Lötqualität und Werkzeug-Standzeit beim bleifreien Rework verbessern

Bleifrei von Hand löten

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Bedingt durch die höheren Schmelzpunkte bleifreier Lote und den daraus resultierenden höheren Löttemperaturen kann die Standzeit der Spitzen von Handlötkolben deutlich reduziert werden. Doch durch das Einhalten einiger Lötregeln kann auch bei Einsatz der bleifreien Technik eine längere Haltbarkeit der Lötspitzen und eine ebenso gute Qualität der Lötstellen wie beim Einsatz von eutektischem Lot erreicht werden.

Günter R. J. Kullik, Kullik & Partner, Meinerzhagen

Ein Lötkolben ist ein schlichtes Gerät, das weithin zum Löten verwendet wird. Die Verbindungsmethode, die man mit einem Lötkolben erzeugt, wird als Handlöten bezeichnet. Dabei überträgt die Lötspitze ihre Wärme auf die Lötstelle, wodurch das Lötzinn schmilzt und in Gegenwart eines Flussmittels eine Lötverbindung entsteht. Die elektrischen Lötkolben, die in der Elektro- und Elektronikindustrie eingesetzt werden, bestehen aus den folgenden drei Hauptbestandteilen:
• der Lötspitze
• dem Heizelement und
• dem Temperaturregler.
Die Qualität der Lötstelle, die mit einem Lötkolben erzeugt wird, ist in hohem Maß von der Legierung des Lötzinns und den Eigenschaften des angewandten Flussmittels abhängig, aber auch von der Konstruktion des Lötkolbens selbst. Kupfer oder eine Kupferlegierung mit einem möglichst hohen thermischen Leitwert wird zur Herstellung des Kolbens verwendet und die Oberfläche der Lötspitze wird mit einer Eisenschicht oder mit anderen Oberflächen gegen Korrosion überzogen.
Die Wärmequelle ist in aller Regel ein Heizelement aus einem gewickelten Chrom-Nickeldraht oder sie besteht aus einem Sintermaterial, das auch als Keramikheizelement bezeichnet wird. Weil es von höchster Wichtigkeit ist, die Temperatur der Lötspitze konstant zu halten, werden Temperatursensoren eingesetzt, um die Spitzentemperatur genau regeln zu können. Für einen guten Lötkolben sind folgende Eigenschaften unerlässlich:
• schnelles Nachheizen und eine große Wärmekapazität,
• geringe Temperaturschwankungen während des Lötens,
• gute Benetzbarkeit und geringe Korrosion der Lötspitze,
• geringes Gewicht und einfach zu handhabender Griff sowie
• eine leicht auszuwechselnde Lötspitze.
Einige dieser Forderungen sind jedoch nicht gleichzeitig zu erfüllen. Zum Beispiel ist eine Lötspitze mit einer guten Benetzbarkeit auch anfällig für Korrosion; es ist schwierig, beide Eigenschaften gleichzeitig zu optimieren.
Lötdraht mit einer Flussmittel-Seele (Flux Cored Solder Wire) wird allgemein beim Handlöten und maschinellen Punktlöten verwendet. Lot dieser Art in bleifreier Ausführung herzustellen ist schwierig und die Auswahl ist begrenzt; beispielsweise besteht Lötzinn mit einem niedrigen Schmelzpunkt aus einer SnZn- oder einer SnBi-Legierung; beide Legierungen sind schwer zu Drähten zu formen, beide oxidieren leicht; konsequenterweise werden Lötdrähte mit einer Flussmittelseele daher aus den Legierungen SnCu, SnAg oder SnAgCu hergestellt, die aber erst im Bereich von 210 bis 230 °C schmelzen.
Probleme beim Bleifrei-Handlöten
Das Löten mit bleifreiem Lötzinn ist schwieriger als Löten mit konventionellem eutektischen SnPb-Lötzinn. Die Ursachen für diese Schwierigkeiten werden anhand der bleifreien Legierungen
• Sn-0,7%Cu mit einem Schmelzpunkt von 227 °C,
• Sn-3,5%Ag mit einem Schmelzpunkt von 221 °C und
• Sn-3,5%Ag-0,7%Cu mit einem Schmelzpunkt von 217 °C erläutert.
Der Schmelzpunkt von bleifreiem Lot ist 20 bis 45 °C höher als der Schmelzpunkt von konventionellem eutektischen Lot; konsequenterweise muss die Temperatur der Lötspitze höher eingestellt werden. Es ist allgemein üblich und auch akzeptabel, dass die Temperatur der Lötspitzen um etwa 50 °C höher als der Schmelzpunkt des Lotes gewählt wird. Allerdings werden vielfach Lötspitzentemperaturen gewählt, die etwa 100 °C höher sind als die Schmelztemperatur. Diese Unterschiede sind von der Wärmekapazität des zu lötenden Werkstücks, der jeweiligen Lötstelle und der Masse der Lötspitze abhängig. Die Lötspitzentemperatur wird beim eutektischen Lötzinn SnPb mit ca. 340 °C gewählt liegt bei Sn-0,7%Cu bei etwa 370 °C. Löttemperaturen über 350 °C stoßen jedoch an die Grenze des Lötens in der Elektronik, denn der Verschleiß von Lötspitzen steigt ab dieser Temperatur rapide und die Wirksamkeit des Flussmittels wird verringert. Oberhalb dieser Temperaturen verkohlt das Flussmittel, seine Aktivität verringert sich und es kommt zur Trennung von Lot und Flussmittel.
Niedrigere Lötspitzen-Standzeit
Die Lötspitzen werden aus Kupfer oder zur besseren Wärmeleitung auch aus Kupferlegierungen hergestellt. Die Oberfläche der Lötspitzen werden zum Schutz gegen Korrosionen beim Löten oder Oxidation durch hohe Temperaturen mit Eisen plattiert. Die Korrosionsrate steigt mit der Höhe der Temperaturen an der Lötspitze. Diese Zunahme der Korrosion wird durch die mit der Temperatur steigende Entstehung von Intermetallverbindungen zwischen Eisen und Zinn begünstigt. Bild 1 zeigt, dass Lötspitzen bei der Anwendung der untersuchten Lote Sn-3,5%Ag-0,7%Cu um den Faktor 2,8 schneller korrodieren und bei Sn-0,7%Cu sogar 4,2 mal so schnell verglichen mit der Korrosionsgeschwindigkeit beim Einsatz von eutektischem Lötzinn und gemessen bei 400 °C.
Die Korrosion wird also durch den Einsatz von bleifreiem Lot beschleunigt. Die Ursache hierfür ist der höhere Anteil von Zinn in der Legierung und dieses reagiert leicht mit der Oberfläche der Lötspitze. Anteile von Blei, Silber oder Wismut können die Lötspitzen vor Korrosion schützen. Da der Schmelzpunkt der bleifreien Lote höher und das Lot härter als eutektisches Lötzinn ist, oxidieren Lötspitzen durch den Einsatz von bleifreiem Lot schneller und nutzen schneller ab.
Beim Löten mit bleifreiem Lot kann man ebenfalls beobachten, dass sich die Lötspitze schwarz verfärbt und das Lot nicht mehr haftet (Bild 2). Eine auf diese Art geschwärzte Lötspitze hat ihre Benetzbarkeit verloren und kann deshalb die zum Löten erforderliche Wärme nicht mehr auf das zu lötende Teil übertragen. Denn es ist das Lot auf der Lötspitze, das als Übertragungsmedium zwischen der Lötspitze und der Lötstelle wirkt und das die Wärme auf die Lötstelle überträgt. Wenn die Lötspitze nicht mehr ausreichend vom Lot benetzt wird, entsteht nur eine kleine Kontaktzone, über die nicht genügend Wärme übertragen werden kann. Wenn man das schwarze Material, das sich auf der Lötspitze gebildet hat, untersucht, so kann man folgende Ursachen unterscheiden:
• verkohlte Bestandteile aus dem Flussmittel und aus anderen Rückständen haben sich auf der Eisenoberfläche festgefressen,
• die Eisenschicht der Lötspitze war ungeschützt und so der Oxidation bei den hohen Temperaturen ausgesetzt,
• das im Lot enthaltene Zinn oxidierte oder
• die Intermetallverbindung aus Zinn und Eisen, die sich auf der Lötspitze gebildet hat, oxidierte.
Manchmal treten diese Prozesse einzeln auf, meistens sind jedoch zwei oder mehrere Vorgänge beteiligt. Es wird auch berichtet, dass sich Eisen bei Temperaturen oberhalb von 350 °C in seiner kristallinen Struktur rapide verändert und es zu Rissen im Eisenmantel kommt. Die Grenztemperatur für eine Lötspitze mit Eisenüberzug dürfte bei 450 °C liegen, denn oberhalb dieser Temperatur findet eine völlige Umstrukturierung der Eisenkristalle statt, was zum Reißen des Mantels führt. Diese Temperatur gilt wohlgemerkt nicht für das Löten, dafür liegt die Temperatur wie beschrieben wesentlich niedriger.
Zusammengefasst: Sobald mit bleifreiem Lot gearbeitet wird, kommt es wegen der erforderlichen erhöhten Lötspitzentemperaturen vermehrt zur Oxidation an der Lötspitze. Außerdem führt die Zugabe von Zink (Zn), Indium (In) oder Germanium (Ge) nicht zu einer Verbesserung; in manchen Fällen kann dies sogar zu einer Verschlechterung führen. Vom praktischen Standpunkt aus ist es deshalb anzuraten, folgende Regeln einzuhalten:
• Lasse den Lötkolben nie länger als erforderlich bei voller Temperatureinstellung und ohne Lötarbeit eingeschaltet,
• wähle nie Temperaturen oberhalb von 400 °C,
• löte mit Flussmittel mit der geringstmöglichen Aktivierung und
• wähle bleifreie Lote mit einer speziellen Legierung.
Wie bereits erklärt wurde, treten beim Handlöten mit bleifreiem Lot verschiedene Probleme auf. Als man diese Probleme untersuchte, wurde festgestellt, dass das Blei eine wichtige Rolle beim Löten gespielt hat. Genaugenommen ist zur Zeit kein alternatives Metall bekannt, das die Eigenschaften des Bleis im Lot, insbesondere in Bezug auf die Lötbarkeit (Oberflächenspannung), Viskosität, Fließeigenschaften, Oxidationsschutz (im geschmolzenen Zustand), Flexibilität, Elastizität und die Biegsamkeit des Lotes selbst sowie nicht zuletzt die Kosten, ersetzen könnte. Es ist des-halb dringend erforderlich, beim Handlöten mit bleifreiem Lot die Grundregeln für eine gute Lötstelle zu beachten. Die folgenden Punkte sind dabei besonders wichtig:
• Das Management der Lötspitzentemperatur, der Lötspitzenoberflächen sowie der Lötoberflächen,
• die richtige Behandlung der Oberfläche der Leiterplatten,
• die richtige Auswahl der Oberflächen der Bauteile, die gelötet werden sollen sowie
• die Auswahl und wirksame Anwendung eines geeigneten Flussmittels.
Die folgenden, werkzeugbezogenen Hinweise und Regeln sind bei der Anwendung von bleifreiem Lot sehr hilfreich.
• Setze Lötkolben mit den bestmöglichen thermischen Eigenschaften ein! Dazu gehört beispielsweise eine zuverlässige Nachheizcharakteristik. Zum Vermeiden von thermischen Schäden an den Bauteilen und um stabile Arbeitsbedingungen zu gewährleisten, ist trotz der möglichen Anfangsprobleme eine Temperatur im Bereich zwischen 350 und 370 °C zu bevorzugen. Das setzt allerdings den Einsatz einer Lötstation und eines Lötkolben mit hervorragenden Regel- und Nachheizeigenschaften voraus; Eigenschaften, die bei den Lötstationen 941 und 942 (Bild 3) von Hakko gegeben sind. Die Lötspitzen dieser Stationen sind als integrierte Elemente aufgebaut, bei denen der Sensor und der Heizkörper eine Einheit mit der Lötspitze bilden; es ergibt sich daraus eine enge thermische Kopplung, die zu einer schnellen Nachregelung führt (Bild 4).
• Wähle eine Lötspitze mit der richtigen Form und Größe! Es ist sehr wichtig für die jeweilige Lötaufgabe, eine Lötspitze mit der am besten geeigneten Form zu wählen. Wenn die Möglichkeit besteht, aus einer Vielzahl von Lötspitzengrößen und -formen zu wählen, kann bei richtiger Wahl die Löttemperatur gesenkt und die Qualität der Lötstelle verbessert werden. Besondere Beachtung muss der Lötstelle gewidmet werden, wenn, wie üblich, eine sehr feine Lötspitze gewählt wird; in den feinen Lötspitzen ist weniger Kupfer als Wärmespeicher enthalten als in den massereicheren, außerdem ist durch die geringe Berührungsfläche die Übertragung der erforderlichen Wärme auf die Lötstelle erschwert. Wenn, wie üblich, nur die Lötspitze auf dem Heizkörper auswechselbar ist, kann es zu unsicheren Lötprozessen kommen, denn die Wärmeübergangswiderstände sind dannsehr unterschiedlich und das Resultat ist ungewiss. Beim System der integrierten Lötspitzen bilden Heizkörper, Lötspitze und Temperaturfühler eine untrennbare Einheit. Die Lötkolben der Lötstationen 941 und 942 sind mit integrierten Lötspitzen ausgerüstet und durch die koaxialen Anschlüsse sind diese auch einfach, sicher und schnell auswechselbar. Eine hohe Prozesssicherheit ist damit auch bei häufigem Lötspitzenwechsel gewährleistet. Zu beachten ist aber auch, dass bei einer integrierten Lötspitze ein innerer, unstabiler Aufbau die Ursache für Langzeitfehler oder andere mechanisch bedingte Ungenauigkeiten sein kann.
• Setze das Flussmittel wirkungsvoll ein! Wenn mit einem Lötkolben und Lot mit einer Flussmittelseele gearbeitet wird, wird die Temperatur des Lots sehr schnell von Zimmer- auf die Temperatur der Lötspitze erhöht; häufig spritzen dadurch Flussmittel und Lot auseinander. Bei der Arbeit mit bleifreiem Lot mit einem hohen Schmelzpunkt tritt der Effekt der Vereinzelung noch deutlicher auf und das Flussmittel tendiert dabei zum Verkohlen, dies wiederum führt zu einer Verminderung der Aktivierung durch das Flussmittel. Abhilfe schafft in dieser Situation ein V-förmiger Einschnitt in den Lötdraht (Bild 5). Das Flussmittel wird durch diese Maßnahme effek-tiver genutzt und das Auseinanderspritzen reduziert.
• Behandle und pflege die Lötspitzen gut! Sobald mit bleifreiem Lot gearbeitet wird, sind die Lötspitzen auch für einen längeren Zeitraum hohen Temperaturen ausgesetzt, dabei kommt es auf der Oberfläche zu Oxidationen und Verkrustungen, die bis zur Unbrauchbarkeit führen können. Zur Minderung dieser Einflüsse werden die folgenden Wartungsschritte empfohlen:
• wähle eine möglichst niedrige Löttemperatur,
• verzinne nach jedem Arbeitsgang und vor der Ablage in den Lötkolbenhalter die Lötspitze mit frischem Lot,
• schalte die Lötstation in jeder Pause die länger dauert ab,
• sobald die Lötspitze oxidiert oder schwarz ist und selbst frisches Lot nicht mehr annimmt, entferne die Schicht mit Stahlwolle oder feinem Schmirgelpapier (800-er oder 1200-er Körnung) und verzinne die Lötspitze sofort wieder mit frischem Lot.
Vor jedem neuen Arbeitsgang sollte das alte Lot abgestreift werden. Dabei hilft das Lötspitzenreinigungsgerät Clean-o-point (Bild 6), das mit nur handfeuchten Schwämmen arbeitet oder das völlig trocken arbeitende Lötspitzenreinigungssys-tem 599 von Hakko.
Zusammenfassung
Die unterschiedlichen Lötkolben und Reworksysteme auf dem Markt werden weiterentwickelt, um auch die Probleme des bleifreien Handlötens zu beherrschen. Es ist jedoch anzunehmen, dass keines der Lötsysteme die Probleme, die beim bleifreien Löten auftreten, völlig aus der Welt schaffen kann; um so wichtiger ist es, die Eigenschaften der Legierungen und Lote zu kennen und zu verstehen. Bei dem Versuch, bleifreies Lot in der gleichen Weise zu verwenden wie es beim eutektischen PbSn-Lot möglich war, werden unweigerlich die in diesem Artikel geschilderten Probleme auftreten; der Lötkolben wird unbrauchbar und fehlerhafte Lötstellen werden die Folge sein. Nichtsdestoweniger ist auch mit bleifreiem Lot ein gutes und zuverlässiges Handlöten möglich, wenn die Eigenschaften des bleifreien Lotes verstanden wurden, die fundamentalen Lötregeln streng eingehalten werden und die Lötspitzen in einer angemessenen Weise gewartet und gepflegt werden.
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