Wie löte ich im Reflow Verfahren selber im Backofen?

Zum Bestücken sind folgende Materialien wichtig:

Lötpaste für SMD Lötverfahren, mit einer Löttemperatur von optimalerweise ca. 140°C
Spritzenkopf zum einfacheren Auftragen der Lötpaste auf die Pads.
Klebeband (geht auch mit Stencil)
Komponenten, die Verlötet werden müssen
Flussmittel
Lötkolben
Normaler Lötzinn
Ultraschall-Reiniger oder Isopropyl-Alkohol

Nicht jeder hat im Haushalt einen Infrarot-Backofen für die PCB Bestückung rumliegen, noch weniger ein Lötbad wo die Platine durchlaufen kann. Trotzdem ist es mit einfachen Mitteln möglich, SMD Platinen selber zu bestücken und sogar ohne Stencil mit der ausreichenden Menge an Lötpaste zu versehen.

Natürlich funktioniert diese Methode nur bei einfacheren PCBs, wo nicht allzuviel abgedeckt werden muss und auch nur für kleinere Serien oder Einzelstücke. In allen anderen Fällen ist ein Stencil durchaus Hilfreich. Doch wenn man eine Platine im Netz kauft, dann kriegt man oft keinen Stencil dazu, oder dieser ist bereits verschlissen. Deshalb greifen wir hier zum ganz normalen Klebeband, denn ja, das geht auch!

Schritt 1: Die unbestückte Platine

Lasst euch nicht verwirren, PCB steht für Printed Circuit Board und wenn wir von PCB, Platine oder Board reden, meinen wir immer dasselbe, die Platine wie unten abgebildet. Der Vorteil von diesen gedruckten Platinen ist, dass diese immer eine sogenannte Lötstoppmaske haben. Das heisst, dass das Lötzinn dort nicht haften kann, oder nur sehr schwach. Somit ist es relativ einfach, mit einem handelsüblichen Backofen dann in Heimarbeit eine solche Platine im Reflow Verfahren zu löten, da das Lot quasi sich nur dort verbinden kann, wo es auch soll. In diesem Beispiel werden wir ein Memory Board für den MiSTer löten. Die Stecker sind ganz einfach zu löten, die werden von Hand in herkömmlicher Manier gelötet. Den Speicherchip löten wir im Reflow Verfahren. Dazu muss das PCB erstmal komplett gereinigt werden. Staub und Fett verhindern ein sauberes löten. Also am besten mit Isopropyl-Alkohol nehmen und die ganze Oberfläche gründlich abrubbeln und trocknen lassen.

Die unbestückte Platine (PCB)

Schritt 2: Das Klebeband kommt auf das PCB

Der Speicherbaustein soll ja nur an den Beinchen des IC angelötet werden und deshalb müssen wir das Klebeband so anbringen, dass nur ein ganz schmaler Kanal von ca. 1mm bei den Pins offen bleibt. Besser wäre es hier gewesen, wenn links und rechts auch noch Klebeband den Rand abgedichtet hätten, aber ich war schlicht zu faul, was nicht gut ist! Also macht es nicht genau so wie auf dem Bild, sondern klebt alles ab, bis auf die Pins, die gelötet werden müssen. Dabei muss nicht jedes Pin separat ausgeschnitten sein (das wäre Wahnsinn) sondern einfach ein Streifen über alle Pins.

Das PCB mit Klebeband

Schritt 3: Das Klebeband im Detail

Hier seht ihr, dass das Klebeband weder gerade noch wirklich gleichmässig aufgeklebt ist. Das macht aber überhaupt nichts aus, denn schlussendlich kommt so wenig Lötpaste drauf, dass sich das alles wieder relativiert. Wichtig ist aber, dass ihr im gegensatz zu mir hier die Ränder links und rechts auch abdecken müsst. Schlussendlich soll einfach ein Streifen auf allen zu lötenden Pins sichtbar und offen bleiben.

Das PCB mit Klebeband für SMD Bestückung

Schritt 4: Die Lötpaste auftragen

Die Lötpaste ist in der Regel etwas schwierig aus dem Töpchen zu bringen. Ich nehme lieber die Lötpaste die in der Spritze kommt, wo meistens dann auch eine dicke Nadel beigefügt ist. Über diesen Spritzenkopf kann man dann einfach eine dicke Wurst von Lötpaste auf die Pins auftragen. Wenn ihr nur ein Töpfchen habt, dann hebt mit einem Schraubenzieher oder einem dünnen Plastikmesser etwas Paste raus und streicht es über die Pinne. Es braucht wirklich ganz wenig Lötpaste! Alles was ihr hier zuviel auftragt, kann danach wieder weggeworfen werden. Beachtet dabei, dass die Lötpaste ihr Haltbarkeitsdatum noch nicht überschritten habt und bewahrt die Paste am besten Luftdicht verschlossen im Kühlschrank auf, so bleibt sie länger haltbar. Ich hatte schon Lötpasten, die nach 2 Wochen ausgetrocknet waren, trotz dass sie verschlossen waren, es war einfach zu warm. Also ab in den Kühler und die Spritze nie mit der Nadel verräumen, sondern wieder den originalen Luftdicht verschliessenden Deckel drauf!

Das PCB mit Lötpaste grob aufgetragen

Schritt 5: Wir schmieren die Lötpaste flach

Ich verwende dazu häufig eine Kreditkarte, oder eine Bonuskarte oder was auch immer manchmal in der Werbung bei einem landet. Diese Karten sind aus Plastik, sauben nichts auf, haben eine gerade Kante und lassen sich sehr gut wieder abwaschen. Mit einer solchen Karte könnt Ihr nun die Lötpaste ganz einfach flach drücken. Dabei werdet ihr relativ viel Paste wieder vom PCB kratzen, aber das macht nichts. Wichtig ist einfach, dass schlussendlich noch etwas von dieser Lötpaste drauf ist. In diesem Beispiel war ich relativ grosszügig mit dem Belassen von Lötpaste. Viel weniger hätte auch gereicht. Aber es zeigt auf, dass auch eine etwas dickere Schicht auch noch klappt.

Das PCB mit Lötpaste flach geschmiert

Schritt 6: Das Klebeband wieder vorsichtich ablösen

Nachdem die Paste flachgedrückt wurde, können wir das Klebeband wieder entfernen. Achtet dabei darauf, dass ihr mit der Lötpaste auf dem Klebeband weder euch selber noch an andere Bereiche der Platine rankommt. Es soll nur dort Lötpaste drauf sein, wo auch gelötet wird. Wie bereits weiter oben beschrieben, hätte ich das Klebeband auch links und rechts anbringen sollen. Jetzt seht ihr, dass es ungeschickt war, dies nicht zu tun. Die Lötpaste wird sich nun auch noch mit den Vias verbinden, wenn wir das so in den Ofen tun. Also muss diese nun ganz vorsichtig von Hand links und rechts entfernt werden. Schlussendlich soll dann ein dünner Streifen Lötpaste auf den Pins übrig bleiben.

Das PCB mit Lötpaste ohne Klebeband

Schritt 7: Die SMD Bestückung

Es bringt warscheinlich viele Vorteile mit sich, wenn man neben der Lötpaste auch noch das Memory auf die Platine bringt, bevor alles gebacken wird. Hier ist nun ganz genau darauf zu achten, dass die SMD Teile korrekt auf die Platine gesetzt werden. Bei einigen Platinen, wie auch bei dieser hier, ist die Orientierung des Bauteils nur im unbestückten Zustand sichtbar. Ihr seht oben rechts den Punkt, da muss danach auch der Punkt auf dem Memory sein. Wenn das Memory jedoch platziert ist, kann man nicht mehr ersehen, ob es richtig platziert ist. Also achtet darauf, dass es die richtige Orientierung hat. Im weiteren müsst Ihr das Bauteil so platzieren, dass die Beinchen des Bauteils so gut wie möglich auf den Pins der Platine platziert sind. Wenn diese nicht sauber ausgerichtet sind, dann werden automatisch Lötbrücken und noch viel Schlimmer, Kurzschlüsse entstehen. Also lasst euch Zeit und platziert das Bauteil so präzise wie nur möglich auf der Platine.

Das PCB mit Lötpaste und Bestückt

Schritt 8: Das Backen im Nicht-Reflow-Ofen

Ich habe die Erfahrung gemacht, dass man in einem ganz gewöhnlichen Ofen ohne Probleme auch Reflow Löten kann. Ich würde dabei jedoch nicht den normalen Backofen nehmen, den ihr auch für Essen verwendet, da sich durch den Lötvorgang eventuell giftige Dämpfe und Rückstände bilden könnten. Kauft euch lieber wie ich einen ganz günstigen Ofen. Meiner hier hat nur eine Analoge Temperaturregelung, d.h. ich kann in etwa einstellen, wie heiss er werden soll. Das die Temperatur jedoch schon sehr wichtig ist, habe ich einen separaten Temperaturmesser für Fleisch gekauft, welchen ich ausserhalb des Ofens habe und die Sonde über die Türe in den Innenraum des Ofens geführt habe. Dieser Temperaturmesser zeigt mir auf den Zehntelgrad die Temperatur an, was absolut ausreichend ist. Jetzt ist es wichtig zu wissen, welche Lötpaste man verwendet hat. In meinem Fall ist es eine Lötpaste die bei 140 Grad Celsius aktiv wird, also schmilzt und sich verflüssigt. Deshalb stelle ich den Ofen nun auf 140 Grad ein und lege die Platine von Anfang an in den Ofen! Das ist sehr wichtig, denn wir wollen die Bauteile nicht stressen. Es ist wichtig, dass die Bauteile sich langsam erwärmen und der Backvorgang, ich meine der Reflow Vorgang, nur so lange dauert, wie absolut nötig. Also ab mit der Platine in den Ofen und die Temparatur auf 140 Grad eingestellt. Jetzt beobachtet die Temperaturanzeige und stellt sicher, dass der Ofen die 140 Grad erreicht, da sonst nichts schmilzt und stellt auch sicher, dass er nicht massiv darüber geht. Sobald mein Ofen die 145 Grad erreicht, schraube ich zurück, bis die Heizlampe am Ofen ausgeht. Gleichzeitig müsst ihr noch auf die Uhr schauen, denn sobald die Temperatur erreicht wurde, sollen nicht mehr als 30 Sekunden vergehen. Ist diese Zeit um, dann schaltet den Backofen sofort aus und öffnet die Backofentür, so dass die Temperatur schnell, aber nicht zu schnell absinken kann.

Backofen mit Thermometer für Reflow Löten

Schritt 9: Prüfen, ob der Backvorgang erfolgreich war

Wenn nun der Ofen sich ausgekühlt hat und das PCB wieder auf einer Temperatur ist bei der man es anfassen kann, wirds spannend. Jetzt muss die Platine im Detail angeschaut werden. Je präziser ihr vorher geschaut habt, ob das Memory mit seinen Beinchen auf den Pins war, desto schöner wird nun der Print ausschauen. In meinem Beispiel war ich nicht sehr genau, aber es ist für einen problemlosen Betrieb ausreichend. Die Beine sind nicht absolut auf den Pins, sie machen aber auch keinen Kurzschluss. Dieser Schritt ist wirklich sehr sehr wichtig! Wenn ihr nach dem Reflow Löten irgendwo einen Kurschluss habt, oder etwas nicht funktioniert hat, dann kann das alles komplett zerstören, wenn ihr das in Betrieb nimmt. Also immer genau prüfen. Ebenfalls ganz wichtig: Ihr könnt das ganze nicht nochmals in den Backofen schieben. Die Lötpaste wird sich kaum nochmals verflüssigen und die Bauteile würden den Stress auch nicht unbedingt aushalten. Wenn etwas nicht gut ist, dann muss der herkömmliche Lötkolben herhalten und von Hand korrigiert werden.

Das PCB mit Bestückt und Gebacken

Schritt 10: Reinigung von überschüssigem Lot

Ebenfalls ganz wichtig ist nebst dem Suchen nach eventuell vorhandenen Kurschlüssen, auch das entfernen von überschüssigem Lot. Wenn ihr beim Auftragen etwas zu dick aufgetragen habt, oder zu wenig weggenommen habt, dann kann sich Lot auch an Stellen befinden, wo es nicht sein sollte. Häufig bildet es kleine Kügelchen die dann irgendwo auf dem Board sind. Wenn ihr Pech habt, dann funktioniert das PCB am Anfang, aber Plötzlich lösen sich diese Lötkügelchen und machen später einen Kurzschluss im System, was dann noch mehr als nur eure Bastelei zerstören kann. Also Augen auf und genau nach solchen Überresten suchen, entfernen und reinigen.

Das PCB mit Bestückt und Gebacken im Detail

Schritt 11: Sonstige SMD Komponenten aufbringen

Ganz professionelle Bastler haben zwei verschiedene Lötpasten, die bei verschiednen Temperaturen flüssig werden. So können die die erste Seite mit der Lötpaste, die bei höherer Temperatur schmilzt backen, und danach die Rückseite mit der Lötpaste die bei tieferen Temperaturen schmilzt backen. Wie auch immer, es ist für die meisten SMD Komponenten ein zusätzlicher Stress, wenn diese zweimal in den Backofen müssen. Ich würde immer schauen, dass die komplizierten und heiklen Teile im Ofen reflowed werden und danach den Rest von Hand machen. Auch hier habe ich die Konsensatoren von Hand aufgelötet. Mit etwas übung ist dies ohne Probleme zu bewältigen und lässt den Memory den Stress weg.

Die PCB Rückseite mit Kondensatoren

Schritt 12: SMD von Hand auflöten

Wenn ihr SMD von Hand auflöten möchtet, dann ist es ratsam, das erste Pin mit etwas Lötzinn bereits zu versehen. So wird das PCB bereits etwas erwärmt und das weitere Löten fällt einfacher. Dann nehmt ihr mit einer Pinzette das SMD Teil und legt es so auf die Platine, dass ihr dann das bereits aufgebrachte Lötzinn nochmals erwämen könnt. Sobald sich dieses Lot mit dem SMD Bauteil verbunden hat, braucht ihr die Pinzette eigentlich nicht mehr. Ihr könnt dann einfach die andere Seite des Bauteils auch noch anlöten und gut ist. Verwendet einfach immer gutes Lötzinn, dass bereits Flussmittel drin hat, oder verwendet sonst ausreichend Flussmittel. Eine kalte Lötstelle (also eine die nicht Glänzt) ist ein potentielles Problem. Entweder von Anfang an oder später ganz sicher dann. Schaut dass die Lötstellen wie unten abgebildet aussehen, dann klappt das auch mit dem Kontakt.

Die PCB Rückseite mit Kondensatoren im Detail

Schritt 13: Restliche Bauteile auflöten

In der Regel werden die Bauteile der Höhe nach eingelötet. So kommen diese nicht den anderen Lötvorgängen in die Quere. Im weiteren sollten Teile die Plastik beinhalten, wie zum Beispiel dieser Stecker hier, erst am Schluss eingelötet werden. Wenn diese zu Beginn schon drauf sind, können diese eventuell im Ofen schmelzen und dann kann man den Stecker nicht mehr brauchen. Wenn ihr THT Komponenten habt (Through Hole Technology) wie dieser Stecker hier, der auch noch mechanischem Stress ausgeliefert ist, dann schaut genau, dass euer Lötzinn nicht nur auf der unterseite drauf ist, sondern dass das Lötzinn sauber durch das Loch auch auf die andere Seite fliesst. Im Bild seht ihr, das das Lötzinn von unten gut nach oben geflossen ist und somit dem Stecker eine ausreichende Stabilität gibt. Dies zahlt sich aus, wenn ihr das Modul ab und an auf oder abstecken möchtet.

Das PCB mit Sockel oben

Schritt 14: Schlussprüfung

Prüft nochmals nach, ob wirklich alle Pinne von Steckern und Komponenten angelötet sind. Prüft ob keine Kurzschlüsse vorhanden sind. Prüft, dass alle Lötkügelchen oder irgendwelche abgeschnittenen Drahtreste von der Platine entfernt wurden. Prüft, ob ihr die Bauteile in der richtigen Orientierung aufgebracht habt. Prüft, ob es keine kalten Lötstellen gibt. Prüft, dass die THT Komponenten gut angelötet sind.

Das PCB mit Sockel unten gelötet

Schritt 15: Jetzt wird es spannend!

In unserem Falle haben wir ja ein Memory Board für den de10 nano gebaut, auf welchem wir den MiSTer betreiben möchten. Also, wenn alles gereinigt ist und die Platine so gut wie möglich geprüft wurde, dann können wir diese auf den de10 stecken. Hier nochmals sicherstellen, dass das Board auch richtig aufgesteckt wurde, also nicht eine Reihe oder ein Pin versetzt! Das wäre auch wieder ein absoluter Todesstoss für das Board oder den de10.

Das PCB auf de10 nano Cyclone V Board

Schritt 16: Ein letzter Check auf der anderen Seite

Schaut euch das Board von allen Seiten gut an. Manchmal sieht es auf der einen Seite absolut perfekt aus und man hat das Gefühl, dass alles stimmt. Aber wenn man es aus einem anderen Betrachtungswinkel nochmals anschaut, ist plötzlich ein Pin in der Luft oder eine Reihe verrutscht. Also, nehmt euch die Zeit und guckt es von allen Seiten nochmals genau an. Erst wenn ihr absolut sicher seid könnt ihr den Strom einschalten.

Das PCB auf de10 nano MiSTer Board

Schritt 17: Haben wir es gut gemacht?

Nun gut, dieser Schritt gehört nicht wirklich zum Reflow Löten, aber egal. Wir haben also alles angeschlossen und das Gerät eingeschaltet. Kein Magic Smoke, keine Blue Flame, kein Flashbang, Erfolg! Gut, aber wie gut? Nun heisst es testen. In unserem Falle gibt es einen Memory Test, der bei einer definierten Geschwindigkeit das Memory prüft. Er schreibt und liest danach die geschriebenen Werte aus. Wenn dies ohne Probleme funktioniert hat, dann zählt er die grüne Zahl hoch. Hat er eine Differenz festgestellt, dann wird die rote Zahl hochgezählt. Klar also, dass die Rote Zahle eigentlich immer 0 anzeigen soll, denn nur eine einzige 1 ist ein Problem und lässt das Modul unzuverlässig werden. Zudem sollen solche Tests nicht nur 5 MInuten lang gemacht werden, sondern viel länger. Das ist wie ein Burn-In Test. Das heisst, die Komponenten werden warm und das darf nicht zu einem Ausfall oder einer Störung führen.

Das PCB auf den Highspeed Prüfstand

Schritt 18: Habt Spass!

Ja, jetzt habt ihr euer erstes PCB selber im Reflow Verfahren gelötet und werdet freude und Spass daran haben. Denn was selber gemacht ist, ist immer besser als das gekaufte! Nun habt Spass und geniesst euren Erfolg!