Plädoyer für warme Füße


Titelthema a:lot 30 - Frühling 2019

Die zunehmende Miniaturisierung ist auch und gerade im Bereich des Handlötens und des Rework eine immer größere Herausforderung. Ließen sich früher einlagige Leiterplatten und relativ große Bauteile problemlos löten, stellen Multilayer mit über 30 Lagen selbst Hochleistungs-Handlötgeräte mitunter vor eine unlösbare Aufgabe. Deshalb kommen immer häufiger Vorheizplatten zum Einsatz, die den Prozess unterstützen und das Material schonen. Damit das optimal gelingt, ist eine Reihe von Faktoren zu beachten.

Auf YouTube zeigt das Video eines Hobbybastlers, wie er sein Lötergebnis verbessert, indem er die Leiterplatte vor dem Löten auf dem Brötchenhalter eines Toasters erwärmt. Der Effekt dieser Maßnahme ist im Film gut zu erkennen: Das Lötzinn fließt und verteilt sich besser. Dieser Lifehack des Youtubers ist zwar selbst im Hobbybereich fragwürdig, er zeigt aber eindrucksvoll, warum Vorheizplatten (oder Unterhitzen) eine immer höhere Bedeutung bekommen. Wenn die Leiterplatte bereits erwärmt ist, muss der Lötkolben weniger Energie in den Prozess einbringen.
Bei einlagigen Leiterplatten (wie der im Video) ist das nicht unbedingt nötig. Hier wurden Jahrzehnte lang problemlos auch ohne Unterhitze gute Lötergebnisse erzielt. Doch einlagige Leiterplatten mögen im Hobbybereich noch zum Einsatz kommen, in der industriellen Fertigung sind sie schon lange Geschichte. Inzwischen sind acht-, zwölf- und sechszehnlagige Leiterplatten gängig, manche haben bis zu vierzig Lagen. Das hat natürlich unmittelbar Einfluss auf die Dicke: Zwischen zweieinhalb und drei Millimeter sind Standard, aber auch vier Millimeter und mehr können es schon mal werden.

Punktuelle Erwärmung vermeiden

Diese Entwicklung bringt selbst moderne Lötkolben an ihre Grenzen. Da die Leiterplatte durcherhitzt werden muss, um bearbeitet werden zu können, müsste der Lötkolben eine enorme Energie einbringen. Das ist aber technisch weder möglich noch erwünscht. Denn die hohe punktuell eingebrachte Temperatur hätte erhebliche negative Auswirkungen. Durch die lokale Überhitzung und die kalten Randzonen würde es zu mechanischen Spannungen kommen, die einzelne Bauteile und/oder die Leiterplatte zerstören könnten. Wird die Leiterplatte jedoch homogen vorgeheizt, werden diese Spannungen minimiert.
Um dieses Ziel zu erreichen, ist ein Toaster natürlich denkbar ungeeignet. Stattdessen haben sich in der Praxis drei andere Systeme durchgesetzt, um die Wärme in den Prozess einzubringen, nämlich Konvektion, Heißluft und Infrarotstrahlung. Unabhängig von der Art der Wärmeeinbringung sind drei wesentliche Prozessgrößen bei der Übertragung der Wärme zu berücksichtigen. Dabei handelt es sich um den Wärmebedarf der Baugruppe, die beherrschbare Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Baugruppe sowie den erreichbaren Wärmeübergangskoeffizienten.

Infrarot liegt beim Handlöten vorn

Während im Reflowbereich die Wärmeeinbringung durch Konvektion und Infrarotstrahlung üblich ist, haben sich im Handlötbereich andere Techniken durchgesetzt. Einfachere Geräte arbeiten mit Heizplatten ähnlich wie bei einem Herd, einige wenige Modelle zusätzlich in bestimmten Bereichen auch mit Heißluft. In den meisten Fällen werden mittlerweile Infrarotheizungen eingesetzt. Sie gehören zu den Strahlungsheizungen, bei denen für den Wärmetransport kein Transportmedium (wie etwa Metall oder Luft) erforderlich ist. Die Wärme entsteht dadurch, dass sie von dem Körper, auf den die Infrarotstrahlen treffen, absorbiert wird.
Die Infrarot Strahlung kann kurz-, mittel- und langwellig sein, wobei nur die kurzwellige im Bereich des sichtbaren Lichts ist. Sie zeichnet sich zudem dadurch aus, dass die Energiezufuhr unmittelbar, also ohne nennenswerte Verzögerung erfolgt. Dadurch ist dieses Verfahren nicht nur schnell, sondern auch gut regelbar. Ein weiterer Vorteil der Infraroterwärmung ist, dass sie durch einfache Verfahren der Abschirmung lokal begrenzt werden kann, zum Beispiel um besonders empfindliche Zonen zu schonen.

Wetec Infrarot-Unterheizung PowerSpot PS 1

Diese Infrarot-Unterheizung wurde speziell zur schnellen und schonenden Erwärmung von Leiterplatten entwickelt und zeichnet sich durch eine besonders homogene Temperaturverteilung aus. Sie kann entweder über die Temperatur oder über die Leistung gesteuert werden und eignet sich insbesondere zum Bearbeiten großflächiger Leiterplatten. Dabei bleibt die PowerSpot PS1 selbst sehr kompakt und ergonomisch, der Infrarotstrahler hat eine geschlossene Oberfläche. Durch die optimierte Menüführung ist die Unterheizung einfach und intuitiv zu bedienen. Die Unterheizung kann zudem externe Geräte ansteuern oder von einem externen Gerät (zum Beispiel einem Fußtaster) angesteuert werden. Hierfür stehen Schnittstellen zur Verfügung.

Vorsicht, wenn die Leiterplatte spricht

Unterhitzen unterscheiden sich nicht nur durch die Art der Wärmeerzeugung, sondern auch in der Größe, der Leistungsstärke und der Ausstattung. Während einfache Geräte mit kleiner Fläche bereits ab etwa 400 Euro zu haben sind, kosten Hochleistungsgeräte mit großer Heizfläche bis zu 3.000 Euro. Es lohnt sich also, im Vorfeld der Anschaffung genau zu analysieren, für welchen Einsatzzweck das Gerät benötigt wird und den Rat eines erfahrenen Fachhändlers einzuholen. Dabei sollte unbedingt beachtet werden, wie genau die Temperatur reguliert und kontrolliert werden kann. Während es bei einfachen Anwendungen ausreichen kann, wenn eine stabile Unterhitze erzeugt wird, kann es bei sensiblen Anwendungen auf jedes Temperaturgrad ankommen. Auch die Geschwindigkeit, mit der die Leiterplatte erhitzt wird, kann sehr wichtig sein. Eine schnelle Erwärmung beschleunigt zwar den Arbeitsprozess, erhöht aber den thermischen Stress und kann dazu führen, dass die Leiterplatte anfängt zu sprechen, wie es im Fachjargon heißt. Die flüsternden und knackenden Geräusche verheißen allerdings nichts Gutes, da sie ein Vorbote dafür sind, dass die Leiterplatte reißt oder bricht oder es bereits getan hat.
Je höherwertig die Vorheizplatte ist, desto feiner lassen sich in der Regel Temperatur und Erwärmung dosieren und kontrollieren. Es gibt Geräte, die nicht nur die Soll-Temperatur, sondern auch die Ist-Temperatur anzeigen. Letztere wird mit einem (oder mehreren) externen Sensor(en) gemessen, der an der Baugruppe angebracht wird. Besonders sensible Bauteile oder Regionen können auf diese Weise vor Überhitzung geschützt werden.

Praktische Aspekte in der Entscheidung berücksichtigen

Auch die Bedienbarkeit des Vorheizgeräts spielt eine wichtige Rolle. Da die Vorheizplatte lediglich ein ergänzendes Hilfsmittel im Handlötprozess ist, sollte es einfach eingebunden und intuitiv bedient werden können. Bei vielen Geräten ist die Bedien-einheit nicht in die Heizplatte integriert, sondern extern über ein Kabel mit dieser verbunden, damit die Bedieneinheit ergonomisch vorteilhaft am Arbeitsplatz positioniert werden kann. Zahlreiche Geräte verfügen zudem über ein Pedal zum Ein- und Ausschalten, damit die Hände für das Löten frei bleiben. Praktisch ist auch eine Ausschaltautomatik, die dafür sorgt, dass das Gerät in den Ruhemodus schaltet, wenn es länger nicht benutzt wurde.
Die Oberflächen von Vorheizplatten sind bei den einzelnen Herstellern sehr unterschiedlich. Das hat verschiedene Gründe und ist nicht nur optisch interessant, sondern insbesondere in Bezug auf die Möglichkeit, die Vorheizplatte zu reinigen. Da beim Lötvorgang natürlich verschiedene Abfallprodukte anfallen können, kann es sich bei häufigem Einsatz der Unterheizung lohnen, genau zu analysieren, wie aufwendig die Reinigung ist. Auch das kann ein wichtiger Zeitfaktor im Arbeitsprozess sein.

Neue Vorheizplatten von JBC auf der SMT

Auf der Electronica 2018 war sie bereits als Prototyp zu sehen, auf der SMTconnect wird sie als serienreifes Modell gezeigt, natürlich auch auf dem Stand von Wetec: die Vorheizplatte PHSE-A von JBC. Die Besonderheit dieser Vorheizplatte ist, dass sie über gleich vier Sensoren verfügt, die sicherstellen, dass sensible Bereiche auf der Leiterplatte beziehungsweise empfindliche Bauteile nicht überhitzen. Wird eine vorgegebene Temperatur erreicht, schaltet die PHSE-A automatisch ab. Mit einer Leistungsaufnahme von maximal 500 Watt und einem Temperaturspektrum zwischen 50 und 250 °C erreicht die neue Vorheizplatte ähnliche Werte wie die anderen Modelle von JBC. Die PHSE-A ist mit zwei Heizzonen ausgestattet, sodass die Heizfläche entweder 65 x 135 mm oder 130 x 135 mm beträgt.

PCB schnell und sicher fixieren

Nur scheinbar im Widerspruch zur zunehmenden Miniaturisierung steht der Trend zu größeren Leiterplatten. In verschiedenen Einsatzgebieten wie zum Beispiel bei LED-Paneelen werden die PCB immer größer, sodass auch die Arbeitsumgebung angepasst werden muss. Bei den Vorheizplatten rüsten einige Hersteller deshalb nach und bieten großflächigere Modelle an. Diese verfügen im Idealfall über mehrere Heizzonen, sodass sie problemlos auch bei kleineren Leiterplatten benutzt werden können. Zudem wird dadurch Energie gespart und die Sicherheit erhöht. Da die Größe der Vorheizplatte in der Regel einen unmittelbaren Einfluss auf ihren Preis hat, lohnt sich auch hier eine genaue Analyse des zu erwartenden Einsatzprofils. Kleine Modelle sind nur etwa so groß wie eine Kreditkarte, größere bringen es auf eine Fläche von annähernd einem Quadratmeter.
Unabhängig von der Größe der Vorheizplatte ist eine wichtige Frage, ob beziehungsweise wie die Leiterplatte bei der Bearbeitung befestigt wird. Bei einfachen Geräten wird die Leiterplatte ohne jede Fixierung direkt auf die Heizplatte aufgelegt und durch den Werker während der Bearbeitung festgehalten. Bei wenigen und kurzen Einsätzen ist dieses Verfahren zeitsparend und ausreichend. Bei anspruchsvolleren und längeren Bearbeitungsprozessen sollte die Leiterplatte jedoch fixiert werden, um zu verhindern, dass sie verrutscht oder über herausstehende Bauteile abkippt. In einigen Vorheizplatten ist eine Leiterplattenfixierung integriert, bei anderen Modellen handelt es sich dabei um ein eigenes Werkzeug, das nicht nur für die Unterheizung, sondern zum sicheren Arbeiten während des gesamten Handlötprozesses verwendet werden kann.

Auch Vorheizplatten sind traceabilityfähig

Da auch die Handlötprozesse sowohl in der Produktion als auch im Rework immer häufiger rückverfolgbar sein sollen oder sogar müssen, bieten immer mehr Hersteller Vorheizplatten an, die vernetzbar sind. Dadurch wird der Prozess traceabilityfähig und es kann zum Beispiel genau nachvollzogen werden, wie oft und wann eine Reparatur stattgefunden hat. Entsprechende Vorschriften, wie oft eine Leiterplatte repariert werden darf, können damit eingehalten und dokumentiert werden. Die Vernetzung bietet aber auch die Möglichkeit, den gewöhnlichen Arbeitsprozess zu vereinfachen. Bei hochwertigen Modellen lassen sich Abläufe programmieren, sodass zum Beispiel beim Abscannen bestimmter Hilfsmittel automatisch die Vorheizplatte angeschaltet wird. Für den gesamten Prozess des Aus- oder Einlötens können auch Profile angelegt werden, bei denen unter anderem die Temperatur der Unterhitze punkt- und zeitgenau gesteuert werden kann. Das Fehlerrisiko wird so minimiert. Dazu trägt auch bei, dass sich die Arbeitsprozesse zentral steuern und kontrollieren lassen. Mögliche Fehler und Qualitätsverluste können dadurch frühzeitig erkannt und ausgemerzt werden.
Allerdings ist die Vernetzung der beteiligten Geräte wie Handlötgerät, Unterhitze, Lötrauchabsaugung usw. sowie ihre Anbindung an ein zentrales System in der Regel immer nur mit den Geräten eines Herstellers möglich, eine herstellerübergreifende Kompatibilität gibt es nicht. Wird also eine komplette Vernetzung im Betrieb angestrebt, müssen dafür alle Handarbeitsplätze auf die Komponenten eines einzigen Herstellers umgestellt werden. Das kann ein langwieriger und kostspieliger Prozess sein, der zudem eine gewisse Flexibilität der Mitarbeiter erfordert. Wegen der Komplexität sollte eine solche Umstellung unbedingt von einem erfahrenen Fachhändler begleitet werden.

Zwischen Hightech und Tee kochen

Wenngleich das Haupteinsatzgebiet von Vorheizplatten im Bereich des Handlötens liegt, eignen sie sich auch noch für andere Zwecke in der Elektronikfertigung. Beispielsweise können sie für Aufschmelzversuche von Lotpasten oder für das Trocknen von Pasten und Klebern verwendet werden. Gerüchten zufolge werden Unterhitzen in einigen Betrieben gelegentlich auch für eher lebenspraktische Anwendungen wie das Kochen von Wasser oder das Aufwärmen beziehungsweise Warmhalten von Speisen verwendet. Aber das sind natürlich nur Gerüchte, die auf YouTube nicht dokumentiert sind.

Text: Volker Neumann


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