Wie lange darf die Temperatur beim Reflow-Löten maximal über der Liquidustemperatur liegen?

Hallo Leute, kommen wir zur Sache, wenn Sie in der SMT-Montage arbeiten: Die kritischste Phase des Reflow-Lötens ist die Zeit, die Ihre Platinen über Liquidus (kurz TAL) verbringen. Wenn Sie das vermasseln, kommt es zu kalten Verbindungen, Grabsteinbildung und Bauteilschäden – all dem Zeug, das den Ertrag beeinträchtigt und Ihre Vorgesetzten dazu bringt, sich die Haare auszureißen. Als Reflow-Lötlieferant, der Jahre damit verbracht hat, Öfen zu optimieren und Fehler in Produktionslinien zu beheben, wird mir jeden Tag die Frage gestellt: Wie hoch ist die maximale Zeit über dem Liquidus, die wir tatsächlich verstreichen lassen können?

Lassen Sie uns zunächst die Grundlagen für alle erläutern, die hier neu sind. Bleifreies Lot (jetzt der Standard, kein Kolophonium-basiertes 63/37-Zinn-Blei-Material mehr) hat einen Schmelzpunkt von etwa 217 °C (423 °F) für SAC305, die häufigste Legierung. Wenn wir von TAL sprechen, ist das das Zeitfenster vom Verflüssigen der ersten Lotpastenkügelchen bis zum erneuten Erstarren der letzten – also ungefähr über 217 °C (passen Sie ein wenig an, wenn Sie eine andere Legierung wie SAC405 verwenden, aber wir bleiben hier bei SAC305, da es sich um den Industriestandard handelt).

Hier wird es knifflig: Es gibt keine allgemeingültige Zahl. Es hängt von Ihren Komponenten, der thermischen Masse Ihrer Platine, der von Ihnen gewählten Lotlegierung und Ihren Prozesszielen ab. Aber beginnen wir mit der Grundlinie, die ich unseren Kunden immer sage: Bei den meisten Standard-SMT-Baugruppen sollte die TAL nicht über 90 Sekunden hinausgehen. Warten Sie, bevor Sie eine Augenbraue hochziehen: Das ist die Obergrenze für Boards mit geringer bis mittlerer Komplexität. Wenn Sie jedoch mit winzigen, wärmeempfindlichen Komponenten wie Fine-Pitch-ICs oder Mikrochips arbeiten, sinkt diese Zahl. Ich habe eine Platine mit einer Reihe von 0201-Widerständen und einem BGA gesehen, die eine Verbindung platzen ließ, weil wir TAL 85 Sekunden erreichen ließen, aber eine andere mit schweren Kupferebenen lief mit 82 Sekunden einwandfrei. Es ist alles variabel.

Warum ist TAL so wichtig? Lassen Sie es uns aufschlüsseln. Wenn Lot flüssig ist, besteht die Gefahr der Bildung intermetallischer Verbindungen (IMC). IMCs sind spröde Schichten, die sich zwischen dem Lot und den Bauteilanschlüssen/PCB-Pads bilden. Wenn TAL zu lang ist, werden diese IMCs viel zu dick – etwa mehr als 5 Mikrometer dick. Dicke IMCs verbiegen sich nicht; Sie brechen, wenn die Platine Vibrationen oder einem Temperaturschock ausgesetzt wird, was zu unterbrochenen Verbindungen oder einem Totalausfall führt. Darüber hinaus können wärmeempfindliche Komponenten (wie LEDs, Kunststoffkondensatoren oder sogar einige Mikrocontroller) an Qualität verlieren, wenn sie zu lange hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Einmal kam ein Kunde mit einer Reihe defekter intelligenter Thermostate zu mir – es stellte sich heraus, dass sein alter Reflow-Ofen eine TAL von 110 Sekunden lief und dabei den Kunststoff in den Temperatursensormodulen schmolz. Autsch.

Lassen Sie uns nun darüber sprechen, wie Ihre Ofenkonfiguration dies ändert. Wenn Sie einen einfachen 3-Zonen-Reflow-Ofen verwenden (wie den Infrarot-Heißluftofen, den wir für kleinere Auflagen anbieten), fällt es Ihnen möglicherweise etwas schwerer, einen engen TAL einzuhalten, da die Zonenanzahl geringer ist. Mit modernen CNC-gesteuerten Öfen können Sie die Einweich- und Reflow-Phasen jedoch äußerst präzise einstellen. Bei Linien mit hohem Volumen bieten unsere 8-Zonen-Reflow-Öfen oder 10-Zonen-Modelle eine weitaus bessere Kontrolle, sodass Sie einen TAL erreichen können, der innerhalb des optimalen Bereichs liegt, ohne dass Teile überhitzt werden. Wenn Sie beispielsweise ein Board mit einer thermischen Masse von 100 Gramm betreiben, können Sie eine längere TAL (bis zu 85 Sekunden) laufen lassen, da die Masse die Hitze ausgleicht, sodass die Komponenten nicht zu lange in der heißen Zone bleiben. Aber eine Platine mit geringer Masse, wie eine dünne Leiterplatte mit winzigen Widerständen, muss die TAL auf maximal 70–75 Sekunden begrenzen.

Warten Sie, lassen Sie uns die Tests klären, denn viele Leute überspringen diesen Teil. Sie können TAL nicht einfach erraten – Sie müssen es messen. Kleben Sie ein Thermoelement auf die am weitesten entfernte, wärmeempfindlichste Komponente Ihrer Platine (nicht nur auf die großen BGAs, die winzigen 01005-Widerstände oder die Fine-Pitch-Anschlüsse) und führen Sie ein Testprofil durch. Nur so erhalten Sie genaue TAL-Zahlen, denn wenn Sie die Temperatur auf einer großen Kupferplatte messen, werden die Daten verfälscht und Sie denken, dass TAL in Ordnung ist, obwohl es für Ihre empfindlichen Teile tatsächlich zu hoch ist.

Kommen wir nun zu den harten Grenzen. Ich bin schon lange genug in dieser Branche, um zu wissen, dass jemand bis an die Grenzen gehen und fragen wird: „Können wir 100 Sekunden schaffen?“ Die kurze Antwort lautet: Nur in ganz bestimmten Fällen. Wenn Sie ein bleihaltiges Lot verwenden, ist der Schmelzpunkt niedriger (183 °C), sodass Sie technisch gesehen eine längere TAL haben könnten, aber bleihaltiges Lot ist aufgrund von Umweltvorschriften mittlerweile praktisch veraltet. Bei bleifreiem Material sind 100 Sekunden ein Warnsignal, es sei denn, Sie führen eine sehr spezielle Baugruppe mit Komponenten durch, die für hohe Reflow-Temperaturen ausgelegt sind – wie etwa Leistungsmodule mit dicken Kupferbasen. Selbst dann würde ich empfehlen, es zuerst zu testen. Mehr als 100 Sekunden? Ich habe das Ende noch nie gut gesehen. Wir hatten einen Kunden, der 120 Sekunden lang eine Reihe von Leiterplatten für die Automobilindustrie ausprobierte, und die Hälfte der BGAs entwickelte innerhalb von 6 Monaten nach der Verwendung Mikrorisse. Die Garantieansprüche schmälerten den Gewinn in diesem Quartal.

Lassen Sie uns auch darauf eingehen, wie Pick-and-Place-Geräte damit zusammenhängen, denn viele Leute übersehen den Zusammenhang zwischen Platzierungsgenauigkeit und Reflow-TAL. Warten Sie, ja – wenn Ihr Pick-and-Place die Komponenten nicht richtig platziert, müssen Sie möglicherweise einen Nacharbeitsschritt durchführen, aber auch eine ungleichmäßige Platzierung der Komponenten kann zu Hotspots auf der Platine führen, was Ihre TAL durcheinander bringt. Beim Aufnehmen und Platzieren von Elektronikgeräten ist eine präzise Ausrichtung erforderlich, um sicherzustellen, dass jede Komponente flach sitzt, damit die Wärme beim Reflow gleichmäßig verteilt wird. Deshalb ist es wichtig, mit zuverlässigen, präzisen Bestückungsmaschinen zu arbeiten – wir haben gesehen, dass Leitungen mit falsch ausgerichteten 0201-Widerständen zu kalten Verbindungen führten, weil das Lot trotz eines korrekten TAL-Profils nicht richtig floss. Wenn Sie auf der Suche nach Geräten sind, die Sie mit Ihrem Reflow-Ofen kombinieren können, sehen Sie sich hier unsere Ressourcen für numerische Steuerungs-Pickups und -Places-Elektronik an.

Ein weiterer Punkt: Ihr Lotpastentyp. No-Clean im Vergleich zu wasserlöslich: No-Clean ist heute viel häufiger anzutreffen und beeinflusst die Aktivierung des Lots. No-Clean-Pasten haben ein Aktivierungsfenster rund um die Liquidustemperatur. Wenn TAL also zu kurz ist, entfaltet das Flussmittel nicht seine volle Wirkung, was zu schlechten Verbindungen führt. Wenn es zu lang ist, brennt das Flussmittel ab und hinterlässt keinen Schutz und wiederum mehr IMCs. Daher muss TAL mit den Spezifikationen Ihrer Paste übereinstimmen. Unsere SMT-Maschinen zur Herstellung elektronischer Komponenten sind so kalibriert, dass sie mit allen gängigen bleifreien Pasten funktionieren. Daher können wir Ihnen dabei helfen, Ihr Profil mit der Aktivierungszeitleiste Ihrer Paste zu synchronisieren.

Lassen Sie uns ein Beispiel aus der Praxis aufschlüsseln, um dies konkret zu machen. Im letzten Quartal kam ein Kunde, der medizinische Wearables herstellte (sehr strenge Qualitätsstandards, kann sich keine Defekte leisten), mit seinem eigenen 3-Zonen-Reflow-Ofen zu uns und erzielte eine TAL von 95 Sekunden. Aufgrund schlechter Verbindungen lag die Fehlerquote bei 3 %. Wir haben unseren HW-R816Z Acht-Zonen-Doppelförderer-Reflow-Ofen für SMT ausgetauscht, sein Profil angepasst, um eine 72-Sekunden-TAL zu erreichen, und seine Fehlerrate ist auf 0,2 % gesunken. Das ist die Kraft, TAL richtig zu machen. Ein anderer Kunde, ein Hersteller von Leistungselektronik mit schweren, massereichen Leiterplatten, nutzt unseren HW-R10 Zehn-Zonen-Reflow-Lötofen für die SMT-Bestückung und führt 88-Sekunden-TAL ohne Probleme durch – seine Teile sind für Reflow bei 260 °C ausgelegt, sodass sie längere Zeitfenster bewältigen können.

Nun, ich sehe häufige Fehler: Leute verwechseln TAL mit der gesamten Reflow-Zeit. Die Gesamtzeit über 150 °C (Einweichzone) ist nicht dasselbe wie TAL. So viele neue Ingenieure denken: „Oh, wir haben insgesamt 180 Sekunden über 150, das ist in Ordnung“, aber wenn nur 70 davon über 217 °C liegen, ist das eigentlich ein gutes Profil. Die Einweichzone dient zum Trocknen der Paste und zum Vorwärmen von Bauteilen, nicht zum Aufschmelzen. Konzentrieren Sie sich auf das Liquidusfenster, nicht auf das Einweichen bei niedrigerer Temperatur.

Ein weiterer Fehler: Die Fördergeschwindigkeit wurde nicht berücksichtigt. Wenn das Förderband Ihres Reflow-Ofens zu schnell ist, verbringt Ihre Platine weniger Zeit in der Reflow-Zone, sodass die TAL sinkt. Wenn es zu langsam ist, schleicht sich TAL ein. Wenn wir eine neue Linie einrichten, kalibrieren wir die Fördergeschwindigkeit auf die Anzahl der Reflow-Zonen, sodass die Platine in jeder Zone genau die richtige Zeit hat, um die Ziel-TAL zu erreichen. Bei Linien mit hohem Volumen können Sie mit einem Ofen mit zwei Förderbändern (wie unserem Modell HW-R816Z) zwei verschiedene Profile gleichzeitig verarbeiten, was sich hervorragend für gemischte Platinen mit unterschiedlichen Komponentenanforderungen eignet.

Um es zusammenzufassen: Wie hoch ist die maximal zulässige TAL? Es kommt darauf an, aber hier ist die Faustregel, die ich jedem Kunden gebe:

1. Für Standard-SMT-Baugruppen (Unterhaltungselektronik, 0201-0805-Komponenten, Platinen mit geringer Masse): Max. 75–85 Sekunden TAL.
2. Für mittelschwere Platinen (Automobil-Leiterplatten, BGAs mit 0,5 mm Rastermaß): Max. 80–90 Sekunden TAL.
3. Für massereiche, temperaturbeständige Baugruppen (Leistungsmodule, Industriesteuerungen): Maximal 90–100 Sekunden TAL, aber nur, wenn Sie die Wärmewerte Ihrer Komponenten getestet haben.
4. Gehen Sie für bleifreies Lot nie über 100 Sekunden TAL hinaus – Schluss!

Wenn Sie immer noch nicht sicher sind, wo Ihre Linie steht, oder wenn Sie Ihren Reflow-Ofen oder Ihre Pick-and-Place-Ausrüstung aufrüsten möchten, um eine strengere TAL-Kontrolle zu erhalten, wenden Sie sich an unser Team, um mit uns über Ihr spezifisches Setup zu sprechen. Wir geben hier keine Pauschalempfehlungen ab, denn wir wissen, dass jede Linie, jedes Board, jedes Bauteil anders ist. Ganz gleich, ob Sie einen kleinen 3-Zonen-Reflow-Ofen für die Prototypenerstellung, ein 8-Zonen-Modell für große Stückzahlen oder CNC-Bestückungsmaschinen zur Kombination mit Ihrer Reflow-Linie benötigen, wir haben die Ausrüstung und das Fachwissen, um Ihnen dabei zu helfen, den perfekten TAL zu erzielen und Ihre Fehlerquote zu senken.

Referenzen

1. IPC-A-610, Akzeptanz elektronischer Baugruppen. IPC Association Connecting Electronics Industries, 2023.
2. Richtlinien zum bleifreien Lötprozess. J-STD-020, IPC, 2022.
3. Optimierung des Reflow-Löttemperaturprofils: Time Above Liquidus-Effekte. Journal of Surface Mount Technology, Bd. 35, Nr. 2, 2021.
4. Wärmeempfindlichkeit von SMT-Komponenten: TAL-Grenzwerte für Kunststoff- und Keramikgeräte. Component Technology Report, International Electronics Manufacturing Initiative (iNEMI), 2020.