Anleitung zu Wellenlötproblemen für Leiterplatten

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Was ist Wellenlöten?

Wellenlöten ist eine Art Lötprozess, der während der Massenfertigung von Leiterplatten oder PCB verwendet wird. Das Wellenlötverfahren ermöglicht es Herstellern, große Leiterplatten schnell und zuverlässig zu löten. Der Prozess hat seinen Namen von der Lötwelle, über die jede Platine geleitet wird. Durch die Verwendung einer Lotwelle anstelle einzelner Lötpunkte entstehen mechanisch und elektrisch zuverlässige Lötverbindungen.

Das Wellenlötverfahren ist sowohl für die herkömmliche Durchsteckmethode der Leiterplattenmontage als auch für die neuere Oberflächenmontagemethode geeignet.

Was steckt also in einer Wellenlötmaschine und wie funktioniert der Prozess?

Im Kern beginnt eine Standard-Wellenlötmaschine mit einer Komponente:einem beheizten Lotbehälter, der auf der erforderlichen Temperatur für den jeweils stattfindenden Lötprozess gehalten wird. Im Inneren des Tanks richtet der Techniker eine Lötwelle ein und führt dann jede Leiterplatte durch den Tank, sodass die Oberseite der Lötwelle gerade mit der Unterseite der Leiterplatte in Kontakt kommt.

Designer müssen sich zweier Hauptprobleme bewusst sein, wenn es um die Entwicklung von Leiterplatten geht, die wellengelötet werden sollen.

• Pad-Abstand: Liegen die zu lötenden Pads zu dicht beieinander, kann flüssiges Lot dazwischen fließen. Kurzschlüsse nicht nur der beiden angeschlossenen Pads, sondern möglicherweise der gesamten Leiterplatte sind die Folge.

• Lötstopplack: Eine Schicht Lötstopplack auf der Leiterplatte ist nicht mehr so ​​problematisch wie früher, da eine Lötstoppschicht standardmäßig in der Blaupause enthalten ist. Dennoch ist es immer eine gute Sache, doppelt zu überprüfen, ob ein Lötstopplack oder eine Lötstoppschicht Teil des Bauplans Ihrer Leiterplatte ist, und hilft, unglückliche Unfälle zu vermeiden.

Nachdem die zu lötende Platine auf Padabstand und eine Schicht Lötstopplack geprüft wurde, ist es an der Zeit, Flussmittel aufzutragen. Flussmittel hilft sicherzustellen, dass die zu lötenden Bereiche der Platine sauber und frei von Oxidation sind. Abhängig von den Umständen gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten, Flussmittel aufzutragen.

• Sprühflussmittel, das als feiner Nebel aufgetragen und mit einem Druckluftstrahl nachbehandelt werden kann, um überschüssiges zu entfernen.
• Schaumflussmittel, das aus einem Tank mit normalem Flussmittel auf die Platine aufgetragen wird. Ein Kunststoffzylinder mit winzigen Löchern wird in den Flussmitteltank getaucht. Sobald der Zylinder vollständig untergetaucht ist, kann ein Metallschornstein darüber angebracht werden. Luft kann dann durch den Zylinder gepresst werden, damit Schaum durch den Schornstein aufsteigt. Die Unterseite der Leiterplatte kann dann mit diesem Schaumflussmittel beschichtet werden.

Nachdem Sie die Unterseite der Platine mit Flussmittel behandelt haben, ist es an der Zeit, die Platine vorzuwärmen. Aufgrund der Art und Weise, wie Lot im Rahmen des Wellenlötprozesses aufgetragen wird, werden wellengelötete Leiterplatten enormen Wärmemengen ausgesetzt – weitaus mehr, als wenn sie manuell gelötet worden wären. Ohne Vorwärmen können Leiterplatten alle möglichen Arten von Lötfehlern aufweisen – alle aufgrund von Temperaturschocks.

Um das Risiko eines thermischen Schocks zu minimieren, müssen Platinen, die wellengelötet werden müssen, langsam auf die erforderliche Temperatur erhitzt werden.

Welche Defekte können bei wellengelöteten Platinen auftreten, wenn sie nicht vorgeheizt werden?

Wellenlötfehler und Abhilfemaßnahmen

Nur weil am Wellenlötprozess Maschinen beteiligt sind, heißt das nicht, dass es weniger fehleranfällig ist als das Löten jeder Verbindung von Hand. Egal, ob Sie einen Löttank oder ein Handeisen verwenden, Sie müssen das Löten wie die genaue Wissenschaft behandeln, die es ist, und sorgfältig kontrollieren, wo und was Sie löten.

Andernfalls treten mehrere Lötfehler wie die unten aufgeführten auf:

1. Unzureichende Lochfüllung

Unzureichende Lochfüllung ist ein Problem, das bei Leiterplatten mit vorgebohrten Löchern für auf der Platte zu montierende Komponenten auftritt. Im Wesentlichen tritt eine unzureichende Lochfüllung auf, wenn eine unzureichende Menge Lot die für die Komponenten gebohrten Löcher gefüllt hat, was bedeutet, dass das Lot nach dem Abkühlen nicht an der Leiterplatte haften bleibt. Es gibt mehrere Gründe für eine unzureichende Lochfüllung:

• Das Flussmittel wurde falsch aufgetragen und drang nicht durch die Platine, was bedeutet, dass das Lot nicht aktiviert wurde und die Komponenten nicht richtig verbinden konnte.

• Die Temperatur der Oberseite der Platine ist nicht hoch genug, um das Lötzinn zu schmelzen, sodass es durch die Löcher steigen kann.

• Es war nicht genug Platine in der Lotwelle. Kommt zu wenig Platine mit der Welle in Kontakt, wird zu wenig Lot nach oben in die Durchgangslöcher gedrückt.

Der beste Weg, diese Probleme zu beheben, besteht darin, eine weitere Reihe von Tests vor dem Löten durchzuführen. Überprüfen Sie die Art des Flussmittels, das Sie verwenden, und stellen Sie sicher, dass eine ausreichende Menge davon vorhanden ist, um die gesamte Leiterplatte zu bedecken. Dieser Schritt hilft auch beim zweiten Problem:unzureichende Vorwärmung.

Da Lötmittel durch Wärme fließt, fließt das Lötmittel nicht so gut, wenn die Durchgangslöcher Ihrer Leiterplatte nicht die richtige Temperatur haben. Während die „richtige“ Temperatur von den Betriebsstandards Ihres Unternehmens abhängt, liegt die allgemeine Faustregel zwischen 300 und 340 Grad Fahrenheit oder ungefähr 150 bis 170 Grad Celsius.

Diese Temperatur muss die gesamte Baugruppe vorher erreichen Das Brett berührt die Welle. Wenn Sie sich nicht sicher sind, ob Ihre Durchgangslöcher die richtige Temperatur erreichen, erstellen Sie ein Profil des Wellenlötprozesses – es sollte entweder genau gleich oder sehr ähnlich zu den Reflow-Prozessen Ihrer Platine aussehen.

Während Sie ein Profil des Wellenlötprozesses erstellen, können Sie auch Ihre Platinenhöhe überprüfen – das heißt, wie viel der Platine gleichzeitig der Welle ausgesetzt ist. Versuchen Sie, immer mindestens die Hälfte der Platinendicke in der Lotwelle laufen zu lassen, damit der hydrostatische Druck der Welle das Lot nach oben in das Durchgangsloch drücken kann.

2. Angehobene Komponenten

Abgehobene Bauteile, auch Tombstones genannt, sind Bauteile, die sich während des Lötvorgangs von der Platine abgehoben haben. Es gibt mehrere häufige Ursachen für Tombstones, darunter:

• Falsche Leitungslängen, die dazu führen können, dass sich Bauteile von der Platine abheben, wenn sie in das Lötbad gelangen.
• Versuch, Wellenlöten auf einer flexiblen Leiterplatte durchzuführen, die sich verbiegt, während der Rest der Komponenten flach bleibt, wodurch sie sich von der Leiterplatte abheben.
• Verwendung von Komponenten mit unterschiedlichen Anforderungen an Lottyp und -temperatur.

Um die falschen Kabellängen zu beheben, sehen Sie sich an, welche Kabel Sie verwenden. Wenn Ihre Leitungen zu lang sind, können sie durch Schlagen auf das Lötbad aus dem Durchgangsloch gedrückt werden. Um dies zu beheben, können Sie die Eintauchzeit in der Welle erhöhen, was die thermische Belastung der Leitungen verringern und ihnen ermöglichen sollte, sich zu setzen.

Um das Durchbiegen der Leiterplatte oder andere Probleme im Zusammenhang mit der Durchbiegung zu korrigieren, überprüfen Sie noch einmal, welche Art von Leiterplatte Sie verwenden und welche thermischen Toleranzen sie hat. Das Durchbiegen der Platine ist bei großen Steckverbindern und bei großen IC-Gehäusen oder -Sockeln üblich. Leiterplatten, die sich von Anfang an biegen, wie z. B. Kunststoff, sollten nicht schwallgelötet werden, da die Lötwelle dazu führen kann, dass sich der Kunststoff verbiegt und die Komponenten von der Leiterplatte abhebt.

Nachdem Sie die thermischen Toleranzen Ihres Boards überprüft haben, überprüfen Sie abschließend die thermischen Toleranzen aller Ihrer Komponenten. Komponenten mit unterschiedlichen Temperaturanforderungen oder Bleilötbarkeitstemperaturen können sich beim Kontakt mit der Welle ebenfalls abheben, da einige Komponenten festlöten, während übermäßige Hitze andere wegdrückt. Stellen Sie sicher, dass alle Komponenten, die Sie verwenden, die gleichen Anforderungen haben, was dazu beitragen sollte, diese Art von Problemen zu vermeiden.

3. Zu viel Lot

Zu viel Lötzinn ist das Ergebnis davon, dass sich auf Ihrer Platine Lötzinn ansammelt, wenn sie durch einen Wellenlötbehälter geführt wird. Während dies immer noch dazu führt, dass eine elektrische Verbindung zwischen der Platine und dem betreffenden Bauteil hergestellt wird, wird es für Sie oder andere Personen, die auf die Platine schauen, schwierig sein, genau zu sagen, was im Inneren des Lötmittels selbst vor sich geht.

Es kann mehrere Gründe geben, warum Sie möglicherweise zu viel Lötzinn auf Ihren Verbindungen haben:

• Gleiche Arten von Komponenten weisen unterschiedliche Richtungen auf
• Verwendung falscher Lead-Längen, wenn es um Ihre Designprozesse geht
• Ihr Förderband läuft zu schnell

Die erste Ursache ist eine einfache Lösung. Stellen Sie sicher, dass alle Ihre Komponenten eines einzigen Typs – z. B. alle Ihre Batterien – in die gleiche Richtung zeigen, wenn sie in den Wellentank eingeführt werden. Wenn also eine Komponente beim Einsetzen vom Tank „weg“ zeigt, sollten alle anderen Komponenten dieses Typs auch in diese Richtung zeigen.

Das Fixieren von Leitungsüberständen – die durch falsche Leitungslängen im Designprozess verursacht werden – kann ebenfalls dazu beitragen, übermäßiges Löten zu vermeiden. Wenn die Zuleitung zu lang ist, kann sich Lot darauf ansammeln und übermäßig werden. Um dies zu lösen, entscheiden Sie sich für eine Leitungslänge, die nicht zu weit über Ihre Pad-Oberflächen hinausragt. Beispielsweise verwendet die NASA eine Leitungslänge von 2,29 mm – gerade lang genug, um zum Löten über das Pad hinauszustehen.

Wenn Ihre Komponenten alle in die gleiche Richtung zeigen und Ihre Lotlängen präzise sind, müssen Sie möglicherweise Ihr Förderband verlangsamen. Ein zu schnell laufendes Förderband kann dazu führen, dass Welle um Welle Lötzinn auf die Komponenten Ihrer Platine fällt, wenn sie durch den Löttank laufen. Die einfachste Lösung für dieses Problem besteht darin, mit Ihrem Projektmanager über akzeptable Förderbandgeschwindigkeiten zu sprechen.

4. Lötkugeln

Lötkugeln können auftreten, wenn sich kleine Lotstücke wieder an der Leiterplatte anheften – insbesondere in der Nähe der Anschlussdrähte –, während sie den Wellenlötprozess durchläuft. Häufige Ursachen für Lötkugeln können sein:

• Die Temperatur des Lots im Tank ist zu hoch.
• Lötmittel fällt zurück in die Welle, wenn es sich von der Platine löst, was dazu führen kann, dass überschüssiges Lötmittel zurück auf die Platine spritzt.
• Durch erhitztes Flussmittel freigesetzte Gase können dazu führen, dass flüssiges Lot zurück auf die Platine spritzt.

Der beste Weg, um allgemeine Lötballenprobleme zu beheben, ist das Design der Leiterplatte selbst. Wenn es an der Zeit ist, die Lötstoppmaske auszuwählen, die Sie in Ihrem PCB-Design verwenden, versuchen Sie, eine zu finden, die die geringste Chance hat, dass Lötzinn überhaupt daran haftet. Indem Sie den besten Lötstopplack für Ihr Design auswählen, können Sie dazu beitragen, Ihr Platinendesign robuster zu machen.

Lötkugeln, die durch Gase aus erhitztem Flussmittel verursacht werden, stammen normalerweise von einem übermäßigen Rückfluss in der Luft um Ihren Wellenlötbehälter oder einem Rückgang des in der Umgebung vorhandenen Stickstoffs. Überprüfen Sie, wie viel Luft in den Löttank strömt und wie viel Stickstoff in der Umgebung Ihres Löttanks vorhanden ist. Wenn Sie beides sorgfältig im Auge behalten, können Sie Probleme mit Lötkugeln vermeiden, die durch Rückprall von erhitztem Flussmittel verursacht werden.

Es gibt mehrere Gründe, warum Lot in die Welle zurückfallen kann:ob sich noch flüchtiges Material im Flussmittel befindet, wie hoch die Lotwelle ist usw. Der beste Weg, um das Problem an der Wurzel zu packen, besteht darin, Ihre Lotwelle mit laufen zu lassen eine weiße Karte über der Welle, aber ohne Verarbeitung der Bretter. Führen Sie den gleichen Test mit ein paar Testboards durch, die die Welle durchlaufen, und vergleichen Sie die Ergebnisse.

5. Lötfahnen

Lötfahnen sind kleine Lotvorsprünge, die aus den Enden Ihrer Leitungen herausragen. Auch wenn sie Ihnen immer noch ermöglichen, eine ordnungsgemäße elektrische Verbindung mit den anderen Komponenten auf der Platine herzustellen, weisen sie sowohl auf eine unsachgemäße Auftragung des Flussmittels als auch auf Probleme damit hin, wie das Lot von Ihrer Platine abfließt.

Häufige Ursachen für Lötfahnen sind:

• Langsames Abfließen des Lötmittels aus der Schwalllötmaschine, wodurch eine übermäßige Menge an Lötmittel auf der Leitung verbleibt, die beim Abfließen auf einer Seite „herausragt“.

• Lötspuren, die wie Whiskers aussehen – häufig das Ergebnis von unsachgemäß aufgetragenem Flussmittel.

• Unsachgemäße Lagerung Ihrer Lötleitungen, die zu Oxidation führen kann, an der sich Ihr Lötmittel nicht ohne weiteres anheften kann.

Langsames Ablaufen wird normalerweise durch schlechte Kontrolle zwischen der Trennung der Lotwelle und der Platine verursacht. In den meisten Fällen liegt dies daran, dass der Rückfluss der Lötwelle nicht richtig eingestellt ist – stellen Sie sicher, dass Ihre auf eine Welle im „Lambda“-Stil eingestellt ist. Wenn der Rückfluss Ihrer Lotwelle richtig eingestellt ist, fließt das Lot mit der gleichen Geschwindigkeit und in die gleiche Richtung wie die Platine, wenn es sich von der Welle trennt. Bei Bedarf können Sie es etwas schneller ausführen. Wenn Sie es jedoch langsam oder gar nicht laufen lassen, werden Lötfahnen/Spikes zunehmen.

Oxidation kann das Ergebnis von unsachgemäß geschnittenen oder gelagerten Kabeln sein. Wenn Ihre Leads nicht intern geschnitten werden, erkundigen Sie sich bei Ihrem Lieferanten, wie sie ihre Leads schneiden. Blank geschnittene Enden können dazu führen, dass Ihre Minen oxidieren, insbesondere wenn sie lange gelagert werden. Wenn Ihr Geschäft Leads intern schneidet, haben Sie mehr Kontrolle darüber, wie sie geschnitten und gelagert werden und wie lange sie gelagert werden. Alle drei dieser Faktoren lassen das Blei offen für Oxidation, was es viel schwieriger macht, es mit Lot zu benetzen, wenn es an der Zeit ist, es durch die Welle zu führen.

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