Löten der Tic-Tic-Toe-Platinen

Die Herausforderung der Tic-Tac-Toe-Platinen war das Auflöten des QFN-64-Gehäuses der ATmega128RFA1-ICs. Diese Gehäuse haben ihre lötbaren Flächen auf der Unterseite des Gehäuses. Seitlich findet man zwar auch noch leitfähige Flächen, aber für diese wird keine Lötbarkeit garantiert. Normalerweise sollte die große Metallfläche unter dem IC (das sogenannte Paddle) dabei ebenfalls großflächig verlötet werden. Da dies aber vorwiegend mechanische Aspekte hat und wenig elektrische Bedeutung, und da die dafür notwendige große Metallfläche auf der Platine schwer zu erwärmen ist, wurde angesichts des angestrebten Hobby-Lötprozesses auf dieses großflächige Verlöten verzichtet.

Das nachfolgende Foto zeigt die unbestückte Platine unter dem Mikroskop.

Ein Verlöten eines derartigen Gehäuses mit einem herkömmlichen Lötkolben ist dennoch schwierig bis nahehzu unmöglich. In der Vergangenheit wurde bereits erfolgreich mit Lötpaste und einer kleinen Heißluftlötpistole gearbeitet. Die Lötpaste enthält dabei eine Mischung aus fein verteilten kleinen Metallkugeln mit dem Lotmetall sowie Flussmittel und Lösungsmitteln, um sie in einer streichfähigen Konsistenz zu halten. Die Heißluftstation besitzt eine dünne Düse für den Austritt der heißen Luft, sodass man mit dem Luftstrom gleichmäßig die Bauteile erwärmen kann.

Angesichts der Menge der für den Workshop zu bestückenden Platinen erschien das Heißluftverfahren dennoch recht aufwändig, sodass nach einer anderen Methode gesucht worden ist. Es kam ein alter Küchengrill ("Lava Univerto") zum Einsatz, der leicht modifiziert als Infrarot-Lötofen dienen sollte. Beim Infrarotlöten werden die Platinen zuerst vorgeheizt (Temperatur um 100 °C, einige Minuten). Dabei verdunsten die Lösungsmittelbestandteile der Paste, und die Bauteile sind danach gut fixiert. Anschließend erfolgt ein möglichst schnelles Aufheizen auf Löttemperatur, gefolgt von einer Abkühlphase.

Derartige Lötverfahren sind in der Industrie derzeit Stand der Technik. Der Lötpastenauftrag erfolgt dabei durch Rakeln mit einer Metallschablone, das Löten in einem Durchlaufofen, sodass die einzelnen Phasen räumlich hintereinander angeordnet sind.

Die Kosten für eine entsprechende Pastenschablone sind nicht unerheblich, sodass hier ein anderer Weg gewählt wurde: die Paste wird mit einer Kanüle dünn und gleichmäßig auf den Pads verteilt. Für die Pads des QFN-Gehäuses mit ihrem 0,5-mm-Raster lässt sich das nicht mehr einzeln vornehmen. Stattdessen wird ein dünner Strich quer zur Richtung der Pads gezogen:

Die leichte Verdickung in der Mitte ist einer Unkonzentriertheit beim Auslösen des Fotos geschuldet. ;-) Je dünner und gleichmäßiger der Strich wird, um so besser das Ergebnis.

Danach wird der IC auf die Paste aufgesetzt:

...und ein wenig hin und her geschoben, bis alle vier Kanten Kontakt mit der Paste bekommen haben:

Für die übrigen Bauteile kann man die Pastenmenge für jedes Pad einzeln problemlos dosieren; hier für den Quarz und das "Hühnerfutter" (Widerstände und Kondensatoren der Baugröße 0603):

Danach werden die übrigen Bauteile noch bestückt, zuerst der Quarz:

...danach noch die Kondensatoren:

Zu guter Letzt werden noch die Leuchtdioden bestückt. Verglichen mit dem Rest sind diese ja schon fast "Grobmotorik". :)

Die fertig bestückte Platine unter dem Mikroskop:

...jetzt kann sie in den vorgeheizten Ofen gelegt werden:

Nach 5 Minuten Vorheizen (Heizen von der Unterseite her) schließt sich dann die eigentliche Lötphase an. Nach weiteren etwa 2 ... 2,5 Minuten beginnt die Paste aufzuschmelzen:

Der Lötvorgang wird noch weitere 30 Sekunden fortgesetzt, bis alles gleichmäßig verlötet ist, danach kann die obere Heizung wieder ausgeschaltet und die Platine vorsichtig entnommen werden:

Abschließend wird die Lötqualität unter dem Mikroskop begutachtet. Zuweilen haben sich (wenn zu viel Paste aufgetragen worden war) zwischen den Pins noch kleine Lotbrücken gebildet, wie hier zwischen Pad 45 und 46 rechts unten:

Diese Lötbrücken werden vorsichtig mit etwas Entlötlitze und einem normalen Lötkolben entfernt:

Abschließend kann dann die Testfirmware auf die Controller geflasht werden und ein elektrischer Test gestartet (alle LEDs einzeln leuchten lassen, der Transceiver sendet eine Trägerfrequenz, die mit einem Messempfänger kontrolliert wird, die freien Port-Anschlüsse bekommen ein Signalmuster aufgeprägt, bei dem mit einem Oszilloskop auf fehlende Lötungen oder Kurzschlüsse getestet werden kann. Im Vergleich zu den Lotbrücken traten derartige Fehler jedoch insgesamt eher selten auf.

Es hat sich gezeigt, dass auch mit rein hobbymäßigen Methoden eine größere Menge Platinen mit eher "bastlerunfreundlichen" Gehäusen durchaus verarbeitbar ist. Die erreichte Prozessqualität hat sich als ausreichend bis gut erwiesen. Da das Löten durch den Infrarotofen keine weitere Bedienhandlungen benötigt, kann in der Zeit, in der eine Platine gerade gelötet wird, jeweils die nächste Platine bestückt werden. Die mit diesem Prozess erreichte Effektivität hat es getstattet, die für den Workshop notwendigen etwa 30 Platinen in erträglicher Zeit fertigzustellen.