Ein bleifreies Reflow-Profil ist der gemessene Temperaturverlauf von Lötstellen, Bauteilen und Leiterplatte beim Durchlauf einer Baugruppe durch den Ofen. Ziel ist nicht, eine allgemeine Kurve zu kopieren. Es geht um ein reproduzierbares Prozessfenster, das das Flussmittel aktiviert, alle vorgesehenen Lötstellen aufschmilzt, Bauteil- und Materialgrenzen einhält und die Baugruppe ohne unnötige thermische Belastung abkühlt.
Dieser Leitfaden erklärt, wie dieses Fenster für ein neues Produkt ermittelt wird. Die folgenden Zahlen sind praktische Startwerte, keine Produktionsspezifikationen. Vorrang haben stets das aktuelle Datenblatt der Lotpaste, das empfindlichste Bauteil, die Grenzen des Leiterplattenmaterials und die am Produkt gemessenen Daten.
Reflow-Klassifizierung ist kein Produktionsrezept#
IPC/JEDEC J-STD-020 definiert Bedingungen zur Feuchte-/Reflow-Empfindlichkeitsklassifizierung nicht hermetisch gekapselter SMD-Bauteile. Diese Bedingungen zeigen, was ein Bauteil während der Klassifizierung übersteht; sie fordern nicht, jede Produktionsleiterplatte bis zu dieser Höchsttemperatur zu erhitzen. Texas Instruments empfiehlt ausdrücklich, die Produktionsspitze unter der Klassifizierungstemperatur des Bauteils zu halten und das tatsächliche Profil anhand der Lotpastenempfehlung und sämtlicher Bauteilgrenzen auszuwählen.
IPC-7530 behandelt dagegen die Temperaturprofilierung für Massenlötprozesse. Beide Dokumente verdeutlichen eine wichtige Unterscheidung: Die Bauteilbeständigkeit setzt die Obergrenze; Paste, Verbindungsbildung und thermisches Verhalten der Baugruppe bestimmen das darunterliegende nutzbare Prozessfenster.
Eingangsgrößen für das Prozessfenster#
Vor Änderungen an den Ofeneinstellungen sollten folgende Angaben vorliegen:
- Lotlegierung und Paste: Liquidustemperatur, Flussmittelaktivierung, empfohlene Aufheizrate, Haltephase, Zeit oberhalb des Liquidus und Spitzenbereich.
- Bauteilgrenzen: Klassifizierungstemperatur des Gehäuses, Zeitgrenzen, Feuchteempfindlichkeitsstufe und herstellerspezifische Reflow-Einschränkungen.
- Leiterplattenaufbau: Lagenzahl, Kupferverteilung, Dicke, Laminat, Oberfläche und große Kupferflächen.
- Baugruppengeometrie: kleine passive Bauteile, große BGAs, Abschirmungen, Steckverbinder, Kühlkörper und stark unterschiedliche thermische Massen.
- Druck und Bestückung: Schablonenöffnungen, Pastenvolumen, Bauteilausrichtung und Padgeometrie. Ein Profil kann einen grundsätzlich schlechten Pastendruck nicht reparieren.
- Ofenfähigkeit: Anzahl und Länge der Zonen, Transportgeschwindigkeit, Luftströmung, Abluftbalance sowie Luft- oder Stickstoffatmosphäre.
Prüfen Sie zugleich das SMT-Schablonendesign und die PCB-Stückliste. Veränderte Pastendepots und unbemerkte Bauteilsubstitutionen sind häufige Gründe, warum ein zuvor stabiles Rezept nicht mehr funktioniert.
Typische Phasen eines bleifreien Profils#
| Phase | Beispielhafter Startbereich | Hauptzweck |
|---|---|---|
| Vorheizrampe | Etwa 0,5–2°C/s | Baugruppe ohne übermäßigen Temperaturschock oder Flussmittelspritzer erwärmen. |
| Haltephase | Etwa 150–200°C für 60–120 s | Temperaturunterschiede verringern und Flussmittelaktivität entwickeln. |
| Zeit oberhalb des Liquidus | Häufig 45–90 s oberhalb des Legierungsliquidus | Benetzung und Bildung intermetallischer Phasen abschließen. |
| Spitzentemperatur | Bei SAC-Prozessen häufig 235–250°C | Ausreichenden Abstand zum Liquidus schaffen und dabei Bauteile und Leiterplatte schützen. |
| Abkühlung | Kontrolliert, innerhalb der Pasten- und Bauteilgrenzen | Lötstellen gleichmäßig und ohne vermeidbare thermische Belastung erstarren lassen. |
Kester nennt für SAC305 einen Schmelzbereich von 217–219°C. Deshalb dienen ungefähr 217°C häufig als Bezug für die Zeit oberhalb des Liquidus. Der genaue Wert muss jedoch zur tatsächlich aufgedruckten Legierung passen. Niedrigtemperaturlote oder Reparaturen mit gemischten Legierungen benötigen ein anderes Fenster.
Vorheizen und Aufheizrate
Die anfängliche Rampe erwärmt Leiterplatte, Bauteile, Paste und eingeschlossene flüchtige Bestandteile. Zu schnelles Aufheizen kann Spritzer, Lotperlen, Gehäusespannungen oder Verzug verstärken. Zu langsames Aufheizen kann wirksame Flussmittelaktivität verbrauchen, bevor die Lötstellen aufschmelzen. Messen Sie die Rate am Produkt und leiten Sie sie nicht nur aus den Zonensollwerten ab.
Haltephase
Eine Haltephase kann die Temperaturspreizung zwischen Bereichen geringer und hoher thermischer Masse reduzieren. Sie kann auch thermisch bedingtes Tombstoning vermindern; Landpattern, Pastenvolumen, Positionierung und symmetrische Benetzung bleiben jedoch entscheidend. Eine unnötig lange oder heiße Haltephase kann das Flussmittel erschöpfen oder die Oxidation verstärken. Sie sollte deshalb durch Messungen begründet sein.
Reflow, Spitze und Zeit oberhalb des Liquidus
Die kälteste relevante Lötstelle muss ausreichend lange oberhalb des Legierungsliquidus liegen, um richtig zu benetzen. Gleichzeitig müssen das heißeste Bauteil, Pad und Laminat unter ihrer jeweiligen zulässigen Grenze bleiben. Geeignet sind die Transportgeschwindigkeit und Zoneneinstellungen, die beide Bedingungen mit angemessener Reserve erfüllen.
Zu wenig Energie kann unvollständige Benetzung, körnige Lötstellen, Head-in-Pillow-Fehler oder Unterbrechungen verursachen. Zu hohe Spitzen oder zu lange Verweilzeiten können Bauteile beschädigen, Laminat verfärben, intermetallische Schichten wachsen lassen, Flussmittelrückstände beeinträchtigen oder Verzug fördern. Höher bedeutet nicht automatisch sicherer.
Abkühlung
Die Abkühlung gehört zum Profil und ist keine ungenutzte Zeit nach dem Löten. TI nennt im Kontext der J-STD-020-Klassifizierung eine maximale Abkühlrate von 6°C/s zwischen Spitze und Liquidus. Das Produktionsziel muss den Pasten- und Bauteilvorgaben folgen und innerhalb der kontrollierbaren Ofenfähigkeit liegen. Extrem schnelle Abkühlung belastet Gehäuse und Leiterplatte; zu langsame Abkühlung verändert das Gefüge der Lötstelle und verlängert die Wärmeeinwirkung.
Kontinuierliche Rampe oder Halteprofil?#
Bei einem Ramp-to-Peak-Profil steigt die Temperatur relativ kontinuierlich bis zum Reflow. Erwärmt sich die Baugruppe gleichmäßig, kann dies Flussmittelaktivität erhalten und die thermische Belastungsdauer verkürzen. Ein Halteprofil hält die Temperatur vor dem Reflow in einem definierten Bereich oder erhöht sie dort nur langsam. Das kann den Temperaturausgleich bei großem Delta-T verbessern.
Keine Form ist generell überlegen. Beginnen Sie mit dem bevorzugten Fenster des Pastenherstellers, vermessen Sie die reale Leiterplatte und wählen Sie die Form, bei der sowohl die kälteste Lötstelle als auch der heißeste empfindliche Bereich innerhalb ihrer Grenzen bleiben. Ein auf einer anderen Baugruppe bewährtes Profil ist allein noch kein Auswahlgrund.
Die tatsächliche Baugruppe profilieren#
- Repräsentative Leiterplatte wählen. Den vorgesehenen Lagenaufbau, Kupfer, die Oberfläche, Bauteile, Paste und eventuelle Träger oder Paletten verwenden.
- Heiße und kalte Kandidaten bestimmen. Ein kleines passives Bauteil am Rand, eine zentrale Lötstelle an einer Massefläche, einen großen BGA oder Steckverbinder und das temperaturempfindlichste Gehäuse einbeziehen.
- Feine Thermoelemente sicher befestigen. Wenn möglich an der Lötgrenzfläche messen. Für die Prüfung einer Gehäusetemperaturgrenze den vom Bauteilhersteller vorgegebenen Messort verwenden; TI beschreibt für seine Bauteile ein dünnes Thermoelement oben in der Gehäusemitte.
- Mit einem kalibrierten Profiler messen. Die Baugruppe durch den Ofen führen, reale Kurven aufzeichnen und jeden Kanal mit Pasten- und Bauteilgrenzen vergleichen.
- Jeweils eine kontrollierte Variable ändern. Die Transportgeschwindigkeit verändert die Zeit in jeder Zone. Zonensollwerte beeinflussen nur einen Teil der Kurve, können aber über Luftströmung und thermische Verzögerung der Leiterplatte zusammenwirken.
- Wiederholen und bestätigen. Ein einzelner guter Durchlauf belegt keine Wiederholbarkeit. Das Rezept an mehreren Baugruppen bestätigen und das Profil als Fertigungsnachweis aufbewahren.
Delta-T auf der Leiterplatte beherrschen#
Delta-T bezeichnet die Temperaturdifferenz zwischen dem heißesten und kältesten überwachten Ort an einem relevanten Punkt des Zyklus. Große Kupferflächen, Abschirmungen, massive Steckverbinder und zentrale BGAs können hinter frei liegenden kleinen Bauteilen zurückbleiben. Erreicht die kalte Lötstelle das Pastenfenster gerade eben, während ein kleines Gehäuse seine Grenze fast erreicht, bleibt wenig Fertigungsreserve.
Mögliche Maßnahmen sind ein sanfterer thermischer Ausgleich, eine andere Transportgeschwindigkeit, gezielte Zonenanpassungen, bessere Luftströmung, ein überarbeiteter Träger oder Änderungen an Baugruppe und Layout. Eine ausgewogene Kupferverteilung und passende Wärmefallen können den PCB-Bestückungsprozess bereits im Designreview robuster machen, bevor das Ofenrezept entsteht.
Häufige Reflow-Fehler diagnostizieren#
| Symptom | Profilbezogene Prüfungen | Weitere Prüfungen |
|---|---|---|
| Schlechte Benetzung oder Unterbrechungen | Spitze der kalten Lötstelle, Zeit über Liquidus, Flussmittelaktivierung und Oxidationseinwirkung | Oberflächenzustand, Verunreinigung, Pastenalter und Druckvolumen |
| Lotkugeln oder Lotperlen | Anfangsrampe, Lösungsmittelfreisetzung und Haltezeit | Schablonenöffnung, Pastenverlaufen, Maskengeometrie und Bestückdruck |
| Tombstoning | Ungleichmäßige Erwärmung beider Seiten und Benetzungszeitpunkte | Padgeometrie, Pastensymmetrie, Positionierung und Bauteilanschlüsse |
| Head-in-Pillow | Spitze, Zeit über Liquidus sowie Gehäuse- und Leiterplattenverzug während des Reflow | Pastenübertragung, Oxidation der Lotkugeln, Gehäusekoplanarität und Abstützung |
| Hohlräume | Aufheiz-/Halteverhalten und Zeit zum Entweichen flüchtiger Stoffe | Öffnungsdesign, Pastenchemie, Padgestaltung und Via-Anordnung |
| Verfärbung oder Schäden | Überhöhte Spitze, zu lange Verweilzeit oder wiederholte Reflow-Belastung | Bauteilfreigabe, Laminatbeständigkeit und Feuchtemanagement |
Die Tabelle ist eine Orientierung für die Diagnose, kein Nachweis der Ursache. Reflow-Fehler entstehen meist durch Wechselwirkungen zwischen Design, Material, Druck, Bestückung und Temperaturverlauf.
Feuchtigkeit, Stickstoff und wiederholtes Reflow#
Ein gutes Temperaturprofil setzt die zulässige Verarbeitungszeit nach Entnahme aus der Trockenverpackung nicht zurück. Feuchteempfindliche Bauteile müssen nach J-STD-033 und Herstelleranweisung gelagert, überwacht und gegebenenfalls getrocknet werden. Bei überlagerter Ware kann das Erwärmen Delamination oder Risse verursachen, obwohl die gemessene Kurve sonst alle Grenzen einhält.
Stickstoff kann die Oxidation verringern und bei manchen Baugruppen die Benetzungsreserve vergrößern. Er ersetzt jedoch weder saubere Oberflächen noch geeignetes Flussmittel oder ein kontrolliertes Profil. Qualifizieren Sie den Prozess in der tatsächlich vorgesehenen Produktionsatmosphäre. Bei doppelseitigen Baugruppen erleben die Bauteile der ersten Seite möglicherweise einen zweiten Wärmezyklus; selektive Reparaturen erhöhen die Belastung weiter.
Checkliste für die Produktionseinrichtung#
- Legierung, Pastenprodukt sowie Lager- und Handhabungsregeln festlegen.
- Bauteilgrenzen für Spitze, Dauer, MSL und wiederholten Reflow bestätigen.
- Aus dem aktuellen Pastendatenblatt eine Startkurve ableiten.
- Repräsentative heiße und kalte Stellen der realen Baugruppe instrumentieren.
- Aufheizrate, Haltephase, Liquidusüberschreitung, TAL, Spitze, Abkühlung und Leiterplatten-Delta-T aufzeichnen.
- Erstmuster anhand produktspezifischer Annahmekriterien prüfen.
- Funktionstests durchführen und verdeckte Lötstellen bei entsprechendem Risiko röntgen oder anschleifen.
- Freigegebenes Rezept mit Angaben zu Ofen, Linie, Transport, Atmosphäre und Profiler festschreiben.
- Nach relevanten Änderungen an Paste, BOM, Bauteillieferant, Layout, Lagenaufbau, Träger, Ofenwartung oder Linienverlagerung neu profilieren.
Offizielle Quellen#
- IPC-Revisionsübersicht für die aktuellen Ausgaben von IPC-7530 und J-STD-020.
- Texas Instruments: Reflow-Profil für die bleifreie Bestückung von Kundenleiterplatten.
- Texas Instruments: Reflow-Profil für bleifreies Löten.
- Kester: Technische Daten der SAC305-Legierung.
Häufig gestellte Fragen#
Welche Spitzentemperatur ist bei bleifreiem Reflow typisch?
Viele SAC-Prozesse werden zunächst im Bereich 235–250°C entwickelt. Ein allgemeingültiges Produktionsziel gibt es jedoch nicht. Verwenden Sie das Fenster des Pastenlieferanten und halten Sie mit gemessener Reserve alle Bauteil- und Materialgrenzen ein.
Wie hoch ist die Liquidustemperatur von SAC305?
Kester gibt für SAC305 einen Schmelzbereich von 217–219°C an. Prüfen Sie die Spezifikation der konkret eingesetzten Legierung und Paste.
Wie lange sollte eine Leiterplatte oberhalb des Liquidus bleiben?
Etwa 45–90 Sekunden sind für manche bleifreien Pasten ein üblicher Startbereich. Der freigegebene Wert muss jedoch aus dem Pastendatenblatt und den gemessenen Lötstellenergebnissen abgeleitet werden.
Wo werden Thermoelemente angebracht?
An voraussichtlich heißen und kalten Lötstellen, Bereichen hoher thermischer Masse und temperaturempfindlichen Gehäusen. Befestigen Sie sie sicher und mit möglichst geringer zusätzlicher Wärmekapazität. Bei Gehäusegrenzen gelten die Messortvorgaben des Bauteilherstellers.
Lässt sich Tombstoning durch Reflow-Einstellungen beheben?
Thermische Ungleichgewichte lassen sich verringern. Tombstoning hängt aber auch von Padgeometrie, Kupferbalance, Pastenvolumen, Positionierung und Anschlussbenetzung ab. Prüfen Sie alle Einflussgrößen, bevor Sie das Rezept ändern.
Wann muss eine Baugruppe neu profiliert werden?
Nach wesentlichen Änderungen an Leiterplatte, Bestückung, Paste, Lieferant, Träger, Ofen, Transport, Atmosphäre oder Produktionslinie sowie dann, wenn Trenddaten eine Veränderung der bisherigen Prozessreserve erkennen lassen.