Vergleich zwischen Wellenlöten und Reflow-Löten

Da moderne Elektronik auf geringes Gewicht, höhere Effizienz und hohe Geschwindigkeit setzt, entspricht auch jeder Schritt des Herstellungsprozesses dieser Philosophie, einschließlich der Montage von Leiterplatten (PCB). Das Löten spielt eine wesentliche Rolle für den Erfolg elektronischer Produkte, da elektrische Verbindungen durch präzises Löten entstehen. Im Vergleich zum Handlöten hat sich das automatische Löten aufgrund seiner hohen Genauigkeit und Geschwindigkeit sowie der Anforderungen an großes Volumen und hohe Kosteneffizienz weithin durchgesetzt. Als führende Löttechnologien für die Montage werden Wellenlöten und Reflow-Löten am häufigsten für hochwertige Montagen eingesetzt. Allerdings verwirren die Unterschiede zwischen den beiden Technologien weiterhin viele, und auch wann sie eingesetzt werden sollten, ist unklar.

Vor einem formalen Vergleich zwischen Wellenlöten und Reflow-Löten ist es unbedingt erforderlich, die Unterschiede zwischen Löten, Schweißen und Hartlöten zu verstehen (Abbildung 1). Kurz gesagt bezieht sich Schweißen auf den Prozess, bei dem zwei ähnliche Metalle geschmolzen werden, um sie miteinander zu verbinden. Unter Hartlöten versteht man den Prozess, bei dem zwei Metallteile durch Erhitzen und Schmelzen von Füllstoffen oder Legierungen bei hoher Temperatur miteinander verbunden werden. Beim Löten handelt es sich eigentlich um ein Niedertemperaturlöten, dessen Füllstoff als Lot bezeichnet wird.

Bei der Leiterplattenbestückung erfolgt das Löten mittels Lotpaste. Das Löten mit Lötpaste, die gefährliche Stoffe wie Blei, Quecksilber usw. enthält, wird als Bleilöten bezeichnet, während das Löten mit Lötpaste ohne gefährliche Stoffe als bleifreies Löten bezeichnet wird. Blei- oder bleifreies Löten sollte je nach den spezifischen Anforderungen der Produkte gewählt werden, für die bestückte Leiterplatten entwickelt werden sollen.

Wie der Name schon sagt, werden Wellenlöten verwendet, um Leiterplatten und Teile durch eine flüssige „Welle“ zu verbinden, die durch Motorbewegung entsteht. Bei der Flüssigkeit handelt es sich tatsächlich um gelöstes Zinn. Die Durchführung erfolgt in einer Wellenlötmaschine (Abbildung 2).

Der Wellenlötprozess besteht aus vier Schritten: Flussmittelsprühen, Vorwärmen, Wellenlöten und Abkühlen.

Flussmittelsprühen. Die Sauberkeit der Metalloberflächen ist das Grundelement für die Lötleistung, abhängig von den Funktionen des Lötflussmittels. Lötflussmittel spielen eine entscheidende Rolle für die reibungslose Durchführung des Lötvorgangs. Zu den Hauptfunktionen von Lötflussmitteln gehört die Entfernung von Oxid von der Metalloberfläche von Platinen und Bauteilstiften; Schutz der Leiterplatten vor sekundärer Oxidation während des thermischen Prozesses; Reduzierung der Oberflächenspannung der Lotpaste; und Wärme übertragen.

Vorheizen. In einer Palette entlang einer Kette, die einem Förderband ähnelt, werden Leiterplatten durch einen Wärmetunnel transportiert, um dort vorgewärmt und Flussmittel aktiviert zu werden.

Wellenlöten. Wenn die Temperatur ständig steigt, wird die Lotpaste flüssig und bildet eine Welle aus den darüber wandernden Randplatten. Auf Platinen können Bauteile fest verklebt werden.

Kühlung. Das Wellenlötprofil entspricht einer Temperaturkurve. Wenn die Temperatur in der Wellenlötphase ihren Höhepunkt erreicht, wird sie reduziert, was als Kühlzone bezeichnet wird. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wird die Platine erfolgreich zusammengebaut.

Da Leiterplatten zum Wellenlöten auf eine Palette gelegt werden, hängen Zeit und Temperatur eng mit der Lötleistung zusammen. Was Zeit und Temperatur betrifft, ist eine professionelle Wellenlötmaschine erforderlich, während das Fachwissen und die Erfahrung des Leiterplattenbestückers selten leicht zu erlangen sind, da sie von der Anwendung aktueller Technologien und der Geschäftsausrichtung abhängen.

Wenn die Temperatur zu niedrig eingestellt ist, schmilzt das Flussmittel nicht richtig, wodurch die Reaktionsfähigkeit und die Auflösung von Oxiden und Schmutz auf der Metalloberfläche verringert werden. Darüber hinaus wird die Legierung nicht durch Flussmittel und Metall erzeugt, wenn die Temperatur nicht ausreichend hoch ist. Andere Faktoren wie Geschwindigkeit des Bandträgers, Wellenkontaktzeit usw. sollten berücksichtigt werden.

Obwohl dieselbe Wellenlötausrüstung verwendet wird, bieten verschiedene Monteure im Allgemeinen aufgrund der Betriebsmethoden und des Umfangs der Kenntnisse über die Bedienung der Maschine unterschiedliche Fertigungseffizienzen.

Beim Reflow-Löten werden Komponenten dauerhaft verklebt, die zunächst vorübergehend mit ihren Lötpads auf Leiterplatten verklebt werden, und zwar mithilfe von Lotpaste, die durch Heißluft oder andere Wärmestrahlungsleitung geschmolzen wird. Das Reflow-Löten wird in einer Maschine durchgeführt, die als Reflow-Lötofen bezeichnet wird (Abbildung 3). Wie aus der Definition hervorgeht, werden elektrische Komponenten vor dem Löten mithilfe von Lotpaste vorübergehend an Kontaktpads befestigt.

Dieser Prozess besteht im Wesentlichen aus zwei Schritten. Zunächst wird die Lotpaste durch eine Lotpastenschablone präzise auf jedes Pad aufgetragen. Anschließend werden die Komponenten von einer Bestückungsmaschine auf Pads platziert. Erst wenn diese Vorbereitungen getroffen sind, beginnt das eigentliche Reflow-Löten.

Vorheizen. Dieser Schritt dient beim Reflow-Löten zwei Zwecken. Erstens ermöglicht es die Montage von Platinen, um konstant die erforderliche Temperatur zu erreichen, um dem thermischen Profil vollständig zu entsprechen. Zweitens ist es dafür verantwortlich, in der Lotpaste enthaltene flüchtige Lösungsmittel auszutreiben. Andernfalls wird die Lötqualität beeinträchtigt.

Thermalbad. Ähnlich wie beim Wellenlöten kommt es auch beim Reflow-Löten auf das in der Lotpaste enthaltene Flussmittel an. Dementsprechend muss die Temperatur ein Niveau erreichen, bei dem das Flussmittel aktiviert werden kann, sonst kann das Flussmittel seine Rolle im Lötprozess nicht erfüllen.

Reflow-Löten. Diese Phase tritt auf, wenn die Spitzentemperatur erreicht ist, wodurch die Lotpaste geschmolzen und wieder zum Fließen gebracht werden kann. Die Temperaturkontrolle spielt beim Reflow-Lötprozess eine entscheidende Rolle. Eine zu niedrige Temperatur verhindert ein ausreichendes Aufschmelzen der Lotpaste; Eine zu hohe Temperatur kann zu Schäden an SMT-Komponenten (Surface Mount Technology) oder Platinen führen. Beispielsweise enthält ein BGA-Gehäuse (Ball Grid Array) mehrere Lotkugeln, die beim Reflow-Löten geschmolzen werden. Wenn die Löttemperatur nicht den optimalen Wert erreicht, können diese Kugeln ungleichmäßig geschmolzen werden und das BGA-Löten kann durch Nacharbeit beeinträchtigt werden.

Kühlung. Die Temperatur sinkt, sobald die Höchsttemperatur erreicht ist. Durch das Abkühlen verfestigt sich die Lotpaste und fixiert so Teile dauerhaft auf Kontaktpads auf Platinen.

Reflow-Löten kann sowohl in der SMT- als auch in der THT-Montage (Through-Hole-Technologie) angewendet werden, wird jedoch hauptsächlich bei ersteren eingesetzt. Wenn es um die Anwendung von Reflow-Löten bei THT-Baugruppen geht, verlässt man sich in der Regel auf Pin-in-Paste (PIP). Zuerst füllt Lötpaste die Löcher auf den Platinen. Anschließend werden Bauteilstifte in die Löcher gesteckt, wobei auf der anderen Seite der Platine etwas Lötpaste austritt. Abschließend wird das Reflow-Löten bis zur Vollverlötung durchgeführt.

Der Unterschied zwischen Wellenlöten und Reflow-Löten kann nie ignoriert werden, da viele Benutzer beim Kauf von Leiterplattenbestückungsdienstleistungen keine Ahnung haben, welches sie wählen sollen. Eine Änderung im Bereich des Lötens führt tendenziell zu Änderungen im gesamten Herstellungsprozess der Baugruppe. Zu diesen Änderungen gehören Fertigungseffizienz, Kosten, Markteinführungszeit, Gewinne usw.

Abbildung 4 veranschaulicht den Unterschied zwischen den Lötprozessschritten. Der wesentliche Unterschied zwischen Wellenlöten und Reflow-Löten liegt im Flussmittelsprühen – beim Wellenlöten ist dieser Schritt enthalten, beim Reflow-Löten nicht. Flussmittel ermöglichen die Eliminierung von Dioxid und die Reduzierung der Oberflächenspannung im zu lötenden Material. Das Flussmittel funktioniert nur, wenn es aktiviert ist, was eine strikte Einhaltung der Temperatur- und Zeitkontrolle erfordert. Da beim Reflow-Löten Flussmittel in der Lotpaste enthalten ist, muss der Flussmittelgehalt entsprechend abgestimmt und erreicht werden.

Lötfehler scheinen unvermeidbar. Es ist unmöglich festzustellen, welche Löttechnologie mehr Fehler verursacht als die andere, da der Prozess jedes Mal anders ist. Auch wenn das Auftreten von Lötfehlern unvermeidlich ist, kann ihre Häufigkeit reduziert werden, wenn Monteure die professionellen Vorschriften für die Baugruppenfertigung einhalten und sich der Eigenschaften und Leistung aller Geräte entlang der Fertigungslinie voll bewusst sind. Darüber hinaus sollte das Ingenieurpersonal qualifiziert und regelmäßig geschult werden, um mit dem Fortschritt moderner Technologien Schritt halten zu können.

Im Allgemeinen eignet sich Reflow-Löten am besten für die SMT-Bestückung, während Wellenlöten am besten für die THT- oder DIP-Bestückung geeignet ist. Dennoch enthält eine Leiterplatte fast nie reine SMDs (Surface Mount Devices) oder Through-Hole-Bauteile. Bei der gemischten Bestückung wird normalerweise zuerst SMT und dann THT oder DIP durchgeführt, da die für das Reflow-Löten erforderliche Temperatur viel höher ist als die für das Wellenlöten erforderliche. Wird die Reihenfolge zweier Baugruppen vertauscht, kann es sein, dass feste Lotpaste wieder aufschmilzt und gut verlötete Bauteile Defekte erleiden oder sogar von der Platine fallen.

Dieser Artikel wurde von Dora Yang, technische Ingenieurin bei PCBCart, Hangzhou, China, verfasst. Für weitere Informationen klicken Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Februarausgabe 2018 des Tech Briefs Magazine.

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