Materialien + Verfahren – Löten

Löten von Leiterplatten

Im Allgemeinen werden die elektronischen Bauteile mittels Löten elektrisch und mechanisch mit der Leiterplatte zu einer Baugruppe verbunden. Das Löten trägt also wesentlich zur Funktionssicherheit der Baugruppe bei. Löten verbindet Metallflächen von Bauteilen durch eine während des Verbindungsvorganges flüssige Metallegierung mit niedrigerer Schmelztemperatur. Die Lötprozesse sollten eine so hohe Prozesssicherheit aufweisen, dass Baugruppenausfälle aufgrund von Lötproblemen nahezu ausgeschlossen werden können

Die Zusammenhänge zwischen den für das Löten relevanten Einflußfaktoren (Oberflächenqualität der Leiterplatte, Fluxer, Lötzinnlegierung, mechanische Beschaffenheit des Lötzinns, Bauteiloberfläche, Lötstoppmaske der Leiterplatte, Layoutgestaltung der Bauteilanschlüsse auf der Leiterplatte, Fahrregime der Lötparameter) sind recht komplex. Sinnvoll ist eine gut geprüfte Kombination der Komponenten und des Fahrregimes der Lötanlage.
Aufgrund der guten elektrischen, mechanischen und verarbeitungstechnischen Eigenschaften dieses Verfahrens, des geringen Preises sowie der umfangreichen praktischen Erfahrungen mit diesem Verfahren gibt es momentan keine sinnvolle Alternative zum Löten.

Generelle Anforderungen

Das Löten soll eine Verbindung zwischen zwei Metalloberflächen schaffen. Dazu müssen mittels Fluxer bestehende Oxidschichten beseitigt werden. Da im Allgemeinen die Baugruppen nach dem Lötprozess nicht mehr gereinigt werden, dürfen die auf der Leiterplatte verbleibenden Fluxerreste nicht zur Beschädigung der Baugruppe führen. Zum Erreichen einwandfreier Lötstellen muss das Lot eine bestimmte Zeit die Schmelztemperatur überschritten haben.

Besonders betrachtet werden müssen die Grenzschichten zwischen dem Lot und der benachbarten Metallschicht. In diesem Bereich entsteht eine Diffusionszone, die über die Qualität der Lötverbindung entscheidet (“kalte Lötstelle”). Besondere Bedeutung kommt dabei der meistens vorhandenen Schutzschicht auf Leiterplatte und Bauteilkontakt zu, die vor dem Lötprozess die Lötfähigkeit über längere Zeit gewährleisten muss, und die sich nach dem Lötprozeß zwischen Bauteil und Lötstelle befindet.

Lote

Heute werden meistens als Lote Metallegierungen verwendet, die aus Zinn unter geringer Beimengung anderer Metalle bestehen. Bei bleifreien Loten ist die Schmelztemperatur 30-40 Grad über der der altbekannten bleihaltigen Lote. Die Lote werden je nach angewandtem Lötverfahren in unterschiedlicher Form geliefert. (Stangen, Lotpasten, Volldraht, Hohldraht)

Nachfolgend die gängigsten Lötverfahren:

• Reflowverfahren
• Schwalllötverfahren (Wellenlötverfahren)
• Dampfphasenlötverfahren
• Handlötverfahren
• partielles Schwalllöten

Sowohl Schwall- wie auch Reflowlötung kann unter Schutzgas erfolgen.

Reflowlötverfahren

Das Reflowlötverfahren wird zur Lötung von SMD-Bauteilen angewandt.
Schon beim Layoutprozess sollte das geplante Lötverfahren berücksichtigt werden. Die Größe des SMD-Pads muss zur Erzielung eines guten Lötresultats dem Pin des Bauteils und dem geplanten Lötverfahren entsprechend gestaltet sein. SMD-Pads sollten zur Vermeidung einer das Lötergebnis nachteilig beeinflussenden Wärmeableitung an Masseflächen nur über Stege angebunden werden.
Die für das Reflow-Löten verwendete Lötpaste enthält Lötzinn in Kugelform, gemischt mit einem Fluxer, der während des Lötprozesses aktiviert wird und einem Lösungsmittel. Die Größe der in der Lötpaste verwendeten Kugeln richtet sich nach der Pitchgröße der Bauteile. (ca 60 µm bei Pitch von 0,5 mm, ca. 40 µm bei Pitch von 0,3 mm und 30 µm bei Pitch von 0,2 mm)
Vor Beginn der Bestückung wird auf die Leiterplatte die Lötpaste mittels Dispenser oder Siebdruck aufgetragen. Die Lötpaste darf nur auf das jeweilige Pad aufgetragen werden. Benachbarte Pads dürfen nicht durch Lötpastenbrücken verbunden werden. Über die Größe der Pads in der Lötpastenschablone, deren Dicke bzw. über die Anzahl und Größe der Dispenserpunkte kann die auf ein Pad aufgetragene Lötpastenmenge bestimmt werden. Die aufgetragene Lotpastenmenge muss dem zu lötenden Bauteilpad entsprechen. Die Leiterplatte befindet sich während des Durchlaufes durch den Lötofen auf einem Transportband.
Die Bauteile werden während des Durchlaufs durch den Lötofen mit konstanter Geschwindigkeit durch verschiedene Heizzonen des Lötofens bewegt:

• Vorheizphase (Stetige Erhitzung binnen 30 s bis ca. 80 Grad C zur Aktivierung des in der Lötpaste enthaltenen Fluxers)
• Plateauzone (Halten dieser Temperatur über ca. 30 s zur Aktivierung des Fluxers, also Beseitigung von Oxidschichten)
• Erhitzung bis zum Schmelzpunkt (Erhitzung des Lötzinns bis über die Schmelztemperatur in ca. 45 s)
• Peakzone (Alle Lötstellen müssen ca 12-20 s die Schmelztemperatur überschreiten)
• Abkühlzone (schnelle Abkühlung des Lötzinnes bis unter die Schmelztemperatur)

Die Erhitzung der Bauteile, der Leiterplatte und der Lötstellen erfolgt sowohl über Strahlungswärme als auch über Konvektion. Große dunkle Bauteilgehäuse (z.B. PLCC’s) bekommen durch Strahlung mehr Wärme ab, als an breite Leiterbahnen oder Masseflächen angebundene SMD-Kleinteile. Zur Vermeidung der Oxidation der Lötpads und der Pads auf der Leiterplatte kann dieser Prozess auch unter Schutzgas erfolgen. Das Temperaturprofil läßt sich mittels spezieller Messgeräte an den zu lötenden Bauteilpins messen.

Die Lötparameter können beim Löten der auf der zweiten Seite der Platine aufgebrachten SMD-Bauteile so eingestellt werden, dass sich die Bauteile von der ersten Seite der Platine nicht wieder ablösen.

Schwalllötung konventioneller Bauteile

Die Leiterplatte wird über ein Transportsystem mit gleichmäßiger Geschwindigkeit durch die Lötmaschine bewegt. Die Leiterplatte ist dabei in einen Hilfsrahmen gespannt.
Am Anfang der Schwalllötanlage durchläuft die bestückte Leiterplatte den Fluxer. Die Fluxstation kann als Sprüh- oder als Schaumfluxer ausgeführt sein. Die darauf folgende Vorheizzone verdampft das im Fluxer enthaltene Lösungsmittel, der Fluxer wird aktiviert.
Das flüssige Lötzinn wird kontinuierlich so gepumpt, dass es über eine Kante läuft (Lötschwall). Durch den über diese Kante laufenden Lötschwall wird die Leiterplatte mit ihrer Unterseite bewegt. Das Lötzinn steigt durch die Kapillarwirkung durch die Bohrungen bzw. durch den Spalt zwischen Bohrung und Bauteilanschluß.
Auf derselben Seite wie die bedrahteten Bauteile aufgebrachte SMD-Bauteile (Bestückungsseite) werden bei sinnvoller Einstellung der Lötparameter beim Löten der konventionellen Bauteile von der Lötseite der Leiterplatte aus nicht wieder entlötet.
Sollen bestimmte Bohrungen auf der Platine nicht mit Zinn volllaufen (Gold-Steckerleisten, von Hand nachzulötende Bereiche), kann man diese Stellen vor dem Schwalllöten mit hitzebeständigem Klebestreifen abkleben oder vom Leiterplattenhersteller diese Stellen im Rahmen des Leiterplattenfertigungsprozesses mittels Gummidruck abdecken lassen.

Schwalllötung von SMD-Bauteilen

Der Lötung von SMD-Bauteilen über die Lötwelle ist besonders problematisch. Die SMD-Bauteile werden auf vor dem Bestücken aufgebrachte Kleberpunkte aufgesetzt. Der Kleber wird nach dem Bestückungsprozess thermisch ausgehärtet. Die Padform der SMD-Bauteile muss schon beim Layouten dem Lötverfahren entsprechend gewählt werden. Die Anordnung der Bauteile muss der gewünschten Lötrichtung entsprechen. Durch geschickte Wahl der Bauteilanordnung kann die Fertigungsausbeute deutlich erhöht werden. Berücksichtigt werden müssen insbesondere die Vermeidung von Lötschatten durch größere Bauteilgehäuse, die Vermeidung von Lötbrücken durch Einhaltung von Mindestabständen, die richtige Orientierung der Bauteile (parallele IC-Pins quer zur Welle bzw schräge Anordnung von IC’s mit Pins auf allen vier Seiten) und die richtige Größe, Form und Anordnung der Bauteilpads zur Vermeidung von ungelöteten Pads und Brücken. Spezielle Lötflächen als Leitflächen für den Lotschwall können die Ausbeute weiterhin verbessern. Gleichzeitig mit den SMD-Bauteilen können auch konventionelle Bauteile auf der Platine gelötet werden. Meistens ist eine langwierige Optimierung des Leiterplattendesigns und der Lötparameter notwendig, um die Ausbeute zu optimieren. Die Schwalllötung von SMD-Bauteilen lohnt sich im Allgemeinen nur für größere Stückzahlen.

Dampfphasenlötverfahren

Dieses Lötverfahren kommt dem idealen Lötverfahren relativ nahe. Es dient der Lötung von SMD-Bauteilen, die auf Lötpaste bestückt werden (siehe Reflowlöten). Gelötet wird quasi unter “Schutzgas”. Alle Lötstellen haben exakt die gleiche korrekte Löttemperatur, die durch das Gas vorgegeben ist. Nachteilig machen sich der hohe Preis der Anlage, die hohen Unterhaltungskosten sowie der Chargenbetrieb bemerkbar. Schwierigkeiten gibt es naturgemäß auch bei der Lötung der SMD-Bauteile auf der zweiten Seite.

Handlötverfahren

Das Handlötverfahren gestattet im Vergleich zu den oben beschriebenen Verfahren nur eine geringe Produktivität. Es empfiehlt sich also nur für spezielle Zwecke. So können mittels dieses Verfahrens kostengünstig Reparaturen ausgeführt werden. Weiterhin können nachträglich nicht maschinenlötbare Bauteile bzw. Restbestückungen nachgelötet werden.
Gerade bei der Bestückung der ersten Prototypen wird auch oftmals von Hand gelötet. Dies ist nur mit entsprechender Übung und brauchbarem Lötwerkzeug möglich, insbesondere einer Lötstation, die eine exakte Einhaltung einer vorgegebenen Löttemperatur ermöglicht.

Schutzgaslötung

Sowohl das Reflowlöten als auch das Schwalllöten können unter Schutzgas ausgeführt werden. Dadurch tritt auf den erhitzten Metallteilen keine Oxidation auf, die bei diesem oder bei nachfolgenden Lötprozessen Probleme aufwerfen könnte. Aufgrund des auftretenden Verbrauches des Schutzgases sind die Kosten höher als bei den entsprechenden Varianten ohne Schutzgas. Zum Löten unter Schutzgas sind speziell ausgerüstete Anlagen erforderlich.

Weitere Quellen:

Seho- Löt-Forum