Kurzvortrag

Transkript

1 Kurzvortrag Von Kevin Gerber

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung Löten... 3 Aber was ist Löten genau?... 3 Geschichte... 3 Lot (Lötzinn)... 4 Besonderheiten der bleifreien Lote... 4 RoHS Richtlinie... 5 Ausnahmen... 5 Flussmittel... 6 Entlötlitze... 7 Entlötpumpe... 7 Lötkolben... 8 Lötspitze... 8 Lötablauf... 9 Aussehen einer Lötstelle Gute Lötstellen Schlechte Lötstellen Weitere Lötprozesse Tauchlöten Wellenlöten Reflowlöten Quellen BFH-TI Burgdorf Seite 2 Kevin Gerber

3 Einleitung Löten Weichlöten ist aus der Technik von heute nicht mehr wegzudenken. Es ist das Mittel zum Herstellen von sicheren, elektrisch leitenden Verbindungen. Und diese werden in Haushaltsgeräten genauso benötigt wie in Computern oder Raumfähren. Mit anderen Worten: Ohne Weichlöten ginge fast nichts mehr! Aber was ist Löten genau? Löten ist ein thermisches Verfahren zum Verbinden metallischer Werkstoffe mit Hilfe eines Lotes. Der Schmelzpunkt des Lotes ist tiefer als der, des Werkstoffes. Die Grundwerkstoffe werden beim Löten benetzt, aber nicht geschmolzen. Unter benetzen versteht man einen rein metallischen Kontakt zwischen Lot und Grundwerkstoff. Dieser Kontakt kommt durch die Adhäsion und die Diffusion zustande. Unter Adhäsion, auch Anhangskraft genannt, versteht man das Haften zweier Stoffe aneinander (z.b. Wasser auf Glas). Die Diffusion ist eine molekulare Durchmischung von zwei Stoffen. Beim Löten entsteht eine nicht lösbare und elektrisch leitende Verbindung. Als Verbindungsstoff dient das schmelzbare Lot. Dieses Lot ist eine Metalllegierung. Aus was sie besteht, erkläre ich Ihnen später. Geschichte Löten ist eine sehr alte Technik um Metalle zu verbinden. Diese Technik kannte man schon Jahren vor Christus. Die damals bekannten Metalle Gold, Silber und Kupfer wurden zu Schmuck, Geräten und Waffen verarbeitet. Wobei Löten als Verbindungstechnik zum Einsatz kam. Wer als erstes herausfand, wie man Metalle verbinden kann, lässt sich heute nicht mehr so genau nachvollziehen. Aber man vermutet, dass es die Goldschmiede von Alt-Ägypten waren. Die Zeitwende des Lötens kam mit der Entdeckung des Zinns. Das ist aber auch schon 4'000 Jahre her. Mit der Weichlöttechnik ging es von da an nur noch aufwärts. Diese Technik verbreitete sich als erstes rund um das Mittelmeer. Von Generation zu Generation wurde die Lötkunst perfektioniert und verfeinert. Im Jahre 1921 wurde der erste serienmässig hergestellte und elektrisch betriebene Lötkolben für die Industrie entwickelt. BFH-TI Burgdorf Seite 3 Kevin Gerber

4 Lot (Lötzinn) In der Elektroindustrie wurde bis vor kurzem fast ausschliesslich Lote aus 60% Zinn und 40% Blei verwendet. Diese Legierung hat einen Schmelzpunkt von ca. 190 C. Wegen des Risikos für Gesundheit und Umwelt durch das Blei in Elektronikloten muss dieses bis 1. Juli 2006 im Elektronikbereich wegen Problemen des vollständigen Recyclings ersetzt werden. Die Verwendung von Blei und anderen Schwermetallen, wie Cadmium und Quecksilber, ist in Elektro- und Elektronikgeräten, die ab 1. Juli 2006 neu in Verkehr gebracht werden, verboten. Blei ist ein Schwermetall. Es ist deshalb Gesundheitsgefährdend, da es das Endprodukt der natürlichen Zerfallsreihe von Radioaktiven Elementen ist. Die giftigen Stoffe gelangen beim Entsorgen in den Boden und in die Luft. Besonderheiten der bleifreien Lote Als Ersatz werden neue Legierungen gebraucht, welche aber einen gravierenden Nachteil haben. Sie haben einen höheren Schmelzpunkt, als die 190 C von der Zinn/Blei Legierung. Es werden daher hauptsächlich Zinn/Silber (221 C), Zinn/Kupfer (227 C) oder Zinn/Silber/Kupfer (217 C) Legierungen verwendet. Gelegentlich wird auch noch Wismut beigemischt um den Schmelzpunkt zu senken. Bleifreie Legierungen zeigen grundsätzlich eine mattere Oberfläche und sind temperaturempfindlicher. Mit bleifreiem Lot ist die Arbeitstemperatur 30 C höher als mit bleihaltigen Lot, das entspricht normalerweise etwa 350 C. Man sollte aber eine zu hohe Lötspitzentemperatur vermeiden, da die Abkühlzeit viel länger dauert, könnten kleine Risse in der Lötstelle entstehen. Beim Löten mit zu hohen Arbeitstemperaturen kann es auch zu schwarzen Belägen an der Lötspitze kommen. Dies bewirkt, dass die Lötspitze unbenetzbar wird. Zudem verdampft das Flussmittel, so dass die Lötstellen vor Oxidation nicht mehr geschützt werden. BFH-TI Burgdorf Seite 4 Kevin Gerber

5 RoHS Richtlinie Das Kürzel RoHS bezeichnet zusammenfassend die EU-Richtlinie 2002/95/EG zur Beschränkung bestimmter, gefährlichen Stoffen bei der Herstellung und Verarbeitung von elektrischen und elektronischen Geräten und Bauteilen, sowie die jeweilige Umsetzung in nationales Recht. Diese Richtlinie gilt nicht nur für Blei, sondern auch noch für fünf weitere Stoffe (Cadmium, Quecksilber, sechswertiges Chrom, polybromierte Biphenyle und polybromierte Diphenyläther). Betroffen sind alle die, die elektrische und elektronische Geräte herstellen und verkaufen, hergestellte Geräte von Dritten weiterverkaufen oder solche Geräte einführen oder in ein Mitgliedsland ausführen. Ausnahmen Es gibt bestimmte Ausnahmen, in denen Blei noch erlaubt ist. Wie zum Beispiel in der Medizin (lebenserhaltende Geräte), im Glas von Kathodenstrahlröhren, Fluoreszenzröhren und in elektronischen Keramikkomponenten. Dazu gehören aber auch grosse stationäre Industriewerkzeuge, welche aus einer Kombination von Geräten, Systemen und Produkten bestehen. Für Geräte welche vor dem 1. Juli 2006 auf den Markt gekommen sind, ist es erlaubt nicht konforme Teile für Wartung, Reparatur und Erweiterung zu verwenden. Für neue Produkte sind solche Teile aber verboten. BFH-TI Burgdorf Seite 5 Kevin Gerber

6 Flussmittel Zum Löten braucht es nicht nur Lot, sondern auch noch ein Flussmittel. Glücklicherweise ist das Flussmittel bereits schon im Lötzinn enthalten. Es gibt zwei verschiedene Flussmittelfüllungen: Röhrenlot und Multi-Core. Flussmittel müssen folgende Eigenschaften haben: Die Metalloberfläche muss schnell und vollkommen benetzt werden Der Schmelzpunkt muss tiefer sein, als derjenige des Lotes Oxide müssen gelöst und weggeführt werden Flussmittelrückstände müssen sich leicht entfernen lassen Falls sie auf der Lötstelle bleiben, dürfen sie keinen Schaden anrichten In der Elektronikindustrie sind säurehaltige Flussmittel verboten. Da diese die Lötstellen angreifen und sie mit der Zeit zerstören würden. Deshalb sind nur organische Flussmittel erlaubt. Das am häufigsten verwendete Flussmittel ist Kolophonium. Das ist eigentlich Tannen- oder Kieferharz, welches aber künstlich hergestellt wird. BFH-TI Burgdorf Seite 6 Kevin Gerber

7 Entlötlitze Die Entlötlitze ist ein einfaches Hilfsmittel zum lösen von Lötstellen. Es ist ein flaches, breites Band, welches aus Kupferdrähten besteht. Das geflochtene Band wurde zur Verbesserung der Kapillarwirkung in Flussmittel getränkt. Zum Entlöten wird es auf die zu entlötende Lötstelle gepresst und gemeinsam mit dem Lötzinn erhitzt. Das geschmolzene Zinn wird durch die Kapillarwirkung der geflochtenen Litze aufgenommen und so fast vollständig von der Lötstelle entfernt. Entlötpumpe Die Alternative zur Entlötlitze ist die Entlötpumpe. Mit Hilfe dieser Pumpe kann man flüssiges Lötzinn, nach dem erhitzen der Lötstelle, absaugen. Eine Entlötpumpe hat eine hitzebeständige Teflon-Spitze, auf welcher das Lötzinn nicht haften bleibt. In der Pumpe wird ein Unterdruck erzeugt, welcher das Lötzinn einsaugt. BFH-TI Burgdorf Seite 7 Kevin Gerber

8 Lötkolben Um das Lot zu schmelzen braucht es Wärme. Die zu liefern, ist Aufgabe des Lötkolbens. Je nach Lötstelle und verwendetem Lot, werden Temperaturen von C benötigt. Für den Bereich der Feinelektronik liegen die Temperaturen zwischen 250 und 350 C. Bei Temperaturen unter 450 C spricht man von Weichlöten und bei Temperaturen über 450 C spricht man von Hartlöten. Je nach Wärmebedarf und Grösse der Objekte muss das entsprechende Lötgerät eingesetzt werden. In der Elektrotechnik unterscheidet man zwischen Kolben-, Tauch-, Schwall- und Reflowlötung. Einfache und preiswerte Lötkolben sind nicht temperaturgeregelt, daher eignen sie sich nicht für wärmeempfindliche Lötarbeiten. Bei einer Lötstation ist der Lötkolben meistens temperaturgeregelt. Er kann die eingestellte Wärme an der Lötspitze konstant halten. Dadurch wird beim Löten von Leiterplatten die Überhitzung der einzulötenden Komponenten vermieden. Lötspitze Viele Lötspitzen, welche für grössere Leistungen gebraucht werden, bestehen aus Kupfer. Die Nachteile von Kupfer sind: Der rasche Materialabbau und das Verzundern der Lötspitze. Es gibt noch plattierte Spitzen, welche auch aus Kupfer bestehen. Deren Oberfläche aber mit galvanisch aufgebrachtem Metall überzogen ist. Dies schützt vor Aushöhlen und Verzundern. BFH-TI Burgdorf Seite 8 Kevin Gerber

9 Lötablauf Der Lötspitz wird als erstes mit wenig Lot verzinnt. Den Lötkolben mit leichtem Druck an Anschlussdraht und der Kupferfläche halten und nicht mehr bewegen. Ein bisschen Lot auf den Lötkolben geben, so entsteht eine Wärmebrücke, um den Anschlussdraht und die Kupferfläche gemeinsam zu erwärmen. Den Lötdraht dazu halten. Das Lötzinn muss sofort beginnen zu fliessen. Dank der Kolophonium-Ader fliesst das flüssige Zinn schnell über die Kupferfläche der Leiterplatte und umschliesst den Draht des Bauteils. Der Lötdraht wieder wegnehmen, wenn es genügend Zinn auf der Lötstelle hat. Noch kurz mit dem Lötkolben weiterheizen, bis das Lot vollständig geflossen ist. Das Lot erstarren lassen. Dabei sollte man Erschütterungen vermeiden. Der Lötvorgang sollte nicht länger als 4-5 Sekunden dauern. Eine zu lange Lötzeit kann das Bauelement zerstören. Man muss darauf achten, dass die Lötstelle, vor dem Löten, sauber ist. BFH-TI Burgdorf Seite 9 Kevin Gerber

10 Aussehen einer Lötstelle Gute Lötstellen Eine gute Lötstelle erkennt man bei einem Anschlussdraht auf einer Leiterplatte daran, dass die Konturen des verlöteten Drahtes noch sichtbar sind. Man muss darauf achten, dass man nicht zu viel Lötzinn verwendet. Ein weiteres Kriterium ist der Benetzungswinkel. Er sollte etwa zwischen 25 und 50 liegen. Ein weiteres wichtiges Qualitätsmerkmal ist das Aussehen der Lotoberfläche. Diese sollte glatt und ohne poröse Stellen sein. Körnige Oberflächen deuten auf eine Überhitzung oder einer zu langen Lötzeit hin. Mit dem bleihaltigen Lot glänzten alle guten Lötstellen. Das ist heute, mit dem bleifreien Lot, nicht mehr der Fall. Dessen Oberfläche ist matt und grau. Schlechte Lötstellen Der grösste Fehler ist, wenn ein Beinchen nicht vollständig von Zinn umschlossen ist. Das kann verheerende Folgen haben. Wie zum Beispiel: Ausfälle von Maschinen, spätere Probleme oder unnötige Fehlersuche. Eine weitere schlechte Lötstellenart sind die kalten Lötstellen. Diese erkennt man an einer klumpigen Zinnverteilung. Solche Lötstellen sollte man Nachlöten. Beim Nachlöten muss darauf geachtet werden, dass man immer noch ein bisschen Zinn hinzuführt. Am Schluss darf es aber auch nicht zu viel Zinn auf der Lötstelle haben. BFH-TI Burgdorf Seite 10 Kevin Gerber

11 Weitere Lötprozesse Tauchlöten Beim Tauchlöten wird die Leiterplatte mit der Lötseite in das flüssige Lot eingetaucht, um die Lötstellen intensiv zu erhitzen. Dieses Verfahren erhöht bei der Herstellung von einseitig bestückten Leiterplatten die Arbeitsproduktivität gegenüber der arbeitsintensiven Verlötung mit dem Lötkolben, da nun alle Lötstellen der Leiterplatte gleichzeitig verlötet werden. Wellenlöten Beim Wellen- oder Schwalllöten wird im Lötbad ein Schwall erzeugt, über den die bestückte und mit Flussmittel versehene Leiterplatte gezogen wird. Bei diesem Verfahren sind die Bauteile nur kurze Zeit im heissen Lötbad und werden dadurch thermisch weniger belastet. Die Löttemperatur beträgt ungefähr 260 C. Es ist aber auch möglich, SMD-Teile mit einer Doppelwelle zu löten. Dazu müssen die SMD-Teilchen auf der Lötseite aufgeklebt werden. Die Bauteile müssen temperaturresistent sein, da sie durch die zwei Wellen gezogen werden. Ausserdem muss dieses Verfahren bereits beim Layouten berücksichtigt werden. Reflowlöten Das Reflowlöten, oder auch Wiederaufschmelzlöten, ist ein oft verwendetes Weichlötverfahren. Am meisten wird es zum Löten von SMD-Bauteilen gebraucht. Im ersten Schritt wird das Lot vor dem Bestücken aufgetragen. Das ist auch der Hauptunterschied zu anderen Lötverfahren. Das aufgetragene Lot ist eine Paste. Sie ist weder flüssig noch fest. BFH-TI Burgdorf Seite 11 Kevin Gerber

12 Dann werden die Bauteile bestückt. Die klebrige Lotpaste hat den Vorteil, dass die Bauteile bei der Bestückung direkt an der Paste haften bleiben. Die gesamte Leiterplatte lässt man durch einen Ofen. Beim Aufschmelzen des Lotes zentrieren sich dann auch die bestückten Bauteile. Quellen Wikipedia Farnell InOne Swissmem Loetfibel Semtech.de BFH-TI Burgdorf Seite 12 Kevin Gerber