Lötprofil

Die Zeit-Temperatur-Kurve, die eine Fügestelle zwischen dem Ein- und dem Ausgang des Lötsystems erfährt, ist das Lötprofil. Das Bild rechts zeigt typische Kurven für das Wellen- und das Reflowlöt- verfahren mit bleihaltigem Lot. Die Einstellwerte hängen vom Lötwärmebedarf und vom Wärmeübergang, d. h. sowohl von der Baugruppe als auch vom Lötsystem, insbesondere vom Prinzip und der Umsetzung der Wärmeübertragung ab.

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Das Lötprofil muss im Zeit/Temperatur-Prozessfenster zwischen dem Lötwärmebedarf und der Lötwärmebeständigkeit der Baugruppe ausbalanciert werden. Je höher die Temperatur, desto eher erfolgt eine Schädigung. Lötwärme sollte dabei nicht mit Temperatur verwechselt werden! Lötwärme ist eine Energiemenge. Die Energie wird benötigt, um das Lötgut auf die Arbeitstemperatur zu bringen. Bei der Arbeitstemperatur fließt das Lot und benetzt die Kontaktflächen. Grenzwerte in Temperatur und Zeit, die SMD-Bauelemente ertragen können müssen, liefern z. B. die IPC/JEDEC-Normen 

  • J-STD-020E "Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Nonhermetic Solid State Surface Mount Devices" und
  • J-STD-033C "Handling, Packing, Shipping and Use of Moisture/Reflow Sensitive Surface Mount Devices"

Diese Ausgaben aus den Jahren 2010 und 2012 liefern bereits Qualifikationsbedingungen bleifreier Reflowlötprozesse bis maximal 260°C für kleine und dünne aktive Bauelemente, oben auf dem Gehäuse gemessen. 

Qualifikationsprofil J-STD-020C Temperaturwerte
J-STD-020C
Grenzprofil
IEC-60068-2-58

Für das Reflowlöten gilt als erster Ansatz für das Lötprofil an den Fügestellen, nach den Anforderungen der Lotpaste zu fragen. Meist liefert der Hersteller ein "Wunschprofil" (=Sollprofil), in dem schon Differenzen bedingt durch die unterschiedlichen thermischen Massen kleiner und großer Bauelemente berücksichtigt sind. Hilfestellung für die erforderlichen Maschineneinstellungen zur Erreichung des Wunschprofils liefern Simulationsprogramme, die das "Spielen" mit den Ofeneinstellungen außerhalb der Fertigungslinie ermöglichen. 


Demo-Arbeitsblatt "Profilgrafik"
Ein Beispiel dafür ist ein >Excel-Arbeitsblatt zur Reflow-Simulation< (Demo ist downloadfähig), entwickelt im Fraunhofer ISIT. Nach Anpassung des Programms an die Anlagen- charakteristik und der Eingabe
der Baugruppeneigenschaften kann der Anwender Temperatur- Einstellwerte vorgeben, daraus das Temperaturprofil berechnen und die Werte auf das Sollprofil hin optimieren.

Der Lötwärmebedarf Q  einer Baugruppe richtet sich nach der Stelle, an der Masse und Wärmekapazität am stärksten konzentriert sind. Q ist eine Wärmemenge, also eine Energie, nicht zu verwechseln mit der Temperatur.

= m*c*DT, wobei
m = Masse der Fügeteile
c = Wärmekapazität
DT = Differenz zwischen Raumtemperatur und Löt-Endtemperatur an der Fügestelle

Der Wärmeübergang ist ein Energiefluss von der Wärmequelle (im Ofen) in die Baugruppe.

Q' = a*DT', wobei
a
=
Wärmeübergangskoeffizient; ist ein Maß für die Effizienz des Ofens
DT' = Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Baugruppe, bzw. Fügestelle

Eine gute Wärmeleitfähigkeit innerhalb der Baugruppe, sowie eine gute Effizienz des Ofens sorgen für einen Ausgleich der Temperatur zwischen den Stellen mit unterschiedlichem Wärmebedarf. Je besser der Wärmeübergangskoeffizient, desto eher wird die Lötendtemperatur  erreicht. Beim Lötvorgang sollen die Temperaturunterschiede innerhalb der Baugruppe möglichst gering sein, um örtliche Überhitzung und Verzug durch ungleichmäßig verteilte Wärmedehnung zu vermeiden.


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Online-Quellen:

Poech, Max Hermann und Bell, Hans: Gibt es ein optimales Reflowprofil? DVS/GMM Fachtagung 6./7. Februar 2002, Fellbach; GMM Fachbericht 37, VDE Verlag GmbH Berlin 2002