Reflow-Löten
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Der Begriff Reflow-Löten oder Wiederaufschmelzlöten (engl.: reflow soldering) bezeichnet ein in der Elektrotechnik gängiges Weichlötverfahren zum Löten von SMD-Bauteilen. Bei der Herstellung von Dickschicht-Hybridschaltungen ist es das häufigste Lötverfahren.
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[Bearbeiten] Lötvorgang
- Im ersten Schritt wird beim Reflow-Löten das (Weich)lot in Form von Lötpaste vor der Bestückung auf die Platine aufgetragen. Hierin liegt der Hauptunterschied zu anderen Lötverfahren, wie Lötkolbenlöten, Tauchlöten oder Wellenlöten. Es gibt verschiedene Möglichkeiten des Lotauftrags, z. B. mittels Schablonendruck (Siebdruck), Dispenser, durch Lotformteile oder auch galvanisch.
- Im nächsten Schritt werden dann die Bauteile bestückt. Die Verwendung von Lötpaste hat den Vorteil, daß diese klebrig ist und so die Bauteile bei der Bestückung direkt an der Paste halten. Sie müssen also nicht eigens aufgeklebt werden.
- Beim Aufschmelzen des verbleiten Lotes zentrieren sich die bestückten Bauteile durch die Oberflächenspannung auf den Landepads und setzen sich ab. Bei bleifreien Loten (zb. SnAgCu) entfällt dieser Effekt fast vollständig.
[Bearbeiten] Gängige Reflow-Lötverfahren
[Bearbeiten] Heizplatte
Das mit Bauelementen bestückte Trägersubstrat wird auf eine Heizplatte gelegt und aufgeheizt. Nachdem das Lot gleichmäßig geschmolzen ist, wird das Trägersubstrat von der Platte genommen. Dieses Verfahren kann bei anorganischen Trägersubstraten eingesetzt werden. Hierbei wird das gesamte Trägersubstrat auf Löttemperatur gebracht. Organische Träger sind normalerweise infolge ihrer Glasübergangstemperatur (z. B. Glasübergangstemperatur bei Standardleiterplatte ca. 140 °C) für das Kontaktlötverfahren auf der Heizplatte nicht geeignet. Es ist beim Kontaktlötverfahren einseitige Bestückung möglich. Es gibt Systeme, bei denen das bestückte Trägersubstrat durch ein gleichzeitig angewendetes Vakuumverfahren lunkerfreie und daher extrem zuverlässige Lötverbindungen aufweist. Hauptanwendungsgebiete des Vakuumkontaktlöten sind das Löten von Leistungshalbleiterchips (Löten ohne gasförmige Einschlüsse), das hermetische Verschließen mittels Löten und das flußmittelfreie Kontaktieren. Durch den Einsatz einer Vakuumkammer kann inertes Prozessgas wie Stickstoff, reduzierendes Prozessgase wie Formiergas, bis 100 % Wasserstoff oder nassaktivierende Ameisensäure geregelt im Lötprozess eingesetzt werden. Um vollständig rückstandsfrei zu Löten kann im Vakuum eine Plasmaaktivierung, ein Verfahren aus dem Front End Bereich, während des Lötprozesses angewendet werden. Durch diese Front End Tauglichkeit können auch MOEMS, MEMS und auf Wafer Level Reflow gelötet werden. Natürlich bietet plasmaunterstütztes Löten auch für das Löten von Leistungshalbleiterchips eindeutige Vorteile, da der normalerweise nach dem Löten notwendige Reinigungsprozess vor dem Drahtbonden entfällt.
[Bearbeiten] Beheizte Formteile, Bügel und Stempel
Ein auf die Gehäuseform des zu lötenden Bauteils angepasster Stempel oder Bügel wird mit einer Widerstandsheizung erwärmt. Dieser drückt dann die Bauteilanschlüsse auf die Lötstelle und schmilzt das Lot auf. Die Heizung wird dann abgeschaltet und der Stempel erst nach dem Erstarren wieder abgehoben. Die Lötstellen federnder Bauteilanschlüsse können so sicher gelötet werden. In der Regel werden so nur einzelne Bauteile nacheinander gelötet.
[Bearbeiten] Infrarotstrahler
Die zu lötenden Platinen werden in Durchlauflötstrecken gelötet. Das Lötgut wird dabei von einem Fördersystem durch einen Ofen gefahren. Der Lötvorgang kann durch die Verweildauer in den verschiedenen Temperaturzonen gesteuert werden. Üblicherweise gibt es vier Zonen, eine zum Aufwärmen der gesamten Schaltung, die zweite zum Aktivieren des Flussmittels, die dritte zum Löten und die vierte zum Abkühlen. Das Reflowlöten mit Infrarotstrahler ist ein einfaches Verfahren, um Platinen in Serie zu fertigen. Wegen Abschattungseffekten bzw. der farbabhängigen unterschiedlichen Erwärmung von Bauelementen ist das Infrarotlöten nicht mehr Stand der Technik. Ersetzt wurde es durch das Konvektionslöten. Beim Vakuumlöten (lunker- und flussmittelfrei) ist die Übertragung der Wärme durch Strahlung, neben der Übertragung der Wärme durch Kontakt die physikalisch einzige Möglichkeit. Übertragung der Wärme durch Konvektion, ist im Vakuum wegen des fehlenden Übertragungsmediums nicht möglich. Daher wird beim Vakuumlöten sowohl die Übertragung der Wärme durch Kontakt (Kontaktlöten), als auch die Übertragung durch Strahlung genutzt.
[Bearbeiten] Vollkonvektions-Reflow-Löten
Die Vollkonvektions-Reflow-Lötsyteme ähneln den Infrarotstrahler-Systemen, jedoch wird hierbei Luft erhitzt und über ein Düsensystem an das Lötgut geführt. Dadurch erreicht man eine gleichmäßigere Wärmeverteilung, als es mit Infrarotstrahlern möglich ist. Ein weiterer Vorteil ist die größere Wärmekapazität des Ofens. In der Elektronikfertigung wird dieses Verfahren am häufigsten eingesetzt.
[Bearbeiten] Dampfphase (Kondensationslöten)
Das Dampfphasenlöten ist ein relativ komplexer Prozess. Hierbei wird die Energieabgabe beim Kondensieren von heißem Dampf an den kalten Teilen des Lötguts zum Erwärmen genutzt. Das Lötgut wird in eine Dampfatmosphäre eingebracht, diese umgibt eine zweite Schutzatmosphäre, die verhindern soll, daß sich die Gase frei verteilen können. Die maximale Löttemperatur ist dabei durch die Temperatur des Dampfs sehr genau definiert. Die Wärmeübertragung ist schnell und geometrieunabhängig. Durch die genau definierte Löttemperatur und die gleichförmige Erwärmung sind keine Überhitzungen der Bauteile möglich. Durch die inerte Gasatmosphäre findet keine Oxidation statt. Dies ermöglicht ein Löten ohne Flussmittel. Der Umgang mit den Gasen war in der Vergangenheit nicht unproblematisch, da diese gesundheitsschädlich und FCKW-haltig waren. Mittlerweile gibt es deutlich unkritischere Substanzen, z. B. Perfluoropolyether (PFPE). Einsatzschwerpunkt ist die Serienproduktion.
[Bearbeiten] Laserstrahl
Die Lötstellen werden mit einem Laserstrahl erhitzt, dieser kann punktgenau sehr viel Energie übertragen. Die Lötstelle wird zeitlich (Lötzeit ca. 0,2s - 0,4s) und räumlich sehr eng begrenzt erwärmt. Dadurch tritt an den Bauteilen nahezu keine thermische Belastung auf. Ein Ablegieren der Leiterbahnen kann vermieden werden. Aufgrund der hohen Kosten ist dieses Verfahren eigentlich nur in der Massenproduktion oder bei hochempfindlichen Bauteilen rentabel.
[Bearbeiten] Literatur
- Bell, Hans: Reflowlöten : Grundlagen, Verfahren, Temperaturprofile und Lötfehler. Bad Saulgau: Leuze, 2005. ISBN 3874802027
- Rahn, Armin: Bleifrei löten: Ein Leitfaden für die Praxis. Bad Saulgau: Leuze, 2004. ISBN 3874801950
