Selektives Wellenlöten: Bewältigung von Herausforderungen bei Echtzeitleistung und Sicherheitsredundanz in Leiterplatten für die Steuerung von Industrierobotern

technology3. November 2025 11 Min. Lesezeit

Selektives WellenlötenSelektives LötenTHTSMTErstmusterprüfung (FAI)Flying-Probe-TestRückverfolgbarkeit/MESDFM/DFT/DFA-ÜberprüfungVorrichtungsdesign (ICT/FCT)

Als Prüf- und Zertifizierungsingenieur, verantwortlich für ICT/FCT, CE-Zertifizierung und Beschichtungsprozesse, verstehe ich die strengen Anforderungen an Leiterplatten für Industrierobotersteuerungen voll und ganz. Diese Systeme müssen nicht nur Hochgeschwindigkeits-Echtzeitdaten verarbeiten, sondern auch eine extrem hohe Sicherheitsredundanz aufweisen. In diesem Zusammenhang wird die Technologie des Selektivlötens zum Schlüssel für die Verbindung von hochdichten SMT-Komponenten mit hochzuverlässigen Durchsteckbauteilen (THT) (wie Steckverbindern und Leistungskomponenten). Sie bestimmt direkt die elektrische Leistung, die mechanische Festigkeit und die Langzeitverlässlichkeit des Produkts.

Steuerplatinen für Industrieroboter sind typischerweise komplexe Mixed-Technology-Leiterplatten, die sowohl Präzisions-BGAs und QFNs als auch THT-Steckverbinder aufweisen, die hohen Strömen und mechanischer Belastung standhalten müssen. Herkömmliches Wellenlöten kann den Anforderungen eines solch hochdichten, lokalisierten Lötens nicht gerecht werden, während manuelles Löten Schwierigkeiten hat, Konsistenz und Qualität zu gewährleisten. Daher ist der präzise gesteuerte Prozess des Selektivlötens zum zentralen Fertigungsschritt geworden, um die Qualität und Zuverlässigkeit des Endprodukts zu gewährleisten. Dieser Artikel konzentriert sich auf diesen kritischen Prozess und untersucht die wichtigsten Punkte der Qualitätskontrolle im gesamten Arbeitsablauf, vom Design und der Prüfung bis zur Massenproduktion.

DFM/DFT/DFA-Überprüfung: Den Erfolg des Selektivlötens von der Quelle an sichern

Jeder erfolgreiche Fertigungsprozess beginnt mit exzellentem Design. Für das Selektive Wellenlöten ist die frühzeitige DFM/DFT/DFA-Überprüfung (Design for Manufacturability/Testability/Assembly) die erste Verteidigungslinie, um Risiken zu mindern und Kosten zu senken. Wenn die Designphase die Einschränkungen des Lötprozesses nicht vollständig berücksichtigt, führt dies später zu endlosen Qualitätsproblemen.

Während der Überprüfungsphase konzentriert sich unser Team auf die folgenden Schlüsselpunkte:

Bauteil-Layout und Abstände: Die Lötdüse benötigt ausreichend Bewegungsfreiheit. Ein sicherer Abstand (typischerweise 3-5 mm) muss zwischen THT-Bauteilen und angrenzenden SMT-Bauteilen (insbesondere kleinen Chip-Bauteilen) eingehalten werden, um thermischen Schock oder Lötbrücken während des Lötprozesses zu verhindern.
Thermisches Design: Große Masse- oder Leistungsebenen wirken wie massive Kühlkörper, was zu einer unzureichenden Erwärmung der THT-Pins und somit zu kalten Lötstellen führt. Durch die DFM/DFT/DFA-Überprüfung empfehlen wir die Verwendung von Thermal Relief Pads, um sicherzustellen, dass die Lötstellen schnell und gleichmäßig die Löttemperatur erreichen.
Testbarkeit (DFT): Die Platzierung von Testpunkten ist entscheidend. Testnadeln benötigen stabile und zuverlässige Kontaktpunkte. Wir stellen sicher, dass Testpunkte von THT-Lötbereichen ferngehalten werden, um eine Kontamination durch Flussmittelrückstände zu vermeiden, und ausreichend Platz für den Niederdrückbereich der Sonden bei der Fixture-Konstruktion (ICT/FCT) reserviert wird. Eine umfassende DFM/DFT/DFA-Überprüfung integriert Fertigungs- und Testanforderungen in die Entwurfsphase und legt damit eine solide Grundlage für die nachfolgende automatisierte Produktion und effiziente Prüfung.

Wichtige DFM-Überlegungen für das Selektivwellenlöten

Lötmittelfreie Zonen und Abschirmung: Halten Sie einen Sicherheitsabstand von 3-5 mm (Beispiel) für die Düsenbewegung und den Lötstopplackschutz ein
Thermische Entlastungspads: Verwenden Sie thermische Entlastung für Masse-/Leistungsflächenstifte, um kalte Lötstellen zu verhindern
Lötmittelfänger und Führung: Fügen Sie Lötmittelfänger-/Drainagezonen an langen Kanten hinzu, um Brückenbildung zu reduzieren

Via-Behandlung: Vias in der Nähe von Pads sollten abgedeckt oder mit Lötstopplack versehen werden, um das Aufsteigen von Lot zu verhindern

Bauteilhöhe und -ausrichtung: Ordnen Sie die Pins entlang der Wellenrichtung an und kontrollieren Sie die Bauteilhöhe auf der Unterseite, damit sie in die Palette passt

Testpunktplanung: Vermeiden Sie Lötbereiche und Flussmittelpfade, um ICT/FPT zu erleichtern

Grundlagen des Palettendesigns

Materialauswahl: Hochtemperaturbeständige Verbundwerkstoffe (Beispiel), mit Taschen und Dammabdichtungen, die sich der Leiterplattenoberfläche anpassen
Taschenspielraum: 0,3-0,8 mm (Beispiel) Spalt um die Pins herum für besseres Benetzen und Entlüften einhalten
Unterstützung und Ebenheit: Stützblöcke in kritischen Bereichen hinzufügen, Verzug kontrollieren und Belastung der ICT-Vorrichtungen reduzieren
Pfad und Düse: Einzel-/Doppeldüsenpfade planen, um Schattenbereiche und Wärmestau zu vermeiden
Wartbarkeit: Leicht zu reinigendes, rückstandsfreies Design; serialisierte Markierungen für MES-Rückverfolgbarkeit

ICT/FCT-Tests: Wichtige Punkte für Abdeckung und Vorrichtungsdesign

Nach dem Löten ist eine strenge Prüfung der einzige Standard zur Qualitätssicherung. In-Circuit-Test (ICT) und Funktionstest (FCT) sind zwei Säulen, um die ordnungsgemäße Funktionalität von Leiterplatten für die Steuerung von Industrierobotern zu gewährleisten. ICT (In-Circuit Test) wird hauptsächlich zur Erkennung von Lötfehlern wie Unterbrechungen, Kurzschlüssen, falschen Bauteilen, verpolter Polarität usw. eingesetzt. Bei Leiterplatten, die mit Selektivem Wellenlöten verarbeitet werden, steht der ICT-Test vor besonderen Herausforderungen. Die Anwesenheit von THT-Bauteilen beeinträchtigt die Ebenheit der Platine und stellt höhere Anforderungen an das Design der Prüfvorrichtung. Professionelles Vorrichtungsdesign (ICT/FCT) muss die Sondenhöhe und den Druck präzise berechnen, um einen zuverlässigen Kontakt mit den Prüfpunkten zu gewährleisten, ohne mechanische Schäden an gelöteten THT-Bauteilen zu verursachen. Für kleine Chargen oder Prototyping-Phasen bietet der Flying-Probe-Test eine flexible Alternative ohne teure Vorrichtungen, die eine schnelle Überprüfung der Schaltungsfunktionalität ermöglicht.

FCT (Funktionstest) simuliert den Betrieb der Leiterplatte in realen Umgebungen, um die Einhaltung aller funktionalen Spezifikationen zu überprüfen. Dies umfasst die Überprüfung von Motoransteuersignalen, das Auslesen von Sensordaten, die Echtzeitleistung von Kommunikationsschnittstellen (z. B. EtherCAT) usw. Eine robuste FCT-Lösung, kombiniert mit präzisem Vorrichtungsdesign (ICT/FCT), ist entscheidend, um sicherzustellen, dass jede ausgelieferte Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte die strengen Leistungskriterien von Industrierobotern erfüllt.

Wichtige Punkte der Teststrategie

Zugänglichkeit der Testpunkte: Wichtige Netzwerk-Sondenpositionen sollten Löt- und Flussmittelpfade vermeiden.
Vorrichtungsstabilität: Berücksichtigen Sie PCB-Höhenschwankungen durch schwimmende Druckblöcke/geschichtete Stützen für eine gleichmäßige Kraftverteilung.
Flying Probe + Bed of Nails: Verwenden Sie FPT während des Prototypings, wechseln Sie zu ICT für den Durchsatz in der Massenproduktion.
Diagnosegenauigkeit: Programme müssen Lötstellen-/Komponentenfehler mit visualisierbarer Fehlerlokalisierung unterscheiden können.

Erstmusterprüfung (FAI): Validierung des Prozessfensters und der Erstmusterqualität

Vor der Massenproduktion ist die Erstmusterprüfung (FAI) ein unverzichtbarer Qualitätskontrollpunkt. Sie überprüft umfassend, ob der Produktionsprozess, die Geräteparameter, Materialien und Betriebsmethoden konsistent qualifizierte Produkte liefern können, die den Designanforderungen entsprechen. Für Selektive Wellenlötprozesse hat die FAI eine besondere Bedeutung.

Während der FAI führen wir zerstörende und zerstörungsfreie Analysen an den ersten Produktionsplatinen durch, darunter:

Röntgeninspektion: Überprüft die Füllrate der THT-Lötstellen (Hole Fill), Hohlräume und interne Defekte.
Querschnittsanalyse: Vertikal geschnittene Lötstellen werden mikroskopisch untersucht, um Benetzungswinkel und die Dicke der intermetallischen Verbindungsschicht (IMC) zu beurteilen - Schlüsselindikatoren für die Langzeitverlässlichkeit.
Elektrische und Funktionale Prüfung: Die vollständige Durchführung von ICT und FCT gewährleistet 100%ige Einhaltung aller Leistungsmetriken für Erstmuster.

Durch eine strenge Erstmusterprüfung (FAI) identifiziert HILPCB optimale Lötparameter (z.B. Vorheiztemperatur, Lötdauer, Düsentyp) und standardisiert diese in SOPs, wodurch eine zuverlässige Prozessgrundlage für die nachfolgende schlüsselfertige PCBA-Bestückung geschaffen wird.

Prozessfenster & Parameter (Beispiel)

Parameter	Typischer Bereich/Praxis (Beispiel)	Wichtige Punkte
Flussmittel	No-clean/wasserwaschbarer Typ, kontrollierter Feststoffgehalt und Sprühvolumen	Rückstände und Kaltschweißstellen vermeiden; Sprühgleichmäßigkeit sicherstellen
Vorheizen Oberseite	Ca. 90-130°C (Beispiel)	Lösungsmittelverdampfung und Benetzung fördern, Kondensation verhindern
Löttemperatur	Ca. 250-275°C (Beispiel)	Legierung und Substrat anpassen, Überhitzung verhindern
Kontakt-/Tauchsolderzeit	Ca. 1.0-3.0 s (Beispiel)	Gleichgewicht zwischen Lochfüllung und Brückenbildung
Stickstoffumgebung	Geringer Sauerstoffgehalt (z.B. niedrige ppm)	Oxidation reduzieren, Benetzung verbessern, Lötperlen minimieren
Transport/Abziehen	Kontrollierte Transportgeschwindigkeit und Abzugswinkel	Vermeidung von Eiszapfen/Grat und Abschattung

Hinweis: Die oben genannten Parameter sind allgemeine Beispiele. Spezifische Fenster sollten während der FAI basierend auf dem Legierungssystem (z.B. SAC305/Sn63Pb37), der Leiterplattendicke/Kupferdicke/Öffnung, der thermischen Kapazität der Komponenten und den Geräteeigenschaften validiert und in SOP/MES verankert werden. Beachten Sie die anwendbaren Standards und Material-/Geräteanwendungshinweise (z.B. IPC J-STD-001, IPC-A-610, etc.).

PCB-Angebot einholen

Schutzlackierung: Synergie zwischen Materialauswahl und Prozessfenster

Industrieroboter arbeiten oft in rauen Umgebungen und sind Herausforderungen wie Feuchtigkeit, Staub und chemischer Korrosion ausgesetzt. Daher ist eine Schutzlackierung eine notwendige Maßnahme, um den langfristig stabilen Betrieb von Steuerungs-PCBs zu gewährleisten. Die Behandlung von Flussmittelrückständen nach dem selektiven Wellenlöten beeinflusst direkt die Haftung und Schutzleistung der Beschichtung. Der Prozess erfordert eine gründliche Reinigung der Leiterplatte vor der Beschichtung, um alle ionischen und nicht-ionischen Verunreinigungen zu entfernen, die die Haftung beeinträchtigen könnten. Die selektive Beschichtung ist ebenfalls eine Herausforderung, da Bereiche wie Steckverbinder typischerweise freiliegen müssen. Wir setzen präzise automatisierte Beschichtungsanlagen und kundenspezifische Maskierungsvorrichtungen ein, um eine gleichmäßige Beschichtungsdicke, scharfe Kanten und eine perfekte Abdeckung der schutzbedürftigen Bereiche zu gewährleisten und gleichzeitig eine Kontamination funktionaler Schnittstellen zu vermeiden. Dies ist besonders kritisch für hochzuverlässige Starrflex-Leiterplatten, da verschiedene Bereiche unterschiedliche Schutzanforderungen haben.

Reinigung und Schutzlackierung: Wichtige Synergien

Ionenverunreinigung: Führen Sie nach der Reinigung eine ROSE-/Ionenverunreinigungsbewertung (Beispiel) durch, um Rückstandsrisiken zu reduzieren
Materialkompatibilität: Wählen Sie Beschichtungssysteme, die mit Flussmittel kompatibel sind, um Auswirkungen von Weichmachern/Lösungsmitteln zu vermeiden
Dickenempfehlungen (Beispiel): Acryl 25-75 μm, Silikon 50-150 μm, mit Kanten-Anti-Piling
Maskierung und Freilegung: Maskieren Sie Steckverbinder/steckbare/einstellbare Bereiche; beschichten Sie kritische HF-/Hochgeschwindigkeitszonen selektiv

UV und Inspektion: UV-Tracing und Dickenprobenahme, bei Bedarf mit Querschnittsanalyse zur Bestätigung der Grenzflächenqualität

Vorteile der HILPCB-Bestückung

Komplettservice: Bietet eine komplette schlüsselfertige Lösung von der Leiterplattenfertigung über die Komponentenbeschaffung, SMT-, THT-Löten, Prüfung und Beschichtung.
Prozesssynergie: Unsere Ingenieure behandeln Löten, Reinigen und Beschichten als einen integrierten Arbeitsablauf, um nahtlose Übergänge zu gewährleisten und potenzielle Qualitätsrisiken zu vermeiden.
Materialkompetenz: Empfiehlt die am besten geeigneten Löt-, Flussmittel- und Schutzlackmaterialien basierend auf der Anwendungsumgebung Ihres Produkts, um das optimale Gleichgewicht zwischen Kosten und Leistung zu erzielen.
Automatisierung & Präzision: Setzt fortschrittliche selektive Wellenlöt- und automatisierte Beschichtungsanlagen ein, um Konsistenz und hohe Qualität für jede Leiterplatte zu gewährleisten.

Konsistenz und Rückverfolgbarkeit: Der Wert von Rückverfolgbarkeit/MES in der Massenproduktion

Für hochwertige, hochzuverlässige Geräte wie Industrieroboter ist die Rückverfolgbarkeit im Produktionsprozess entscheidend. Wenn Probleme im Feld auftreten, muss es möglich sein, schnell auf bestimmte Produktionschargen, Geräte, Bediener oder sogar Prozessparameter zurückzugreifen. Hier beweist Traceability/MES (Manufacturing Execution System) seinen Wert.

Auf der Produktionslinie von HILPCB wird jeder Leiterplatte ein einzigartiger QR-Code zugewiesen. Über das Traceability/MES-System erfassen wir alle Schlüsselparameter an der Station für das Selektive Wellenlöten: die Chargennummer des verwendeten Lots, das Temperaturprofil während des Vorheizens und Lötens, die Bewegungsgeschwindigkeit und den Weg der Düse usw. Ebenso sind ICT/FCT-Testdaten, Berichte zur Erstmusterprüfung (FAI) und Chargeninformationen des Beschichtungsmaterials alle mit diesem QR-Code verknüpft.

Diese durchgängige Rückverfolgbarkeitsfunktion ist nicht nur eine Voraussetzung zur Erfüllung der Qualitätsanforderungen von High-End-Kunden, sondern dient auch als Datengrundlage für unsere kontinuierliche Prozessverbesserung und Qualitätsanalyse. Wenn Daten Schwankungen im Ertrag einer bestimmten Charge anzeigen, hilft uns das Traceability/MES-System, die Grundursache schnell zu identifizieren - sei es ein Materialproblem oder eine Abweichung der Geräteparameter - und ermöglicht so präzise Korrekturmaßnahmen.

Fehler- und Inspektionsmatrix (Gängige THT-Lötstellenpositionen)

Defekt	Mögliche Ursachen	Inspektion/Verifizierung
Unzureichende Lochfüllung/Kalte Lötstelle	Unzureichendes Vorheizen, niedrige Legierungstemperatur, Wärmeableitung von großen Kupferflächen	Sichtprüfung/Querschnitt, Röntgen, ICT/FPT-Konnektivität
Brückenbildung/Spitzen/Grat	Übermäßige Kontaktzeit, falscher Abzugswinkel, unzureichende Lötmittelabzugszone	Sichtprüfung, AOI (THT), Funktionstest
Lotkugeln/Spritzen	Unzureichende Flussmittel-/Lösungsmittelverflüchtigung, übermäßiges Sprühen	Sichtprüfung, Sauberkeit (ROSE)

Prüfung und Bewertung (THT-Lötstellen, Beispiel)

Artikel	Typisches Ziel/Kriterium (Beispiel)	Methode	Beschreibung
Lochfüllung	≥ 75% (Übliches Ziel der Klasse 3, Beispiel)	Querschnitt/Sichtprüfung/Röntgen	Einhaltung der geltenden Normen (IPC-A-610, etc.)
Benetzungserscheinung/Lötkehle	Kontinuierliche Benetzung, Lötkehle erreicht angemessene Höhe an Pins/Pads	Sichtprüfung/Mikroskopie	Kombiniert mit IMC-Dickenbewertung (Querschnitt)
Brückenbildung/Spitzen	Keine Brückenbildung, kontrollierte Spitzen/Eiszapfen	Sichtprüfung/AOI (THT)	Trennwinkel und Kontaktzeit bei Bedarf anpassen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es zur erfolgreichen Bewältigung der Fertigungsherausforderungen von Leiterplatten für die Steuerung von Industrierobotern unerlässlich ist, ein umfassendes Qualitätssicherungssystem zu etablieren, das sich auf das selektive Wellenlöten konzentriert und den gesamten Prozess von Design, Prüfung, Verifizierung bis zur Massenproduktion abdeckt. Dies erfordert fundiertes Prozesswissen, präzise Ausrüstung und robuste Datenmanagementfähigkeiten. Von der frühzeitigen DFM/DFT/DFA-Überprüfung über den Flying-Probe-Test und das Design von ICT/FCT-Adaptern bis hin zur Unterstützung durch das finale Rückverfolgbarkeits-/MES-System ist jeder Schritt miteinander verbunden und bildet gemeinsam das zuverlässige "Herz" der Steuerungssysteme von Industrierobotern.