Was ist Wellenlöten?
Wellenlöten bezeichnet den Prozess der Erzeugung eines gewünschten wellenförmigen Lötbads unter Verwendung einer geschmolzenen Lötlegierung (Blei-Zinn) mittels einer elektrischen oder elektromagnetischen Pumpe. Die Lötwelle kann auch durch Einleiten von Stickstoffgas in das Lötbad gebildet werden. Bei diesem Verfahren wird eine mit Bauteilen bestückte Leiterplatte (PCB) durch die Lötwelle geführt, wodurch sich eine bestimmte Form von Lötwellen auf der Oberfläche des geschmolzenen Lötmittels bildet. Auf diese Weise kann die Leiterplatte mit Bauteilen, die in bestimmten Winkeln und Eintauchtiefen montiert sind, durch die Lötwelle gelötet werden, wodurch Lötverbindungen entstehen. Dieser gesamte Prozess wird als Wellenlöten bezeichnet.
Als wichtiger Schritt im Montageprozess von Dual-Inline-Packages (DIP) wird das Wellenlöten in erster Linie zum Löten von Durchsteckkomponenten auf Leiterplatten verwendet. Trotz des Trends zur Miniaturisierung und zur Oberflächenmontagetechnologie (SMT) werden in bestimmten Produkten wie Fernsehern, Heimkinoanlagen und digitalen Set-Top-Boxen nach wie vor Durchsteckkomponenten auf Leiterplatten mit gemischter Technologie verwendet. Daher wird das Wellenlöten weiterhin in solchen Anwendungen eingesetzt.
Die Geschichte des Wellenlötens
Im Jahr 1956 erfand das britische Unternehmen Fry's Metal das Wellenlöten für Leiterplatten (PCBs). Diese Innovation läutete eine neue Ära der Maschinenautomatisierung ein und führte zu einem Übergang vom manuellen Punkt-zu-Punkt-Löten mit Lötkolben zum groß angelegten, hocheffizienten automatisierten Löten. Sie revolutionierte den Lötprozess für Leiterplatten und bot erhebliche Vorteile wie weniger Lötstellenfehler, eine verbesserte Zuverlässigkeit elektronischer Produkte, niedrigere Produktionskosten, eine geringere Arbeitsintensität für die Mitarbeiter und eine höhere Produktionseffizienz.
Wie funktioniert das Wellenlöten?
Das Wellenlöten wird mit einer Wellenlötmaschine durchgeführt, die in erster Linie aus einem Förderband, einer Lötflussmittel-Auftragszone, einer Vorheizzone, einem Löttopf und anderen Komponenten besteht. Nachstehend finden Sie ein schematisches Funktionsdiagramm:
Förderband:
Das Förderband transportiert die Leiterplatte mit den eingesetzten Bauteilen in einem bestimmten Neigungswinkel und mit einer bestimmten Geschwindigkeit in die Wellenlötmaschine. Die Leiterplatte durchläuft dann Prozesse wie Flussmittelauftrag, Vorwärmen, thermische Kompensation, erstes und zweites Wellenlöten sowie Abkühlen.
Anwendungsfluss:
Die Flussmittelauftragsstation besteht aus Infrarotsensoren und Sprühdüsen. Die Infrarotsensoren dienen dazu, die Breite der Leiterplatte zu überwachen. Die Sprühdüsen tragen eine dünne Schicht Flussmittel gleichmäßig auf die freiliegenden Lötpads, Durchkontaktierungen und Bauteilanschlüsse der Leiterplatte auf. Das Flussmittel bildet einen Schutzfilm auf der Lötfläche der Leiterplatte.
Vorheizen:
In der Vorheizzone werden die Lötbereiche der Leiterplatte auf die Benetzungstemperatur erhitzt. Gleichzeitig verhindert der Temperaturanstieg der Bauteile, dass diese beim Eintauchen in das geschmolzene Lot einem übermäßigen Thermoschock ausgesetzt werden. Die Oberflächentemperatur der Leiterplatte sollte während der Vorheizphase zwischen 75 und 110 °C liegen, um eine ordnungsgemäße Bildung der Lötstellen zu gewährleisten.
Der Zweck des Vorheizens ist wie folgt:
- Verdampfung von Lösungsmitteln im Flussmittel, wodurch die Gasentwicklung während des Lötens reduziert wird.
- Zersetzung und Aktivierung von Kolophonium und Aktivatoren im Flussmittel, Entfernung von Oxidschichten und anderen Verunreinigungen von den Lötpads, Bauteilanschlüssen und Pin-Oberflächen der Leiterplatte, während die Metalloberflächen vor einer erneuten Oxidation bei hohen Temperaturen geschützt werden.
- Verhinderung von thermischen Spannungsbeschädigungen an der Leiterplatte und den Bauteilen, die durch schnelles Erhitzen während des Lötvorgangs verursacht werden.
Thermische Kompensation:
Während der thermischen Kompensationsphase wird die Leiterplatte thermisch angepasst, um die Auswirkungen der Wärme zu reduzieren.
Erste Welle (turbulente Welle):
Die erste Welle ist eine schmale „turbulente“ Welle, die aus einer schmalen Düse austritt. Der schnelle Fluss des Lötzinns ermöglicht eine gute Durchdringung von Lötbereichen mit Schatteneffekten durch Vorrichtungen. Zusätzlich hilft die Aufwärtskraft der turbulenten Welle dabei, Lötflussmittelgase auszustoßen, wodurch Lötbrücken und unzureichende vertikale Füllungsfehler reduziert werden. Die turbulente Welle kann jedoch zu ungleichmäßigen Lötstellen und überschüssigem Lötzinn führen, was die zweite Welle erforderlich macht.
Zweite Welle (glatte Welle):
Die zweite Welle ist eine „glatte“ Welle, die sich durch einen langsameren Lötfluss auszeichnet. Sie entfernt überschüssiges Lot effektiv von den Anschlüssen, sorgt für eine gute Benetzung aller Lötflächen und beseitigt scharfe Kanten, Grate und Lötbrücken, die durch die erste Welle verursacht wurden. In der Praxis ähnelt die glatte Welle der traditionellen Welle, die für Durchsteckbauteile verwendet wird. Daher kann beim Löten traditioneller Bauteile auf derselben Maschine die turbulente Welle ausgeschaltet und nur die glatte Welle verwendet werden.
Kühlung:
Das Kühlsystem senkt die Temperatur der Leiterplatte schnell und verbessert so erheblich die Vermeidung von Hohlräumen und Ablösungen der Lötpads bei bleifreien Lötprozessen.
Während des gesamten Lötprozesses verhindert die Verwendung von Stickstoffgas zum Schutz in der Vorheizphase und in der Lötzone wirksam die Oxidation von blankem Kupfer und eutektischem Lot, verbessert die Benetzbarkeit und Fließfähigkeit erheblich und gewährleistet zuverlässige Lötverbindungen.
Bedienungsanleitung für die Wellenlötmaschine
I. Vorbereitungen für das Wellenlöten
- Schalten Sie das Lötbad ein und aktivieren Sie die Heizung (normalerweise über einen Timer gesteuert).
- Überprüfen Sie den Zeitschalter der Wellenlötmaschine auf ordnungsgemäße Funktion.
- Stellen Sie sicher, dass das Belüftungssystem der Wellenlötmaschine in gutem Zustand ist.
- Überprüfen Sie die Temperaturanzeige des Löttopfs: Messen Sie die Temperatur 10–15 mm unterhalb der Lötfläche mit einem Glas- oder Kontaktthermometer. Die Temperaturdifferenz sollte innerhalb von ±5 °C liegen.
- Überprüfen Sie den Vorwärmer auf ordnungsgemäße Funktion und stellen Sie sicher, dass die Temperatur gemäß den Prozessanforderungen eingestellt ist. Schalten Sie den Vorwärmerschalter ein, überwachen Sie den Temperaturanstieg und vergewissern Sie sich, dass er innerhalb des normalen Bereichs liegt.
- Überprüfen Sie die Funktion des Drahtschneiders: Stellen Sie die Klingenhöhe entsprechend der Leiterplattenstärke ein, sodass die Drahtlänge der Bauteile 1,4–2,0 mm beträgt. Ziehen Sie den Klingenhalter fest, überprüfen Sie nach dem Einschalten visuell die Klingenrotation und stellen Sie sicher, dass die Sicherheitsvorrichtung funktioniert.
- Überprüfen Sie die Luftzufuhr zum Flussmittelbehälter: Füllen Sie das Flussmittel ein, stellen Sie das Luftansaugventil ein und überprüfen Sie nach dem Einschalten, ob das Flussmittel schäumt oder spritzt.
- Überprüfen Sie die Dichteeinstellung des Flussmittels: Überprüfen Sie den Flüssigkeitsstand im Flussmittelbehälter und messen Sie die Dichte. Wenn die Dichte zu hoch ist, fügen Sie ein Verdünnungsmittel hinzu; wenn sie zu niedrig ist, fügen Sie Flussmittel hinzu, um sie anzupassen (Schaumbildung).
- Sobald die Löttemperatur den angegebenen Wert erreicht hat, überprüfen Sie den Lötstand. Wenn er weniger als 15 mm von der Oberkante des Löttopfs entfernt ist, fügen Sie umgehend Lötzinn hinzu.
- Entfernen Sie alle Lötrückstände von der Lötfläche und fügen Sie nach der Reinigung ein Antioxidationsmittel hinzu.
- Passen Sie den Förderwinkel an: Stellen Sie die Spurbreite entsprechend der Breite der Leiterplatte ein, um eine angemessene Klemmkraft sicherzustellen.
II. Inbetriebnahme und Produktionsbetrieb der Wellenlötanlage
- Schalten Sie den Flussmittelschalter ein. Stellen Sie für das Schäumen die Schaumdicke auf die Hälfte der Schaumeinstellplatte ein; sorgen Sie beim Sprühen für eine gleichmäßige Abdeckung der Plattenoberfläche, ohne die Komponentenseite zu besprühen.
- Stellen Sie den Luftstrom des Luftmessers so ein, dass überschüssiges Flussmittel auf der Platine zurück in den Schaumstoffbehälter tropft und nicht auf den Vorwärmer tropft und einen Brand verursacht.
- Aktivieren Sie den Förderschalter und stellen Sie die Geschwindigkeit auf den gewünschten Wert ein.
- Schalten Sie den Lüfter ein.
III. Nachbearbeitung nach dem Wellenlöten
- Schalten Sie die Schalter für den Vorwärmer, den Löttopf, das Flussmittel, das Förderband, den Lüfter und den Drahtschneider aus.
- Das Flussmittel im Schaumstofftank sollte alle zwei Wochen ausgetauscht werden, und während des Gebrauchs sollten regelmäßige Messungen durchgeführt werden.
- Reinigen Sie die Wellenlötmaschine und die Kettenklauen nach dem Herunterfahren. Weichen Sie die Sprühdüsen ein und reinigen Sie sie mit einem Verdünnungsmittel.
IV. Managementmethoden während des Wellenlötprozesses
- Die Bediener müssen an ihren Arbeitsplätzen bleiben und regelmäßig die Funktion der Geräte überprüfen.
- Die Bediener sollten die Qualität der Lötstellen überprüfen. Bei Auffälligkeiten muss die Maschine sofort zur Überprüfung angehalten werden.
- Es sollten zeitnahe und genaue Aufzeichnungen über die ursprünglichen Betriebsdaten und die Qualität der Lötstellen geführt werden.
- Fertige Leiterplatten sollten separat in speziellen Transportboxen verstaut werden, um Kontakt, Druck und Stapelung zu vermeiden.
V. Betriebsaufzeichnungen für das Wellenlöten
Der Wellenlötbediener sollte alle zwei Stunden Prozessparameter wie Löttemperatur, Vorheiztemperatur und Flussmitteldichte aufzeichnen. Zusätzlich sollten stündlich 10 Leiterplatten stichprobenartig überprüft und die Qualität der Lötstellen aufgezeichnet werden, um Originalaufzeichnungen für die Prozessqualitätskontrolle zu erhalten.
Vorteile des Wellenlötens
- Arbeits- und Materialeinsparungen: Es verbessert die Produktionseffizienz und senkt die Herstellungskosten.
- Reduzierte Verformung der Leiterplatte: Die kurze Kontaktzeit der Leiterplatte mit Hochtemperaturlot minimiert die Verformung der Leiterplatte.
- Eliminierung menschlicher Faktoren: Es eliminiert Störungen und Auswirkungen auf die Produktqualität, was zu einer verbesserten Qualität und Zuverlässigkeit der Lötstellen führt.
- Verbesserte Lötaktivität: Die Wellenlötmaschine sorgt für eine ausreichende Bewegung des Lötzinns, was zu einer besseren Qualität der Lötstellen führt.
- Verbesserte Arbeitsumgebung: Der Einsatz eines guten Absaugsystems verbessert das körperliche und geistige Wohlbefinden des Bedieners.
- Oxidationsschutz: Die Oberflächenschicht des Lötmittels bildet eine Schutzbarriere gegen Oxidation und reduziert so den Lötmittelverlust durch Oxidationsrückstände.
- Konsistenz: Sie gewährleistet eine konsistente Produktmontagequalität und standardisierte Prozesse.
- Fähigkeit, Aufgaben zu bewältigen, die über die manuellen Fähigkeiten hinausgehen.
Wellenlöten vs. Reflow-Löten
Schweißverfahren spielen eine entscheidende Rolle bei der Herstellung elektronischer Geräte, da die Qualität der Lötung sich direkt auf die Produktleistung und Lebensdauer auswirkt. Unter den verschiedenen Schweißverfahren sind Reflow-Löten und Wellenlöten die beiden gängigsten Techniken, die jeweils ihre eigenen Merkmale und Anwendungsbereiche haben.
Wellenlöten:
Das Wellenlöten wird hauptsächlich für Durchsteckbauteile (THT) verwendet. Bei diesem Verfahren wird die Leiterplatte mit den Bauteilen über eine geschmolzene Lötwelle geführt, wodurch Lötverbindungen zwischen den Bauteilpins und der Leiterplatte entstehen.
Merkmale des Wellenlötens:
- Hohe Effizienz: Ähnlich wie beim Reflow-Löten können beim Wellenlöten alle Bauteile auf einer Leiterplatte gleichzeitig bearbeitet werden, was eine hohe Effizienz gewährleistet.
- Geeignet für große und leistungsstarke Bauteile: Beim Wellenlöten wird mehr Lötzinn verwendet als beim Reflow-Löten, wodurch eine stärkere mechanische Unterstützung und bessere elektrische Verbindungen erzielt werden. Daher eignet sich dieses Verfahren besonders für große und leistungsstarke Bauteile.
- Hoher Automatisierungsgrad: Das Wellenlöten kann wie das Reflow-Löten vollständig automatisiert werden, wodurch der Einfluss menschlicher Faktoren auf die Lötqualität minimiert wird.
Reflow-Löten:
Reflow-Löten wird in erster Linie für oberflächenmontierte Bauteile (SMT) verwendet. Bei diesem Verfahren wird die Leiterplatte (PCB) mit Lötpaste und Bauteilen in einer Umgebung mit kontrollierter Temperatur erhitzt. Die Lötpaste schmilzt und verfestigt sich, wodurch der Lötvorgang abgeschlossen wird.
Merkmale des Reflow-Lötens:
- Hohe Effizienz: Beim Reflow-Löten können alle Bauteile auf einer Leiterplatte gleichzeitig bearbeitet werden, was die Produktionseffizienz erheblich verbessert.
- Hohe Qualität: Da der Lötprozess in einer streng kontrollierten Temperaturumgebung stattfindet, sind die Lötstellen in der Regel von hoher Qualität, was Zuverlässigkeit und eine gute Verbindungsbildung gewährleistet.
- Geeignet für hochdichte und kleine Bauteile: Reflow-Löten ist ideal für das Löten hochdichter und kleiner Bauteile, einschließlich BGA und QFP, da es keinen direkten Kontakt mit den Bauteilen erfordert.
- Hoher Automatisierungsgrad: Reflow-Löten ist oft vollständig automatisiert, wodurch menschliche Fehler reduziert und die Produktionseffizienz gesteigert werden.
Auswahl zwischen Wellenlöten und Reflow-Löten
Bei der Auswahl einer Lötmethode werden in der Regel folgende Faktoren berücksichtigt:
- Komponententyp: Für oberflächenmontierte Komponenten (SMT) wird vorzugsweise Reflow-Löten verwendet, während für Durchsteckkomponenten (THT) in der Regel Wellenlöten zum Einsatz kommt.
- Komponentendichte und -größe: Reflow-Löten eignet sich besser für hochdichte und kleine Komponenten, während Wellenlöten besser für größere und leistungsstarke Komponenten geeignet ist.
- Produktionseffizienz: Sowohl das Reflow-Löten als auch das Wellenlöten bieten eine hohe Effizienz, wenn sie vollständig automatisiert sind.
- Qualitätsanforderungen: Wenn strenge Anforderungen an die Lötqualität gestellt werden, wird das Reflow-Löten in einer streng kontrollierten Temperaturumgebung empfohlen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl Reflow-Löten als auch Wellenlöten ihre jeweiligen Vorteile haben. Die Wahl zwischen beiden Verfahren hängt von den spezifischen Produktanforderungen und Produktionsbedingungen ab. Die Elektronikfertigungsindustrie entwickelt sich ständig weiter, und mit dem Aufkommen neuer Schweißtechnologien und -geräte sind kontinuierliches Lernen und Anpassung unerlässlich, um den sich wandelnden Produktionsanforderungen gerecht zu werden.
Wellenlöten vs. Selektivlöten
Das selektive Wellenlöten, auch als selektives Löten bekannt, unterscheidet sich vom herkömmlichen Wellenlöten. Beim herkömmlichen Wellenlöten wird die gesamte Oberfläche der Leiterplatte mit Flussmittel beschichtet, und während des Lötvorgangs wird die Lötfläche der Leiterplatte vollständig in geschmolzenes Lot getaucht. Das selektive Wellenlöten funktioniert jedoch anders. Es ermöglicht die Einstellung von Lötparametern für jede einzelne Lötstelle auf der Leiterplatte, wie z. B. die Position des Flussmittelauftrags, die Lötzeit und die Wellenhöhe. Das bedeutet, dass beim selektiven Wellenlöten das Flussmittel nur auf die Lötstellen aufgetragen wird, wodurch unnötiger Flussmittelauftrag vermieden wird und sichergestellt wird, dass nur der Lötbereich mit dem Lot in Kontakt kommt.
Zu den Vorteilen des selektiven Wellenlötens gehören:
- Geringerer Flussmittelverbrauch: Durch das selektive Auftragen von Flussmittel nur auf die Lötstellen wird der Verbrauch von Flussmittel minimiert. Dies spart nicht nur Kosten, sondern reduziert auch die Entstehung von Flussmittelrückständen.
- Geringerer Lötmittelverbrauch: Da nur der Lötbereich mit dem Lötmittel in Kontakt kommt, reduziert das selektive Wellenlöten den Lötmittelverbrauch.
- Reduzierte Lötkrätze: Beim selektiven Wellenlöten wird das Auftreten von Lötkrätze aufgrund des fokussierten Lötprozesses minimiert.
- Kompakte Größe und Vielseitigkeit: Selektive Wellenlötmaschinen sind kompakt und verfügen über einen integrierten Arbeitstisch, sodass sie sich an verschiedene Leiterplattenformen anpassen lassen. Dadurch sind keine mehreren Vorrichtungen erforderlich und es wird Platz gespart.
Allerdings gibt es auch einige Nachteile des selektiven Wellenlötens:
- Höhere Kosten: Selektive Wellenlötanlagen sind aufgrund ihrer fortschrittlichen Technologie und Leistungsfähigkeit in der Regel teurer als herkömmliche Wellenlötmaschinen.
- Geringere Effizienz: Da jede Lötstelle eine spezifische Programmierung und Steuerung erfordert, ist die Effizienz des selektiven Wellenlötens im Vergleich zum herkömmlichen Wellenlöten relativ geringer.
Insgesamt bietet das selektive Wellenlöten mehrere Vorteile, wie z. B. einen geringeren Flussmittelverbrauch, einen geringeren Lötmittelverbrauch und eine kompakte Größe. Aufgrund seiner Spezialisierung und fortschrittlichen Technologie ist es jedoch mit höheren Kosten und einer geringeren Effizienz im Vergleich zum herkömmlichen Wellenlöten verbunden.
Entwicklungstrends beim Wellenlöten
Mit der weit verbreiteten Einführung der Oberflächenmontagetechnik (SMT), die Durchsteckbauteile ersetzt, wurde das Wellenlöten in vielen großtechnischen Elektronikanwendungen weitgehend durch das Reflow-Löten abgelöst. In bestimmten Bereichen, in denen SMT nicht geeignet ist, wie z. B. bei großen Leistungsbauelementen, Steckverbindern mit hoher Pin-Anzahl oder in Branchen, in denen einfache Durchstecktechnik vorherrscht, besteht jedoch nach wie vor ein erheblicher Bedarf an Wellenlöten.
Trotz der zunehmenden Anwendung anderer Lötverfahren, wie z. B. dem selektiven Löten, behält das Wellenlöten nach wie vor seine einzigartigen Vorteile, die es zu einer praktikablen Wahl für die Leiterplattenbestückung machen.
