Alles über den Reflow-Lötprozess bei der SMT-Bestückung

Das Löten ist eine Methode, die im Allgemeinen thermischer Natur ist (d.h. sie nutzt Wärme bei Temperaturen, die viel höher sind als die der Umgebung), mit der zwei oder mehr Komponenten mechanisch und im Falle von Bereichen, die mit Elektronik zu tun haben, auch elektrisch verbunden werden können. Dann muss dieses Schweißen eine Verbindung der elektrischen Leitung schaffen, die eine Verbindung der elektromechanischen Eigenschaften ist, die es ermöglicht, die Komponenten an einer Chassisstruktur oder einer Leiterplatte zu befestigen und gleichzeitig elektrisch mit den Anschlüssen dieser oder gegebenenfalls mit Pads in einer Reflow-Ofen die Verbindung sind in der Regel Klemmen oder Drähte und im Falle von Leiterplatten sind es Pads.

Es gibt zahlreiche Lötmethoden (Wellenlöten, Reflow-Löten, manuelles Löten und mehr)Einige werden im industriellen Bereich eingesetzt, andere im Amateur- und Hobbybereich und einige Techniken werden in beiden Bereichen verwendet. In diesem Artikel werden wir uns auf Reflow-LötenEine Art des Lötens, die vor allem im industriellen Bereich verwendet wird, obwohl es heutzutage einige kleine Reflow-Lötgeräte gibt, die von Amateuren gekauft und in der kleinen Werkstatt des Elektronikbastlers verwendet werden können.

Unten sehen Sie ein detailliertes Video der PCBA im Reflow-Ofen!

Wie man Reflowlöten kann

Reflow-Lötsystem ist ein Verfahren, bei dem eine Schicht Lötpaste auf die Pads einer Leiterplatte (PCB) aufgetragen und dann oberflächenmontierte Bauteile (SMD) an den dafür vorgesehenen Stellen platziert werden. Die Leiterplatte wird dann in einem Ofen kontrolliert erhitzt, wodurch das Lot schmilzt und sich verfestigt und sowohl elektrische als auch mechanische Verbindungen zwischen den Komponenten und der Leiterplatte entstehen.

Schauen wir uns den Prozess genauer an, um besser zu verstehen, wie das Reflow-Löten funktioniert.

SMT-Bestückung in der PCBA-Fertigung erfordert das Vorhandensein von freiliegenden Pads, auf denen die elektronischen Komponenten gelötet werden sollen. Diese Pads werden von der StopMask-Schicht unbedeckt gelassen, um das Auftragen von Lot zu ermöglichen.

Die beim Reflow-Löten verwendete Lötpaste ist eine Mischung aus Lötmetall (typischerweise Legierungen wie Silber, Zinn, Blei usw.) in Form von kleinen Kugeln. Sie wird mit Lösungsmittelpasten und Flussmitteln kombiniert, die die Haftung der Komponenten unterstützen und die Lotkugeln in der Paste in der Schwebe halten. Die Lötpaste hat in der Regel eine zahnpastaähnliche Konsistenz und die charakteristische Farbe von Elektroniklot.

Um die Lötpaste auf die Pads aufzutragen, verwenden Sie eine PCB-Schablone wird als Schablone verwendet. Die Schablone, die in der Regel aus dünnem Metall besteht, weist Perforationen auf, die mit den Pads der Leiterplatte übereinstimmen. Das Muster dieser Perforationen wird von der StopMask-Ebene der Gerber-Dateien abgeleitet, die während der PCB-Designphase erstellt wurden.

Jedes Pad auf der Leiterplatte wird dann mit einer kleinen Menge Lötpaste beschichtet, wobei jedes SMD-Bauteil platziert werden.

Der nächste Schritt besteht darin, die elektronischen Komponenten genau auf der Leiterplatte zu platzieren und sicherzustellen, dass jeder Anschluss der Komponente mit dem entsprechenden Pad auf der Leiterplatte übereinstimmt. Diese Aufgabe wird in der Regel mit einem Bestückungsautomaten ausgeführt - einem automatischen Gerät, das jedes Bauteil präzise positioniert.

Für kleinere PCBA-Prototyping Projekten oder solchen mit einer begrenzten Anzahl von SMD-Bauteilen kann dieser Prozess auch manuell durchgeführt werden. In solchen Fällen wird eine Pinzette verwendet, um jedes Bauteil auf die entsprechenden Pads zu setzen. Die cremige Textur der Lötpaste erleichtert das Festhalten der Bauteile aufgrund der Oberflächenspannung.

Sobald die Komponenten platziert sind, wird die Leiterplatte zu einer Reflow-Maschine transportiert, wo der Lötprozess stattfindet.

Der Erhitzungsprozess im Reflow-Ofen besteht aus mehreren Stufen. Die Zufuhr von Wärme und die präzise Temperaturkontrolle über die Zeit sind entscheidende Faktoren, um eine gute Haftung der Komponenten zu gewährleisten, qualitativ hochwertige Lötverbindungen zu erzielen und Schäden an den internen Schaltkreisen der Komponenten zu vermeiden.

Dieser Erhitzungsprozess erfordert eine sorgfältige Temperaturkontrolle, um die notwendigen Temperaturen für starke und konsistente Lötverbindungen zu erreichen und gleichzeitig eine übermäßige Hitze zu vermeiden, die die Halbleitermaterialien der Komponenten möglicherweise beschädigen könnte.

Als PCBA-UnternehmenFS PCBA weiß, wie wichtig es ist, präzise Reflow-Löttechniken anzuwenden, um zuverlässige und hochwertige elektronische Baugruppen zu gewährleisten. Unser erfahrenes Team nutzt modernste Ausrüstung und befolgt die besten Praktiken der Branche, um hervorragende Ergebnisse für Ihre Projekte zu erzielen.

Vier Prozesse des Reflow-Lötens

Rampe zum Einweichen

Die erste Phase der Erwärmung für das Reflow-Löten wird "Ramp to soak" genannt und besteht darin, die Temperatur der Leiterplatte allmählich zu erhöhen, so dass die Temperatur sicher ansteigt. So können alle Komponenten und die gesamte Baugruppe eine sichere, homogene und konstante Temperatur erreichen; Die Aufgabe dieser Flüssigkeiten, die das Lot suspendieren, d.h. es pastös machen, besteht darin, die Verbindung mit den Bauteilen zu erleichtern. Wenn jedoch mit der Zeit Rückstände im Lot verbleiben, können diese die Qualität der elektronischen Haftung beeinträchtigen, weshalb es wichtig ist, dass sie während des Lötvorgangs verdampfen.

Thermische Einweichzone

Die nächste Phase wird als thermische Einweichzone bezeichnet und besteht darin, die Baugruppe einer konstanten Temperatur auszusetzen und für eine Dauer von 1 bis 2 Minuten die Verdampfung der flüchtigen Bestandteile aus der Lötpaste zu ermöglichen, um die Flussmittel zu aktivieren, wie z.B. PCB-FlussmittelDie Komponenten beginnen, an den Pads der Leiterplatte zu haften und ermöglichen eine oxidfreie Haftung, indem sie in eine Umgebung mit verdunsteten Flussmitteln eingebunden werden. Eine zu hohe Temperatur in diesem Prozess kann dazu führen, dass das Lot spritzt oder Klumpen bildet und die Lötpaste oxidiert, was die Verbindung und die Lötstellen beeinträchtigt. Bei einer zu niedrigen Temperatur werden die Flussmittel möglicherweise nicht vollständig aktiviert.

In der Soak-Zone wird ein thermisches Gleichgewicht in der gesamten Baugruppe angestrebt; die Löttemperatur muss homogen sein, bevor die Baugruppe in die nächste Reflow-Zone gebracht werden kann. Das Soak-Zone-Profil kann Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Komponenten oder zwischen verschiedenen Bereichen der Leiterplatte verringern, insbesondere wenn die Leiterplatte sehr groß ist. Außerdem wird das Soak-Profil empfohlen, um Lötprobleme bei Komponenten mit Anordnungen wie z.B. Komponenten mit BGA-Anschlüssen zu verringern.

Reflow-Zone

Die dritte Zone ist die Reflow-Zone, auch bekannt als "Zeit über Reflow" oder TAL-Temperatur über dem Flüssigkeitsspiegel. Bei dieser Temperatur wird die Höchsttemperatur erreicht. Es ist wichtig, dass die Höchsttemperatur unter Kontrolle gehalten wird, damit der Prozess erfolgreich verläuft. Sie liegt in der Regel zwischen 20 und 40 Grad über der Schmelztemperatur des Lots (das ist die Temperatur, bei der das Lot in seinen flüssigen Zustand übergeht).

Da Halbleiterkomponenten (Transistoren, integrierte Schaltkreise, Mosfets) und diskrete elektronische Komponenten (Widerstände, Kondensatoren, Spulen, Induktoren) unterschiedliche Löttoleranztemperaturen haben, muss die in der Reflow-Zone erreichte Höchsttemperatur unter der für thermische Schäden empfindlichsten Komponente liegen. Eine gute Faustregel ist, von der maximalen Temperatur, die das empfindlichste Bauteil verträgt, 5 Grad abzuziehen; oder auf die niedrigste Temperatur, die im Datenblatt als maximale Temperatur während des Reflow-Prozesses angegeben ist. Es ist wichtig, den gesamten Vorgang genau zu überwachen und diese Grenze niemals zu überschreiten. Hohe Temperaturen über 260℃ können die internen Elemente der oberflächenmontierten Komponenten beschädigen und das Wachstum von intermetallischen Oxiden verursachen, die die Leistung der Halbleiter beeinträchtigen. Andererseits kann eine zu niedrige Temperatur das reibungslose Schmelzen der Paste verhindern.

In dieser Zone liegt die Temperatur über dem Flüssigkeitspunkt, das Flussmittel reduziert die Oberflächenspannung und bewirkt, dass sich die Lötkomponenten trennen und sich die Metallpulverkugeln verbinden, wobei der Rest des Flussmittels vollständig verdampft.

Die Temperatur und die Zeit sollten auf keinen Fall die Angaben des Lötmittelherstellers überschreiten. Wenn die Temperatur zu hoch ist, kann das Flussmittel vorzeitig verbraucht werden und es entsteht ein trockenes Lot, das zu einer schlechten Formation führt, die sich durch gebrochene Lötstellen im Inneren der Lötstelle und durch das Austrocknen des Lots, Blasen im Inneren und Rost zeigt.

Das falsch berechnete Temperatur/Zeit-Verhältnis kann zu einer Verringerung der Effizienz des Flussmittels führen, dessen Aufgabe es ist, das Lot von Verunreinigungen zu befreien. Dies führt zu einer schlechten Benetzung, einer unzureichenden Entfernung des Lösungsmittels und des Flussmittels aus dem Lot und damit zu fehlerhaften Lötstellen.

Es wird empfohlen, die Reflow-Zone so kurz wie möglich zu halten. Die meisten Lötpasten geben jedoch an, dass diese Zeit mindestens 30 Sekunden betragen sollte, auch wenn es keinen Grund für diese spezielle Zeit zu geben scheint. Eine Möglichkeit ist, dass an einigen Stellen auf der Leiterplatte die Temperatur mit dem programmierten Profil nicht erreicht wird. Wenn Sie dann eine Zeit von 30 Sekunden festlegen, verringert sich die Wahrscheinlichkeit, dass es Bereiche gibt, die aufgrund von Temperaturmangel nicht schmelzen. Da es ziemlich schwierig ist, eine homogene Temperatur auf der Leiterplatte zu erreichen, wird eine minimale Reflow-Zeit die Temperaturschwankungen im Ofen reduzieren.

Die Reflow-Temperatur sollte nicht länger als 60 Sekunden aufrechterhalten werden, da diese Zeit für viele elektronische Komponenten zu lang ist.

Andererseits kann eine zu kurze Reflow-Zeit oder eine zu niedrige Temperatur Lösungsmittel und Flussmittel im Inneren einschließen und kalte oder unsaubere Verbindungen durch kleine Hohlräume (Blasen) im Lot verursachen. Jeder kleine Fehler, der im SMT-Reflow-Ofen passiert, kann dazu führen, dass PCB-Montage Fehler, die zu Häufige PCB-Probleme.

Kühlung Zone

Die Kühlzone ermöglicht es, die Temperatur der Platine während des Lötvorgangs allmählich abzusenken, damit sie sich richtig verfestigen können. Dadurch wird eine übermäßige intermetallische Bildung durch einen thermischen Schock der Komponenten, d.h. durch einen zu schnellen Temperaturwechsel, verhindert.

Die Temperaturen in der Kühlzone reichen von 30 bis 100 Grad. Die schnelle Abkühlungsrate erzeugt eine mechanisch solidere, feinkörnigere Struktur. Eine Beschleunigungsrate wird oft ignoriert oder nicht streng überwacht, so dass die Rampenrate vielleicht weniger kritisch ist. Die maximal zulässige Steigung für jede Komponente sollte angewendet werden, unabhängig davon, ob die Komponente erwärmt oder abgekühlt wird. Es wird eine Abkühlungsrate von 4℃ pro Sekunde vorgeschlagen. Dieser Parameter sollte berücksichtigt werden bei PCB Montageprozess, insbesondere bei kritischen Teilen für die Luft- und Raumfahrt und militärische Anwendungen.

Reflow-Löten FAQ

Sowohl das Wellenlöten als auch das Reflow-Löten sind wichtige Prozesse bei der Leiterplattenbestückung, die dazu dienen, Verbindungen zwischen Leiterplatten und Komponenten herzustellen.

Reflow-Löten wird üblicherweise in Szenarien eingesetzt, in denen SMD aufgrund ihrer dicht gepackten Pins und ihrer hohen Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen zum Einsatz kommen.

Auf der anderen Seite wird das Wellenlöten typischerweise verwendet für DIP-Komponenten, die über größere Pins verfügen. Bei diesem Verfahren wird die Leiterplatte über eine Welle aus geschmolzenem Lot geführt, so dass das flüssige Lot den gesamten Pad-Bereich bedeckt. Durch das Prinzip der Oberflächenspannung bildet das geschmolzene Lot Lötstellen mit den Stiften des Bauteils und sorgt so für eine robuste und zuverlässige Verbindung.

Einer der Schlüsselfaktoren bei der Auswahl eines Partners für die Herstellung von PCBAs ist die Auswahl der Produktionsanlagen. Wenn es um Reflow-Lötanlagen geht, spielt die Fähigkeit zur Temperaturkontrolle in jeder Temperaturzone eine entscheidende Rolle, um eine hervorragende Lötqualität zu gewährleisten. Hersteller wie FS Technology bevorzugen den Einsatz fortschrittlicher Wellenlötanlagen in Temperaturzone 10, die mehr Komfort und Präzision bieten.

Durch die Investition in Geräte mit unabhängiger Temperaturkontrolle in jeder Zone können die Hersteller optimale Wärmeprofile erzielen und die Temperatur während des gesamten Lötprozesses präzise regulieren. Dieses Maß an Kontrolle trägt zu einer verbesserten Lötqualität bei und erhöht die Zuverlässigkeit und Leistung der bestückten Leiterplatte.