Prozess laufen und die Daten in Realtime an die Steuerungssoftware übertragen.

 

• Integrierter Prozessrekorder

Prozesstechnisch werden die Anlagen der CondensoX-Serie durch den integrierten Prozessrekorder abgerundet. Er ersetzt externe Temperaturrekorder und zeichnet außer den Temperaturen auch den Druck auf. Denn eines ist sicher: wird im Prozess Vakuum eingesetzt – sei es vor, während oder nach dem Lötvorgang zur Voidreduzierung – dann ist der Druck ebenfalls ein Prozessparameter, welcher dokumentiert werden muss.

Datenerfassung und Traceability erfolgen auf einem bisher nicht gekannten Niveau – ohne die Fertigung unterbrechen zu müssen. Lötprofile – Temperatur und Druck – sind so exakt erfasst und können jederzeit für die Serienproduktion abgerufen und präzise reproduziert werden.

Das Produktportfolio

Seit 2006 ist die CondensoX-Serie erfolgreich auf dem Markt etabliert – selbstverständlich mit integrierbarer Vakuumtechnologie. Die Konfiguration der einzelnen Modelle der CondensoX-Serie unterscheidet sich vor allem bei den umsetzbaren Taktzeiten – prozesstechnisch sind die Anlagen auf dem gleichen Level. Von der kleinen Anlage mit manueller Beladung bis hin zur großen vollautomatisch gesteuerten Inline-Anlage für die große Serie.

Mit der Einführung der CondensoXC wurde nun das Portfolio um eine kompakte Anlage mit einer Stellfläche von nur 2,3 m² erweitert. Diese Anlage ist speziell für kleinere Serien konzipiert und eignet sich ebenfalls hervorragend für die Prototypenfertigung.

Das größte Modell der Serie ist die CondensoX-Line – eine Dampfphasenlötanlage, bei der die Bauteile, dank des 3-Kammer-Verfahrens, im Durchlaufverfahren inline, mit automatisierter Beladung, verarbeitet werden. In einer ersten geschlossenen Kammer werden die Baugruppen mit Stickstoff gespült, anschließend fahren sie in die eigentliche Prozesskammer. Erst danach werden die Baugruppen in die Kühlkammer überführt und in inerter Atmosphäre (mit weniger als 100ppm Restsauerstoff in der Atmosphäre) kontrolliert schonend abgekühlt. Der gesamte Verarbeitungsprozess findet in einer durchgehend hermetisch abgeschlossenen, sauerstoffarmen Umgebung statt. Die Oxidation metallischer Materialien wird so konsequent vermieden.

Diese Anlage ist besonders für große Volumina geeignet. In den Weiterentwicklungen wurde der Vorteil der kurzen Taktzeiten, mit dem Konvektionslötanlagen punkten konnten, und der Vorteil der hohen Qualität der Ergebnisse, der auf Seiten der Kondensationslötanlagen liegt, bestmöglich miteinander kombiniert.

Alles in allem überzeugt die Verfahrenstechnik der CondensoX-Serie mit ihren prozesstechnischen Vorteilen und auch deutlichen Einsparpotenzialen, nicht nur, weil die Anlagen mit nur einer Prozesskammer wesentlich kompakter sind und weniger Platz benötigen. Auch wird durch den geschlossenen Kreislauf des Mediums, die Einsparung des Galden^® auf über 50 % (!) beziffert. Bei einem Preis für das 5kg-Gebinde ab 450 Euro summiert sich schnell ein stattlicher Betrag.

Die Entwicklungsabteilung von Rehm Thermal Systems steht für Streben nach sinnvoller Innovation und Nachhaltigkeit sowie kontinuierliche Weiterentwicklung des Portfolios. Die Anforderungen der Industrie steigen stetig weiter. Und es wird auch in Zukunft ein wechselseitiger Prozess bleiben, in dem sich alle Beteiligten gegenseitig, im Dienst des Fortschritts, anspornen und inspirieren werden.

 

Weitere Informationen: www.rehm-group.com