So werden z. B. Hersteller verpflichtet, Geräte so zu konzipieren, dass Reparaturen mit handelsüblichen Werkzeugen durchgeführt werden können, ohne dass das Gehäuse dabei beschädigt werden muss. Ersatzteile müssen leicht erhältlich, langfristig verfügbar und kurzfristig lieferbar sein. Zudem muss „fachlich kompetenten Reparateuren“ der freie Zugang zu entsprechenden Reparatur-Anleitungen vom Hersteller gewährt werden. Das Europaparlament hat das „Recht auf Reparatur“ als Priorität für 2022 festgelegt.
Somit werden auch neue Geschäftsfelder geschaffen bzw. alte reaktiviert: Reparaturwerkstätten für weiße und braune Ware, die dann wieder die Voraussetzungen vorfinden werden, Elektrogeräte fachgerecht zu reparieren. Der Austausch von Bauteilen auf der Leiterplatte wird wieder als sinnvoller erachtet als der Austausch einer ganzen elektronischen Einheit. Auch in der elektronischen Baugruppenfertigung sind Nachlötarbeiten, trotz eines hohen Automatisierungsgrades, mit geringsten Fehlerquoten nach wie vor unvermeidlich. Elektronisch defekte Bauteile werden erst nach dem Lötprozess detektiert und müssen ausgetauscht werden. Ein weiterer Grund für manuelle Lötungen sind Bauteile, die aufgrund ihrer Bauform, des Layouts der Leiterplatte oder einfach aus ökonomischen Gründen nicht automatisch verlötet werden können.
Die richtige Auswahl von Lot und Flussmittel ist beim Handlöten genauso wichtig wie beim Maschinenlöten. Je nach Anforderung können sowohl Lotdrähte mit Flussmittelseele (Röhrenlote), Lötpasten mit und ohne Metallpulveranteil bzw. Reparaturflussmittel in Kombination mit (Mini)-Tauchlötbädern zum Einsatz kommen. Mit der Auswahl der geeigneten Lötmittel wollen wir uns im Folgenden befassen.
Auswahl der Weichlotlegierung
Röhrenlote (Weichlötdrähte mit Flussmittelfüllung) werden in verschiedenen metallischen Legierungen und Flussmitteltypen in diversen Durchmessern angeboten. Bei der Auswahl des passenden Lötdrahtes stellen sich dem Anwender grundlegende Fragen wie: Welche Legierung soll eingesetzt werden, welcher Flussmitteltyp ist für die Anwendung sinnvoll, welcher Flussmittelanteil ist erforderlich oder welcher Lötdrahtdurchmesser ist passend?
RoHS-konforme Baugruppen müssen, bis auf wenige Ausnahmefälle, bleifrei gelötet werden. Dies gilt selbstverständlich auch für, bei einer Reparatur, anfallenden Lötarbeiten. Die gängigen bleifreien Legierungen für den Handlötprozess decken sich mit denen für Schwall- und Reflowlötprozesse.
Die in der Baugruppenfertigung eingesetzten Weichlote sind in u.a. in der Norm ISO 9453 aufgeführt. Auch die DIN EN 61190–1–3 beschreibt in ihren Teilen 1 bis 3, die Anforderungen an Verbindungsmaterialien für Baugruppen der Elektronik.
Sicherlich ist es sinnvoll, die Lotlegierung zu verwenden, die man auch im vorgeschalteten Lötprozess verwendet hat. Also Sn100Ni+, wie auch in der Welle? Aber im Reflowprozess kam SAC387 oder SAC405 zum Einsatz! Muss jetzt von Lötstelle zu Lötstelle der Lötdraht gewechselt werden? Oder kann man bleifreie Lote unbedenklich untereinander mischen, also beispielsweise eine SAC305-Lötstelle mit Sn99,3Cu0,7 nachlöten? Dies ist natürlich in erster Linie von internen und externen Vorgaben der Fertigung abhängig wie z. B. der IPC J-STD-001. Aber was genau entsteht denn bei der Mischung von Zinn-Kupfer und Zinn-Silber-Kupfer? Richtig, Zinn-Silber-Kupfer. „Kein klar definierter Zustand“ könnte die Meinung sein. Aber das Lot aus der Welle bzw. dem Reflowprozess ist spätestens nach eben diesen Lötprozessen nicht mehr in der definierten Original-Zusammensetzung auf der Leiterplatte vorhanden. Je nach Leiterplattenfinish wurde die Lotlegierung bereits mit Zinn-Kupfer-Nickel (HAL-Bleifrei), Nickel-Gold (ENIG), Silber (chem. Ag) oder Kupfer (OSP) mehr oder weniger stark „verunreinigt“.
Oder man entscheidet sich für das Lot mit der niedrigsten Schmelztemperatur (SAC387), um Baugruppe und Lötkolben zu schonen. Betrachten wir dazu die Empfehlungen der Hersteller von Lötstationen an, so wird für bleifreie Lote eine Lötkolbentemperatur von 350 – 380° C empfohlen (unabhängig von der Lotlegierung). Bleifreie Lote sind aufgrund ihrer Zusammensetzung und der erforderlichen erhöhten Löttemperaturen wesentlich aggressiver gegenüber gängigen Grundwerkstoffen und Anlagenteilen in der Elektronikfertigung. Dies hat auch zur Folge, dass Lötspitzen schneller ablegiert werden und im schlimmsten Fall innerhalb weniger Tage unbrauchbar werden. Neben den Standard-Lotlegierungen werden daher seit der „Bleifrei-Umstellung“ bevorzugt Lote mit sogenannten Mikrodotierungen angewendet. Diese Dotierungen sind Legierungszusätze wie zudem Nickel oder Germanium. Insbesondere Nickel dient dem Schutz der Lötspitzen und verlängert deren Standzeit merklich. Auch der Abtrag der Substrat-Metallisierung ist bei silberarmen oder-freien Lotlegierungen mit Nickeldotierung wesentlich geringer. Daher sind z.B. Legierungen wie Sn100Ni+, SN100-403C oder Sn99Ag+ trotz ihres höheren Schmelzpunktes für Nachlötungen bestens geeignet.
Auswahl des Flussmittels
Grundsätzlich sind alle Flussmittel gleichen Typs (unterschiedlicher Hersteller) miteinander mischbar. Das zur Nacharbeit verwendete Flussmittel muss mit den in den automatischen Lötprozessen verwendeten Flussmitteln kompatibel sein. In der Baugruppenfertigung sind hauptsächlich Flussmittel der Klassifizierungen ROL0, ROL1, REL0 oder REL1 in Verwendung. Dies sind halogenfrei bzw. halogenarm aktivierte Flussmittel auf natürlicher (RO) bzw. synthetischer (RE) Harzbasis deren Rückstände als No-Clean bezeichnet werden.
Neben der internationalen IPC-Norm ist die ISO 9454.1 eine weitere Norm für Weichlötflussmittel, die sich aber nicht ausschließlich mit dem Einsatzbereich Elektronikfertigung befasst. Ein weiterer maßgeblicher Unterschied der beiden Normen liegt in der Klassifizierung. Während die IPC-J-STD-006 die Flussmittel nach ihrer Aktivierung, bzw. nach der Wirkung der Flussmittelrückstände einstuft, orientiert sich die ISO 9454–1 an den Hauptbestandteilen des Flussmittels.
Flussmittel mit höheren Halogenidgehalten 0,5 % wurden bisher aufgrund der Korrosionsgefahr ihrer Rückstände sowie der geringeren Isolationswiderstände in der Baugruppenfertigung kaum eingesetzt. Durch kontinuierliche, intensive Forschung im Lötmittelbereich ist es der Felder GmbH gelungen, einen Lötdraht zu entwickeln, der mit einer ausgewogenen Mischung von organischen Säuren, hochwertigen Harzen und Halogeniden die hervorragenden löttechnischen Eigenschaften eines halogenaktivierten Lötdrahtes mit der No-clean-Funktionalität von ROL0– bzw. REL0-Flussmitteln zu kombinieren.
Erforderlicher Flussmittelanteil
Gängige Flussmittelgehalte sind: 1,0, 1,5, 2,0, 2,2, 2,5, 3,0 und 3,5 %. Dabei werden halogenfreie Röhrenlote meist mit einem Flussmittelanteil von 3 – 3,5 %, halogenhaltige eher mit 2,2 – 2,5 % angeboten. Für Nacharbeiten und Reparaturen an Lötstellen aus dem Wellen- bzw. Reflowprozess sind auch Lötdrähte mit geringeren Flussmittelanteilen einsetzbar, da nutzbare Flussmittelrückstände aus vorhergegangenen Lötprozessen auf der Baugruppe vorhanden sind. Das Flussmittel befindet sich im inneren des Drahtes, in der Flussmittelseele oder auch Flussmittelkern. In mehrseeligen Lötdrähten ist das Flussmittel in 3 bis 5 Kammern aufgeteilt. Dies soll das Flussmittel schneller an die Lötstelle transportieren und einen konstanten Flussmittelgehalt im Draht gewährleisten.
Optimaler Drahtdurchmesser
Die Wahl des passenden Drahtdurchmessers ist abhängig vom erforderlichen Lotvolumen der Lötstelle und somit auch von der Bauteilgröße. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung in der Elektronikfertigung werden auch Lötdrähte mit feineren Durchmessern erforderlich. War in den 90ern noch ein Lötdraht mit einem Durchmesser von 1,0 bis 1,5 mm auf jedem Rework-Arbeitsplatz zu finden, sind heute eher die Durchmesser 0,5 bis 1,0 mm die Regel.
Gängige Drahtdurchmesser sind für SMD-Bauteile: 0,15 bis 0,5 mm, für THT-Bauteile: 0,5 bis 1,0 mm und bei der Kabelkonfektion: 0,75 bis 1,5 mm. Zu der Drahtstärke und Bauteilabmessung sollte auch die passende Lötkolbenspitze ausgewählt werden. Von bleistiftspitz bis zu Meißelspitzen mit 20 mm Breite ist alles verfügbar. Aber: zu klein gewählt verlängert sich die Lötzeit, zu groß gewählt verstellt sie den Blick auf die Lötstelle oder erhitzt benachbarte Kontakte.
SMD-Lotpasten
Der Neu- oder Weiterentwicklung von SMD-Lotpasten geht die fachgerechte Bewertung von Anforderungen in der Anwendung sowie die Beurteilung gesammelter Kundenwünsche voraus. Die Ziele der SMD-Pastenentwicklung sind wie folgt definiert:
- Optimierung der löttechnischen Eigenschaften
- Verbesserung des optischen Erscheinungsbildes
- Steigerung der Unempfindlichkeit gegenüber klimatischen Einflüssen bei Lagerung und während der Verarbeitung
- Optimale Zuordnung von Applikation und Pastenviskosität
- Rezeptur- und Prozessoptimierung bei der Pastenherstellung durch die bestmögliche Reduzierung von Fehlereinflüssen
Betrachtet man den Lötprozess ausschließlich aus dem Blickwinkel des Lötmittelherstellers werden Benetzung und Ausbreitung maßgeblich von den verwendeten Harzen, Aktivatoren und der Lotlegierung des Metallpulvers einer SMD-Lotpaste beeinflusst. Hat man die genormte Mindestausbreitung für eine bleifreie Lötpaste erreicht, geht es an die Optimierung und die Prüfung auf allen, in der Baugruppenfertigung gängigen Oberflächen. Bei diesem Benchmark wurde eine Testleiterplatte mit unterschiedlichen Mengen Lotpaste bedruckt. Der Ausschnitt der Druckschablone wird von Pad zu Pad immer weiter reduziert bis zu einem Flächenanteil von 5 % der Padfläche. Nach dem Umschmelzen der Paste wird die Ausbreitung auf dem Pad beurteilt. Hier auf einer NiAu-Oberfläche, die aufgrund ihrer Färbung einen gut sichtbaren Kontrast zum Lot darstellt.
Flussmittel
SMD-Lotpasten auf Basis natürlicher Harze hinterlassen mehr oder weniger dunkle Rückstände auf den Baugruppen. Selbst Farbschwankungen zwischen verschiedenen Chargen eines Pastentyps sind nicht ungewöhnlich. Die in den „Clear“-Lötmitteln des Unternehmens verwendeten synthetischen Harze sind wasserklar, farbkonstant und thermisch stabil. Insbesondere bei der Reparatur bzw. bei löttechnischen Nacharbeiten spielt die Unauffälligkeit von Flussmittelrückständen eine übergeordnete Rolle.
Viskosität
SMD-Lotpasten für Rework und Reparatur werden hauptsächlich in Dispenser-Kartuschen verarbeitet, da ein Druckprozess auf einer bereits bestückten Baugruppe in den seltensten Fällen realisierbar ist. Um die Dosierfähigkeit der Paste zu gewährleisten, haben diese eine geringere Viskosität und geringeren Metallanteil als Pasten für den Schablonendruck.
Metallpulver
Folgende Kriterien dienen zur Auswahl des richtigen Metallpulveranteils einer SMD-Paste: Die Legierung sollte der in den vorgeschalteten Prozessen verwendeten Legierung entsprechen. Ausnahme: falls vermieden werden soll, dass nahegelegene Lötstellen ungewünscht mit aufgeschmolzen werden, ist eine niedrigschmelzende Lotlegierungen wie Bi58Sn42 empfehlenswert. Wie auch bei der Auswahl der Korngröße bei druckbaren SMD-Lotpasten gilt hier: es muss durchpassen. Das heißt, die Partikelgröße des Metallpulvers sollte zur Bauteilgröße und verwendeten Dosiernadel passen bzw. umgekehrt.
SMD- und BGA-Reparaturflussmittel
Konsequenterweise stehen dem Anwender passend zur bleifreien SMD-Lötpaste ISO-Cream „Clear“ auch ein Reparaturflussmittel ISO-Flux „Clear“ mit denselben Attributen zur Verfügung. Felder „Clear“- Lötprodukte zeichnen sich insbesondere durch ihre wasserklaren Flussmittelrückstände und den herausragenden Benetzungseigenschaften aus. Hohe Benetzungsgeschwindigkeit und Ausbreitung auf allen in der Elektronik gängigen Oberflächen, glasklare Flussmittelrückstände, geringste Ausgasung und neutraler Geruch vermindern die Arbeitsplatzbelastung durch Lötrauch, leicht entfernbare Rückstände, SIR-100 MΩ-, Kupferspiegel- und Korrosionstest nach IEC 61189–5 und 61189–6 sowie auch der IPC J-STD-004B bestanden und somit uneingeschränkt in der Baugruppenfertigung einsetzbar.
Die Flussmittelrezeptur „Clear“ ist auf Basis synthetischer Harze aufgebaut und wurde auf die Bedürfnisse der bleifreien Löttechnik perfekt abgestimmt:
- hohe Benetzungsgeschwindigkeit und Ausbreitung auf allen, in der Elektronik gängigen Oberflächen
- glasklare Flussmittelrückstände zur Optimierung des optischen Eindruckes
- geringste Ausgasung und neutraler Geruch vermindert die Arbeitsplatzbelastung
- leicht entfernbare Flussmittelrückstände.
Nachhaltigkeit durch den Einsatz fair gehandelter Roh- und Grundstoffe in einer CO2-neutral betriebenen und umweltverträglichen Fertigung
Um dem ökologischen Anspruch des Verbrauchers an einer nachhaltig hergestellten Konsumentenelektronik nachzukommen, stehen auch die Hersteller von Lötprodukten in der Pflicht. Es geht darum, Ansätze für eine möglichst CO2-neutrale und nachhaltige Fertigung zu finden und zu realisieren.
Die Felder GmbH hat in den letzten Jahren viele solcher Ansätze bereits umgesetzt:
- Rohstoffe aus fairen Quellen
- Strom aus 100 % erneuerbarer Energien
- Umstellung der Beleuchtung auf 100 % LED
- Umstellung der Schmelzprozesse von Fossilen Brennstoffen (Gas) auf ÖKO-Strom
- Maschinen- und Ofen-Abwärmenutzung
- geringstmöglicher Frischwassereinsatz durch die Nutzung von Brauchwasser
- Recycling von Altmetallen und Altflussmitteln
- Verwendung von Drahtspulen, Pasten- und Flussmitteldosen aus Recycling-Kunststoffen
- Recycling von Altkartonagen zu Füll- und Polstermaterial
- Fahrrad-Leasing-Programm „JobRad“ für Felder Mitarbeiter/innen und deren Angehörige
- Sukzessive Umstellung des Firmenfuhrparkes auf Fahrzeuge mit Hybrid und E-Antrieb
electronica, Stand A2.269
Der bleifreie Felder Lötdraht ISO-Core „Clear“ wurde allen gängigen Prüfungen nach IPC-TM-650 unterzogen:
2.3.32 – Kupferspiegeltest bestanden
2.4.46 – Ausbreitungstest bestanden
2.4.48 – Test auf Flussmittelspritzer bestanden
2.6.3.3 – Oberflächen Widerstandstest 100 MΩ
2.6.14.1 – Test auf elektrochemische Migration bestanden
2.6.15 – Prüfung auf Korrosivität bestanden
