Fertigungseinblicke: Prinzipien und Vorsichtsmaßnahmen beim Reflow-Löten

Die Reflow-Löttechnologie im Elektronikmontageprozess ist ein entscheidender Schritt, um eine starke Verbindung zwischen Bauteilen und der Leiterplatte (PCB) zu gewährleisten. Dieser Artikel untersucht die Arbeitsprinzipien des Reflow-Lötens und hilft dabei, die Bedeutung dieser Technologie für die Verbesserung der Produktqualität und Produktionseffizienz besser zu verstehen.

Was ist Reflow-Löten?

Reflow-Löten, auch als Reflow bezeichnet, ist ein Lötverfahren, das in der Oberflächenmontagetechnologie (SMT) verwendet wird, um elektronische Bauteile auf Leiterplatten zu befestigen. Dabei wird heiße Luft genutzt, um Lotpaste bei hohen Temperaturen zu schmelzen und wieder aufzuschmelzen, wodurch hochwertige Lötverbindungen entstehen.

(Reflow Ofen)  

Häufige Reflow-Lötanlagen

Heißluft-Reflow-Löten: Verwendet hauptsächlich Heizdrähte zur Erwärmung, wobei heiße Luft schichtweise im Ofen zirkuliert, um die für das Löten erforderliche Wärme zu übertragen. Es bietet den Vorteil einer gleichmäßigen und kontrollierbaren Temperatur sowie einer hohen Stabilität der Lötstellen.

(Heißluft-Reflow-Löten)  

Stickstoff-Reflow-Löten: Basierend auf dem Heißluft-Reflow-Löten wird während des Erhitzens Stickstoff zugeführt, um den Sauerstoffgehalt im Ofen zu reduzieren. Dadurch wird eine Oxidation der Bauteilanschlüsse während des Lötens verhindert, die Benetzung des Lotes verbessert, die Blasenbildung in den Lötstellen verringert und die Zuverlässigkeit erhöht.

(Stickstoff-Reflow-Löten)  

Funktionsprinzip des Reflow-Lötens

Lotpaste dehnt sich bei Erwärmung aus und zieht sich beim Abkühlen zusammen. Unter Nutzung dieser Eigenschaft wird die zuvor auf die Leiterplattenpads aufgetragene Lotpaste erhitzt, bis sie flüssig wird, und bildet nach dem Abkühlen eine dauerhafte Verbindung zwischen den Bauteilanschlüssen und den Leiterplattenpads.

Die vier Temperaturzonen des Reflow-Lötens  

Ein Reflow-Ofen ist in vier Zonen unterteilt: Vorheizzone, Einweichzone, Reflow-Zone und Kühlzone. Jede Zone spielt eine spezifische Rolle im Reflow-Prozess, weshalb jede Zone auf eine unterschiedliche Temperatur eingestellt wird.

(Vier Temperaturzonen eines Reflow-Ofens)  

Vorheizzone: Typischerweise zwischen 60°C und 130°C eingestellt, dient sie zum Vorwärmen der Leiterplatte und der Bauteile. Wenn sich die Leiterplatte zu schnell von Raumtemperatur erwärmt, kann thermischer Schock sowohl die Leiterplatte als auch die Bauteile beschädigen. Durch das Vorheizen wird thermische Belastung durch schnelle Temperaturänderungen wirksam verhindert, Feuchtigkeit und flüchtige Bestandteile in der Lotpaste verdampfen, die Blasenbildung in Lötstellen wird reduziert und eine gute Lötqualität in den folgenden Phasen gewährleistet.

Einweichzone: Typischerweise zwischen 120°C und 160°C eingestellt, erwärmt sie die Leiterplatte weiter und stellt sicher, dass Feuchtigkeit von den Lötpads und Bauteilanschlüssen vollständig verdampft. Dieser Schritt sorgt dafür, dass Leiterplatte und Bauteile eine gleichmäßige Temperatur erreichen, bevor sie in die Reflow-Zone gelangen, um Defekte durch thermischen Schock in der Reflow-Zone zu vermeiden.

Reflow-Zone: Dies ist der kritischste Schritt im gesamten Reflow-Lötprozess. Beim Eintritt in die Reflow-Zone steigt die Temperatur schnell auf etwa 245°C an, um die Lotpaste auf den Leiterplattenpads zu schmelzen (die Temperatur der Reflow-Zone hängt vom Schmelzpunkt der Lotpaste ab).

Das geschmolzene Lot löst sich zwischen Leiterplattenpads und Bauteilanschlüssen auf und verteilt sich, wodurch eine gute Benetzung der Pads und Anschlussdrähte erreicht wird. Die Kapillarwirkung zieht das Lot in die Zwischenräume zwischen den Bauteilanschlüssen und den Pads.

Kühlzone: In der Kühlzone wird die Temperatur der Lötstellen schnell abgesenkt, damit sie erstarren und eine stabile metallische Verbindung bilden. Beim Eintritt in die Kühlzone fällt die Temperatur rasch ab, und während die Lötstelle abkühlt und erstarrt, entsteht eine dauerhafte Verbindung zwischen Bauteilanschlüssen und Pads. (Die Abkühlgeschwindigkeit muss kontrolliert werden, um thermische Spannungen durch zu schnelles Abkühlen zu vermeiden.)

Die Temperatur des Reflow-Ofens sollte durch den Schmelzpunkt der verwendeten Lotpaste bestimmt werden, der je nach Lötmaterial variiert. Beispielsweise schmilzt niedrigtemperaturige Lotpaste bei etwa 138°C und erfordert eine Ofentemperatur von ungefähr 180°C ±5°C; mitteltemperaturige Lotpaste schmilzt bei etwa 178°C und benötigt etwa 215°C ±5°C; hochtemperaturige Lotpaste schmilzt bei etwa 217°C und benötigt etwa 245°C ±5°C.

In der Regel wird, um ein vollständiges Schmelzen der Lotpaste und ein gutes Lötergebnis sicherzustellen, die Ofentemperatur etwas höher als der Schmelzpunkt der Lotpaste eingestellt.

Vorsichtsmaßnahmen

Doppelseitiges Löten: Im Allgemeinen sollte bei doppelseitigen Leiterplatten zuerst die Seite mit weniger oder kleineren Bauteilen gelötet werden. Nach dem Abkühlen wird die andere Seite gelötet. Während des Prozesses kann die Temperatur dazu führen, dass sich Lötstellen auf der Unterseite erweichen, wodurch große Bauteile abfallen können. Daher wird empfohlen, große Bauteile auf derselben Seite der Leiterplatte zu platzieren und zuerst die Seite mit den großen Bauteilen zu löten.

(Leiterplatte mit großen Bauteilen)  

Wärmebeständigkeit der Bauteile: Die ausgewählte Lotpaste muss zur Wärmebeständigkeit der Bauteile passen, um sicherzustellen, dass der Schmelzpunkt der Lotpaste innerhalb des sicheren Temperaturbereichs der Bauteile liegt.

Pad-Abstand: Aufgrund der Oberflächenspannung des Lotes auf den Pads kann ein zu geringer Abstand zwischen den Pads zu Lötbrücken führen. Es wird empfohlen, einen Pad-Abstand von mindestens 0,3 mm einzuhalten.

(Pads mit geringem Abstand)