Was ist Reflow-Löten?
Das Reflow-Löten ist eines der Lötverfahren, die in der PCBA Verfahren. Es wird als Reflow-Löten bezeichnet, da das Lot während des Prozesses vom festen in den flüssigen Zustand übergeht und anschließend wieder vom flüssigen in den festen Zustand zurückkehrt. Beim Reflow-Löten wird die Lötpaste mithilfe des Heizsystems im Reflow-Ofen geschmolzen, sodass die SMD-Bauteile und die Leiterplattenpads miteinander verlötet werden und eine elektrische Verbindung herstellen.
Da sich die SMT-Gehäusetypen ständig weiterentwickeln, hat auch der Reflow-Ofen mehrere Entwicklungsgenerationen durchlaufen. Bei PCBA-Produkten für Computer ist das Reflow-Löten mit Infrarotstrahlung und Heißluft das gängigste Verfahren. Infrarotstrahlung zeichnet sich durch eine hohe Durchdringungskraft, eine hohe thermische Effizienz und einen geringen Energieverbrauch aus. Heißluft sorgt für eine gleichmäßigere Temperaturverteilung. Zusammen ermöglichen sie ein gutes Löt Ergebnis.
Einsatz von Halterungen beim Reflow-Löten
Nehmen wir als Beispiel ein Server-Motherboard. Nach der SMT-Bestückung und vor dem Reflow-Löten benötigt die halbfertige PCBA in der Regel eine Halterung, um sie zu stützen. Leiterplatten können sich beim Erhitzen im Reflow-Ofen leicht verformen. Verformt sich die Leiterplatte, kann dies zu Problemen mit Steckverbindern, offenen Lötstellen bei BGAs und anderen Störungen führen. Einige kleine PCBA-Platinen benötigen im Reflow-Ofen keine Halterung, beispielsweise PDB-Platinen, Riser-Karten und HDD-Backplanes.
Eine Reflow-Trägerhalterung sollte nicht nur anhand der Leiterplattengröße, sondern auch anhand der Bauteilanordnung ausgelegt werden. In der Nähe einiger schwerer Bauteile sollten Stützen unter der Leiterplatte vorgesehen werden, um ein Durchhängen oder Verformen der Leiterplatte im Ofen zu verhindern. Die Stützen an der Unterseite der Leiterplatte müssen zudem Bauteile umgehen, damit diese beim Entnehmen der bestückten Leiterplatte nicht beschädigt werden. Der Durchmesser der zur Fixierung verwendeten Positionierstifte muss ebenfalls auf praktischen Erfahrungen basieren. Sind die Positionierstifte zu klein, können sie die Leiterplatte nicht genau positionieren. Sind sie zu groß, kann sich die Leiterplatte im Reflow-Ofen ausdehnen oder verformen, sodass sie nach dem Löten möglicherweise nicht mehr entnommen werden kann. Wird sie gewaltsam herausgezogen, können die Leiterbahnen um die Positionierlöcher herum beschädigt werden.
Konstruktion einer Verformungsschutzvorrichtung für Spezialbauteile
SMT-Steckverbinder, insbesondere solche mit vielen und dicht angeordneten Pins, sind anfällig für offene und kalte Lötstellen. Dies liegt auch daran, dass sich das Kunststoffgehäuse des Steckverbinders bei der Erwärmung im Ofen bis zu einem gewissen Grad verformen kann. Daher fertigen Techniker zusätzlich zur Unterlage unter der Leiterplatte manchmal spezielle Pressblock-Vorrichtungen für bestimmte Bauteile an. Diese Druckblöcke werden auf die Bauteile gedrückt, um Verformungen im Reflow-Ofen zu verhindern und Probleme wie offene Lötstellen und kalte Lötstellen zu vermeiden. Auch das Material dieser Druckblock-Vorrichtungen spielt eine Rolle. Sie müssen hohen Temperaturen standhalten, sollten jedoch keine großen Metallteile sein. Metallvorrichtungen können Wärme absorbieren und die Lötqualität beeinträchtigen.
Zonen und Prozessparameter eines Reflow-Ofens
Ein Reflow-Ofen verfügt in der Regel über vier Zonen: Vorheizzone, Haltezone, Reflow-Zone und Abkühlzone. Das Gerät verfügt über zahlreiche Parameter, darunter Temperatureinstellung, Aufheizgeschwindigkeit, Abkühlgeschwindigkeit, Haltezeit, Verweildauer über 220 °C, Spitzentemperatur, Stickstoffkonzentration und Austrittstemperatur. Um sicherzustellen, dass das Gerät einwandfrei funktioniert und die tatsächlichen Parameter den Produktionsanforderungen des aktuellen Produkts entsprechen, müssen die zuständigen Mitarbeiter das Temperaturprofil vor Produktionsbeginn testen.
Warum Temperaturprofilprüfungen wichtig sind
Für Temperaturprofilprüfungen werden ein Temperaturlogger und eine Profilplatine benötigt. Eine Profilplatine ist eine SMT-Halbfertigplatine, auf der Thermoelemente angebracht sind. Die Kabel der Temperatursonden verbinden die Profilplatine mit dem Temperaturlogger. Die Messpunkte auf der Profilplatine sollten die vier Ecken der Leiterplatte, die Ober- und Unterseite der Platine sowie einige Bauteile mit hohem Lötrisiko abdecken, wie beispielsweise die Pins von Speichersteckplätzen, die Lötkugelpositionen repräsentativer BGAs und die Gehäuse temperaturempfindlicher Bauteile. Für jeden Prozess, bei dem Reflow-Löten zum Einsatz kommt, wird eine Profilplatine benötigt, beispielsweise beim SMT-Reflow-Löten auf der Unterseite, beim SMT-Reflow-Löten auf der Oberseite und an BGA-Reparaturstationen.
Stickstoff-Reflow-Löten und OSP-Leiterplatten
Da sich der SMT-Fertigungsprozess ständig weiterentwickelt, können mittlerweile sogar sehr komplexe Server-Mainboards mit OSP-Platinen bestückt werden. Wenn OSP-Platinen den Reflow-Ofen durchlaufen, kann die Zugabe von Stickstoff die Oxidation der Lötpads verringern und zu einem guten Löt Ergebnis beitragen. Dies zeigt sich besonders deutlich, wenn die OSP-Platine zweimal einem Reflow-Lötvorgang unterzogen werden muss.
Welche Arten des SMT-Reflow-Lötens gibt es?
Es gibt viele Arten des Reflow-Lötens. Sie werden alle nach der Erwärmungsmethode klassifiziert. Man kann sie in Laser-Reflow-Löten, Infrarot-Reflow-Löten, Heißluft-Reflow-Löten und weitere Verfahren unterteilen.
- Heißluft-Reflow-Löten Das Heißluft-Reflow-Löten ist weit verbreitet. Das Prinzip besteht darin, mithilfe eines Heizelements oder eines hitzebeständigen Lüfters im Ofen das Gas im Inneren des Ofens – in der Regel Luft oder Stickstoff – zu erwärmen und den Luftstrom zirkulieren zu lassen, um den Lötvorgang durchzuführen. Obwohl das Heißluft-Reflow-Löten von der Gasdurchflussgeschwindigkeit beeinflusst wird, zeichnet es sich im Vergleich zu anderen Reflow-Verfahren durch eine gleichmäßige Erwärmung und eine stabile Ofentemperatur aus und eignet sich zum Löten der meisten Bauteile. Daher ist das Heißluft-Reflow-Löten heute die wichtigste SMT-Löttechnik.
- Laser-Reflow-Löten Beim Laser-Reflow-Löten wird, wie der Name schon sagt, ein Laser als Erhitzungsmethode eingesetzt. Das Prinzip besteht darin, den Laserstrahl direkt auf den Lötbereich zu richten und das Lot mithilfe der Laserwärme zu schmelzen, um den Lötvorgang abzuschließen. Sobald der Laserstrahl nicht mehr auf den Lötbereich gerichtet ist, sinkt die Temperatur dort schnell ab. Nach dem Abkühlen bildet sich die Lötstelle, und der Lötvorgang ist abgeschlossen. Da beim Laser-Reflow-Löten nur der lokale Lötbereich erwärmt wird und andere Bereiche kaum beeinflusst werden, eignet es sich besser für PCBA-Leiterplatten mit empfindlichen Bauteilen. Aufgrund dieser Erwärmungsmethode ist die Lötleistung jedoch relativ gering, weshalb das Laser-Reflow-Löten nicht zu den wichtigsten SMT-Lötverfahren zählt.
- Infrarot-Reflow-Löten Beim Infrarot-Reflow-Löten wird Infrarotlicht zum Erwärmen genutzt. Dabei unterscheidet man zwischen reiner Infrarot-Erwärmung und einer Kombination aus Infrarot- und Heißluft-Erwärmung. Bei der reinen Infrarot-Erwärmung wird das Löten hauptsächlich durch Infrarot-Wärmestrahlung durchgeführt. Bei der Infrarot-Heißluft-Heizmethode werden etwa 30% Infrarotstrahlung und 70% Heißluft zum Erwärmen und zum Abschluss des Lötvorgangs genutzt. Sie vereint die Vorteile des Infrarot-Reflow-Lötens und des Heißluft-Reflow-Lötens und gleicht zudem die Schwachstellen beider Verfahren aus.
Andere Arten des Reflow-Lötens
Neben den oben genannten Verfahren umfasst das Reflow-Löten auch das Heißdraht-Reflow-Löten, das Induktions-Reflow-Löten und das Dampfphasen-Reflow-Löten. Beim Heißdraht-Reflow-Löten werden hauptsächlich erhitzte Gegenstände wie Keramik oder andere Metalle verwendet, um den Lötvorgang durchzuführen. In der Regel wird bei dieser Methode keine Lötpaste verwendet, sondern eine Verzinnung oder ein leitfähiger Klebstoff zum Löten. Beim Induktions-Reflow-Löten werden ein Transformator und das Prinzip der Wirbelströme durch Induktivität genutzt, um den Lötvorgang durchzuführen. Das Dampfphasen-Reflow-Löten wird auch als Dampfphasenlöten bezeichnet. Dabei wird hauptsächlich Dampf zur Erwärmung verwendet. Da diese Reflow-Verfahren jeweils ihre eigenen Grenzen haben, gehören sie nicht zu den gängigen SMT-Lötanlagen.
Vor- und Nachteile des Reflow-Lötverfahrens bei PCBA
Vorteile des Reflow-Lötverfahrens:
Es eignet sich besser für Montagen mit hohem Schwierigkeitsgrad. Das Reflow-Löten wird hauptsächlich beim SMT-Löten eingesetzt, sodass es den Anforderungen komplexer Montagen besser gerecht wird. Bauteile wie BGA und QFN können nur durch Reflow-Löten montiert werden.
Er zeichnet sich durch eine hohe Lötqualität aus. Der Reflow-Ofen arbeitet mit Heißluft-Reflow und Konvektionswärmeübertragung, wodurch eine gleichmäßige Temperaturverteilung und eine gute Lötqualität gewährleistet sind. Damit lassen sich sehr zufriedenstellende Löt-Ergebnisse erzielen.
Es eignet sich für die Serienfertigung. Das Reflow-Löten zeichnet sich durch eine hohe Lötleistung aus. Sobald die Temperatur eingestellt ist, lassen sich die Lötparameter immer wieder kopieren, sodass es sich für die Serienfertigung eignet. In Verbindung mit einem Erstmusterprüfungsservice kommt dieser Vorteil des Reflow-Ofens noch stärker zum Tragen.
Nachteile des Reflow-Lötverfahrens:
Die Kosten sind hoch. Der Reflow-Ofen selbst ist teurer als der Wellenlöt-Ofen. Außerdem verbraucht er im Betrieb mehr Strom, was die Produktionskosten für den Hersteller erhöht.
Dies kann leicht zu Lötfehlern führen. Wie oben bereits erwähnt, kann jedes Lötverfahren zu Fehlern führen, wenn es nicht korrekt angewendet wird. Bei einem Reflow-Ofen, der eine relativ komplexe Maschine ist, können falsche Parametereinstellungen oder eine ungeeignete Zoneneinteilung zu kalten Lötstellen, offenen Lötstellen, Brückenbildung und anderen Lötfehlern führen. Um ein qualitativ hochwertiges Reflow-Löten zu gewährleisten, muss der Bediener daher professionell und erfahren sein.
Schlussfolgerung
Das Reflow-Löten ist eines der wichtigsten Lötverfahren in der SMT-Bestückung. Seine Qualität wirkt sich direkt auf die Zuverlässigkeit von PCBA-Produkten aus. Von der Konstruktion der Haltevorrichtung über die Prüfung des Temperaturprofils bis hin zum Lötvorgang unter Stickstoffschutz – jeder Schritt beeinflusst das endgültige Lötergebnis. Derzeit sind das Heißluft-Reflow-Löten und das Infrarot-Heißluft-Reflow-Löten nach wie vor die wichtigsten Verfahren in der Branche, während das Laser-Reflow-Löten und das Dampfphasen-Reflow-Löten eher in Sonderfällen zum Einsatz kommen. Da sich Server, Kommunikationsgeräte und elektronische Produkte mit hoher Bestückungsdichte ständig weiterentwickeln, werden auch die Reflow-Lötverfahren und -Anlagen modernisiert, um den Anforderungen an höhere Präzision und Zuverlässigkeit beim Löten gerecht zu werden.
