2 Löttechnik. 2.1 Tipps und Tricks zum Thema Löten. HSR Hochschule für Technik Rapperswil

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1 2 Löttechnik 2.1 Tipps und Tricks zum Thema Löten Beim Löten werden metallische Werkstoffe mittels eines Lotes verbunden. Dabei wird die Oberfläche der Grundwerkstoffe (Metalle, z.b. Kupfer) beim Löten mit einem Lot benetzt. Durch Adhäsion und Diffusion entsteht so ein rein metallischer Kontakt zwischen Lot und Grundwerkstoff. Adhäsion: Haftung von Stoffen (z.b. Wasser auf Glas) Diffusion: Molekulare Durchmischung von zwei Stoffen Die Oberfläche der Grundwerkstoffe ist häufig mit einer Oxydschicht bedeckt. Diese verhindert das Fliessen und Diffundieren des Lotes. Somit muss die Lötstelle vor dem eigentlichen Lötvorgang gereinigt werden. Diese Aufgabe übernehmen Flussmittel, die meistens im Lot eingeschlossen sind, wie dies in Abbildung 2.1 zu sehen ist. Abbildung 2.1: Lötzinn mit fünf Flussmittelseelen In der Elektronik werden hauptsächlich Lote aus Zinn-Legierungen verwendet, daher der Name Lötzinn. Elektronik-Lote werden hauptsächlich in zwei Gruppen unterteilt: solche die Blei enthalten und andere die frei von Blei sind. Eine typische Zinn/Blei-Legierung, die sich bis heute als Lot in der Elektronik bewährt hat, ist Sn60Pb40 (60% Zinn, 40% Blei). Diese Legierung hat den Vorteil, dass sie einen tiefen Schmelzpunkt hat. Jedoch dürfen bleihaltige Lote seit Juli 2006 nicht mehr in der Produktion von elektronischen Geräten eingesetzt werden. Die bleifreien Zinn-Lote sind wohl besser für die Umwelt, haben aber einen höheren Schmelzpunkt, wie dies in Tabelle 2.1 gezeigt wird. Eine höhere Löttemperatur wirkt sich nachteilig auf die Lebensdauer der elektronischen Bauteile aus. 5

2 Legierung Schmelzpunkt Sn60/Pb C Sn99/Cu1 227 C Sn95,5/Ag3,8/Cu0,7 217 C Tabelle 2.1: Am meisten eingesetzte Zinn-Legierungen für Lote Vorbereitungen Der Arbeitsplatz soll immer in einem ordentlichen und sauberen Zustand sein. Die Hände sollen vor und nach dem Löten gewaschen werden. Erstens weil durch Fett, Obstsäuren oder Handschweiss die Lötstellen korrodieren können und zweitens um mögliche Lot- oder Flussmittelreste an den Händen zu entfernen. Zu den wichtigsten Werkzeugen gehört eine Lötstation mit Lötkolben und passender Lötspitze. Zudem braucht es einen Lötkolbenhalter mit einem Schwamm, der zur Lötspitzenreinigung dient. Der Schwamm soll nur feucht, aber nicht nass sein. Zu den weiteren Werkzeugen gehören z.b. ein Seitenschneider, eine Pinzette und evtl. eine Biegelehre. Für die Enfernung des Lotes beim Entlöten von Bauteilen eignet sich zudem eine Entlötlitze. a) b) Abbildung 2.2: a) Lötstation mit Lötkolben und -halter, b) Entlötlitze Lötvorgang Während dem eigentlichen Lötvorgang müssen folgende Punkte unbedingt eingehalten werden, um eine einwandfreie Lötstelle zu erzielen: 1. Voraussetzung für eine gute Lötstelle sind eine geeignete Lötspitzengrösse und eine geeignete Löttemperatur. Die Löttemperatur soll zwischen betragen. 2. Die Oberfläche der Lötteile soll frei von Verunreinigungen und Oxydschichten sein. 6

3 3. Lötteile nach Möglichkeit mechanisch fixieren. Mechanische Belastungen nach dem Löten müssen vermieden werden. 4. Mit sauber verzinnter Lötkolbenspitze beide Lötteile gleichzeitig unter Zugabe von wenig Lötzinn auf Arbeitstemperatur erwärmen (max. 2 Sekunden). 5. Wenig Lötzinn zuführen und Lötdraht rasch entfernen. 6. Geschmolzenes Lot fliessen lassen (max. 2 Sekunden) und Lötkolben mit einer Wischbewegung zurückziehen. 7. Zinn erschütterungsfrei erstarren lassen. Eine gute Lötstelle sollte konkav und homogen sein. Es können unter gewissen Umständen kalte Lötstellen entstehen, welche eine mangelhafte mechanische und elektrische Verbindung aufweisen. Solche schlechten Lötstellen entstehen, wenn z.b. die Löttemperatur zu niedrig ist und das Lot die Werkstückoberfläche nicht richtig benetzen kann. Auch oxydierte Oberflächen führen zu kalten Lötstellen Bauteile Grundsätzlich unterscheidet man zwischen zwei Bauteilarten: es gibt die konventionellen Bauteile, auch Through Hole Technology (THT) genannt; und die Oberflächen montierte Bauteile, auch Surface Mounted Device (SMD) genannt. Bei SMD werden die Bauteile direkt auf die Oberfläche der Leiterplatte gelötet. Wohingegen die konventionellen Bauteile durch den Print gesteckt und gelötet werden. In der untenstehenden Abbildung 2.3 werden für beide Technologien gute und schlechte Lötstellen gezeigt. gute Lötstelle (konkav) THT Bauteile schlechte Lötstelle (konvex) gute Lötstelle (konkav) SMD Bauteile schlechte Lötstelle (konvex) Abbildung 2.3: Vergleich von Lötstellen 7

4 2.2 Widerstandswürfel Bei der nächsten Aufgabe kann man die eben gelernten Löt-Tipps praktisch ausprobieren. Benötigt werden 12 Widerstände, dessen Beinchen alle gleich lang abgeschnitten werden müssen. Die Widerstände sollen nun, wie in Abbildung 2.4 gezeigt, zu einem 3-dimensionalen Würfel zusammengelötet werden. Tipp: Es geht am besten wenn man zu zweit an einem Würfel arbeitet, einer hält die Widerstände mit zwei Zangen fest und der andere lötet die Eckpunkte zusammen. Abbildung 2.4: Widerstandswürfel Zusatzaufgabe Alle 12 Widerstände haben einen Wert von 120 Ω. Gefragt ist nun der Ersatzwiderstand gemessen über die Raumdiagonale des Würfels. Ersatzwiderstand: Tipp: Nütze die Symmetrie des Würfels aus um die Schaltung zuerst zu vereinfachen. Am Schluss resultieren nur reine Serie- und Parallelschaltungen von Widerständen. 8

5 2.3 LED-Blitzer Der LED-Blitzer ist eine Schaltung, die eine Leuchtdiode (LED) immer wieder kurz aufblitzen lässt. Speziell an dieser Schaltung ist, dass sie sehr wenig Strom benötigt und auch mit einer 9V-Batterie, die bereits als leer angenommen wird, noch sehr lange läuft. Das entsprechende Schema dieser Schaltung ist in Abbildung 2.5a dargestellt. Eine Liste aller eingesetzten Komponenten findet man in der Tabelle 2.2. Wie man im Print-Layout in Abbildung 2.5b sehen kann, wurde der LED-Blitzer ausschliesslich mit SMD Bauteilen realisiert. a) Schema b) Layout Abbildung 2.5: LED-Blitzer Name Bezeichnung Wert/Typ Baugrösse Lieferant, Art.Nr. R1 Chip-Widerstand 330 kω 1206 Distrelec, R2 Chip-Widerstand 5.6 kω 1206 Distrelec, R3 Mini-Melf Widerstände 680 Ω Mini-MELF Distrelec, D1 Silizium-Diode SM 4001 MELF Distrelec, D2 Leuchtdiode (LED) grün 1206 Distrelec, T1 NPN-Transistor BC847C SOT-23 Distrelec, T2 PNP-Transistor BC857C SOT-23 Distrelec, C1 Tantal Kondensator 100 µf D Distrelec, Batteriehalter 9V Distrelec, Tabelle 2.2: Stückliste des LED-Blitzers 9