Flussmittelfreies Vakuumlöten

Das flussmittelfreie Vakuumlöten mit Preforms hat im Vergleich zu herkömmlichen Löttechniken mit Paste einige Vorteile. Es handelt sich um einen sehr sauberer Prozess, da keine Flussmittel oder Rückstände nach dem Prozess vorhanden sind. Daher kann ein hoher Qualitätsstandard erreicht werden, wie z. B. Lunker-Raten von <0,1 %.

Allerdings müssen bei der Entwicklung von Lötprofilen andere Parameter berücksichtigt werden. Da die Entfernung von Oxiden beim flussmittelfreien Löten stark von Material und Prozessparametern abhängt, ist die Materialqualität der Bauteile entscheidend. Meist werden Ameisensäure, Wasserstoff, Formiergas oder Plasma zur Reduktion von Oberflächenoxiden eingesetzt.

Wir bieten Kurse und Prozessentwicklung zum Vakuumlöten an, die es Ihren Ingenieuren ermöglichen, in kürzerer Zeit robustere Lötprozesse zu entwickeln.

Mögliche Trainings- und Projektinhalte:

Entwicklung von flussmittelfreien Lötprofilen
Typische Fehler, die beim Löten und bei der Erstellung von Temperaturprofilen auftreten
Temperaturmessverfahren und Fehlerquellen
Einfluss vorheriger Prozesse auf das pastenfreie Löten
Materialqualitätsprüfung, Lötvorrichtungen sowie Systeme mit Schnelltestfunktionen
Identifikation von sicheren Prozessfenstern
Übertragung von Laborprozessen auf die Serienfertigung
Einführung von Inline-Messungen und statistischer Prozesskontrolle
Schulung aller beteiligten Mitarbeiter: Produktionsmitarbeiter, Ingenieure, Einkauf, Management

Ameisensäure-Löten

Bei dieser Art des Lötens wird ein Ameisensäuredampf HCOOH verwendet, um die Oxide der Metalloberflächen zu reduzieren. Der Name bezieht sich auf die Waldameise, die zum Schutz Säure produziert.

Mit HCOOH werden meist metallische Preform als Lötmaterial verwendet. Heutzutage sind auch Pasten erhältlich, die mit reduzierenden Gasen umgehen können und einen geringen Harz- bzw. Organikanteil aufweisen, um eine Verunreinigung und das anschließende Waschen der Bauteile zu vermeiden.

Ein wichtiger Parameter beim HCOOH-Löten ist die Einwirktemperatur. Diese Temperatur sollte mindestens 180 °C betragen, wobei die Einwirkzeit von der Konzentration des Ameisensäuredampfes abhängt. Das Hauptproblem, das wir in Produktionslinien sehen ist eine zu niedrige Temperatur. Wenn die Temperatur unter 150 °C liegt, bilden sich Salze (Formiate), die die Benetzung und Qualität der Lötstelle auf den Oberflächen beeinträchtigen.

Eine weitere Voraussetzung für das Ameisensäurelöten ist eine sehr saubere Umgebung. Jede Verunreinigung der Materialien oder des Ofens führt zu Qualitätseinbußen bei der Lötschicht. Deshalb ist es wichtig, alle Mitarbeiter die mit dem Ameisensäurelöten zu tun haben, zu schulen und die geforderte Qualität auch für die Zulieferer festzulegen.

In unseren Schulungen decken wir alle wichtigen Aspekte des flussmittelfreien Lötens ab und schulen alle beteiligten Mitarbeiter: von der Produktionsebene bis zum Einkauf.

Löten mit reinem Wasserstoff oder Formiergas

Bei dieser Methode wird reiner Wasserstoff H₂ in einer Konzentration von bis zu 100% oder Formiergas N₂H₂ mit einer Wasserstoffkonzentration von 3…5% verwendet. Aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit kann Wasserstoff direkt zum Aufheizen des Produktes verwendet werden. Aktuelle Studien belegen eine Verkürzung der Prozesszeit um bis zu 40% im Vergleich zu Standard-Ameisensäureprozessen mit Stickstoff.

Die Kehrseite von Wasserstoff ist seine Fähigkeit zur Oxidreduktion. Bei einer Konzentration von 100% beginnt die Oxidreduktion von H₂ bei 200 °C. Daher kann Formiergas die Oxide von SAC-Loten mit einem Schmelzpunkt von 220°C nicht reduzieren. Wasserstoff und Formiergas eignen sich am besten für hochschmelzende Lote wie Gold-Zinn mit einem Schmelzpunkt von über 260°C.

Zusätzlich muss die Sicherheit beim Einsatz von Wasserstoff beachtet werden und aufgrund der höheren Kosten im Vergleich zu Stickstoff ist die Effizienz des Profils ein wichtiger Aspekt für einen wirtschaftlichen Lötprozess.

In unseren Schulungen lehren wir die effektive Profilentwicklung und den optimalen Einsatz von Wasserstoff beim Löten an.

Plasma aktiviertes Löten

Für Lote mit einem Schmelzpunkt unter 180°C, wie Zinn-Indium- oder Zinn-Bismut-Legierungen, sind weder Ameisensäure noch Wasserstoff zur Oxidreduktion geeignet, da diese bei niedrigen Temperaturen keine Reduktionswirkung zeigen. Außerdem bildent Indium seine Oxide innerhalb von 20 Minuaten nach dem Auspacken. Die Indiumoxide sind schwer zu entfernen und damit sind diese Legierung schwer zu löten.

Aufgrund der hohen Duktilität und der niedrigen Schmelztemperatur eignet sich Indium jedoch hervorragend als Verbindungsmaterial für hochempfindliche Anwendungen wie Laserdioden, optische Geräte und GaN-Baugruppen.

Für diese Anwendung kann das plasmaaktivierte Löten helfen werden. Dazu wird ein Argon-Wasserstoff-Gas bei Raumtemperatur verwendet und durch ein Niederdruckplasma aktiviert. Damit können Indiumoxide innerhalb weniger Minuten reduziert und das Lot auf Kupfer- oder Goldoberflächen gelötet werden.

Wir bieten Schulungen und Unterstützung bei der Prozessentwicklung für das plasma-aktivierte Löten an.

Über das Reflow-Vakuum-Löten

Reflow-Löten ist eine kostengünstige und weit verbreitete Methode zur Verbindung von Leistungshalbleitern. Das Löten stellt eine stoffschlüssige Verbindungstechnik dar. Die Verbindung zwischen zwei Fügepartnern (Halbleiter und Schaltungsträger) wird durch ein zusätzliches Material hergestellt. Die zu verbindenden Teile werden durch das flüssige Lot erwärmt und benetzt, ohne selbst zu schmelzen. Durch Diffusionsprozesse zwischen den Fügepartnern und dem Lotmaterial entsteht an der Grenzfläche eine Legierungszone und damit eine stoffschlüssige Verbindung.

Der Begriff Reflow-Vakuum-Löten beschreibt das Verfahren, bei dem vor dem Erwärmungsprozess ein lokal definiertes Volumen an Lot auf die Leiterplatte aufgebracht wird. Dazu werden häufig Pastensysteme mit einem Flussmittel eingesetzt, um Oberflächenoxide der Verbindungspartner zu reduzieren. In einem Vakuummodul oder einer Vakuumkammer wird während der flüssigen Phase des Lotes ein Unterdruck angelegt, um die Lufteinschlüsse herauszuziehen. Ein weiteres Verfahren ist die Verwendung von Preforms mit Formiergas oder Ameisensäure zur Oxidentfernung. Da beim pastenfreien Löten keine Rückstände in der Halbleiterverbindung verbleiben, kann eine lunkerfreie und damit wesentlich zuverlässigere Verbindungsschicht erreicht werden als beim Pastenlöten. Beim Reflow-Löten kann die Wärme über alle Arten des Wärmeflusses, d.h. Konvektion, Strahlung und Wärmeleitung, in die Bauteile eingebracht werden.

Seit dem Verbot von Blei in europäischen Elektronikprodukten (RoHs) werden in Europa hauptsächlich SAC-Lote verwendet. Ihr Übergang in die flüssige Phase liegt meist zwischen 217 °C und 220 °C. Die Lastwechselbeständigkeit sowie das mechanische und thermomechanische Verhalten dieser Lötmittelgruppe wurden bereits in zahlreichen Veröffentlichungen eingehend untersucht. Eine Zusammenfassung der Studien finden Sie hier.