Profilering ”on-the-fly” giver perfekte lodderesultater - hver gang

Af Steen Køpke, servicechef HIN A/S 

Forsigtigt vurderet er der vel i dag i omegnen af et dusin danske elektronikvirksomheder, som – uanset om der er tale om EMS’er eller OEM’er – har fået øje på de fordele og muligheder, der ligger i brugen af vapor phase til lodning af de monterede print. Sammenlignet med eksempelvis reflow-lodning med IR og varmluft er vapor phase et blidere måde at lodde de bestykkede print på. Loddemediet er den såkaldte galden, der opvarmes, til den går i gasform og kondenserer på printet med den overførsel af varmeenergi, som det medfører. Det er derfor galdens temperatur for kogepunktet, der også dikterer, hvor høj maksimaltemperaturen kan blive på print og komponenter, og dermed er den grundlæggende fysik med til at forhindre overophedning, selv hvis et print skulle forblive i lang tid i en vapor phase oven. Ved reflow kunne et længere ophold svide printet af og i værste tilfælde antænde det. 

Det er altid en udfordring at styre loddeprofilen i en loddeproces, uanset om der er tale om reflow eller vapor phase. Hvor man normalt i et reflow-miljø giver de bestykkede print en lineær opvarmning igennem flere zoner, så kan man i et vapor phase miljø kontrollere rampeformen for opvarmningen indtil den endelige loddetemperatur i trin. Det har den vigtige fordel, at print og komponenter bliver stabiliseret op til flere gange i et opvarmningsforløb, så man sikrer en ensartet temperatur for komponenter uanset størrelsen – og printet – før printet bliver udsat for den ønskede maksimaltemperatur, hvor loddepastaen bliver flydende, og tinnet binder komponenterne fast. 

Ved den trinvise rampeform op mod maksimaltemperaturen tager man stress ud af loddeprocessen, og det medfører mulighed for mere komplekse designs – og typisk hvor der indgår ganske store komponenter – til langt mindre stress af print og komponenter og dermed procentuelt langt færre fejl. 

”Dynamic Profiling PLUS+” 

I sig selv er ovne ikke specielt avancerede, men styringerne er, og fordelen ved vapor phase er, at styringen af temperaturen kan gøres særdeles præcis i forhold til tid og temperatur. HIN-agenturet, Asscon, har i deres familie af vapor phase ovne etableret en dynamisk profilering af temperaturens ramp-up, så man opnår en perfekt kontrol over opvarmningens kurveform, selve lodningen og den efterfølgende afkøling. 

Asscon kalder selv deres dynamiske profilering af varmeforløbet gennem ovnen for ”aktiv lodning”, og det beskriver sådan set meget godt, hvad der reelt sker undervejs: Afhængigt af konstruktion og job kan man sætte ovnen op til en individuel tilpasning af temperaturprofilen eksakt til et givent designs behov, og den profil kan til enhver tid genkaldes, så man opnår den optimale loddeprofil hver gang med en særdeles høj grad af repetérbarhed. HIN har allerede leveret en Asscon 2000 vapor phase ovn til en dansk EMS-kunde, som har opnået særdeles overbevisende resultater med den dynamiske profilering i den nyeste sensorbaserede version. 

Asscon har udviklet en overbygning på den dynamiske profilering under navnet Dynamic Profiling PLUS+, og det giver mulighed for med brug af sensorer på et aktuelt print at måle og definere den ideelle loddeprofil, ligesom man efterfølgende kan kontrollere, at profilen overholder de oprindelige specifikationer. Opsætningen er ganske enkel. Man monterer temperatursensorer på de største og mindste komponenter på det bestykkede print, der skal loddes i vapor phase ovnen. Når printet kører gennem ovnen, sættes grundindstillingerne for den optimale loddeprofil for et givent job, 

Man kan optimere profilen gennem en tilpasning af fem trin i loddeprocessen, hvor man (1) indstiller effekten (ETR eller Energy Transfer Rate) på den indledende opvarmning, temperatur (2) og tid (3) for forvarmen (soak på engelsk), peak-effekt for loddetemperaturen (4) og tiden for eftervarmen (5). Sammenlignet med reflow-lodning, som typisk ramper lineært op med ca. 2 grader Celsius/sekund sikrer Vapor Phase og PLUS+ profileringen en mere jævn varmefordeling og mindre stress på print og komponenter under lodning. 

Desuden skal man indstille jobs til let, medium eller høj varmeenergi, hvilket siden bruges sammen med de indbyggede sensorer, der følger de efterfølgende loddeforløb i vapor phase ovnen. Ved senere at køre et print igennem ovnen kan man verificere, at temperaturer og tider holder sig inden for de ønskede specifikationer. Asscons sensorbaserede ETR-styring giver en imponerende høj repetérbarhed og dermed også perfekte lodderesultater – hver gang.  

PTP til opsamling af trådløse data 

Den dynamiske profilering i PLUS+ indstiller i praksis sig selv automatisk med muligheden for at justere på parametrene for en yderligere optimering af loddeprofilen. Når man holder loddeprofilen op mod de faktisk målinger på et prøveprint og er tilfreds med profilen, gemmer man bare programmet, der siden kan hentes frem til samme slags jobs på et senere tidspunkt. Det gør en stor forskel, at temperaturmålinger faktisk udføres på printet ved kontrol af profilen og ikke bare i ovnens hardware. 

I de tilfælde, hvor der optræder større print eller paneler med en mindre homogen fordeling af store og små komponenter, kan det være en fordel at montere flere sensorer på det print, der bruges til dynamisk opsætning af loddeprofilen. Asscon har sammen med Global Point ICS udviklet en trådløs PTP-hub (Professional Temperature Profiler), der sammen med printet kører igennem ovnen. Til PTP’en kan man tilslutte 8 + 1 temperatursensorer, så man kan etablere multiple målepunkter. 

PTP’en kommunikerer de opsamlede data ud til brugeren via Bluetooth og sikrer, at der ikke opstår ”hot-spots” – eller nærmere det modsatte på det print, der skal loddes. 

Vapor Phase giver som udgangspunkt et mere sikkert loddemiljø, og Asscon er internationalt anvendt til mange sikkerhedskritiske loddeopgaver – ofte inden for medico-, forsvars- og aerospace-applikationer. Med muligheden for dynamisk profilering af loddeprocessen letter Asscon i høj grad opsætning af loddeprofilerne for de enkelte jobs og PLUS+ løsningen med temperaturmåling direkte på setup- eller kontrolprintet og tre parallelle målereferencer direkte i maskinen giver en særdeles konsistent repetérbarhed af loddeforløbene.