Hans Erik West har 15 års erfarenhet av omsmältningslödning med kvävgasatmosfär och han företräder det tyska företaget Rehm Anlagenbau GmbH som tillverkar lödugnar och kondensationslödare. Den här e-postadressen skyddas mot spambots. Du måste tillåta JavaScript för att se den.

Rehm har sedan starten 1990 tillverkat över 1800 lödugnar varav mer än 1200 är i kvävgasutförande. Siffrorna gäller även för Sverige där 70 procent av ugnarna är kvävgasklara.

Kvävgas (N2) levereras i Sverige huvudsakligen av två leverantörer, AGA (Linde) samt Airliquid. För lödugnar har flytande kväve i tank varit allenarådande. Egna gasgeneratorer har inte varit ekonomiskt försvarbara för dessa förbrukningar och renhetskrav.

Dessutom åtgår troligtvis en gasgenerator per ugn och att gasgeneratorn kostar ungefär som en lödugn ger fördelar med en tank. Tankalternativet ger även flexibilitet för framtida utökade kvävgasanslutningar till flera ugnar, våglödare, selektivlödare eller förvaringsenheter.

Olika experter har sin syn på vilken restsyrgasnivå som är lämpligast för processen. Vi har historiskt arbetat inom spannet 50–100 ppm restsyrgas och då förbrukar dagens ugnar under 20 m3 N2/h.
Men genom att släppa upp syrgasnivån till 500–1000 ppm har argument förekommit som lägre kvävgasförbrukning, minskad gravstenseffekt med mera.

Vår erfarenhet är att restsyrgasnivåer uppåt 1000 ppm ger minskade fördelar, det blir nästan som att löda i luft.
Även stabiliteten av syrgasnivån är viktig. Om den varierar från tomgång till fullt belastad ugn kan det äventyra resultatet.

Det vanligaste argumentet mot kvävgas är kostnaden men utslaget per producerat kretskort ligger den oftast i storleksordningen två kronor per kort.

Lödprocessen och processfönstret är en mycket aktualiserad fråga nu när allt fler produkter konverteras till blyfritt.

Fönstret är det utrymme som begränsar tillåtna processvariationerna.
Gränserna styrs av många parametrar där de viktigaste är lodpastans smältpunkt och komponenternas värmetålighet.

Tidigare var fokus mera på bara temperaturer men idag beaktas även tiden som materialet utsätts för dessa höga temperaturer samt även temperaturgradienter både för uppvärmning och även för avkylning.
Många passiva komponenter klarar kortsiktigt topptemperaturer på 260 grader medan aktiva kretsar brukar specificeras till 245 grader.

Med de vanligt förekommande blyfria lodpastorna nämns smälttemperaturer i området 217–225 grader.
Många har 235 grader som kallaste temperaturen i någon av lödfogarna som målsättning för att garantera en genomsmältning och för att säkra lodets utflytningar.

Detta ger ett fönster på enbart 10 graders bredd (235 till 245 grader) på spridningen av temperaturen i lödfogarna vilket kan vara mycket svårt att klara med äldre ugnar, i synnerhet om produkterna är lite besvärligare konstruerade.

Inkluderar vi sedan effekterna av dålig lödbarhet på någon av de ingående komponenterna så blir det tufft.
Om man använder en luftatmosfär har man vid lödbarhetsproblem historiskt valt att öka temperaturen cirka 10 grader i ugnen för att därigenom förbättra lodets vätningsegenskaper.

Men dessa 10 grader ryms kanske inte i det lilla processfönstret för blyfritt så där kan kvävgaslödning vara räddningen vid vätbarhetsproblem.

Hade vi mera tid till förfogande under lödförloppet så skulle temperaturskillnaderna på produkterna minimeras men begränsningar som till exempel max
40 sekunder över lodets smältpunkt begränsar tidsfönstret och ställer stora krav på ugnarnas värmeöverföringsförmåga.

Tar vi även hänsyn till trenden med kretsar som får mindre ben och benavstånd samt mindre bumpar och bumpavstånd där man måste använda finkornig lodpasta (Klass 4–5) så tillför kvävgaslödning en viktig förbättring i lödbarheten.

Finkornig lodpasta har redan från början en större andel oxider, då mindre metallkulor har totalt sett en större yta som oxideras och detta ger sämre vätbarhet.

Angående gravstenseffekter är vår uppfattning att de ökar vid ojämn temperaturöverföring och för kraftiga temperaturförändringar (gradienter). Förekomsten av gravstenseffekter är även beroende av konstruktionen på kretskorten, den termiska balansen.

Problemet kan framträda tydligare vid kvävgaslödning.
Att argumentera mot kvävgaslödning genom att använda gravstenseffekter är som att övertala avsynaren att inte rengöra linsen på mikroskopet.

Kvalitén på tillverkade kretskort är ännu ett argument för kvävgas. Genom att minska oxideringen på de smälta metallerna flyter lodet bättre på paddar och komponentanslutningar. Lödningarna blir likformigare med mindre påverkan av försämrad lödbarhet.

Sämre lödbarhet kan bero på oxiderade komponenter, dåliga mönsterkort eller att lodpastan har fått försämrade egenskaper genom felaktig hantering.

Vid dubbelsidigt monterade kort är det mindre skillnad på lödresultatet mellan primär- och sekundärsida vid kvävgaslödning.

Vid luftlödning kan sekundärsidan få ett ökat oxidskikt vid omsmältning av primärsidan vilket även kan negativt påverka efterföljande processer som selektivlödning, bondning med mera.
Med andra typer av ytskydd på mönsterkorten, så kallade passiveringar kan lödbarheten i luftprocess drastiskt försämras när ytskyddet under värmepåverkan släpper igenom syre som oxiderar underliggande kopparytor.
Vissa lodpastor med unika egenskaper kräver en inert (syrefri) process.

Avsyning är ett annat ämne som påverkas av kvävgaslödning. Den minskade oxideringen ger blankare lödningar och de förbättrade utflytningarna av det smälta lodet ger likformighet.

Dessa två egenskaper förenklar inspektionen, både manuell och automatisk.
Vi har många användare som påtalar stora fördelar vid avsyning av kvävgaslödda kort med AOI-utrustning (Automatisk Optisk Inspektion). Toleranserna kan minskas och andelen falska fel reduceras.
Övergången till blyfria pastor har initialt inneburit lödfogar med mattare utseende så förbättrad ljusreflektion är oftast välkommen.

Renhet används också som argument. Genom bättre lödbarhet kan utbudet av lämpliga lodpastor ökas. Möjlighet att välja den pasta som passar bäst för applikationen, troligtvis med något mindre andel restprodukter på de lödda korten.

Alternativet för att nå samma lödresultat i luft är att använda en aggressivare lodpasta som kan ge rester som i sämsta fall kräver tvättning av korten.

Kvävgaslödning ger stora fördelar vid till exempel automatisk eltest med renare prober och bättre kontaktytor som resultat.

För tillverkning av kort som skall bondas, lackas eller ingjutas kan kvävgaslödning under vissa förutsättningar vara lösningen på renhetskraven.
Ibland hör vi även argument som att kvävgaslödda kort ser fräschare ut med mindre ”bränt utseende” men detta är svårt att sätta ekonomiskt värde på.

En ugn för luftlödning saknar oftast effektiva reningsverk medan flertalet moderna lödugnar för kvävgaslödning har integrerade reningsverk som samlar upp restprodukter från processen som enkelt kan skickas på destruktion.

Det har även förekommit varianter på underhållsfria reningsverk där man med jämna mellanrum bränner bort föroreningarna men miljömässigt är det att likna vid en orenad luftugn för utsläppen blir miljöbelastande.

Olika ugnstillverkare har utvecklat olika principer för reningsverken. Viktigt är att systemet har hög verkningsgrad så att största möjliga mängd föroreningar hamnar där man tänkt sig och så lite som möjligt i processkammaren och i ventilationssystemet. Utmaningen är att utveckla ett system som ger långsiktig processtabilitet i ugnen. Underhållsbehov, ergonomi och kostnader bör även beaktas för reningsverken.

Med ett väl fungerande reningsverk blir underhållet mycket enklare. Det är avsevärt lättare att avlägsna föroreningar från ett vattenkylt reningsverk än att försöka att få bort inbrända rester i processkammaren.
Idag finns inga direkta lagkrav på utsläppen från lödmaskiner. Troligtvis kommer skärpta lagkrav inom en snar framtid där restriktioner införs på utsläppen.

Dessutom är det inte förenligt att släppa ut orenade lödgaser med en miljöcertifiering.

Beredskap där elektroniktillverkare investerar i kvävgasugnar för att vara redo när behovet uppstår förekommer som argument. Många väljer då att göra tester i egna utrustningen till exempel med en enkel palltank som har tillräckligt med kvävgas för ett skifts produktion. Därmed kan man enkelt konstatera vad kvävgasprocessen ger för fördelar i respektive enskilt fall.

Historiskt har vi säljare marknadsfört ”ugnar som kan uppdateras till kvävgasatmosfär”. Vår erfarenhet är att det blir aldrig gjort ute på fältet utan man byter in dessa ugnar till en kvävgasklar ugn.

Vi anser att det är bättre att välja en kvävgasklar ugn från början om man känner att behovet kan komma inom närmaste åren.

Det är relativt enkelt att bilda sig en uppfattning om en ugn kan vara en bra kvävgaslödare.
Titta på uppbyggnaden av de tidigaste kvävgasugnarna från första halvan av 90-talet med stora öppningar vid in- och utloppen som skapar stora kvävgasförbrukningar med höga och ostabila restsyrgasnivåer.
På grund av det förekommer fortfarande uppfattningen att en lödugn förbrukar väldigt mycket kvävgas och att det är för dyrt.

Men dagens ugnar har öppningar som endast är lika stora som tvärsnittet på produkterna som skall lödas. Välbyggda och effektivt tätade processkammare som klarar kontinuerlig produktion i många år där reningsverkets effektivitet är ett absolut krav.

Oftast vattenkylda reningsverk och kylzoner för att skapa långsiktig processtabilitet även vid kontinuerlig produktion och för att reducera uppvärmningen av produktionslokalen med minsta möjliga utsugsbehov.

Äldre kvävgasugnar hade processbegränsningar som till exempel reducerad funktion av kylzon för att inte dra in för mycket luft i processkammaren. Dagens ugnar kan användas med full effekt i kylzonerna utan påverkan av kvävgasförbrukning och restsyrgasnivåer.

Kostnader är en fråga som man ständigt återkommer till när det diskuteras kvävgaslödning.
Här anser vi att utvecklingen med sjunkande kvävgaspriser är positiv. Tillsammans med utvecklingen av bättre kvävgasugnar ger det minskade driftskostnader. Men installationskostnaderna för gassystemen är fortfarande för höga. Vi ser exempel på installationer som har gjorts där rördragningen utförs med överdrivna krav på utförandet, mer lämpade för sjukhus eller Wafer-fabs. Summor på uppåt fyrsiffriga belopp per meter rördragning har nämnts. Enligt vår uppfattning duger ett välbyggt rörsystem av god tryckluftskvalité och kostnaden kan reduceras med en tiopotens.

Som ugnstillverkare är det viktigt att riktiga uppgifter lämnas för att den totala kostnaden skall kunna budgeteras av användarna.

Att till exempel uppge kvävgasförbrukningen vid 1000 ppm restsyrgasnivå kan jämföras med att biltillverkarna skulle uppge bränsleförbrukningen vid 40 km/h.

Uppgifter som total kvävgasförbrukning vid 100 ppm restsyrgasnivå i lödområdet med processinställningar för att löda avancerade blyfria produkter där värme- och kylzoner används för en verklig process, det vill säga ej med reducerade fläkthastigheter är mera relevanta.

Givetvis skall förbrukningen mätas med inmatning av produkter i ugnen för att erhålla realistiska förhållanden där till exempel. kort med 200 5 250 mm inmatas varje minut.

Vidare skall mätningarna utföras i utrustning som är produktionsduglig med nödvändig frigång för komponenter både på ovan- och undersidan av kretskorten samt med installerat mittstöd.
Det är även intressant att se vilken påverkan kvävgasförbrukningen får genom att ställa om konveyern till maxbredd, oftast minst 400 mm.

Man skall inte överoptimera förbrukningen så att man i stället äventyrar processtabiliteten.
Att analysera atmosfärens renhet kräver tid för hysteresen (fördröjningen) från minskad eller ökad inblåsning av kvävgas till jämn fördelning i processkammaren tills analysen är genomförd tar många minuter.
Att reglera insprutningsmängden av kvävgas anser vi inte är praktiskt användbart.
Vi rekommenderar en konstant inblåsningsmängd av kvävgasen.

Automatiska system som stänger av kvävgasen vid längre produktionsstopp är ofta källa till förtret eftersom detta ger väntetider när produktionen skall återupptas.

Ingen vill ju stänga av ugnarnas värmesystem automatiskt när det har uppstått väntetid.
Vi menar att operatörerna som kan överblicka orsakerna till produktionsstörningen skall avgöra när det är dags att stänga av utrustningen.

Med låga kvävgasförbrukningar och bra inköpspriser på gasen blir denna fråga mindre intressant.
Många väljer ett analysförfarande som är integrerat i ugnens styrsystem med styrning, övervakning och loggning.

Givetvis skall ugnen vara utrustad med flödesmätare som visar kvävgasförbrukning.

Frågan om det ger en bättre processmöjlighet med en ny kvävgasugn än en gammal luftugn är odiskutabelt ja.

Medan frågan om det är bättre med en ny luftugn än en gammal kvävgasugn blir svårare, rent av hypotetisk, eftersom de flesta tillverkare som börjat löda i kvävgas inte vill gå miste om fördelarna, trotts att det innebär en högre investeringskostnad.

Priset på produktionsutrustning är viktig men frågan underordnas kravet på en stabil och kraftfull process som reducerar de manuella arbetsinsatserna till ett minimum.

Denna filosofi stämmer väl överens med målsättningen som många framhäver här i våra trakter. För att klara den globala konkurrensen så skall vi göra rätt från början, allt efterarbete skall undvikas.
Ett par kronor i merkostnad per producerat kretskort för kvävgas är väl investerade pengar som ger god avkastning i de allra flesta fall.