Experten-Leitfaden: Wellenlöt-Probleme an PCBs beheben

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Was ist Wellenlöten?

Wellenlöten ist ein Lötprozess, der während der Massenfertigung von Leiterplatten (PCB) eingesetzt wird. Der Wellenlötprozess ermöglicht Herstellern, große Leiterplatten schnell und zuverlässig zu löten. Der Name stammt von der Lötwelle, über die jede Platine geführt wird. Die Verwendung einer Lötwelle im Gegensatz zu einzelnen Lötpunkten erzeugt Lötverbindungen, die mechanisch und elektrisch zuverlässig sind.

Der Wellenlötprozess eignet sich sowohl für die konventionelle Durchsteckmontage (Through-Hole) als auch für die neuere Oberflächenmontage (Surface-Mount).

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

Im Kern beginnt eine Standard-Wellenlötmaschine mit einer Komponente: einem beheizten Löttank, der auf die für den spezifischen Lötprozess erforderliche Temperatur gehalten wird. Im Tank baut der Techniker eine Lötwelle auf und führt jede PCB durch den Tank, sodass die Spitze der Lötwelle gerade den Boden der PCB berührt.

Designer müssen sich bei PCBs, die wellengelötet werden sollen, zweier Hauptprobleme bewusst sein:

• Pad-Abstand (Pad Spacing): Wenn die zu lötenden Pads zu nah beieinander liegen, kann flüssiges Lot zwischen ihnen fließen. Kurzschluss nicht nur der beiden verbundenen Pads, sondern möglicherweise der gesamten PCB ist die Folge.

• Lötwiderstand (Solder Resist): Eine Lötwiderstandsschicht auf der PCB ist nicht mehr so problematisch wie früher, da eine Lötstoppmaske (Solder Mask) im Blueprint Standard ist. Dennoch ist das doppelte Prüfen, ob eine Lötstoppmaske oder Lötwiderstandsschicht Teil Ihres PCB-Blueprints ist, immer ratsam und verhindert unglückliche Unfälle.

Sobald die zu lötende Platine auf Pad-Abstand und Lötwiderstandsschicht geprüft wurde, ist es Zeit, Flussmittel (Flux) aufzutragen. Flussmittel sorgt dafür, dass die zu lötenden Bereiche der Platine sauber und oxidationsfrei sind. Es gibt zwei verschiedene Arten, Flussmittel aufzutragen, je nach Umständen.

• Sprühflussmittel (Spray Flux), das als feiner Nebel aufgetragen und mit einem Strahl Druckluft von überschüssigem Flussmittel befreit werden kann.
• Schaumflussmittel (Foam Flux), das von einem Tank mit normalem Flussmittel auf die Platine aufgebracht wird. Ein Plastikzylinder mit winzigen Löchern wird in den Flux-Tank getaucht. Nach gründlichem Eintauchen wird ein Metallschornstein darüber gestülpt. Luft wird durch den Zylinder gezwungen, sodass Schaum durch den Schornstein aufsteigt. Der Boden der PCB wird dann in diesem Schaumflussmittel beschichtet.

Nach der Flussmittelbehandlung der Platinenunterseite ist es Zeit, die Platine vorzuheizen. Aufgrund der Art, wie Lot beim Wellenlöten aufgebracht wird, werden wellengelötete PCBs enormen Hitzemengen ausgesetzt – weit mehr als bei manuellem Löten. Ohne Vorheizen können Leiterplatten verschiedene Lötfehler erleiden – allesamt aufgrund von thermischem Schock.

Um die Chancen von thermischem Schock zu minimieren, müssen zu wellenlötende Platinen langsam auf die erforderliche Temperatur erhitzt werden.

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

Wellenlöt-Defekte und Abhilfen

Dass Maschinen im Wellenlötprozess involviert sind, bedeutet nicht, dass er weniger fehleranfällig ist als manuelles Löten. Ob Sie einen Löttank oder ein Handlötkolben nutzen – Sie müssen Löten wie die präzise Wissenschaft behandeln, die es ist, und sorgfältig steuern, wo und was Sie löten.

Andernfalls erhalten Sie verschiedene Lötfehler wie die unten aufgeführten:

1. Unzureichende Lochfüllung (Insufficient Hole Fill)

Unzureichende Lochfüllung tritt bei PCBs mit vorgebbohrten Löchern für Bauteilmontage auf. Im Wesentlichen: Unzureichende Lochfüllung liegt vor, wenn eine ungenügende Menge Lot die für Bauteile gebohrten Löcher füllt, sodass das Lot nach dem Abkühlen nicht an der Leiterplatte haftet. Gründe dafür:

• Flussmittel wurde falsch aufgetragen und drang nicht durch die Platine, sodass das Lot nicht aktiviert wurde und die Bauteile nicht richtig binden konnte.

• Die Temperatur der Platinenoberseite ist nicht hoch genug, um Lot schmelzen zu lassen, damit es durch die Löcher aufsteigen kann.

• Nicht genug der Platine war in der Lötwelle. Wenn nicht genug der Platine Kontakt mit der Welle hat, wird zu wenig Lot in die Durchkontaktierungen (Through-Holes) gedrückt.

Der beste Weg, diese Probleme zu beheben, ist eine weitere Reihe von Vor-Löt-Prüfungen. Prüfen Sie die Art des verwendeten Flussmittels und stellen Sie sicher, dass ein ausreichendes Volumen vorhanden ist, um die gesamte PCB zu bedecken. Dieser Schritt hilft auch beim zweiten Problem: unzureichendem Vorheizen.

Da Lot zur Wärme fließt, fließt es nicht so gut, wenn die Durchkontaktierungen Ihrer PCB nicht die korrekte Temperatur haben. Während die „richtige“ Temperatur von Ihren Betriebsstandards abhängt, liegt die Faustregel zwischen 300 und 340 °F (ca. 150–170 °C).

Die gesamte Baugruppe muss diese Temperatur vor dem Kontakt mit der Welle erreichen. Wenn Sie unsicher sind, ob Ihre Durchkontaktierungen die korrekte Temperatur erreichen, erstellen Sie ein Profil des Wellenlötprozesses – es sollte Ihrem Reflow-Profil sehr ähnlich oder identisch aussehen.

Während Sie das Wellenlötprofil erstellen, können Sie auch Ihre Platinenhöhe prüfen – also wie viel der Platine der Welle ausgesetzt ist. Versuchen Sie, mindestens die halbe Platinenstärke in der Lötwelle zu haben, damit der hydrostatische Druck der Welle das Lot in die Durchkontaktierungen drückt.

2. Abgehobene Bauteile (Lifted Components / Tombstones)

Abgehobene Bauteile (auch „Tombstones“ genannt) sind Bauteile, die sich während des Lötprozesses von der Platine lösen. Häufige Ursachen:

• Falsche Anschlussdrahtlängen (Lead Lengths), die Bauteile beim Eintritt in das Lötbad anheben.
• Versuch, eine flexible PCB zu wellenlöten, die sich biegt, während die restlichen Bauteile flach bleiben, was sie vom Board abhebt.
• Verwendung von Bauteilen mit unterschiedlichen Anforderungen an Lottyp und Temperatur.

Zur Korrektur falscher Anschlussdrahtlängen: Prüfen Sie, welche Drähte Sie nutzen. Sind sie zu lang, kann der Kontakt mit dem Lötbad sie aus der Durchkontaktierung drücken. Abhilfe: Eintauchzeit in der Welle (In-Wave Immersion Time) erhöhen, was die thermische Belastung der Drähte verringert und sie sich setzen lässt.

Zur Korrektur von PCB-Biegung oder Flex-Problemen: Doppelprüfen, welche PCB-Art Sie nutzen und welche thermischen Toleranzen sie hat. Platinenbiegen ist häufig bei großen Steckverbindern und großen IC-Gehäusen oder Sockeln. PCBs, die von vornherein flexen (z. B. Kunststoff), sollten nicht wellengelötet werden, da die Lötwelle den Kunststoff biegen und Bauteile vom Board heben kann.

Schließlich: Nachdem Sie die thermischen Toleranzen Ihrer Platine geprüft haben, prüfen Sie die thermischen Toleranzen aller Bauteile. Bauteile mit unterschiedlichen Temperaturanforderungen oder Lötbarkeitstemperaturen können beim Kontakt mit der Welle abheben, da einige einlöten, während übermäßige Hitze andere wegdrückt. Stellen Sie sicher, dass alle verwendeten Bauteile gleiche Anforderungen haben – das sollte solche Probleme verhindern.

3. Übermäßiges Lot (Excessive Solder)

Übermäßiges Lot entsteht durch Lotansammlung auf der Platine beim Durchlaufen eines Wellenlöttanks. Zwar entsteht noch eine elektrische Verbindung, aber es ist schwer zu erkennen, was im Lot selbst vor sich geht.

Gründe für zu viel Lot an Verbindungen:

• Gleiche Bauteiltypen zeigen in unterschiedliche Richtungen
• Falsche Anschlussdrahtlängen im Designprozess
• Förderband läuft zu schnell

Die erste Ursache ist leicht zu beheben. Sorgen Sie dafür, dass alle Bauteile eines einzelnen Typs – z. B. alle Batterien – beim Eintritt in den Wellentank in die gleiche Richtung zeigen. Wenn ein Bauteil „weg vom Tank“ zeigt, sollten alle anderen dieses Typs genauso ausgerichtet sein.

Das Beheben von Anschlussdraht-Überständen (Lead Protrusions) – verursacht durch falsche Drahtlängen im Design – kann auch übermäßiges Lot verhindern. Wenn der Draht zu lang ist, kann sich Lot daran ansammeln und übermäßig werden. Lösung: Eine Drahtlänge festlegen, die nicht zu weit über die Pad-Oberflächen hinausreicht. Beispiel: NASA nutzt 2,29 mm – gerade lang genug, um über das Pad für das Löten hinauszuragen.

Wenn alle Bauteile gleich ausgerichtet sind und die Drahtlängen präzise, müssen Sie eventuell das Förderband verlangsamen. Ein zu schnelles Förderband kann Welle um Welle Lot auf die Bauteile der Platine kippen, während sie durch den Löttank laufen. Die einfachste Lösung: Mit dem Projektleiter über akzeptable Förderbandgeschwindigkeiten sprechen.

4. Lötkugeln (Solder Balling)

Lötkugeln können entstehen, wenn sich kleine Lotteile beim Wellenlöten wieder an der PCB anlagern – speziell nah an den Drähten. Häufige Ursachen:

• Temperatur des Lots im Tank ist zu hoch.
• Lot fällt zurück in die Welle, während es sich von der Platine löst, wodurch überschüssiges Lot zurück auf die Platine spritzt.
• Gase aus erhitztem Flussmittel können flüssiges Lot zurück auf die Platine spucken.

Der beste Weg, allgemeine Lötkugelprobleme zu beheben, liegt im PCB-Design selbst. Bei der Wahl der Lötstoppmaske (Solder Mask) für Ihr PCB-Design suchen Sie eine, die die geringste Chance bietet, dass Lot an ihr haftet. Durch Wahl der besten Lötstoppmaske machen Sie Ihr Board-Design robuster.

Lötkugeln durch Gase aus erhitztem Flussmittel stammen meist von übermäßigem Rückstrom (Backflow) in der Luft um Ihren Wellentank oder einem Abfall des Stickstoffs in der Umgebung. Prüfen Sie, wie viel Luft in den Löttank strömt, sowie die Stickstoffmenge in der Tankumgebung. Sorgfältige Überwachung beider Aspekte lindert Lötkugelprobleme durch Rückprallen aus erhitztem Flussmittel.

Es gibt mehrere Gründe, warum Lot in die Welle zurückfallen könnte: ob noch flüchtiges Material im Flussmittel ist, wie hoch die Lötwelle ist, etc. Der beste Weg, die Ursache zu finden: Führen Sie Ihre Lötwelle mit einer weißen Karte über der Welle durch – aber ohne Platinen. Führen Sie denselben Test mit ein paar Testplatinen durch und vergleichen Sie die Ergebnisse.

5. Lötfahnen (Solder Flags)

Lötfahnen sind kleine Loterhebungen, die aus den Enden Ihrer Drähte herausragen. Zwar erlauben sie noch eine ordnungsgemäße elektrische Verbindung mit anderen Bauteilen auf der Platine, sie deuten jedoch auf falsche Flussmittelanwendung und Probleme beim Lotablauf von Ihrer Platine hin.

Häufige Ursachen für Lötfahnen:

• Langsame Entwässerung des Lots aus der Wellenlötmaschine, wodurch übermäßiges Lot am Draht verbleibt, das beim Ablaufen „ausfahnt“.

• Lötspuren, die wie Whiskers (Zinnbart) aussehen – häufig Resultat falsch aufgetragenen Flussmittels.

• Unsachgemäße Lagerung Ihrer Lötanschlussdrähte, was Oxidation verursacht, an der Ihr Lot nicht gut benetzen kann.

Langsame Entwässerung wird meist durch mangelnde Kontrolle bei der Trennung von Lötwelle und Platine verursacht. In den meisten Fällen ist der Rückstrom (Backflow) der Lötwelle nicht korrekt eingestellt – stellen Sie sicher, dass er auf eine „Lambda“-Welle eingestellt ist. Ist der Rückstrom Ihrer Lötwelle korrekt eingestellt, fließt das Lot mit gleicher Geschwindigkeit und Richtung wie die Platine bei der Trennung. Falls nötig, können Sie es leicht schneller laufen lassen. Langsames oder gar kein Laufen erhöht Lötfahnen/Spikes.

Oxidation kann durch unsachgemäß geschnittene oder gelagerte Drähte entstehen. Wenn Ihre Drähte nicht hausintern geschnitten werden, prüfen Sie beim Lieferanten, wie sie ihre Drähte schneiden. Blank geschnittene Enden können Drähte oxidieren lassen, besonders bei langer Lagerung. Wenn Ihr Shop Drähte hausintern schneidet, haben Sie mehr Kontrolle über Schnitt, Lagerung und Dauer. Alle drei Faktoren lassen den Draht oxidieren, was das Benetzen mit Lot beim Wellenlöten stark erschwert.

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