Löten

Auszug aus der DIN 8505 "Löten":

"Löten ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstoffen, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes (Schmelzlöten) oder durch Diffusion an den Grenzflächen (Diffusionslöten) entsteht. Die Solidustemperatur der Grundwerkstoffe wird nicht erreicht."

Durch Löten wird eine nicht lösbare, stoffschlüssige und elektrisch leitende Verbindung hergestellt. Als Verbindungsmaterial dient eine schmelzbare Metalllegierung, das Lot (Metall). Mit dessen Hilfe wird eine metallische Verbindung von zwei metallischen Bauteilen erzeugt.

Das Löten wird unterschieden von anderen Verbindungstechniken des Metall- und Kunststoffsektors, z. B. dem Schweißen, dem Kleben oder dem Pressen.

Ein Kennzeichnen einer Lötverbindung ist die Intermetallische Phase. In dieser dünnen Schicht bilden der Grundwerkstoff und das Lot eine Legierung, und gehen eine feste Verbindung ein.

Einteilung nach Temperaturbereichen/Liquidustemperatur des Lotes:

bis 450°C Weichlöten

bis 900°C Hartlöten

über 900°C Hochtemperaturlöten (im Vakuum oder unter Schutzgas; siehe DIN 8505 Teil 2)

Geschichte des Lötens

Löten ist eine sehr alte Technik, die nachweislich schon um 5000 v. Chr. und vermutlich auch schon davor bekannt war. Die damals bekannten Metalle Gold, Silber und Kupfer wurden zu Kult-oder Schmuckgegenständen verarbeitet, wobei das Löten als Verbindungstechnik zum Einsatz kam. Beim sogenannten Reaktionslöten (oder auch Diffusionslöten) werden Kupfersalze in der CO-Atmosphäre des Holzkohlefeuers reduziert, und die Kupferanteile ergeben bei der chemischen Reaktion mit Gold oder Silber eine lötfähige Legierung. Das entstehende Eutektikum hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als die reinen Metalle Gold, Silber und Kupfer. Gegenüber den Schmelztemperaturen von Gold (1063°C), Silber (961°C) und Kupfer (ca. 1100°C) hat eine Legierung 66,5 % Au/Rest Kupfer einen Schmelzpunkt von 889°C. Als Basis für das Kupfersalz kam z. B. Kupferkarbonat in Form von pulverisiertem Malachit, sowie Beimischungen von Alaun und Soda/Natron-Bindemittelgemischen als "Kleber" zum Einsatz. Durch Abbildungen in altägyptischen Gräbern sind Goldarbeiter mit Blasrohr vor einem Holzkohlefeuer bekannt. Beispiele für diese Lötkunst sind u.a. die ägytische Goldmaske des Tutanchamuns, ein goldener Dolch der Sumerer gefunden in Ur in Chaldäa am Ufer des Euphrat (2600 v. Chr.) oder eine goldene Halskette der Etrusker (6 Jh. v. Chr.). Erst später kam die heute bekanntere Technik zum Einsatz, eine bereits vorhandene Legierung als Lotzugabe einzusetzen.

SAMPIYON FENERBAHCE

Als Material einer Lötverbindung werden Lote verwendet. Je nach Anwendungsfall und Beanspruchung der Verbindung werden so genannte Hart- und Weichlote verwendet.

Der Übergang von Weich- zu Hartloten bildet die Liquidustemperatur des Lotes und wurde mit 450 °C definiert.

Wegen der guten technischen Beherrschbarkeit und des niedrigen Schmelzpunkts enthalten eine Reihe von Loten Blei. Wegen des Risikos für Gesundheit und Umwelt muss dieses bis 1. Juli 2006 im Elektronikbereich wegen Problemen des vollständigen Recyclings ersetzt werden (RoHS DIR 2002/95/EG). Privat und für begrenzte Einsatzgebiete dürfen weiterhin bleihaltige Lote verwendet werden!

Flussmittel

Damit der oben beschriebene Diffusionsprozess stattfinden kann, müssen alle Metalloberflächen blank und somit frei von Oxiden und Verschmutzungen sein.

Fast ausnahmslos werden Lötungen mit Lufteinwirkung ausgeführt. Schon während der Erwärmung der Lötstelle begünstigt der Sauerstoffanteil der Luft eine Oxidation der Oberflächen, die eine zuverlässige und damit erfolgreiche Lötung fraglich werden lassen.

Daher wird in solchen Fällen vor dem Lötvorgang ein so genanntes Flussmittel aufgetragen. Das Flussmittel reduziert (entoxidiert) die Oberfläche beim Löten und soll die erneute Oxidbildung vor und während des Lötvorgangs verhindern, die sonst die Fließ- und Benetzungseigenschaften stark reduzieren würden, und weiterhin um Einschlüsse von Fremdstoffen zu verringern. Ein weiterer Effekt ist das Verringern der Oberflächenspannung des flüssigen Lotes.

Die Art der Flussmittel ist vom Anwendungsgebiet abhängig.

Die meisten Flussmittel müssen nach der Lötung beseitigt werden, da sie sonst korrosiv wirken.

In Spezialfällen, vor allem aus Kostengründen in der Großserienfertigung, wird unter Schutzgas und ohne zusätzliches Flussmittel gelötet. Das Schutzgas verhindert die Oxidation.

Wärmeeinbringung

Die Wärmeeinbringung erfolgt mittels eines Lötkolbens, einer (Gas)Flamme, Heißluft, Wärmestrahlung, Laser oder Induktion; in manchen Fällen auch mittels Ultraschall oder Elektronenstrahl.

Qualität von Lötungen

Die Benetzung ist ein wichtiges Kriterium für die erfolgreiche Lötung. Es sollte nur so viel Lot an der Lötstelle verwendet werden, dass die Kontur der Bauteileanschlüsse im Lot sichtbar bleibt. Der Winkel zwischen einem Tropfen des flüssigen Lotes und dem Grundwerkstoff wird Benetzungswinkel genannt. Ein Benetzungswinkel von 0 - 30° wird als "vollständig bis ausreichend benetzt", von 30 - 90° als "teilweise benetzt" und über 90° als "nicht benetzt" eingestuft. Grundsätzlich sollte der Benetzungswinkel also kleiner als 30° sein.

Löten in der Elektrotechnik/Elektronik

Datei:Lotkegel.png

Lotkegel an einem Widerstand, der so genannte Meniskus

Am weitesten verbreitet ist das Löten in der Elektrotechnik. Die Lötungen werden dort fast ausschließlich mit Weichlot ausgeführt.

Als Flussmittel werden in der Elektronik normalerweise nur so genannte säurefreie Flussmittel verwendet. Dabei bezieht sich der Begriff säurefrei auf die abgekühlte Lötstelle. Während der Lötung spielen die Zersetzungstemperaturen der aktiven Bestandteile eine entscheidende Rolle für die erforderliche und zulässige Temperatur. Auch nicht-saure Flussmittel können durchaus korrosiv wirken. Die Bezeichnung säurefreies Flussmittel ist also irreführend und darf nicht angewendet werden.

Bei großflächigen Lötungen werden die zu lötenden Gegenstände vorher typischerweise an der Fügefläche mit Weichlot "verzinnt", um Wärmebelastungen der umgebenden Bauteile zu reduzieren. Gleichzeitig begünstigt diese Vorarbeit die Benetzung.

In der Elektrotechnik wird heutzutage im großtechnischen Stil vor allem das Schwallbad-Löten, das Reflow-Löten und das Löten mit Heißluft eingesetzt. Trotz zahlreicher anderer Verbindungstechniken (Crimpen, Wire-Wrap, Schraubklemmen, Schneidklemmentechnik, Klemmen) erfreut sich das Löten einer weiterhin recht hohen Verbreitung. Die Dimensionen gehen dabei von einigen Zentimetern bis hinunter zu wenigen Zehntel Millimetern (bei SMD-Bauteilen wie Widerständen oder Halbleitern).

Lötverfahren

Kalte Lötstelle

Ein besonders beim Löten im Elektronikbereich gefürchtetes Phänomen sind die so genannten Kalten Lötstellen. Kalte Lötstellen sind nicht immer leicht zu erkennen. Im Gegensatz zu korrekten Lötstellen sehen diese teilweise matt aus (bleihaltige Lote erstarren hochglänzend) und weisen manchmal eine leicht klumpige Oberfläche auf. Weiterhin ist der fehlende Meniskus einer guten Benetzung ein Indiz für eine mangelhafte Lötstelle. Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften einer kalten Lötstelle sind mangelhaft. Kalte Lötstellen sind typische Ursachen für Zuverlässigkeitsprobleme in elektronischen Baugruppen.

Kalte Lötstellen können viele verschiedene Ursachen haben:

Bei Handlötung wurde ein Lot mit weiter Temperaturspanne zwischen der Liquidus- und Solidustemperatur verwendet. Innerhalb dieser Temperaturspanne ist das Lot breiig, schon leichte Erschütterungen begünstigen das Entstehen einer kalten Lötstelle.

Für Handlötungen empfiehlt sich daher ein Lot, bei der beide Temperaturen zusammenfallen, wie z.B. L-Sn63PbAg mit 178 °C Solidus- und Liquidustemperatur.

Die Löttemperatur war zu gering - die Lötstelle war zu kalt - wohl der Namensgeber. Es erfolgte keine oder keine vollständige Benetzung.
Die Löttemperatur war zu hoch. Das Flussmittel hat sich zu schnell zersetzt, bzw. verdampft bevor eine deoxidierende Wirkung einsetzt. Die hohe Temperatur führt zu einer schnellen Oxidation der zu verbindenen Bereiche.
Beim Abkühlen einer Lötverbindung wurde nicht sichergestellt, das der gesamte Lötbereich zwischen der Liquidus- und Solidustemperatur erschütterungsfrei bleibt.
Die zu benetzenden Oberflächen sind wegen Oxidation oder Überlagerung (Durchwachsen der Intermetallischen Phase) nicht mehr benetzbar, so das das Lot eher formschlüssig eine Art "Verklammerung" darstellt.

Auswirkungen einer kalten Lötstelle

Da eine kalte Lötstelle sehr brüchig und instabil ist, hält sie so gut wie keiner mechanischen Belastungen stand. Aufgrund dieser These können auch kleine Vibrationen oder Erschütterung der Lötstelle zu Funktionsstörungen beitragen. Diese Vibrationen treten zum Beispiel an Leiterbahnen auf (verstärkt dort, wo mit Wechselstrom betrieben wird): Am Anfang ist die Leiterbahn bzw. der Anschlußdraht noch "fest" in der kalten Lötstelle eingeschlossen, doch schon bald können die Vibrationen des Leiterdrahtes ein Spiel innerhalb der Lötstelle "hineinschlagen", der Draht kann sich dann innerhalb der Lötstelle bewegen. Nun kann der innerhalb der Kontaktstelle eine Relativbewegung eintreten, kleine Kontaktunterbrechungen treten auf, es können bei höheren elektrischen Strömen auch Lichtbögen entstehen.

Im Energieübertragungsbereich können die Unterbrechungen aufgefangen werden, wenn ein parallelgeschalteter Kondensator die kurzen Spannungsausfälle kurzzeitig überbrückt.

Im Kommunikationsbereich jedoch sind Kontaktunterbrechungen fatal für die Signalübertragung. Die möglicherweise entstehenden Lichtbögen können Verbrennungen innerhalb der Lötstelle erzeugen. Diese Stellen sind von einer leichten Ruß- oder Oxidschicht überzogen. Dadurch verschlechtert sich der elektrische Kontakt der verbundenen Bauteile weiter.

Vor allem sehr preisgünstig hergestellte Fernseher oder andere Geräte können somit durch solche nicht sachgerecht ausgeführten Lötverbindungen nach einer gewissen Zeit (vollständig) ausfallen.

Wenn also der Lautsprecher des 50-€-Fernsehers vom nächsten Discounter ausfallen sollte, lohnt es sich vielleicht, alle verdächtigen Lötstellen "nachzulöten" (vorausgesetzt, man besitzt einen passenden Lötkolben). Hinweis: Einige Bauteile können auch bei gezogenem Stecker gefährlich hohe Spannungen auch längere Zeit aufweisen.

Lösen von elektrischen Lötverbindungen

Leistungswiderstand mit Sicherungslötung (unten rechts)

Durch erneutes Erhitzen und damit Verflüssigen des Lotes lassen sich elektrische Lötverbindungen voneinander lösen. Die Lötverbindung gehört trotzdem prinzipiell zu den nichtlösbaren Verbindungen, weil sich die Materialeigenschaften ändern und die Lötstelle selbst beim Entlöten zerstört wird. Meist können aber das Bauelement und das Lötauge der gedruckten Schaltung erneut benutzt werden.

Das Lösen von Lötstellen ist manchmal zur Reparatur und Bauelementaustausch notwendig. Für das Entlöten bzw. Auseinanderlöten gibt es zum Teil spezielle Werkzeuge und Hilfsmittel wie die Lotsaugpumpe oder die Entlötlitze.

Bei starker Erwärmung während des Betriebes einer Baugruppe kann es bei falscher Dimensionierung oder Überlastung auch zu einer unbeabsichtigten Lösung der Lötstelle kommen. Einige Hochlastwiderstände sind mit einer federbelasteten Lötstelle versehen. Erhitzt sich der Widerstand wegen eines Defektes in der angeschlossenen Schaltung (Kurzschluss) stark auf, öffnet sich die Lötstelle und unterbricht den weiteren Stromfluss.

Bleifreie Elektroniklote

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 (RoHS DIR 2002/95/EG; Elektronikschrott-Richtlinie WEEE DIR 2002/96/EG). 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, untersagt.

Als Ersatz werden heute zum großen Teil schon Legierungen der Gruppe Sn/Ag, Sn/Cu oder Sn/Ag/Cu erfolgreich eingesetzt. Diese haben jedoch meist einen weniger universellen Einsatzbereich und bringen z. T. technische Probleme wie Verspröden und Whiskerbildung mit sich.

Der gravierendste Nachteil einiger der neuen Lote ist der um ca. 10 - 30 K höhere Schmelzpunkt. Gerade in der Bestückung bzw. Verlötung von Baugruppen mit vielen verschiedenen Bauelementen kann dieser erhöhte thermische Stress bei einigen Bauelementen stark an die Grenze der Belastung führen. Ausfälle der Bauelemente sind dann nicht auszuschließen.

Andere Lote haben einen sehr niedrigen Schmelzpunkt, das birgt die Gefahr versehentlichen Schmelzens oder geringerer Lebensdauer. Ein zu niedriger Schmelzpunkt kann auch auftreten, wenn sich bei Reparaturen mit herkömmlichem Lötzinn die Zusammensetzung ändert.

Für unterschiedliche Zwecke müssen unterschiedliche Lote eingesetzt werden. Zum Teil werden diese technologisch schon gut beherrscht.

Löten in der Versorgungstechnik

Löten in der Versorgungstechnik wird bei Kupferrohren angewendet. Für die Verbindung und Richtungsänderungen der gas- beziehungsweise wasserführenden Leitungen stehen eine Vielzahl von Formstücken, die sogenannten Fittings, zur Verfügung.

Je nach Einsatzzweck ist Hart- oder Weichlöten vorgeschrieben, wobei definitionsgemäß unter 450°C eine Weichlötung und ab 450°C eine Hartlötung erfolgt, bei der auch unterschiedliche Lote und Flussmittel verwendung finden.

Trinkwasserleitungen aus Kupfer müssen bis DN 25 (CU 28 * 1,5) weichgelötet, ab DN 32 (CU 35 * 1,5) kann hartgelötet werden. Eine Weichlötung ist bis CU 108 zulässig.

Gas-, Ölversorgungs-, sowie Heizungsleitungen mit Vorlauftemperaturen von über 110°C müssen immer hartgelötet werden.

MIG-Löten im Kfz-Gewerbe

Das MIG-Löten im Kfz-Gewerbe basiert im wesentlichen auf der Erkenntnis, dass beim MIG/MAG-Schweißen sehr hohe Temperaturen benötigt werden, die zu einer Gefügeveränderung des Grundwerkstoffes führen können. Damit kann das mechanische Verhalten des in der Wärmeeinflusszone befindlichen Karosseriemetalls bei einem Unfall negativ beeinträchtigt werden. Zur Lösung dieses Problems wird bei einigen Fahrzeugherstellern das MIG-Löten zwingend vorgeschrieben. Hierbei wird mit einer geringeren elektrischen Spannung durch das Karosseriemetall die Lötstelle mit dem Lot (hier eine Kupfer-Silizium-Legierung) erwärmt und nur das Lot zum Schmelzen gebracht. Durch die geringere Arbeitstemperatur von ca. 1000 °C wird eine Gefügeveränderung des Karosseriemetalls weitestgehend verhindert.