Das selektive Miniwellenlöten nimmt weiter an Bedeutung zu, überzeugend sind die Vorteile hinsichtlich Lötqualität und Flexibilität. Ein Nachteil bleibt die begrenzte Lebensdauer der Lötdüse. Doch in allen Bereichen gibt es große Fortschritte. Der folgende Beitrag zeigt, wie Düsen-Standzeiten mit einfachen Mitteln verbessert werden können und welche Dimensionen Ersa Kunden mit den neuen VERSA®EXTENT Düsen erreichen.
Hauptaufgabe der Lötdüse ist es, das flüssige Lot aus dem Tiegel in passender Form zur Baugruppe zu leiten. An der Spitze der Düse stellt sich die namensgebende Miniwelle ein, mit der die Lötstellen benetzt werden. Die Geometrie der Düse bestimmt die Ausprägung der Welle. Heutzutage verwenden nahezu alle Anwendungen benetzbare Lötdüsen, was bedeutet, dass die Oberfläche der Düse mit Lot reagiert wie bei Leiterplatten oder Bauteilen.
Warum benetzbare Lötdüsen?
Lötdüsen mit einer benetzbaren Oberfläche ermöglichen eine kompakte und kontrollierte Miniwelle, die außerdem rotationssymmetrisch ausgeführt werden kann. Dies ermöglicht, mit der Düse in jede Richtung zu verfahren ohne Änderungen in der Wellen-Geometrie.
Der entscheidende Punkt ist die sogenannte Benetzungskraft der Düsenoberfläche, die das austretende Lot aktiv nach unten zieht und damit zur Bildung eines gleichmäßigen Lotfilms über die gesamte Oberfläche führt. Diese aktive Kraft in Richtung Düse verbessert das Abrissverhalten der Welle und damit Parameter wie Lötstellenausprägung oder Brückenbildung. Je größer die Benetzungskraft, umso kleiner ist die Chance, dass zu viel Lot auf der Baugruppenseite verbleibt.
Lötbrücken entstehen, wenn die Haltekräfte auf der Baugruppenseite im Moment des Abrisses höher sind als die Kräfte, welche weg von der Lötstelle wirken. Das sind in der Praxis vor allem Benetzungskräfte und die Oberflächenspannung, aber auch die Viskosität des Lotes spielt eine Rolle. Man kann sich das Ganze wie eine Waage vorstellen. Da diese Parameter dynamisch sind und unterschiedlich ausfallen können, ist die Ausbildung von Brücken nicht immer reproduzierbar. Je stärker die Kräfte aber in Richtung Baugruppe ausfallen, zum Beispiel durch ein ungünstiges Layout, desto wahrscheinlicher wird an dieser Stelle eine Brücke entstehen. Die Waage hängt dadurch sehr weit auf eine Seite.
Grenzen der Benetzbarkeit
So hilfreich die Benetzbarkeit ist, wenn sie funktioniert, so kritisch ist es, wenn sie nachlässt. Die vorher beschriebenen Eigenschaften gehen verloren und der Prozess wird instabil. Es gibt zahlreiche Parameter, die zum Nachlassen der Benetzbarkeit führen können, aber die Ursache ist meist die gleiche: Oxidation. Oxidation ist in der Praxis der Hauptausfallgrund für selektive Lötdüsen. Durch die laufende Benetzung mit flüssigem Lot wird Material ablegiert, was zu Veränderungen in der Kontur der Düse führen kann. In den meisten Anwendungen tritt aber eine nicht mehr zu beseitigende Oxidation der Oberfläche auf, bevor die Ablegierung ein kritisches Ausmaß annehmen kann. Grundsätzlich vermeiden lässt sich Oxidation nicht. Die bekannten benetzbaren Materialien neigen alle zur Reaktion mit Sauerstoff, aber man kann mit relativ einfachen Mitteln den Einfluss verringern.
Oxidation verringern heißt Lebensdauer verlängern
Alles, was dafür sorgt, dass weniger Sauerstoff an das Düsengrundmaterial kommen kann, wird die Lebensdauer einer Lötdüse verbessern. Das Naheliegendste ist eine ausreichende und ungestörte Stickstoff-Atmosphäre. Dazu zählen die Reinheit des Stickstoffs, der Druck in der Versorgungsleitung und eine leckfreie Gasführung zur Spitze der Düse. Genauso wichtig ist die maximal mögliche Bedeckung der Düse mit Lot, denn wo Lot fließt, ist die intermetallische Phase abgedeckt und kommt nicht mit Sauerstoff in Kontakt. Daher sollte der Lotfluss im Standby nicht zu stark reduziert werden und die Düse beim Entnehmen vollständig mit Lot bedeckt sein. Im Betrieb kann eine gleichmäßige Lotbedeckung nicht dauerhaft sichergestellt werden, zum Beispiel beim „Absaugen“ oder beim Bahnlöten. Hier gilt es aber, die Zeit unter Sauerstoffexposition zu minimieren. Entscheidend ist hier auch der Restsauerstoffgehalt, der im Idealfall unter 100 ppm liegen sollte. Da leichte Oxidationen unvermeidlich auftreten, kommt dem Reaktivieren der Lötdüsen eine große Bedeutung zu. Das kann manuell oder automatisch erfolgen, wichtig sind die Frequenz und Regelmäßigkeit. Wenn man das beachtet, kann man die Standzeit jeder Lötdüse erheblich verlängern.
Was macht VERSA®EXTENT anders?
Die VERSA®EXTENT Lötdüsen unterscheiden sich von den bisherigen Lötdüsen dadurch, dass die Düsen an der Spitze strukturiert sind. Diese Formgebung ist neben weiterentwickelten Materialien der Hauptfaktor für die verbesserten Eigenschaften der Düsen. Durch die regelmäßig eingebrachten Nuten an der Spitze vergrößert sich in diesem Bereich die Oberfläche der Düse. Mehr Oberfläche bedeutet höhere Benetzungskräfte, was höhere Prozessstabilität ermöglicht und zu geringerer Brückenbildung führt. In internen Versuchen konnte damit die Brückenbildung um bis zu 50% reduziert werden. Die tatsächliche Reduzierung in realen Anwendungen ist leider kaum vorauszusagen, was nachvollziehbar wird, wenn man sich erneut das Bild der Waage vor Augen führt. Wenn andere Einflussfaktoren stark ins Gewicht fallen, kann selbst das optimierte Abrissverhalten der VERSA®EXTENT Düse eine Brückenbildung nicht immer vollständig ausschließen. Dennoch wird das Brückenrisiko in jedem Fall reduziert und die allgemeine Lötstellenqualität verbessert.
Unerwartet hohe Standzeit
Neben der größeren Oberfläche führt die Kontur der VERSA®EXTENT Düsen auch zu einer Stabilisierung der Lötwelle und einem erbesserten Ablaufverhalten. Diese Faktoren sollten sich positiv auf die Standzeit auswirken, weil die Phasen, in denen die Düsenoberfläche unbenetzt ist, kürzer ausfallen. Schon während der Entwicklung der Düse wurde ein entsprechender Einfluss vermutet, aber für belastbare Ergebnisse brauchte es einen Feldeinsatz. Unter den Feldtestkunden, welche die VERSA®EXTENT Düsen erprobten war die Phoenix Contact GmbH & Co. KG. Der verantwortliche Prozessingenieur Sebastian Sieg über die Ergebnisse: „Wir gehörten zu den ersten Kunden, die die VERSA®EXTENT Düsen testen konnten. Zwar hatten wir zuvor bereits verschiedene Düsenvarianten erfolgreich im Einsatz – doch die VERSA®EXTENT Düsen heben sich deutlich ab. Mit der ersten 3/6-mm-Düse erreichten wir im Dreischichtbetrieb eine Standzeit von vier Monaten bei konstant guten Ergebnissen.“
Erfolgreich im Einsatz
Inzwischen werden VERSA®EXTENT Düsen bereits bei mehr als 100 Kunden weltweit erfolgreich eingesetzt. Die Ergebnisse sind durchweg positiv. Alessandro Bonara, Head of Global Prefabrication & Electronic bei der ASMPT GmbH & Co. KG: „Die optimierte Düsengeometrie der VERSA®EXTENT bringt die adhäsiven Kräfte ideal zur Wirkung für reproduzierbare Ergebnisse sowie deutlich längere Standzeiten. Wir sind wirklich begeistert von dieser Technik.“
Auch bei Tobias Kögler, Prozessverantwortlicher bei der Zollner Elektronik AG in Zandt, konnte die VERSA®EXTENT Düse überzeugen: „Bei einem sehr anspruchsvollen Produkt in hoher Stückzahl häuften sich die verbrauchten Düsen schnell an. Wir suchten daher nach einer alternativen Lösung. Ersa schlug vor, für unsere Düse (8/12 mm, Sonderlänge) eine VERSA®EXTENT Version zu entwickeln. Schon wenige Wochen später erhielten wir eine Musterserie und konnten sie direkt im Serienbetrieb testen. Das Ergebnis hat uns überzeugt: Unter identischen Bedingungen erreichten die Düsen eine rund viermal längere Standzeit. Deshalb haben wir den Prozess umgehend auf die neuen Düsen umgestellt.“
Fazit: Nach mehr als zwei Jahrzehnten kontinuierlicher Weiterentwicklung hatten selektive Lötdüsen bereits ein beachtliches Niveau erreicht. Mit der VERSA®EXTENT Reihe zündet Ersa nun die nächste Evolutionsstufe. Diese neue Düsenfamilie ist die Antwort auf die stetig steigenden Anforderungen der modernen Elektronikproduktion. Ebenso entscheidend wie das Material bleiben Know-how und Prozessverständnis, um das Maximum aus den bestehenden Anlagen herauszuholen und auch zukünftig wettbewerbsfähig zu bleiben.
