Lötprozess
Löten ist der Prozess des Verbindens zweier Metalle durch die Verwendung einer Lotlegierung und ist eine der ältesten bekannten Verbindungstechniken. Fehlerhafte Lötstellen sind nach wie vor eine der Hauptursachen für den Ausfall von Geräten, und daher kann die Bedeutung eines hohen Verarbeitungsstandards beim Löten nicht hoch genug eingeschätzt werden.
Das folgende Material deckt grundlegende Lötverfahren ab und wurde entwickelt, um das grundlegende Wissen zu vermitteln, das benötigt wird, um die meisten hochzuverlässigen Handlötungen und Bauteilentfernungen durchzuführen.
Eigenschaften von Lot
Lot, das für die Elektronik verwendet wird, ist eine Metalllegierung, die durch die Kombination von Zinn und Blei in verschiedenen Anteilen hergestellt wird. Sie finden diese Anteile normalerweise auf den verschiedenen erhältlichen Lötmitteln angegeben.
Bei den meisten Zinn/Blei-Lötmittelkombinationen findet das Schmelzen nicht auf einmal statt. Fifty-fifty-Lot beginnt bei 183 C -361 F zu schmelzen, aber es ist nicht vollständig geschmolzen, bis die Temperatur 216 C – 420 F erreicht. Zwischen diesen beiden Temperaturen existiert das Lot in einem plastischen oder halbflüssigen Zustand.
Der plastische Bereich eines Lots variiert, abhängig vom Verhältnis von Zinn zu Blei. Bei 60/40-Lot ist der Bereich viel kleiner als bei 50/50-Lot. Das 63/37-Verhältnis, bekannt als eutektisches Lot, hat praktisch keinen plastischen Bereich und schmilzt fast sofort bei 183 C -361 F.
Die am häufigsten für Handlötungen in der Elektronik verwendeten Lote sind der 60/40-Typ und der 63/37-Typ. Aufgrund des plastischen Bereichs des 60/40-Typs müssen Sie darauf achten, dass Sie während der Abkühlphase keine Elemente der Verbindung bewegen. Bewegungen können eine sogenannte gestörte Fuge verursachen. Eine gestörte Lötstelle hat ein raues, unregelmäßiges Aussehen und sieht stumpf statt hell und glänzend aus. Eine gestörte Lötstelle kann unzuverlässig sein und Nacharbeit erfordern.
Benetzende Wirkung
Wenn das heiße Lot mit einer Kupferoberfläche in Kontakt kommt, findet eine Metall-Lösungswirkung statt. Das Lot löst sich auf und dringt in die Kupferoberfläche ein. Die Moleküle des Lotes und des Kupfers vermischen sich und bilden eine neue Legierung, die zum Teil aus Kupfer und zum Teil aus Lot besteht. Diese Lösemittelwirkung wird als Benetzung bezeichnet und bildet die intermetallische Verbindung zwischen den Teilen. (Siehe Abbildung 1) Die Benetzung kann nur erfolgen, wenn die Oberfläche des Kupfers frei von Verunreinigungen und von der Oxidschicht ist, die sich bildet, wenn das Metall der Luft ausgesetzt ist. Außerdem müssen das Lot und die Arbeitsfläche die richtige Temperatur erreicht haben.
Auch wenn die zu lötende Oberfläche sauber aussieht, ist sie immer von einer dünnen Oxidschicht bedeckt. Für eine gute Lötverbindung müssen die Oberflächenoxide während des Lötvorgangs mit Hilfe von Flussmittel entfernt werden.
Flussmittel
Zuverlässige Lötverbindungen können nur mit wirklich gereinigten Oberflächen erreicht werden. Lösungsmittel können zur Reinigung der Oberflächen vor dem Löten verwendet werden, sind aber aufgrund der extrem schnellen Oxidbildung auf der Oberfläche von erhitzten Metallen nicht ausreichend. Um diese Oxidschicht zu überwinden, wird es beim Elektroniklöten notwendig, Materialien zu verwenden, die Flussmittel genannt werden. Flussmittel bestehen aus natürlichen oder synthetischen Harzen und manchmal aus chemischen Zusätzen, die als Aktivatoren bezeichnet werden.
Die Aufgabe des Flussmittels ist es, Oxide zu entfernen und während des Lötvorgangs entfernt zu halten. Dies wird durch die Wirkung des Flussmittels erreicht, das bei der Temperatur der Lötschmelze sehr korrosiv wirkt und für die Fähigkeit des Flussmittels sorgt, Metalloxide schnell zu entfernen. In seinem nicht erhitzten Zustand ist Kolophoniumflussmittel jedoch nicht korrosiv und nicht leitend und beeinträchtigt daher die Schaltung nicht. Es ist die Flussmittelwirkung, Oxide zu entfernen und abzutransportieren, sowie die Neubildung von Oxiden zu verhindern, die es dem Lot ermöglicht, die gewünschte intermetallische Verbindung zu bilden.
Flussmittel muss bei einer niedrigeren Temperatur als das Lot schmelzen, damit es seine Aufgabe vor dem Lötvorgang erfüllen kann. Es verflüchtigt sich sehr schnell; daher ist es zwingend erforderlich, dass das Flussmittel so geschmolzen wird, dass es auf die Arbeitsfläche fließt und nicht einfach von der heißen Eisenspitze verflüchtigt wird, um den vollen Nutzen der Flussmittelwirkung zu erzielen. Es gibt verschiedene Arten von Flussmitteln für viele Zwecke und Anwendungen. Zu den gebräuchlichsten Typen gehören: Kolophonium – No Clean, Kolophonium – Mild Activated und Wasserlöslich.
Flüssiges Flußmittel sollte in einer dünnen, gleichmäßigen Schicht auf die zu verbindenden Oberflächen aufgetragen werden, bevor Wärme zugeführt wird. Fülldrahtlot und Lotpaste sollten so platziert werden, dass das Flussmittel fließen und die Verbindungsstellen bedecken kann, wenn das Lot schmilzt. Das Flussmittel sollte so aufgetragen werden, dass keine Beschädigungen an den umliegenden Teilen und Materialien entstehen.
Lötkolben
Lötkolben gibt es in verschiedenen Größen und Formen. Die Arbeitsfläche der Lötkolbenspitze muss durchgehend verzinnt sein, um eine einwandfreie Wärmeübertragung zu gewährleisten und die Übertragung von Verunreinigungen auf die Lötstelle zu vermeiden.
Vor der Benutzung des Lötkolbens sollte die Spitze durch Abwischen mit einem feuchten Schwamm gereinigt werden. Wenn Sie den Lötkolben nicht benutzen, sollten Sie ihn in einer Halterung aufbewahren, wobei die Spitze sauber und mit einer kleinen Menge Lötzinn bestrichen sein sollte
Hinweis
Obwohl die Temperatur der Lötspitze nicht das wichtigste Element beim Löten ist, sollten Sie immer mit der niedrigstmöglichen Temperatur beginnen. Eine gute Faustregel ist, die Temperatur der Lötkolbenspitze auf 260 C – 500 F einzustellen und die Temperatur nach Bedarf zu erhöhen, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.
Kontrolle der Hitze
Die Kontrolle der Lötkolbenspitzentemperatur ist nicht das Schlüsselelement beim Löten. Das Schlüsselelement ist die Steuerung des Wärmezyklus des Werkstücks. Wie schnell das Werkstück heiß wird, wie heiß es wird und wie lange es heiß bleibt, ist das zu kontrollierende Element für zuverlässige Lötverbindungen.
Thermische Masse
Der erste Faktor, der beim Löten berücksichtigt werden muss, ist die relative thermische Masse der zu lötenden Verbindung. Diese Masse kann in einem weiten Bereich variieren.
Jede Lötstelle hat ihre eigene thermische Masse, und wie diese kombinierte Masse mit der Masse der Lötkolbenspitze verglichen wird, bestimmt die Zeit und den Temperaturanstieg der Arbeit.
Oberflächenbeschaffenheit
Ein zweiter wichtiger Faktor beim Löten ist die Oberflächenbeschaffenheit. Wenn Oxide oder andere Verunreinigungen die Pads oder Leitungen bedecken, stellt dies ein Hindernis für den Wärmefluss dar. Auch wenn die Spitze des Lötkolbens die richtige Größe und Temperatur hat, kann sie möglicherweise nicht genug Wärme an die Verbindung abgeben, um das Lot zu schmelzen.
Thermische Verbindung
Ein dritter zu berücksichtigender Faktor ist die thermische Verbindung. Das ist die Kontaktfläche zwischen der Eisenspitze und dem Werkstück.
Abbildung 2 zeigt eine Ansicht einer Lötkolbenspitze beim Löten eines Bauteilanschlusses. Die Wärmeübertragung erfolgt über die kleine Kontaktfläche zwischen Lötkolbenspitze und Pad. Die thermische Kopplungsfläche ist klein.
Abbildung 3 zeigt ebenfalls die Ansicht einer Lötkolbenspitze beim Löten eines Bauteilanschlusses. In diesem Fall ist die Kontaktfläche durch eine geringe Lotmenge an der Kontaktstelle stark vergrößert. Die Spitze ist auch in Kontakt mit dem Pad und dem Bauteil, was die thermische Verbindung weiter verbessert. Diese Lötbrücke sorgt für die thermische Verbindung und gewährleistet die schnelle Übertragung der Wärme in das Werkstück.
Auftragen des Lotes
Im Allgemeinen sollte die Lötkolbenspitze auf den Punkt der größten Masse der Verbindung aufgesetzt werden. Dadurch wird eine schnelle thermische Anhebung der zu lötenden Teile erreicht. Das geschmolzene Lot fließt immer vom kühleren zum heißeren Bereich.
Bevor das Lot aufgetragen wird, muß die Oberflächentemperatur der zu lötenden Teile über den Schmelzpunkt des Lotes angehoben werden. Schmelzen Sie das Lot niemals an der Lötkolbenspitze und lassen Sie es auf eine Oberfläche fließen, die kälter als die Lotschmelztemperatur ist. Lot, das auf eine gereinigte, gefluxte und richtig erwärmte Oberfläche aufgetragen wird, schmilzt und fließt ohne direkten Kontakt mit der Wärmequelle und ergibt eine glatte, gleichmäßige Oberfläche, die zu einem dünnen Rand ausläuft. Unsachgemäße Lötungen zeigen ein aufgeblähtes, unregelmäßiges Aussehen und eine schlechte Verrundung. Um eine gute Festigkeit der Lötstelle zu erreichen, müssen die zu lötenden Teile festgehalten werden, bis das Lot erstarrt ist.
Bringen Sie das Lot möglichst im oberen Bereich der Lötstelle auf, damit die Arbeitsflächen und nicht der Lötkolben das Lot zum Schmelzen bringen und die Schwerkraft das Fließen des Lotes unterstützt. Die Wahl eines Lötkerns mit dem richtigen Durchmesser hilft, die Lotmenge zu kontrollieren, die auf die Verbindung aufgetragen wird. Verwenden Sie eine kleine Lehre für eine kleine Verbindung und eine große Lehre für eine große Verbindung.
Reinigung nach dem Löten
Wenn eine Reinigung erforderlich ist, sollten Flussmittelrückstände so schnell wie möglich, spätestens jedoch eine Stunde nach dem Löten entfernt werden. Einige Flussmittel erfordern unter Umständen ein sofortigeres Vorgehen, um eine ausreichende Entfernung zu ermöglichen. Mechanische Mittel wie Rühren, Sprühen, Bürsten und andere Anwendungsmethoden können in Verbindung mit der Reinigungslösung verwendet werden.
Die verwendeten Reinigungsmittel, Lösungen und Methoden sollten die zu reinigenden Teile, Verbindungen und Materialien nicht angegriffen haben. Nach der Reinigung sollten die Platinen ausreichend getrocknet werden.
Nachlöten
Es sollte darauf geachtet werden, dass kein Nachlöten erforderlich ist. Wenn ein Nachlöten erforderlich ist, sollten die Qualitätsstandards für die nachgelötete Verbindung die gleichen sein wie für die ursprüngliche Verbindung.
Eine kalte oder gestörte Lötstelle erfordert in der Regel nur ein Wiedererwärmen und Auffließen des Lotes unter Zugabe eines geeigneten Flussmittels. Wenn das Wiedererwärmen den Zustand nicht behebt, sollte das Lot entfernt und die Verbindung neu verlötet werden.
Verarbeitung
Lötstellen sollten ein glattes Aussehen haben. Ein seidenmatter Glanz ist zulässig. Die Lötstellen sollten frei von Kratzern, scharfen Kanten, Sprödigkeit, Lockerheit, Blasenbildung oder anderen Anzeichen einer schlechten Verarbeitung sein. Prüfspuren von Prüfstiften sind zulässig, sofern sie die Integrität der Lötstelle nicht beeinträchtigen.
Eine akzeptable Lötverbindung sollte Anzeichen von Benetzung und Haftung zeigen, wenn das Lot mit der gelöteten Oberfläche verschmilzt. Das Lot sollte einen kleinen Kontaktwinkel bilden; dies deutet auf das Vorhandensein einer metallurgischen Verbindung und einer metallischen Kontinuität vom Lot zur Oberfläche hin. (Siehe Abbildung 4)
Glatte, saubere Hohlräume oder Unebenheiten auf der Oberfläche der Lötnaht oder der Beschichtung sind akzeptabel. Ein glatter Übergang vom Pad zum Bauteilanschluss sollte erkennbar sein.