Laser-Selektivlöten: Reifer Prozess für die Automobilelektronik

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Die Abfolge der Prozessschritte

Wie jeder Lötprozess muss auch das Laserlöten spezielle Prozessschritte implementieren, um ein entsprechendes thermisches Profil sicherzustellen. Dazu zählen das Vorwärmen der Bauteile, die Aktivierung des Flussmittels, das Aufschmelzen des Lots und das Aufrechterhalten des flüssigen Zustands, um eine gute Benetzung sowie die Ausbildung der richtigen Dicke der intermetallischen Phase sicherzustellen, damit neben der elektrischen Verbindung auch eine gute mechanische Festigkeit erzielt wird.

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Die Qualität der Lötverbindung hängt stark von der Implementierung und Aufrechterhaltung dieses Profils ab. Um den ordnungsgemäßen Zustand der Lötprozesse überwachen zu können, muss ein geeigneter Sensor im System permanent die Temperatur der Lötstelle erfassen. Das Selektiv-Lötsystem sollte also, abgesehen von der Strahlungsquelle und der zugehörigen Optik, auch ein präzises „optisches Pyrometer“ aufweisen, wodurch es möglich ist, die Temperatur der Lötstelle zu überwachen, um während des Programm-Debuggings Leistung, Intensität und Zeitdauer optimal einzustellen.

Da die Intensität der eingebrachten Energie sowohl von der Leistung der Quelle als auch von der Oberfläche des Strahlungsziels abhängt, ist es wesentlich, diese Parameter permanent überwachen zu können – bei jeder Lötstelle. Die von der Laserquelle abgegebene Momentanleistung kann sehr einfach über das Steuergerät geregelt werden.

Um den Energieeintrag in die Oberfläche kontinuierlich und wiederholgenau regeln zu können, muss die exakte Höhe, in der sich die Baugruppe befindet, permanent bekannt sein, damit jegliche Verwindungen der Leiterplatte durch vorherige, thermische Prozesse kompensiert werden können.

Daher ist es notwendig, dass das System mit einem Sensor ausgerüstet ist, der den tatsächlichen Abstand zwischen der Laseroptik und Baugruppenoberfläche messen kann. Nur so kann sichergestellt werden, dass die programmierte Z-Höhe, die für den korrekten Energieeintrag verantwortlich ist, bei jeder Baugruppe eingehalten wird.

Schließlich das Lot: Eingesetzt wird ein Lotdraht mit einer No-Clean-Flussmittelseele. Inzwischen sind Formulierungen verfügbar, die speziell für die Anforderungen des Laserlötens ausgelegt sind. Natürlich können verbleite und bleifreie Prozesse implementiert werden. Die Handhabung der Lotlegierung ist nicht ganz einfach: der Programmierer sollte die genaue Vorschubzeit, die Menge und die Richtung, aus der der Draht zugeführt wird, präzise festlegen können. Es sollte möglich sein, diese Richtung auch während des Drahtvorschubs zu ändern, um den Anschluss umkreisen zu können und so, falls erforderlich, die Benetzung und das Aufschmelzen zu optimieren.

Um eine präzise Wiederholung des Prozesses sicherzustellen, muss das System in der Lage sein, genau die richtige Menge Lötdraht für jede Lötstelle zuzuführen. Da sich die Spitze des Drahts als Ergebnis des vorherigen Lötvorgangs ausbildet, ergibt sich nie der exakt gleiche Abstand zur Leiterplatte. Der Drahtdispenser muss das berücksichtigen und Schwankungen ausgleichen, um Fehler bei der Menge des zur Lötstelle zugeführten Drahts zu vermeiden.

Zuletzt ein Hinweis zur gewählten Endoberfläche der Leiterplatte. Die Erfahrung aus jahrelangen Tests ergab, dass HAL (Hot Air Levelling) die am besten geeignete Endoberfläche ist. Diese Tatsache ist dem Umstand geschuldet, dass diese Beschichtung relativ unkritisch bezüglich der Lagerung der Leiterplatte ist. Auch chemisch Zinn sowie Nickel-Gold liefern gute Ergebnisse. Wegen der stärkeren Reflexion erfordert die Goldoberfläche eine höhere Laserleistung und eine längere Prozesszeit.

Zuletzt noch ein Wort zur organischen Schutzpassivierung (OSP). Sie ist zwar günstiger und auch aus technischer Sicht beim Laserlöten einsetzbar. Im Hinblick auf die Prozessstabilität ist sie jedoch kritisch zu bewerten, da sie durch ungünstige Lagerbedingungen und vorherige thermische Prozesse spürbar beeinträchtigt wird.

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