Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Prozessüberwachung beim Löten großflächiger Fügeverbunde

Das Ziel dieses Projekts liegt im Kenntnisgewinn über den Lotzustand während des Lötens großflächiger Bauteile, um als Fernziel die Lötprozesse gezielt zu regeln und dadurch Lötprozesszeiten zu verringern, Löttemperaturen zu senken, Imperfektionen zu vermeiden und dadurch Kosten zu sparen. Hieraus ergibt sich auch der wirtschaftliche Nutzen für die kmU´s, die häufig wechselnden Bauteilgeometrie löten und nicht für jede Geometrie eine Parameteroptimierung oder Prozessentwicklung durchführen können. Um den Lotzustand zu beschreiben, wird die in-situ-Widerstandsmessung in einen Vakuumofen integriert und der bereits vorhandene Messaufbau auf großflächige Bauteile und mehrere Messstellen erweitert. Nach der Erweiterung des Messaufbaus werden im Laufe des Projekts die Lötprozessparameter variiert sowie zu ausgewählten Zeitpunkten im Lötprozess durch Abschreckversuche das Gefüge gezielt „eingefroren“ und im Anschluss mikrostrukturell untersucht.

Im ersten Schritt wird das einfache System 1.1730 mit dem Lot Cu110 verwendet, da hier, aufgrund der geringen Anzahl an Legierungselementen, die in-situ-Widerstandsmessung ertüchtigt werden kann. Im weiteren Verlauf des Projektes wird die, in der Industrie eingesetzte, Werkstoffkombination 1.2343 mit den Loten CuGe10 und Ni620 verwendet. Mit diesen Kombinationen wird u.a. ein Wissen über die Entstehung von Imperfektionen generiert, das als Fernziel die gezielte Prozesssteuerung zur Vermeidung dieser erlaubt. Ein weiteres Ziel ergibt sich durch die Kenntnis über das Zeitintervall des Lot-Aufschmelzens, der aufgrund der unterschiedlichen Lot-Zusammensetzungen variieren kann. Mit Hilfe der Widerstandsmessung kann der Zeitpunkt des Aufschmelzens in jeder Ofenfahrt bestimmt und als Fernziel in eine Prozessregelung integriert werden. Durch die, sich daraus resultierende und an jede Charge angepasste, niedrigere Löttemperatur ergeben sich, neben den wirtschaftlichen Vorteilen, auch geringere thermische Belastungen für den Grundwerkstoff.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde aufgezeigt, dass die Integration der in-situ-Widerstandsmessung in den Vakuumlötprozess neben der Temperaturmessung über Thermoelemente eine Möglichkeit liefert, den Zustand des Lotes zu beobachten. Aus den Arbeiten geht hervor, dass das Aufschmelzen der unterschiedlichen Werkstoffe mittels der Widerstandsmessung erfasst werden kann. Allerdings treten aufgrund mannigfaltiger elektrischer Felder, die aus dem Betrieb und der Regelung des Ofens resultieren, viele Einflüsse auf die Widerstandsmessung auf, die die Interpretation des Messsignals erschweren. Daher kann der elektrische Widerstand nicht unmittelbar als Regelgröße für die Ofensteuerung genutzt werden und muss parallel zur Bauteiltemperatur ausgewertet werden.

Für den Anwender bietet die in-situ-Widerstandsmessung in Verbindung mit der Erfassung der Bauteiltemperatur über Thermoelemente künftig die Möglichkeit den Lötprozess anhand des Zustandes des Lotes zu regeln. Aufgrund des im industriellen Umfeld deutlich höheren Chargiervolumens ist somit durch die Verwendung des In-situ-Messsystems von deutlich kürzeren Löt- und folglich Prozesszeiten, geringeren Löttemperaturen sowie einem reduzierten Einsatz von Prozessgasen (Argon zur Einstellung des Partialdrucks, geringere Stickstoffmenge durch niedrigere reale Löttemperatur) auszugehen, was für den Anwender sowohl aus ökonomischer als auch ökologischer Sicht einen Vorteil gegenüber Lötprozessen, welche lediglich anhand der Chargentemperatur geregelt werden, darstellt. Zudem können Anlagenhersteller das Messkonzept in ihre Öfen integrieren und damit ihr Produktportfolio erweitern, um somit auf dem internationalen Markt ihre Wettbewerbsfähigkeit zu sichern.