Beim mittelständischen EMS-Unternehmen Voigt kam die Frage auf, ob der Wellenlötprozess noch zum Produktspektrum passt oder durch einen Selektivlötprozess ersetzt werden kann. Wie man zu einem Ergebnis kam, zeigt der folgende Praxisbericht.

Vorbereitungen für das nächste Produkt: Programmeingabe an der Versaflow One. Ob sich die Selektivlötanlage eignet, wollte ein EMSler herausfinden. (Bild: Ersa)

Bei Voigt lebt man Elektronik. Man versetzt sich in den Kunden und sein Produkt hinein, um es zu verstehen und optimal zu fertigen. So werden Produkte bei Bedarf auch in enger Abstimmung mit dem Kunden fertigungstechnisch optimiert und die Qualität sichergestellt. Mit Aufkommen der SMD-Technologie in den 1980er Jahren hat sich die Entwicklung in der Elektronik rasant verändert. Mischbestückung mit THT-Komponenten und beidseitiger SMD-Bestückung nimmt stetig zu und ist Stand der Technik. Das klassische Lötverfahren für gesteckte Bauteile ist der Wellenprozess.

Mit diesem Verfahren stieß man bei Voigt nun jedoch an gewisse Grenzen. Das Portfolio beinhaltet zwar Produkte, die sich gut zum Wellenlöten eignen, beispielsweise Baugruppen mit großem THT-Anteil auf vierlagigen Leiterplatten. Das sind vorwiegend Langläufer, die schon lange Jahre gefertigt werden. Viele neue Kundenprojekte sind allerdings keine guten Wellenlötprojekte mehr – hier hat man es mit Baugruppen für die Messtechnik oder Testsysteme zu tun, bestehend aus Multilayern mit bis zu 16 oder 18 Lagen mit großer Bauteilvarianz in bottom-terminierter Bestückung. Das heißt, sämtliche Anschlüsse liegen auf der Unterseite der Platine. Zudem haben die Erfurter auch viele kleinteilige Aufträge im Orderbuch: Neben Serien bis zu 1.000 Stück auch Prototypen und Losgrößen von 20 bis 25 Baugruppen pro Serie. Bis zu zwölf Produktwechsel am Tag sind zu bewältigen. Somit startete Voigt ein Projekt zur Evaluierung und Ersatzbeschaffung der bestehenden Wellenlötanlage. Hier ging es auch um eine Bewertung, ob der Wellenlötprozess noch zum Produktspektrum passt oder durch einen Selektivlötprozess ersetzt werden kann.

Ein Vorteil des Selektivlötprozesses ist der Wegfall von Lötmasken, die beim Wellenlöten SMD-Bauteile auf der Leiterplattenunterseite davor schützen, dass sie in der Lötwelle wieder aufgeschmolzen und weggespült werden. Auch bei Kleinstserien werden sie benötigt. Für jedes Produkt müssen sie speziell angefertigt werden und sind natürlich ein Zeit- und Kostenfaktor. Es ist ein stetes Abwägen – bestellt man zu wenig Masken, entstehen Wartezeiten, weil sie nach einem Lötprozess noch nicht schnell genug gereinigt und wieder einsatzfähig sind. Zu viele Masken möchte man aus Kostengründen auch nicht haben.

Ein weiterer Vorteil ist die Flexibilität im Selektivlötprozess: Die einzelnen Bauteile einer Platine können mit individuellen Parametern gelötet werden, während man beim Wellenlöten gezwungen ist, Kompromisse einzugehen. Heizung und Benetzungszeit in der Lötwelle können nur für die gesamte Baugruppe gesetzt werden. Hier gilt es, den besten Mittelwert zu finden, um empfindliche Bauteile zu schonen und dennoch eine ausreichende Benetzung der Bauteilanschlüsse mit hohem Wärmebedarf zu erreichen, so dass eine zuverlässige Lötverbindung entsteht. Da im Selektivlötprozess die Leiterplatte zudem nur an den zu lötenden Stellen mit Flussmittel und Lot benetzt wird, gibt es weniger Rückstände auf der Leiterplatte. Das vermindert den Reinigungsaufwand deutlich und wirkt sich positiv auf die Wirtschaftlichkeit aus. Die jeweiligen Vorteile von Wellen- bzw. Selektivlötprozessen sind im Anteil der THT-Bauteile der zu verarbeitenden Baugruppen zu suchen. Bei Baugruppen mit gemischter SMT- und THT-Bestückung ist die klassische Wellenlötanlage dann im Vorteil, wenn die SMT-Bestückung ausschließlich auf der Oberseite der Baugruppe ist. In diesem Fall ist der Wellenlötprozess sehr wirtschaftlich, da keine Lötmasken für die Verarbeitung erforderlich sind. Ist hingegen die Unterseite der Baugruppe ebenfalls mit SMDs bestückt, bei gleichzeitig geringem Anteil von THT-Bauteilen, ist das Selektivlöten im Vorteil, da die Wirtschaftlichkeit allein durch den Wegfall von Lötmasken wesentlich höher ist.

„Selbstverständlich ist die Qualität ein entscheidendes Kriterium. Aber in diesem Fall stand für uns der Output fast noch mehr im Vordergrund. Am Ende des Tages muss ich eine bestimmte Anzahl Baugruppen gefertigt haben, ansonsten schaffe ich meine Lieferzeiten nicht“, beschreibt Fertigungsleiter Frank Koppetsch die Anforderungen. „Zudem erfahren wir derzeit einen Wachstumsschub“, ergänzt Geschäftsführerin Sabine Voigt. „Die neue Anlage sollte unsere Produktion zukunftssicher machen und einen Puffer für weiteres Wachstum bereithalten.“

Seit drei Jahren hat der EMS-Anbieter das Selektivlötsystem Ecoselect 4 von Ersa in Betrieb. Daher war es ein logischer Schritt, für die neue Produktionsanlage wieder den Wertheimer Lötspezialisten zu kontaktieren, denn zur Productronica 2021 wurde die Versaflow One in den Markt eingeführt. Diese kompakte Selektivlötanlage ist das neue Einstiegsmodell von Ersa ins High-End-Selektivlöten. Daher wurde Voigt electronic einer der Beta-Tester für diese Anlage und hatte die Möglichkeit, für die anstehende Investition den Prozess nicht nur anhand einer Testbaugruppe zu bewerten, sondern ganze Produktionsserien durch die Maschine zu schicken. Unter realen Bedingungen fand man so heraus, ob die bestehende Wellenlötanlage wirklich durch eine Selektivlötanlage ersetzen werden kann.

Für die Versaflow One stehen vier Ausstattungsvarianten zur Verfügung. Dank dieser fixen Konfigurationen ist die Anlage in nur zwei bis vier Wochen lieferbar. Die Kernprozesse Fluxen – Heizen – Löten wurden von den Modellen Versaflow 3/45 und 4/55 übernommen. Das heißt, auch in der kompakten Anlage stehen die Features Lotniveauüberwachung mit automatischer Lotdrahtzuführung, Überwachung der Lötwellenhöhe oder die regelmäßige automatische Düsenaktivierung zur Verfügung. Dazu gehört ebenfalls der dreigeteilte Stiftkettentransport mit 3 mm Randauflage und automatischer Breitenverstellung, der sich schnell auf unterschiedliche Leiterplattenformate anpassen lässt. Das Lötmodul ist mit einem oder zwei Löttiegeln erhältlich – Besonderheit hier: die x-Variabilität. In der maximalen Ausbaustufe verfügt die Anlage über zwei Lötmodule.

Zudem ist eine Energieeinsparung von 10 % in der Vorheizung gelungen. Die Glasabdeckung wurde durch ein Gitter ersetzt, durch das die Wärme ohne Absorptionsverlust direkt an die Baugruppen gelangt. Durch eine Veränderung des Abstands konnte die Anzahl der IR-Strahler reduziert und die Performance der Heizung erhalten bleiben.

Ersa besteht seit 100 Jahren. Grund genug ein Blick in die Vergangenheit des Unternehmens im Spiegel der Elektronikfertigung zu werfen. Hier gehts zum Artikel

„Unsere Mannschaft ist äußerst schnell mit der Anlage zurechtgekommen“, berichtet Fertigungsleiter Koppetsch von den Erfahrungen mit der Anlage. Alle Ersa Selektivlötanlagen haben ein ähnliches Bedienkonzept mit der Bediensoftware Ersasoft 5. Der darin integrierte Editor CAD-Assistent 4 macht die Erstellung der Lötprogramme kinderleicht und schnell. Selbstverständlich lassen sich die Programme zu einem Produkt auch abspeichern und sind so bei Bedarf schnell verfügbar. Beide Features sind in Betrieben mit häufigen Produktwechseln enorm wichtig.

„Für den ordentlichen Betrieb einer Wellenanlage benötigt man aus unserer Sicht einen Stickstofftunnel“, erklärt Frank Koppetsch. „Da wir unseren Stickstoff selbst erzeugen, hätten wir für eine Welle in eine größere Anlage investieren müssen. Für die Stickstoffabdeckung des Lötbads in der Versaflow One beträgt der Verbrauch lediglich 2 m3/h. Das können wir mit unserem Stickstoffgenerator sehr gut abdecken.“ Aus diesen Gründen hat man sich bei Voigt electronic entschlossen, die Anlage nach der Testphase als Ersatz für die Wellenlötanlage zu übernehmen.

„Wir sind nun in der Fertigung noch flexibler und haben den gewünschten Kapazitätspuffer. Die Wartung ist deutlich einfacher und schneller als bei unserer alten Wellenlötanlage. Wir sind in diesem Bereich nun hervorragend für die Zukunft aufgestellt, zumal sich unsere Ecoselect 4 ja bei Bedarf noch zu einer Versaflow-Anlage ausbauen lässt“, resümiert Frank Koppetsch.

Key Accounts Manager, Ersa Lötanlagen, Wertheim

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