Bleifrei Löten

Lötgüte und Standzeit bei bleifreier Nacharbeit erhöhen bleifreies Handlöten

Aufgrund der hohen Schmelztemperaturen der Bleifreilote und der daraus folgenden hohen Löttemperatur kann die Lebensdauer der Handlötspitzen erheblich verkürzt werden. Durch die Einhaltung weniger Lötrichtlinien, auch bei Verwendung der Bleifrei-Technologie, kann jedoch eine höhere Lebensdauer der Lötstützpunkte und die gleiche gute Lötstellenqualität wie bei Verwendung von elektrolytischem Lötzinn erlangt werden.

Das ist ein einfaches Bauteil, das häufig zum Löten eingesetzt wird. Die Löt-Spitze gibt ihre Hitze an die Lötstation ab, schmelzt das Lot und bildet in Anwesenheit eines Flußmittels eine Lotverbindung. Wie gut die mit einem Lotlötkolben hergestellte Lotverbindung ist, hängt in starkem Maße von der Lotlegierung und den Flussmitteleigenschaften, aber auch von der Gestaltung des Lotkolbens selbst ab.

Für die Produktion des Bügeleisens wird entweder Metall oder eine hochwärmeleitende Legierung benutzt und die Lötspitzenoberfläche mit einer Eisenbeschichtung oder anderen korrosionsbeständigen Flächen beschichtet. Da es von größter Bedeutung ist, die Lötspitzentemperatur gleich bleibend zu gestalten, werden Temperaturfühler zur exakten Regelung der Lötspitzentemperatur benutzt.

• schnelle Wiedererwärmung und große Hitzekapazität, - niedrige Temperaturunterschiede beim Löten, - gute Benetzbarkeit und niedrige Korrosivität der Lötspitzen, - eine leicht austauschbare Lötstopfen. So ist z.B. auch eine gut benetzbare Löt-Spitze korrosionsanfällig; es ist nicht einfach, beide Werte simultan zu verbessern. Derartige Lote in Bleifreiem Design sind nur bedingt herstellbar und die Wahl ist beschränkt; z.B. bestehen Lote mit niedrigem Schmelzpunkt aus einer SnZn oder SnBi-Legierung; beide Lote sind schlecht zu Draht zu formen, beide oxydieren leicht; daher werden aus den Lote lementen SnCu, SnAg oder SnAgCu, die nur im Temperaturbereich von 210 bis 230°C aufschmelzen, Lote mit einem Flusskern hergestell.

Beim bleifreien Lötzinn liegt der Schmelzpunkt um 20 bis 45 C über dem des herkömmlichen Schmelzpunktes des Eutektikums, daher muss die Lötspitzentemperatur erhöht werden. Üblich und annehmbar ist auch, dass die Lötspitzentemperatur ca. 50 C über dem Lötpunkt liegt.

Häufig werden jedoch Lotspitzentemperaturen ausgewählt, die etwa 100 C über der Aufschmelztemperatur liegen. Dieser Unterschied ist von der Hitzekapazität des zu verlötenden Werkstückes, der entsprechenden Lötverbindung und der Lötspitzenmasse abhängt. Allerdings erreichen Löt-Temperaturen über 350 C die Grenzen des Lötprozesses in der Elektrotechnik, da der Lötspitzenverschleiß ab dieser Grenztemperatur schnell zunimmt und die Effektivität des Flußmittels reduziert wird.

Über diesen Temperaturwerten karbonisiert das Flußmittel, seine Tätigkeit nimmt ab und Lötmittel und Flußmittel werden abgetrennt. Das Lötspitzenmaterial besteht aus Aluminium oder, zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit, aus Aluminium. Um sie vor Korrosion beim Löten oder vor Oxydation bei hohen Umgebungstemperaturen zu schützen, wird die Lötspitzenoberfläche mit Bügeleisen beschichtet.

Mit zunehmender Lötspitzentemperatur nimmt die Korrosionsgefahr zu. Dieser Anstieg der Korrosivität wird durch die Bildung intermetallischer Verbindungen zwischen Metall und Zink bei steigender Erwärmung gefördert. Abbildung 1 verdeutlicht, dass bei Verwendung des Lotes Sn-3,5%Ag-0,7%Cu die Korrosionszeit um den Faktor 2,8 und bei Sn-0,7%Cu um das 4,2fache höher ist als bei Verwendung von elektrolytischem Lot und bei 400 C° Celsius liegt.

So wird die Korrosivität durch den Gebrauch von Bleifrei-Loten erhöht. Der Grund dafür ist der erhöhte Zinnanteil in der Lotlegierung, der leicht mit der Lötspitzenoberfläche reagieren kann. Proportionen von Bleiblei, Wismut oder Wismut können die Lötanschlüsse vor Rost bewahren. Durch den höheren Aufschmelzpunkt der Bleifreilote und das härtere Lötmittel als das eutektische Lötmittel oxidiert die Spitze des Lötkolbens schnell und nutzt sich durch den Gebrauch des Bleifreilotes ab.

Auch beim Löten mit bleifreien Loten ist zu beachten, dass die Lötspitzen schwärzen und das Lötzinn nicht mehr anhaftet. Ein so geschwärzter Lötkolben hat seine Netzfähigkeit verloren und kann daher die zum Löten benötigte Hitze nicht mehr auf das zu verlötende Bauteil abführen. Es ist das Lötzinn auf der Lötstation, das als Transfermedium zwischen der Lötstation und der Lötstation dient und die Hitze auf die Lötstation abführt.

Wird die Löt-Spitze vom Lötzinn nicht mehr genügend befeuchtet, bildet sich nur noch eine kleine Kontaktfläche, durch die nicht genügend Hitze abfließen kann. Betrachtet man das sich an der Spitze bildende Schwarzmaterial, kann man folgende Einflüsse erkennen: - Das ist die Ursache: - die Eisenbeschichtung der Löt-Spitze nicht geschützt war und somit bei hoher Temperatur der Oxydation unterworfen war. - die intermetallische Verbindung von Zink und Metall, die auf der Löt-Spitze entstanden ist, wurde oxidiert.

Außerdem wird davon ausgegangen, dass sich die Kristallstruktur von Roheisen bei über 350 C rasch ändert, was zu Rissbildungen in der Eisenhülle führen kann. Bei einer eisenbeschichteten Löttemperatur liegt die Grenze wahrscheinlich bei 450 C, da oberhalb dieser Grenze die eisenhaltigen Kristalle komplett umstrukturiert werden, was zum Einreißen des Schutzmantels führen kann.

Beim Löten entfällt diese Technologie, aber die Löttemperatur ist viel geringer als angegeben. Wird bleifreies Lötzinn verwendet, kommt es aufgrund der höheren Lötspitzentemperatur zu einer Oxydation an der Spitze. - Niemals den Loteinsatz längere Zeit als nötig bei vollständiger Einstellung und ohne Lötarbeiten anlassen, - nie über 400 C wählen, - bleifreies Löten mit einer Speziallegierung wählen.

Beim manuellen Löten mit bleifreien Loten gibt es, wie bereits erläutert, diverse Nachteile. Bei der Untersuchung dieser Problematik wurde entdeckt, dass beim Löten die Bedeutung von Bleiverbindungen eine große Bedeutung hat. Aus diesem Grund ist es zwingend notwendig, die grundlegenden Regeln für eine gute Lötung beim manuellen Löten mit bleifreien Loten zu befolgen. - Die Verwaltung der Lötspitzen-Temperatur, der Lötspitzen-Oberflächen sowie der Lötflächen, - die korrekte Oberflächenbehandlung der Leiterplatte, - die Wahl und der effektive Einsatz eines passenden Schmelzflüssigkeit.

Folgende werkzeugbezogene Anmerkungen und Richtlinien sind bei der Verwendung von bleifreien Loten sehr nützlich. Um thermische Beschädigungen der Bauteile zu verhindern und einen stabilen Betrieb zu garantieren, ist trotz möglicher Anfangsschwierigkeiten eine Betriebstemperatur zwischen 350 und 370 °C vorzuziehen. Dies erfordert jedoch den Gebrauch einer Lötstelle und eines Lötkolbens mit ausgezeichneten Regel- und Wiederaufheizeigenschaften, die durch die Hakko-Lötstationen 941 und 942 vorgegeben sind (Abb. 3).

Bei diesen Anlagen sind die Lötstützpunkte als integriertes Element ausgeführt, bei dem der Fühler und das Heizelement mit der Lötstützpunkteinheit eine geschlossene Wärmekopplung eingehen, die zu einer raschen Nachjustierung führen (Bild 4). - Die richtige Löt-Spitze mit der passenden Bauform und Grösse auswählen! Für die jeweiligen Lötaufgaben ist es sehr entscheidend, eine geeignete Lotspitze zu haben.

Ist es möglich, aus einer Vielfalt von Spitzengrößen und -formen zu selektieren, kann die Lötstellentemperatur reduziert und die Lötstellenqualität durch die richtige Auswahl erhöht werden. Besonderes Augenmerk muss auf die Lötstation gelegt werden, wenn wie gewohnt eine sehr kleine Lötstation ausgewählt wird; die kleinen Lötstationen beinhalten als Wärmeakkumulator weniger kupferhaltige als die größeren; außerdem wird die Wärmeübertragung auf die Lötstation durch die kleine Kontaktfläche behindert.

Ist wie gewohnt nur die Spitze am Kühler austauschbar, kann es zu gefährlichen Lötvorgängen kommen, da die Wärmeübertragungswiderstände dann sehr verschieden sind und das Ergebnis unsicher ist. Kühler, Lötanschluss und Temperatursensor stellen im Gesamtsystem der eingebauten Lötanschlüsse eine unzertrennliche Verbindung dar. Bei den Lötstellen 941 und 942 sind die Lötstützpunkte mit eingebauten Lötstützpunkten ausgestattet und durch die Koaxialanschlüsse leicht, gefahrlos und rasch austauschbar.

Es ist jedoch auch zu berücksichtigen, dass bei einer eingebauten Löt-Spitze eine interne, instabile Struktur die Folge von Langzeitfehlern oder anderen mechanischen Unregelmäßigkeiten sein kann. Bei der Arbeit mit einem Lotkolben und Lötzinn mit Flussmittelkern wird die Lottemperatur sehr rasch von Raumtemperatur auf die Lötspitzentemperatur angehoben, was oft dazu führt, dass Flux und Lötzinn auseinanderfließen.

Beim Arbeiten mit bleifreien Loten mit hohem Aufschmelzpunkt tritt der Trennungseffekt noch stärker auf und das Flußmittel neigt zur Karbonisierung, was zu einer Verringerung der Flußmittelaktivierung beiträgt. - Die Lötspitze gut behandeln und pflegen! Wird bleifreies Lötzinn verwendet, werden die Spitzen über einen langen Zeitabschnitt hinweg hoher Temperatur und damit Oxidation und Verkrustung auf der Fläche unterzogen, was zur Nichtverwendbarkeit des Lötzinnes beitragen kann.

• die niedrigstmögliche Lottemperatur wählen, - die Lotspitze nach jedem Arbeitsschritt und vor dem Einsetzen in den Lothalter mit neuem Lötzinn verzinnen, - die Lötstelle in jeder längeren Pausenzeit ausschalten, - sobald die Lotspitze oxydiert oder geschwärzt ist und selbst neues Lötzinn nicht mehr akzeptiert, die Lage mit Stahlschurwolle oder Feinschleifpapier (Körnung 800 oder 1200) entfernen und die Lotspitze mit neuem Lötzinn wieder zinnen.

Um die Problematik des Bleifreies Handlöten zu meistern, werden die verschiedenen am Weltmarkt befindlichen Lotpasten und Rework-Systeme weiter entwickelt. Man kann jedoch davon ausgehen, dass keines der Lötanlagen die Problematik des Bleifrei-Lötens vollständig eliminieren kann, umso mehr ist es wichtig, die Legierungs- und Loteigenschaften zu wissen und zu begreifen.

Wenn man versucht, bleifreies Lötzinn wie das eutektische Lötzinn zu benutzen, treten zwangsläufig die in diesem Beitrag beschriebenen Nachteile auf. Dennoch ist gutes und sicheres manuelles Löten auch mit Bleifrei-Loten möglich, wenn die Merkmale des Bleifrei-Lots bekannt sind, die grundlegenden Lötvorschriften strikt beachtet werden und die Löttips in geeigneter Form erhalten und aufrechterhalten werden.