Löten

Den meisten Menschen ist nicht bewusst, dass das Löten elektronischer Bauteile eine sehr komplexe Tätigkeit ist, bei der komplizierte thermische und chemische Prozesse auf engstem Raum ablaufen. Wenn Sie jedoch einige Grundregeln beachten, wird es nicht zu Problemen kommen. Lötverbindungen sollten nicht nur einen guten Kontakt herstellen, sondern auch mechanisch stabil sein und dürfen nicht oxidieren. Darüber hinaus sollten sie frei von chemischen Rückständen wie Flussmitteln sein, da Flussmittel nahegelegene metallische Oberflächen sowie Kunststoffe angreifen können. Lote werden im Allgemeinen in drei Kategorien eingeteilt: Verbraucher-, Industrie- und High-End-Lote. Letzteres wird in Bereichen wie der Automobilindustrie oder in Umgebungen eingesetzt, in denen Leben oder Gesundheit auf dem Spiel stehen. Als Hersteller interessieren wir uns hauptsächlich für manuelles Löten für die DIY-Konstruktion und -Entwicklung.

Bleilot war viele Jahre lang Standard. Es verfügt über gute Benetzungs- und Fließeigenschaften und einen relativ niedrigen Schmelzpunkt von etwa 183 °C. Nach der Faustregel, dass die Arbeitstemperatur an der Lötspitze dem Schmelzpunkt der Legierung plus 120 °C entspricht, entspricht dies einer Löttemperatur von etwa 300 °C. Das Flussmittel im Lötdraht soll Oxide lösen an der Lötstelle. Das Zinn im Lot verschmilzt mit dem Kupfer (oder einer anderen metallischen Schicht) und erzeugt eine intermetallische Diffusionszone, die aus einer Legierung der beiden Metalle besteht. Dies führt normalerweise zu einer gut geformten Lötverbindung, die langlebig ist und eine gute mechanische Festigkeit aufweist.

Leider ist dies nicht immer der Fall – manchmal entsteht eine kalte Lötstelle (Abbildung 1 ). Kalte Lötstellen entstehen durch stark oxidierte Metallschichten, Schmutz, falsche Temperatur oder vorzeitiges Erstarren beim Schmelzvorgang. Kalte Lötstellen weisen einen zu hohen Verbindungswiderstand auf und können sogar zum Ablösen von Bauteilen führen. Die Elektronenmikroskopbilder inFigur 2zeigen die Mängel einer kalten Lötstelle im Vergleich zu einer guten Lötstelle auf.

Zu Zeiten des Bleilots waren kalte Lötstellen deutlich an ihrer mattmatten Oberfläche zu erkennen, statt an der glänzenden Oberfläche einer guten Lötstelle. Leider ist dies bei bleifreien Loten nicht mehr der Fall. Bei den neuen Legierungen haben Lötstellen je nach Zusammensetzung, ob kalt oder gut, meist eine matte Oberfläche (vglFigur 3).

Die Einführung von bleifreiem Lot im Jahr 2006 hat das manuelle Löten etwas schwieriger gemacht. Die neuen Lote sind als RoHS-konform gekennzeichnet, was bedeutet, dass sie der EU-Richtlinie zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe entsprechen. Bleifreie Lote dürfen einen Bleigehalt von nicht mehr als 0,1 % haben. Damit soll vor allem das Einatmen giftiger Dämpfe verhindert werden, allerdings war das Risiko hierfür eher gering, da geeignete Absauganlagen vorhanden waren (sofern diese genutzt wurden). Lange Zeit war man sich der Gefahren im Umgang mit Blei nicht bewusst. Früher verlor beispielsweise ein professioneller Schriftsetzer aufgrund der Bleitype innerhalb weniger Jahre alle Zähne.

Wer zum ersten Mal mit bleifreiem Lot arbeitet, merkt sofort, dass das neue Lot eine deutlich höhere Temperatur benötigt und ein anderes Fließverhalten aufweist. Da viele Bauteile solche hohen Temperaturen nicht vertragen, versucht man ihnen mit innovativen Flussmitteln und kürzeren Lötzeiten entgegenzuwirken. All dies verteuert bleifreien Lötdraht (siehe unten). Das bedeutet auch, dass Sie sich vor besonders billigen bleifreien Lötdrähten hüten sollten, die oft nicht das sind, was sie vorgeben. Wer mit zu hoher Temperatur arbeitet, kann leicht ein empfindliches Bauteil beschädigen oder, was noch schlimmer ist, sich schnell ein Lötpad von der Platine lösen. Hobby-Entwickler und -Bastler dürfen weiterhin Bleilot verwenden, solange sie es nicht vertreiben Produkte auf kommerzieller Basis. Das bedeutet, dass der Verkauf relativ großer Mengen von Dingen, die Sie in Ihrem Heimlabor herstellen, nicht gestattet ist.Figur 4zeigt, dass „Hersteller“ neben RoHS-konformem Lot immer noch Bleilot verwenden.

Die meisten der heute üblicherweise verwendeten bleifreien Legierungen haben einen deutlich höheren Zinngehalt. Früher waren es ca. 63 %, mittlerweile sind es je nach Hersteller ca. 95 %. Dadurch erhöht sich der Schmelzpunkt der Legierung auf den Bereich von 217 °C bis 227 °C. Bisher war das Zinn im Lot die Komponente, die die intermetallische Zone bildete und sich mit den lötbaren Metalloberflächen vermischen konnte. Blei war immer die inaktive Komponente der Legierung, mit dem Vorteil, dass es den Lotdraht billiger machte und das Abschmelzen reduzierte Temperatur der Dose von 232°C auf 183°C. Da jetzt mehr Zinn im Lot enthalten ist und die Löttemperatur höher ist, müssen Sie Ihren Werkzeugen und der Metallisierung der Komponenten etwas mehr Aufmerksamkeit schenken. Das Lot verbindet sich nicht nur schneller mit Kupferoberflächen, sondern entfernt auch schneller Kupfer von der Oberfläche.

Mit standardmäßigen bleifreien Legierungen kann die zuvor erwähnte Schmelztemperatur von 217 °C, eine der niedrigsten möglichen Schmelztemperaturen, in der üblichen Zusammensetzung nur mit einer Legierung bestehend aus 95,5 % Zinn, 0,7 % Kupfer und etwa 3,8 % erreicht werden. Silber. Diese Legierung hat den Vorteil eines relativ niedrigen Schmelzpunkts, der Nachteil ist jedoch, dass der Silbergehalt von etwas weniger als 4 % den Lötdraht leicht doppelt so teuer machen kann. Diese silberhaltige Legierung kann grundsätzlich durch die Reduzierung wirtschaftlicher gemacht werden Silbergehalt auf 3 %. Dann hat die Legierung einen Schmelztemperaturbereich von 217–223 °C, was sich weder beim Löten noch bei der Lebensdauer der Lötstelle besonders bemerkbar macht. Günstigere Legierungen bestehen beispielsweise aus 99,3 % Zinn und 0,7 % Kupfer , was zu einem definierten Schmelzpunkt von 227°C führt. Hierzu ist es nicht zwingend erforderlich, die Temperatur der Lötspitze im Vergleich zu einer silberhaltigen Legierung um 10°C zu erhöhen (Abbildung 5).

Theoretisch müsste für das letztgenannte bleifreie Lot die Lötkolbentemperatur auf 350°C eingestellt werden. Wenn man 10 bis 20°C mehr braucht, um in kurzer Zeit eine gewisse Wärmemenge einzubringen, ist das durchaus möglich, aber Temperaturen über 380°C schaden der Platine und den Bauteilen meist mehr, als dass sie beim Löten helfen. Auch das Flussmittel in der Lötdrahtseele verbrennt deutlich schneller und kann seine Aufgabe nur für eine bestimmte Zeit bei einer bestimmten Temperatur erfüllen. Jeder Temperaturanstieg um 10 °C halbiert die aktive Lebensdauer des Flussmittels; Die zur Entfernung der Oxide zur Verfügung stehende Zeit wird immer kürzer und reicht irgendwann nicht mehr aus. Die oben genannten Legierungen unterscheiden sich naturgemäß von Hersteller zu Hersteller und können durchaus weitere Bestandteile enthalten. Aus patentrechtlichen Gründen geben die Hersteller diese Informationen in der Regel nicht preis. Beim Weichlöten ist immer die erforderliche Energiezufuhr und das Erreichen einer bestimmten Mindesttemperatur erforderlich. Das Lot muss flüssig sein und eine bestimmte Temperatur über dem Schmelzpunkt haben. Dies ermöglicht die Verschmelzung der metallischen Schichten zu einer stabilen Lötverbindung. Alle zuvor genannten bleifreien Legierungen sind ausreichend haltbar. Ganz grob gesagt eignen sich die silberhaltigen Lote besser für Anwendungen mit stärkeren Temperaturwechseln, die oft mit anhaltender mechanischer Belastung oder Vibration einhergehen. Dies gilt insbesondere für den bereits erwähnten Hightech-Einsatz in der Automobilelektronik oder medizinischen Geräten.

Lötdraht besteht nicht nur aus einer Legierung, sondern auch aus dem bereits erwähnten Flussmittel. Da es in der Anfangszeit noch keinen Lötdraht mit Flussmittelkern gab, begnügte man sich mit Lotpasten oder sogar selbstgemachtem Flussmittel. Eine gängige Rezeptur bestand aus mit Kolophonium vermischtem Trichlorethylen und wurde als „Löthonig“ bezeichnet. Die Aufgabe eines Flussmittels besteht darin, die Oxide von den betroffenen Teilen zu entfernen: dem Bauteil, der Leiterplatte und natürlich dem flüssigen Lot . Dies sollte möglichst lange geschehen, um ein möglichst langes Zeitfenster für das Löten zu haben. Man unterscheidet zwischen halogenierten und nicht-halogenierten Flussmitteln. Beide Typen entfernen Oxide durch eine Säure-Metalloxid-Reaktion. Bei bleifreien Loten muss diese Reaktion bei höheren Temperaturen ablaufen und bei höheren Löttemperaturen länger aktiv sein. Das Flussmittel muss in ausreichender Menge vor dem Lot herfließen, die Oxide entfernen, die entstehenden Salze aus dem Lot transportieren und das flüssige Lot mit einer schönen, sauberen, rein metallischen Oberfläche hinterlassen. Andererseits sollte nicht zu viel Flussmittel vorhanden sein, damit überschüssige Rückstände nicht nachträglich entfernt werden müssen. Verfestigtes Flussmittel ist nicht nur unattraktiv, sondern bleibt (entgegen der landläufigen Meinung) in der Regel auch chemisch aktiv, Sie sollten also auf jeden Fall vorsichtig sein.

Für eine bleifreie Lötstelle wird mehr Energie benötigt als für eine herkömmliche Bleilötstelle. Da die erforderliche Energiemenge höher ist, sollten Sie die Wärmeübertragung auf die Lötstelle als einen wichtigen Aspekt beim Löten betrachten. Für jede Lötaufgabe ist eine Lötspitze mit geeigneter Wärmeübertragungsfläche erforderlich, damit der höhere Energiebedarf zum Schmelzen des bleifreien Lotes nicht allein durch eine Erhöhung der Arbeitstemperatur erreicht werden muss.

Auswahl der richtigen Lötspitze (Abbildung 6 ) ist daher ein wichtiger Gesichtspunkt, ebenso wie die kontinuierliche Reinigung der Spitze, da diese bei hoher Hitzebelastung ebenfalls oxidiert und sich mit Zunder bedeckt. Auch die Kontaktfläche einer Lötspitze neigt nach längerem Gebrauch dazu, auszuhöhlen. Dies verringert die effektive Wärmeübertragung erheblich. Studien haben gezeigt, dass bei der Verwendung bleifreier Legierungen eine Erhöhung der Temperatur (z. B. von 360 °C auf 410 °C) einen nahezu exponentiellen Effekt auf den Verschleiß der Lötspitze hat und die Lebensdauer der Lötspitze erheblich verkürzt Lötspitze. Aus diesem Grund empfiehlt es sich grundsätzlich, eine etwas längere Lötzeit bzw. Kontaktzeit zu verwenden, anstatt die Arbeitstemperatur zu erhöhen. Eine Lötstation mit einer Leistung von 80 W oder mehr wäre die richtige Wahl.

Bleifreies Löten ist nicht komplizierter; es ist einfach anders. Zunächst müssen Sie sich mit den unterschiedlichen Ausbreitungs- und Benetzungseigenschaften von bleifreiem Lot vertraut machen. Außerdem benötigen Sie eine etwas längere Lötzeit, um die Löttemperatur nicht unnötig zu erhöhen. Eigentlich hat sich nicht so viel geändert. Es ist ratsam, verschiedene Lote auszuprobieren, um dasjenige zu finden, das Ihnen am besten gefällt. Generell sind Lote mit relativ hohem Silberanteil vorzuziehen, auch wenn diese teurer sind.

Jetzt sind wir keinen Bleidämpfen mehr ausgesetzt, aber die eigentlichen Dämpfe kommen vom Flussmittel, und niemand weiß genau, was im Flussmittel enthalten ist. Eine Lötdampfabsauganlage (auch eine kleine) ist daher immer noch eine gute Investition.

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Übersetzung: Kenneth Cox