Volltunnel-Wellenlöten Stickstoffhaube schont beim Volltunnel-Wellenlöten die Umwelt und spart Material

Im Zuge der Umstellung auf bleifreies Löten bietet die Inertisierung mit Stickstoff während des Lötprozesses aus mehreren Gründen große Vorteile: So halbiert sich auch bei Volltunnel-Wellenlötmaschinen beim Einsatz dieses Schutzgases der Lotverbrauch. Die Krätzebildung ist geringer und der Instandhaltungs- und Reinigungsaufwand lässt sich ebenfalls deutlich reduzieren.

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Den 24. März 2006 werden die Hersteller von Leiterplatten in Deutschland bestimmt nicht so schnell vergessen. An diesem Tag nämlich trat das „Gesetz über das In-Verkehr-bringen, die Rücknahme und die umweltverträgliche Entsorgung von Elektro- und Elektronikgeräten“ (ElektroG) in Kraft. Eine Vorschrift, die unter anderem den Einsatz von Blei in Lötlegierungen beziehungsweise elektronischen Komponenten verbietet.

Doch was gut für die Umwelt ist, stellt viele Unternehmen vor massive Probleme, denn: Durch das Bleiverbot müssen die Leiterplatten bei einer höheren Temperatur gelötet werden und die negativen Auswirkungen von Sauerstoff auf den Lötprozess machen sich so deutlich stärker bemerkbar als bisher. Erhöhte Oxidation und die Entstehung von anderen Verschmutzungen, wie beispielsweise die so genannte Krätzebildung, sind nur zwei Beispiele dafür.

Im Zuge der Umstellung auf bleifreies Löten hat sich sowohl für das Reflow- als auch für das Wellenlötverfahren die Inertisierung mit Stickstoff während des Lötprozesses als vorteilhaft erwiesen: So wird durch den Einsatz dieses Schutzgases der Lotverbrauch deutlich reduziert und die Krätzebildung verringert sich.

Der Instandhaltungs- und Reinigungsaufwand nimmt ab, ebenso der Verbrauch an aggressiven Flussmitteln – gleichzeitig verschmutzen Leiterplatten, Maschine und Absaugung weniger stark.

Wellenlötmaschinen lassen sich nachrüsten

Mit dem Teilinertisierungssystem Solderflex LIS (Local Inerting System), das der Gashersteller Linde AG bereits vor einigen Jahren auf den Markt gebracht und inzwischen weltweit über 150-mal verkauft hat, lassen sich vorhandene Wellenlötmaschinen sehr einfach nachrüsten. Auch die ACD Elektronik GmbH setzt diese Lösung bereits erfolgreich in der Produktion ein und spart damit Kosten bei gleichzeitiger Schonung der Umwelt.

Bei den Volltunnel-Wellenlötmaschinen konnten die Vorteile dieser LIS-Haube bisher allerdings noch nicht genutzt werden. Deshalb entstand während einer Schulung die Idee, eine solche Lösung speziell für diesen Maschinentyp zu entwickeln (Bild 1).

Ziel sollte es sein, auch hier Stickstoff noch effektiver für den Lötprozess zu nutzen. Gemeinsam bauten der Gashersteller und ACD Elektronik einen Prototyp des mittlerweile zum Patent angemeldeten Solderflex DIS (Double Inerting System), der ein halbes Jahr intensiv getestet wurde.

Verbesserungen auch bei Volltunnel-Wellenlötmaschinen umgesetzt

Dadurch sollte in der Praxis überprüft werden, ob die bei der Konzeption dieser Lösung erwarteten Verbesserungen auch tatsächlich eintreten. So etwa, dass sich die Atmosphäre im unmittelbaren Lötbereich bei gleich bleibendem oder sinkendem Gasverbrauch noch einmal deutlich verbessert, die Entstehung von Krätze weiter vermindert wird und der Reinigungsaufwand deutlich reduziert werden kann.

Weil die Stickstoffhaube Solderflex LIS bisher allerdings unter anderem auf minimalen Gasverbrauch optimiert wurde (Bild 2), mussten für den neuen Anwendungsfall erhebliche konstruktive Änderungen und Anpassungen vorgenommen werden, sodass über die Haube ein für Tunnelmaschinen üblicher Betrag von 15 bis 20 m³/h Gasdurchsatz gefahren werden kann. Ermöglicht wurde dies durch eine zusätzliche Gaslanze und die dafür notwendige Gaszuleitung.

Die wichtigste Messgröße für die Versuchsdurchführung war allerdings der Gasverbrauch. Erfasst wurden außerdem der O2-ppm-Wert über der Lötzone, der Krätzeanfall und der Reinigungszyklus sowie die Lötqualität.

Gasmenge konnte beim Wellenlöten stark reduziert werden

Das Ergebnis war eindeutig: Die Anzahl der Schaltvorgänge für die Gasströmung ist deutlich zurückgegangen und auch der Schaltbereich hat sich stark verkleinert. Damit ist die Atmosphäre in der Maschine innerhalb eines Rest-O2-ppm-Bereiches deutlich konstanter geworden. Die Gasmenge konnte über einen Versuchszeitraum von mehr als 6 Monaten darüber hinaus bei verbesserten Lötbedingungen auf rund 50% (nahe 8 m³/h) reduziert und der Zyklus der Grundreinigung für die Maschine von einer Woche auf rund vier Wochen verlängert werden.

Bei diesem ersten Versuchszyklus konnte – unter Berücksichtigung der üblichen Produktpalette – noch keine signifikante Qualitätsverbesserung im Lötprozess festgestellt werden. Auch ließ sich in diesem Zeitraum die Flussmittelmenge im Vergleich zur ursprünglichen Begasung nicht reduzieren. Doch das ist eine Frage der weiteren Optimierung des Systems, etwa durch Veränderungen in der Schutzgaszusammensetzung und gezielte Vorbehandlung der Leiterplatten vor dem Lötprozess.

Die bisher erzielten Ergebnisse – die Verringerung des Gasverbrauches um die Hälfte und die Verlängerung des Reinigungszyklus auf das Vierfache bei sonst gleich bleibenden oder verbesserten Lötparametern – rechtfertigten das Experiment auf jeden Fall. Trotzdem sollen die Prototypen weiter optimiert werden: So sollen zum Beispiel die jetzt verlegten Gummischläuche durch feste Rohre ersetzt werden. Dann wird auch die Wartung noch einfacher.

Johann Mästele ist Abteilungsleiter bei der ACD Elektronik GmbH in 88480 Achstetten.

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