Vorheizserie

Eine Einführung

In vielen meiner Beiträge habe ich bereits die verschiedenen Arten von Wellenlöt-Flussmittelbefasst: ihre Möglichkeiten und ihre Schwächen. Diese Serie wird ähnlich aufgebaut sein, nur dass es diesmal um Vorwärmer geht . Aber zunächst eine kurze Einführung.

Unter „Vorheizen“ versteht man das Zuführen von Wärme zu einer Leiterplatte nach dem dem Auftragen des Flussmittels und unmittelbar vor dem Löten. Das Wellenlöten kann zwar ohne Vorheizen durchgeführt werden, allerdings ist die Lötgeschwindigkeit dann geringer. Das alte Sprichwort „Zeit ist Geld“ unterstreicht die Notwendigkeit des Vorheizens. In „The Handbook of Machine Soldering SMT and TH“ erwähnt Woodgate: „Bei einigen Versuchen mit Vorwärmung wurde eine Leiterplatte bei normaler Vorwärmung mit einer Geschwindigkeit von 12 ft pro Minute gelötet. Ohne Vorwärmung konnte sie nicht schneller als 2,5 ft pro Minute gelötet werden.“ Nur weil eine Lötstelle ohne diesen Vorgang hergestellt werden kann, heißt das noch lange nicht, dass man darauf verzichten sollte.

Als Gründe für das Vorheizen werden fast immer genannt:

• Den Fluss durch Erhitzen „aktivieren“
• Um Lötperlen zu vermeiden, indem das Lösungsmittel des Flussmittels getrocknet wird, das andernfalls verspritzen würde, wenn es lediglich mit der Lötwelle in Kontakt käme
• Um den thermischen Schock für die Leiterplatte durch die Lötwelle zu verringern und dadurch Verformungen und andere Mängel zu reduzieren, die mit einem abrupten Temperaturanstieg einhergehen

Der wichtigste Grund für das Vorheizen besteht darin, „die Leiterplatte, die Bauteile, die Anschlüsse und andere Teile der Lötstelle so zu erwärmen, dass das anschließende Erhitzen und Löten schneller vonstattengehen kann“. Durch die Minimierung der Einwirkzeit des geschmolzenen Lötzinns lassen sich auch Schäden an den Bauteilen minimieren.

Arten von Vorwärmern

Im vorigen Teil habe ich erwähnt, dass eine Vorwärmung erforderlich ist, um die Kosten für das Wellenlöten zu senken. Im Bestreben, die Kosten des Wellenlötprozesses zu senken, wurden viele verschiedene Arten von Vorwärmern entwickelt, die jeweils Vor- und Nachteile aufweisen. Die am häufigsten verwendeten Arten von Vorwärmern sind:

1. ​Die elektrisch beheizte Kochplatte oder Heizplatte
2. Elektrische Rohrleitungen (Cal Rod)
3. Heiße Luft
4. Quarts Platte
5. Quarts-Stab
6. Keramik
7. Infrarot
8. Gebündelte Sonnenstrahlung auf das Auge
   • *Anmerkung* Es gibt nur eine Person, die dazu in der Lage ist, und das kommt äußerst selten vor. Er ist außerdem „schneller als eine Kugel! Stärker als eine Lokomotive! Er kann mit einem einzigen Sprung hohe Gebäude überwinden!“ Ich spreche natürlich vom Mann aus Stahl, Superman. Eine seiner Kräfte ist der Hitzeblick. Dies wäre eine ideale Methode zum Vorheizen von Brettern, da dafür lediglich die Anwesenheit des Mannes aus Stahl erforderlich ist. ​

All diese Themen werden in den kommenden Wochen behandelt (mit Ausnahme des Kryptoners).

Dies sind die Fragen, die sich ein Betreiber stellen muss, wenn er versucht, den geeigneten Vorwärmer für seinen Prozess auszuwählen:

• Machen Sie sich Gedanken über die Stromkosten und die Energieeffizienz?
• Müssen Sie sehr schnell heizen und kühlen? Wenn ja, wäre eine kleine thermische Masse ideal.
• Wie wird es gereinigt? Ist eine Selbstreinigungsfunktion attraktiv?
• Wie lange werden Sie denselben Vorwärmer noch nutzen? Sie möchten ja nicht, dass seine Heizleistung mit der Zeit nachlässt.

Leider gibt es keinen Vorwärmer, der alle oben genannten Fragen , gibt es nicht. Wir warten alle gespannt darauf, dass einer erfunden wird. Die meisten der genannten Vorwärmer verfügen nur über eine oder zwei der aufgeführten Eigenschaften. Ich werde euch in den kommenden Wochen die Eigenschaften jedes dieser Vorwärmer vorstellen.

Heizplatte oder Heizplatte

Im vorigen Abschnitt wurden alle verschiedenen Arten von Vorwärmern vorgestellt. Der Heizplatten-Vorwärmer wird der erste Typ sein, auf den ich eingehen werde.

Wenn Sie nach einer kostengünstigen Möglichkeit zum Vorheizen suchen, ist die Heizplatte oder Plattenvorwärmung ist die richtige Wahl. Der Vorwärmer besteht aus einer Eisenplatte, an deren Unterseite Heizbänder angeschraubt sind, die durch eine Metallabdeckung geschützt sind. Eine schematische Darstellung sehen Sie unten.

Die Heizbänder sind normalerweise parallel zur Bewegungsrichtung der Leiterplatte auf dem Förderband angeordnet. In diesem Fall würde sich die Leiterplatte senkrecht zum Sieb bewegen. Der Vorteil dabei ist, dass einige der Heizelemente je nach Breite und Größe der zu lötenden Leiterplatte ein- oder ausgeschaltet werden können. Dadurch lässt sich bei Bedarf Strom sparen, während in anderen Fällen eine effektivere Erwärmung möglich ist. Die Stahlplatte muss dick genug sein, um eine gleichmäßige Erwärmung zu gewährleisten. Daher sind die Stromeinsparungen bestenfalls gering.

Vorteile

• Praktisch selbstreinigend: Eventuelle Rückstände verbrennen und beeinträchtigen die Heizleistung nicht
• Unempfindlich gegenüber geringfügigen Umgebungsänderungen (wie z. B. dem Öffnen der Maschinentüren)
• Hohe thermische Masse
• Günstig

Nachteile

• Ineffiziente Nutzung elektrischer Energie
• Es dauert ziemlich lange, bis eine konstante Temperatur erreicht ist.

Dieser Vorwärmertyp eignet sich ideal, wenn sich die Lötparameter während der Produktion kaum ändern. Das Warten darauf, dass die Platinen ihr Gleichgewicht erreichen, kann im Montageprozess zu einem Problem werden, da die Linie stillsteht, wenn eine Maschine nicht in Betrieb ist. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu mindern, besteht darin, die Fördergeschwindigkeit an die unterschiedlichen Leiterplattengrößen anzupassen. Dies führt jedoch zu einem Kompromiss zwischen Durchsatzgeschwindigkeit und Vorheiztemperatur. Dieser Kompromiss ist im Vergleich zum Warten auf Temperaturänderungen der Vorwärmer ideal, es sei denn, die Baugruppen sind sehr dicht bestückt oder die Bestücker verwenden mehrschichtige Leiterplatten.

Calrod®: Wellenlöten

Im letzten Abschnitt ging es um die Vor- und Nachteile der Verwendung einer Platten- oder Heizplattenvorwärmer beim Wellenlöten. Es gibt viele verschiedene Arten des Vorheizens.^{Das Calrod®} -Vorheizen hat eine deutlich schnellere Reaktionszeit als seine Varianten mit Platten oder Heizplatten. Der Aufbau eines Calrod-Vorwärmers besteht aus röhrenförmigen Heizelementen, die bei Temperaturen nahe der Rotglühtemperatur betrieben werden, was bedeutet, dass die Elemente unter bestimmten Betriebsbedingungen rot glühen können. Es handelt sich um dieselbe Technologie, die auch bei Elektroherden zum Einsatz kommt. Diese Elemente dienen dazu, die Leiterplatte indirekt zu erwärmen, und zwar mithilfe eines Reflektors, der sich in der Regel in dem Rahmen befindet, an dem die Elemente verschraubt sind. Eine schematische Darstellung der Elemente ist unten zu sehen. Die Vorteile der Verwendung eines Calrod-Vorwärmers sind:

• Sie sind sehr robust und gehen nicht kaputt, wenn die Geräte, in denen sie verbaut sind, bewegt oder justiert werden.
• Sie können sehr lange halten.
• Sie heizen sich schnell auf und lassen sich ohne teure oder komplexe Maschinen regulieren.
• Sie sind für den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen konzipiert.

Die Effizienz dieses Vorheizertyps hängt von der Sauberkeit ab, d. h., die Stäbe und der Reflektor müssen sauber gehalten werden, damit das Gerät ordnungsgemäß funktioniert. Wenn Flussmittel auf die Heizelemente oder den Reflektor tropft, verkohlt es und kann zu einer unzureichenden Erwärmung führen, was wiederum ein mangelhaftes Löt Ergebnis zur Folge haben kann. Laut dem „Handbuch zum Maschinenlöten von SMT und TH“ von Ralph Woodgate ist es „gängige Praxis, den Reflektor mit Aluminium-Küchenfolie auszukleiden. Wenn diese sich verfärbt, wird sie durch ein neues Blatt ersetzt.“ Dies gewährleistet eine gleichmäßige Erwärmung der Baugruppe. Werden die Heizstäbe bei einer ausreichend hohen Temperatur betrieben, können sie selbstreinigend wirken.

Der Calrod-Vorheizer kann bei einer höheren Temperatur als die Heizplatte betrieben werden und benötigt keinen langen Vorheizabschnitt, um die gleiche Platinentemperatur zu erreichen. Achten Sie bei der Verwendung von SMD-Bauteilen stets darauf, die Spezifikationen und Empfehlungen des Bauteilherstellers zu befolgen.

Heiße Luft

Es liegt nahe, dass dies höchstwahrscheinlich die erste Form des Vorheizens war, die zum Trocknen der früher weit verbreiteten Flussmittel auf Harzbasis verwendet wurde. Heiße Luft entfernte die Lösungsmittel (hauptsächlich Alkohol), erwärmte die Leiterplatte selbst jedoch nur unzureichend. Die Wärmeübertragungseffizienz zwischen der Luft und der Leiterplatte war bei offener Anordnung zur Umgebung gering, sodass die Vorwärmung nur unzureichend erfolgte.

Das Ergebnis fällt anders aus, wenn man dasselbe System in ein Gehäuse einbaut. Die Energie kann die Platine erwärmen. Bei korrekter Umsetzung kann diese Form der Vorwärmung eine gleichmäßigere Erwärmung bewirken als die meisten direkten Strahlungssysteme allein. Daher ist es üblich, den Heißluftvorwärmer mit einer anderen Heizmethode zu kombinieren.

Quarzplatte

Wir setzen unsere Erörterung der Reflow-Lötverfahren fort.

Wie der Name schon sagt, verfügen Quarzplatten-Vorwärmer über dicke Quarzplatten, in die die Heizelemente über Aussparungen oder Schlitze eingebettet sind. Die Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten sind im Vergleich zu anderen Vorwärmern sehr hoch – bis zu 93 °C pro Minute. Da diese Elemente so schnell so heiß werden, ist kein zusätzlicher Reinigungsschritt erforderlich. Jegliches Flussmittel, das auf die Platte tropft, verbrennt. Wie Heizplatten-VorwärmerVorwärmer kann die Quarzplatte in Abschnitte parallel zum Förderband angeordnet werden, sodass sie sich an eine Vielzahl von Leiterplattenausführungen anpassen lässt.

Die schnellen Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten erfordern ein ausgeklügeltes Steuerungssystem, wodurch diese Lösung teurer ist als die Alternativen. Ein Wort der Vorsicht: Wenn diese Platte unbeaufsichtigt bleibt, kann sie überhitzen, was zu irreparablen Schäden am Vorwärmer führen kann. Die Quarzplatte ist zudem anfällig für unsachgemäßen Gebrauch, beispielsweise wenn eine Leiterplatte auf die Oberfläche fällt oder bei unachtsamer Handhabung. Komplexere Baugruppen (mehrschichtig, mit hoher thermischer Masse) benötigen eine angemessene Erwärmung, was bei anderen Systemen eine sehr lange Vorheizzeit erfordern würde. Es ist unwahrscheinlich, dass ein solches System in eine Wellenlötmaschine integriert wird.

Quarzrohr

Als Fortsetzung zu Quarzplatten- zum Wellenlöten widmet sich dieser Abschnitt dem sehr ähnlichen Quarzrohr-Vorwärmer. Wie Sie sich vielleicht erinnern, war einer der Vorteile der Quarzplatte, dass sie eine der schnellsten Ansprechzeiten hatte; Quarzrohre haben jedoch noch schnellere Ansprechzeiten.​

Die Heizelemente sind zusammen mit den Thermoelementen in den Quarzrohren untergebracht. Die Rohre können recht zerbrechlich sein, und wenn Gegenstände darauf fallen, können sie leicht Risse bekommen oder zerbrechen. Ein Vorteil ist jedoch, dass jedes Rohr einzeln ein- und ausgeschaltet werden kann. Dies ist von Vorteil, wenn sie parallel zum Förderband installiert sind, da sie so unabhängig von der Breite der Leiterplatte eine gleichmäßige Wärmeverteilung gewährleisten. Verfügt das Fördersystem über eine feste Breite, können die Rohre senkrecht zu den Schienen montiert und einzeln ein- oder ausgeschaltet werden, um die erforderliche Vorwärmleistung bereitzustellen. Wenn Ihre Wellenlötmaschine über die Option eines automatisierten und computergesteuerten Systems verfügt oder eine feste Breite aufweist, sind diese vielseitigen Vorwärmer genau das Richtige für Sie. Es ist üblich, die Quarzrohre mit Heißluft kombiniert, indem entweder erwärmte oder Umgebungsluft durch die Röhren geleitet wird. Dies ist eine der attraktiveren Optionen für Techniker, die nicht über ausreichend Platz für die Aufstellung eines Vorwärmers verfügen.

Infrarotlampe und Keramikplatte

Vorheizgeräte im Lampenstil weisen die schnellste Reaktionszeit aller bisher in anderen Beiträgen erwähnten Vorheizgeräte auf. Der Lampenfaden ist praktisch die einzige thermische Masse; er ist so schnell, dass die Reaktionszeit in Sekunden statt in Minuten gemessen wird, wie es bei den anderen Modellen der Fall ist. Dieser Vorheizertyp kann außergewöhnlich hohe Spitzentemperaturen erreichen, sofern ein fortschrittliches Steuerungssystem vorhanden ist. Fehlt ein solches Steuerungssystem, kann dies zu Schäden an der Platine führen.

Leider können diese Lampen recht teuer sein, da sie oft eine goldene-beschichteter Reflektor, der möglicherweise wassergekühlt werden muss. Die Geräte sind zudem sehr empfindlich und müssen makellos sauber gehalten werden. Wenn Schmutz oder Flussmittel auf die Lampen gelangt, Es besteht ein hohes Risiko, dass sie beim Reinigen zerkratzt werden, was zu dauerhaften Schäden führen würde.

Auch keramische Plattenheizungen kommen eher selten zum Einsatz. Die Heizleistungen und die Bauweise sind nahezu identisch mit denen Quarzplatten- . Die Ansprechzeit ist kurz, da die elektrischen Elemente zusammen mit den Thermoelementen in die Oberfläche der Platte eingebettet sind. Dies gewährleistet eine glatte und leicht zu reinigende Oberfläche. Außerdem sind sie widerstandsfähig und halten möglichen Beschädigungen durch herabfallende Bretter stand.

Erwärmung, Wellenlänge und Infrarot

Wie ich im vorigen Abschnitt bereits erwähnt habe, besteht das Ziel des Vorheizens – unabhängig von der verwendeten Methode – darin, die Metallstruktur der Verbindungsstelle auf eine bestimmte Temperatur zu bringen. Im Idealfall würden das Leiterplattenlaminat und das Bauteil bei Umgebungstemperatur bleiben; dies würde jedoch voraussetzen, dass das Metall die Wärmeenergie absorbiert, während das Isoliermaterial sie reflektiert. Leider ist dies selten der Fall, da es sich bei den meisten hergestellten Verbindungen um glänzende/reflektierende Metalloberflächen handelt. Um eine ausreichende Erwärmung zu gewährleisten, wird die Wärme vom Gehäuse des Bauteils oder vom Basislaminat übertragen, anstatt die zu verbindenden Metalle direkt zu erwärmen.

Vorwärmer im Lampenstil stellen aufgrund ihrer kurzwelligen Strahlung in der Regel den ungünstigsten Fall dar. Ihre Epoxidglasoberfläche kann verbrennen, doch bleibt nicht genügend Zeit, damit das Kupfer oder die mit Lötzinn beschichteten Metalle dieselbe Temperatur erreichen. Durch die Einstellung der richtigen Parameter lässt sich dieses Problem jedoch beheben.

Mit zunehmender Wellenlänge bleibt mehr Zeit für die isolierende Basis und die metallischen Schaltkreise, um eine gleichmäßige Temperatur zu erreichen, aber die Fähigkeit, Energie zu bündeln und eine schnelle Reaktionszeit zu erreichen, geht verloren. Die Fähigkeit einer Oberfläche, die Energie einer bestimmten Wellenlänge zu absorbieren oder abzustrahlen, hängt von Faktoren wie Farbe, Textur und Beschaffenheit des Materials ab. Der wichtigste Punkt ist, dass ein Material nicht durch eine visuelle Metrik angemessen beurteilt werden kann.

Automatisierung und Steuerung

Wie bereits erwähnt, lässt sich die Temperatur des Vorheizers kaum mit der tatsächlichen Temperatur der Leiterplatte vergleichen. Durch den Einsatz eines doppelten Vorheizersystems, bei dem sich zwischen den beiden Vorheizern ein Infrarot-Wärmesensor befindet, lässt sich eine gleichmäßigere Erwärmung der gesamten Baugruppe gewährleisten. Dabei wird der erste Vorheizer auf etwa 70 Prozent der erforderlichen Solltemperatur eingestellt. Nachdem die Leiterplatte diese Phase durchlaufen hat, wird ihre Temperatur vom Infrarotdetektor gemessen. Dieser Detektor leitet die Daten an den Computer weiter, der den Sollwert für den zweiten Vorwärmer anpasst, um sicherzustellen, dass die gesamte Baugruppe vor dem Kontakt mit der Lötwelle ausreichend erwärmt ist. Eine schematische Darstellung ist unten zu sehen. Dieses System beseitigt erhebliche Temperaturschwankungen bei der Baugruppe, einschließlich Bedienungsfehlern beim Wellenlöten.

Auswahl des optimalen Vorwärmsystems

Mit Ausnahme des in meinem letzten Beitrag erwähnten automatischen Systems gibt es kaum Unterschiede in der tatsächlichen Leistung der verschiedenen Formen von Vorwärmern. Die Wahl basiert auf der Bequemlichkeit und der Fähigkeit, die Baugruppe bei maximaler Fördergeschwindigkeit auf die erforderliche Temperatur zu bringen. Außerdem ist bei kleineren Maschinen die geometrische Größe ein begrenzender Faktor.

In der SMT-Industrie gibt es viele Bauteilhersteller, die der Vorwärmgeschwindigkeit Grenzen setzen. Bei der Überprüfung der Leistung von Vorheizungen sollten Sie die Baugruppen mit der größten thermischen Masse, den schwersten Bauteilen, Kühlkörpern und Erdungs- oder Spannungsebenen testen, um zu sehen, ob die gewünschte Temperatur erreicht werden kann. Außerdem sollten Sie sich überlegen, ob die Temperatur im Laufe eines Arbeitstages häufig angepasst werden muss. Wenn Sie den Durchsatz und die Effizienz erhöhen müssen, ist ein reaktionsschneller Vorwärmer idealer. Andernfalls sollten Sie sich für den einfachsten Vorwärmer entscheiden, der die Aufgabe mit dem geringsten Reinigungs- und Wartungsaufwand erfüllt. Denken Sie daran, dass eine Verringerung der Leistung unvermeidlich ist, wenn der Vorwärmer altert oder wenn die Spannungsversorgung abnimmt.