Da für einen großen Teil des Amp-Bauens das Weichlöten benötigt wird, möchte ich an dieser Stelle bevor es losgeht einmal auf die Grundlagen des Lötens hinweisen.
Das (Weich-)LötenWir beschäftigen uns hier lediglich mit dem Weichlöten unter 450°C, im Gegensatz zum Hart- oder Hochtemperaturlöten.
Das Löten wird zur dauerhaften Verbindung zweier Metalle verwendet, um sowohl einen mechanische Verbindung, also auch eine elektrische zu erreichen. Hierbei wird das Lot als Verbinder augeschmolzen und bildet mit seinem Partner eine intermetallische Phase, in der das flüssige Lot in die Grenzflächen hineindiffundiert.
Ideale Partner zum Löten sind Kupferflächen. Da diese jedoch einer raschen Oxidation ausgesetzt sind würden sie jedoch bald nicht mehr lötbar sein. Für eine günstige Massenfertigung gibt es die OSP-Oberfläche, die organsiche Passivierung, die jedoch nur kurzzeitig (bis 6 Monate) Schutz gewährt.
Standard ist die HAL (hot air leveling) Verzinnung mit SnCu. Dabei wird die Leiterplatte mit flüssigem (bleifreiem) Lot benetzt und mit heißer Luft abgeblasen. Dadurch bleibt eine dünne Lotschicht als Korrosionsschutz bestehen.
Eine noch bessere Oberfläche stellt chem. Nickel/Gold dar. Dabei dient üblicherweiße noch Chrom als Haftvermittler zwischen dem Kupfer und dem Nickel. Das Gold wird ausschließlich als Korrosionsschutz aufgebracht und löst sich beim Löten im Zinn auf.
Um ein metallische Verbindung des Lotes mit der Leiterplatte oder den Bauteilen zu erreichen, müssen alle Flächen frei von Verschmutzung und Oxiden sein. Hierzu wird vor dem Löten Flussmittel aufgebracht, was bis zur Verbindung der Metalle einen Korrosionsschutz bietet.
Im normalen Lötbereich werden ausschließlich eutektische Löte eingesetzt, bei denen alle Legierungsbestandteile bei der selben Temperatur schmelzen. Bei den normalen bleihaltigen Loten liegt dieser bei ca. 180°C, bei bleifreien bei ca. 220-230°C, je nach Legierung. Es gibt jedoch auch Sonderlote, die z.B. bei 118°C bereits schmelzen. Diese besitzen dann exotische Bestandteile wie Indium und liegen bei einem Grammpreis von übre 18€ (zum Vergleich Gold: 16,50€).
Eine gute Lötstelle kann dabei an einem guten Verlauf des Lotes auf den Bauelemente-Pins und den Leiterplatten-Pads erkannt werden. Dabei bildet das Lot einen sauberen runden Übergang zwischen Pin und Pad, den Meniskus. Unzureichendes Benetzungsverhalten lässt z.B. auf schlechtes Flussmittel, zu kalten Temperaturen oder oxodierte Leiterplattenoberflächen schließen. Bleihaltige Lote erstarren in der Regel glänzend, bleifreie eher matt, was dem Laien auch das Erkennen von kalten Lötstellen bei bleifreiem Lot erschwert. Für den Heimgebrauch ist daher bleihaltiges Lot meist besser geeignet.
Die VerfahrenDie gängigen Lötverfahren in der Industrie sind:
- Reflowlöten(Konvektionslöten): Wird hauptsächlich im SMD-Bereich, inzwischen beim Pin-in-Paste-Verfahren auch bei bedrahteten Bauelementen eingesetzt. Hierbei wird das Lot mit dem Flussmittel (ca. 11% Gewichtsanteil, ca. 50% Volumenanteil) vermischt als Paste mittels Schablonendruck aufgebracht. Die Bauelemente werden in die Paste gesetzt und halten lediglich durch Adhäsion bis zum Löten. In einem Heißluftofen wird die Temperatur langsam (max. 3K je sek.) auf ca. 140°C aufgeheizt, um die Flussmittel zu aktivieren. Anschließend wird weiter bis über Liquidus erhitzt. Ein Overhead von ca. 20°C - 30°C hat sich dabei bewährt. Dies ist jedoch stark abhängig von den eingesetzten Bauelementen und deren Maße. Schwere Bauelemente ziehen stark die Hitze ab und verhindern damit eine ordentliche Lötstelle. Die Löttemperatur sollte dabei mindestens 20 sek. über Liquidus bleiben. Anschließend wird mit max. 6°C/sek. abgekühlt. Größere Temperaturgradienten führen z.B. zum explosionsartigen Verdampfen des Flussmittels und Lötperlenbildung.
- SchwalllötenDas Schwalllöten wird für bedrahtete Bauelemente oder für diese in Kombination mit aufgeklebten SMD-Bauteilen verwendet. Die bestückten Leiterplatten werden mit flüssigem Flussmittel besprüht und anschließend zur Aktivierung aufgewärmt. Anschließend werden sie über eine sprudelnde Lötwelle gezogen, die für das Verlöten und den Durchstieg des Lotes in die Bohrungen der Leiterplatte sorgt. Oft sorgt je nach Anlagenhersteller eine zweite glatte Welle dafür, das entstehende Lötperlen abgezogen werden. Anders als beim Reflowlöten ist ein Vermeiden von Oxidation beim Löten immens wichtig. Beim Reflowlöten sind die Oberflächen während der gesamten Zeit im Ofen durch das Lot benetzt und vor Oxidation geschützt. Beim Schwalllöten besteht der Schutz lediglich aus dem Flussmittel. Ist dies zu früh verdampft, kommt es wiederum zur Oxidation der Pads durch die erwärmte Luft. Zur Vermeidung wird der Bereich rund um die Lötwelle mit Stickstoff begast, bei guten Lötanlagen wird sogar der gesamte Vorheiztunnel geflutet. Der Restsauerstoffgehalt schwankt dabei zwischen 1000ppm am Tunneleingang bis runter auf 250ppm über der Lötwelle. Vergleiche zwischen 250ppm und 500ppm zeigen eine immense Lötperlenbildung und ein deutlich schlechteres Benetzungsverhalten auf.
- DampfphasenlötenDie vorgeheizte Leiterplatte wird in einen Dampf abgesenkt, der eine definierte Temperatur von meist knapp über Liquidus besitzt. Da Dampf Energie deutlich besser überträgt als ein Gas, werden versteckte Lötstellen (z.B. bei BGAs) oder massereiche Bauelemente deutlich besser gelötet. Nachteil ist jedoch der hohe Temperaturgradient beim Aufheizen, weshalb dieses Verfahren für kleine Baugruppen weniger geeignet ist.
- selektives StempellötenHierbei wird ein Tigel mit flüssigem Lot von unten an bestimmte Pins herangefahren. Dies ermöglicht eine zweiseitige SMD-Bestückung mit Reflowlöten in Kombination mit bedrahteten Steckverbindern. Dabei können die qualitativen Vorteile des Reflowlötens gegenüber dem Schwalllöten (Fehlerhäufigkeit ca. 1/3) erhalten bleiben.
- selektives MiniwellenlötenGeht in die selbe Richtung wie das selektive Stempellöten. Dabei wird ein kleiner sprudelnder Lötstrahl an einzelne Pins herangefahren. Ersetzt mitunter das Handlöten und kann für massereiche Verbindungen eingesetzt werden.
- das HandlötenWird in der Kleinserie und für bedrahtete Bauelemente verwendet. Im SMD-Bereich nur bei Nacherbeit oder im Hobby-Bereich eingesetzt. Dabei werden beide (!) Partner zuerst gemeinsam aufgeheizt bevor das Lot zugeführt wird. Handelsübliche Lotdrähte haben dabei Flussmittelanteile, die die Oberflächen deoxidieren und aktivieren. Werden vor allem massereiche Pins oder dicke Steckverbinder zu kurz erhitzt, entstehen kalte Lötstellen (siehe oben). Die optimale Löttemperatur an der Lötstelle liegt ebenfalls ca. 20-30K über Liquidus, d.h bei bleihaltigem Lot bei ca. 210°C, bei bleifreiem Lot bei 250°. Um diese Temperaturen erreichen sollte der Lötkolben auf ca. 320°C/350°C eingestellt werden. Geht man darüber, so verdampfen die Flussmittel zu schnell und es wird keine ausreichende Oberflächenbenetzung erreicht. Um massereiche Teile zu löten ist es daher besser, zusätzlich Lötmittel auf die entsprechende Fläche zu geben. Diese sind jedoch mitunter sehr aggressiv (z.B. Abietinsäure, Salzsäure, Ammoniumchlorid, Kolophonium).
Nachdem heute wieder drei Päckchen angekommen sind, geht es dann bald mit dem Bohren und dem Aufbau los.
Bitte stellt Fragen und Antworten in "Müller Classic: Das Konzept"Viele Grüße, Marc
