Automatisiertes laserunterstütztes Reflowlöten elektronischer Baugruppen (LASERFLOW)

Problemstellung
Um in Deutschland im Bereich der Elektronikproduktion weiterhin konkurrenzfähig zu bleiben, muss neben der Großserienproduktion speziell die Fertigung von Serien mit kleinen bzw. mittleren Losgrößen effizient, flexibel und mit einer durchgängig hohen Qualität erfolgen. Elektronische Baugruppen werden heute meist unter Verwendung kleinster Bauelemente, so genannter Surface Mounted Devices (SMD), aufgebaut. Sie werden automatisiert auf einer mit Lötpads vorbereiteten Leiterplatte platziert, die anschließend einen Konvektionsofen (Reflowofen) durchläuft. Durch die Hitze schmilzt das Lötpad auf und stellt die elektrische Kontaktierung zwischen Leiterplatte und Bauelement her. Ein Problem dabei sind hitzeempfindliche Bauelemente, die durch die Temperatur während des Reflow-Lötprozesses beschädigt werden können. Sie müssen daher in einem separaten Schritt unter erhöhtem Aufwand bestückt, klassisch gelötet und nach dem Lötvorgang gezielt auf ihre Funktionstüchtigkeit überprüft werden. Dies kann zum einen die Qualität der Baugruppe negativ beeinflussen und zum anderen erhebliche Kosten verursachen.

Projektziele
Ziel des Vorhabens ist, eine Lösung zur automatisierten Erzeugung qualitativ hochwertiger elektronischer Baugruppen unter Berücksichtigung der variierenden Ausgangsbedingungen der Bauelemente sowie deren Hitzeempfindlichkeit zu erarbeiten und in Form eines ersten Demonstrators prototypisch umzusetzen. Dabei ist es das vorrangige Ziel – im Hinblick auf den angestrebten Einsatz der Technologie in der Serienproduktion – eine kurze Taktzeit zu realisieren und Ausschuss sowie Nacharbeit zu vermeiden. Gleichzeitig soll die Option bestehen, in der gleichen Anlagentechnik die Qualität der Lötstellen automatisiert zu überwachen.
Die Idee ist dabei die Bauteile mittels der Reflowtechnik bis auf eine für sie unkritische Temperatur vorzuheizen und sie anschließend per Laserstrahlung zu verlöten. Die für die Ausbildung einer Lötstelle fehlende Energie wird ausschließlich am Bauteilanschluss eingebracht, wozu der Laserstrahl selektiv auf der Leiterplatte platziert wird. Durch die schnelle und flexible Positionierung des Laserstrahls auf der Leiterplatte können dabei sogar effizient mehrere Lötstellen gleichzeitig gelötet werden. Um das Verfahren in der Serienproduktion bei unterschiedlichen Leiterplatten bzw. Anforderungen in verschiedenen Branchen einsetzen zu können, ist geplant, die Lötstrategie der Platinen individuell für jedes Layout zu optimieren.

Vorgehensweise
Bei dem Verbundprojekt LASERFLOW handelt es sich um ein industrielles Forschungs- und Entwicklungsvorhaben. Am Projekt beteiligt sind drei klein- und mittelständische Unternehmen aus der Elektrotechnik/Elektronikbranche (mikrolab) der Anlagenfertigung (Häcker) sowie aus dem Bereich der gemeinnützigen Forschung- und Beratung (blz). Die Vorgehensweise entspricht dem oben beschriebenen Projektzielen. Das Projekt wird in sechs Arbeitsschwerpunkten abgewickelt.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Als Ergebnis soll – basierend auf den erarbeiteten wissenschaftlichen Erkenntnissen – das Quasi-Simultan-Laserlöten unter Berücksichtigung von „nicht-idealen“ Ausgangsbedingungen in die industrielle Elektronikproduktion übertragen und dort integriert werden. Die praktische Umsetzung erfolgt über den Bau eines Demonstrators, mit dessen Hilfe gezeigt werden soll, dass die kombinierte Reflow-Laserlöttechnologie aufgrund ihrer hohen Flexibilität für eine Vielzahl von Anwendungen in verschiedensten Bereichen anwendbar ist.
Im Detail wird das Verbundprojekt vor allem in den Bereichen der Elektrotechnik/ Elektronikproduktion einen Beitrag zur Verbesserungen von bestehenden Produktionssystemen und -technologien leisten, wobei als Nebeneffekt bestehende Prozessketten (SMD-Lötprozess) verbessert und die resultierende Produktqualität (Bauteilschädigung, Lötstellenqualität) erhöht wird. Im Vergleich zu aktuell verfügbaren Prozessen und Anlagen soll die Stabilität der zu entwickelnden Lötprinzipien deutlich erhöht werden. Damit besteht die Chance, dass die Produktion von elektronischen Komponenten und Leiterplatten auch in Hochpreis-Nationen wie Deutschland attraktiv bleibt. Ein erfolgreicher Projektabschluss ermöglicht den beteiligten KMU durch neue Prozesse und neue Produkte erfolgreich im Markt zu bestehen und gegenüber der Konkurrenz aus Nahost wettbewerbsfähig zu bleiben.

• BLZ Bayerisches Laserzentrum Gemeinnützige Forschungsgesellschaft mbH
• Häcker Automation GmbH
• MIKROLAB-Entwicklungsgesellschaft für Elektroniksysteme mbH