Löten

mini|Lötstelle minderer Qualität zwischen einem Draht und einer Lötfahne

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. Dabei wird eine Oberflächenlegierung erzeugt, das Werkstück in der Tiefe aber nicht aufgeschmolzen, d. h. die Liquidustemperatur der Grundwerkstoffe wird kaum oder nicht erreicht. Nach dem Erstarren des Lotes ist wie beim Schweißen eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt. Der Unterschied zum Schweißen liegt darin, dass beim Schweißen die Liquidustemperatur der zu verbindenden Komponenten erheblich überschritten wird. Die Art der chemischen Zusammensetzung der Lötverbindung unterscheidet sich je nach verwendeten Hilfsmitteln (Lotpaste oder Lotdraht).

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 % Gold/(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. Abbildungen in altägyptischen Gräbern zeigen Goldarbeiter mit Blasrohr vor einem Holzkohlefeuer. Erst später kam die heute bekanntere Technik zum Einsatz, eine bereits vorhandene Legierung als Lotzugabe einzusetzen. Beispiele für diese Lötkunst sind u. a. die ägyptische Goldmaske des Tutanchamuns, der Hundeanhänger aus Susa, 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.).

Verbindungen Verbindungsmaterialien Als Verbindungsmaterial dient meist eine leicht schmelzbare Metalllegierung, das Lot. Mit dessen Hilfe wird eine metallische Verbindung von zwei metallischen Bauteilen erzeugt.

Keramik- und Glasbauteile können mit Glaslot oder – wenn sie vorher metallisiert wurden – mit Metalllot und Metallteilen verbunden werden. Als Alternative zur vorherigen Metallisierung eignet sich auch das Aktivlöten, bei dem Lot ein Aktivelement zulegiert wird oder der Fügepartner selbst eine Aktivelement-Legierung ist. Aktivmetalle können beispielsweise Titan oder Indium sein. Diese sind bei erhöhten Temperaturen sauerstoffaffin und reagieren während der Lötung mit dem Sauerstoff der Oxidkeramik.

Verbindungstechniken Das Löten steht neben anderen Verbindungstechniken, z. B. dem Schweißen, dem Kleben oder formschlüssigen Verbindungen wie Nieten, Bördeln, Aufschrumpfen oder Einpressverbindungen. Löten wird insbesondere für elektrische Verbindungen eingesetzt.

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

Nachteilig wirkt sich das Vorhandensein unterschiedlicher Metalle und Legierungen an Lötverbindungen aus. Bei Anwesenheit eines Elektrolyten (z. B. Feuchtigkeit) entstehen galvanische Elemente wie ein Lokalelement, die zu verstärkter Korrosion führen können.

Einteilung der Lötverfahren mini|hochkant=2.75|zentriert|Einteilung der Lötverfahren nach Energieträger Entscheidend für die Einteilung ist die Liquidustemperatur des Lotes: bis 450 °C: Weichlöten ab 450 °C: Hartlöten über 900 °C: Hochtemperaturlöten (im Vakuum oder unter Schutzgas; siehe DIN 8505 Teil 2)

Die Anwendung entscheidet über das verwendete Verfahren.

Hartlötverbindungen weisen im Allgemeinen eine geringere Festigkeit auf als Schweißverbindungen, aber fast immer eine höhere als Weichlötverbindungen.

Lote mini|hochkant|Weichlot Als Material zum Erzeugen einer Lötverbindung werden Lote verwendet. Metalllote sind meist Legierungen, die als Lötdraht bzw. Lotdraht oder Lotpaste vorliegen. Sie enthalten oft bereits ein Flussmittel, bei Weichloten üblicherweise in Hohlkammern eingearbeitet, bei Hartloten als äußere, zu Unterscheidungszwecken meist eingefärbte Umhüllung.

Nach der Lötung verbleibt oft ein Rückstand des Flussmittels auf der Lötstelle.

Vakuumverbindungen (Hochvakuumanlagen oder Elektronenröhren) oder solche mit hohen Reinheitsansprüchen (z. B. Montage von Halbleiterlasern) müssen ohne Flussmittel erfolgen, erfordern daher reine Oberflächen der Fügepartner und müssen unter Schutzgas oder Vakuum ausgeführt werden.

Metallisierte Keramikteile sowie thermisch hoch beanspruchte Edelstähle werden häufig mit Silberlot gelötet.

Glaslot zum Löten von Keramik und Glas wird pastös verarbeitet, es besteht aus Pulver eines besonders niedrig schmelzenden Glases und organischen Zusatzstoffen, welche die pastöse Konsistenz einstellen. Die organischen Stoffe verdampfen bzw. pyrolysieren und verbrennen beim Löten vollständig.

Für Wärmetauscher in der Automobilindustrie werden meistens Aluminium-Silizium-Hartlote verwendet. Bei Massenfertigung sind vielfach angepasste, zweckdienliche Formen von Al-Si-Lote gebräuchlich, beispielsweise als Plattierung oder Lot-Ringe.

Flussmittel

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

Fast ausnahmslos wird unter Lufteinwirkung gelötet (Wellenlöten generell in Stickstoffatmosphäre). Schon während der Erwärmung der Lötstelle begünstigt der Sauerstoff in der Luft eine Oxidation der Oberflächen, die eine zuverlässige und damit erfolgreiche Lötung gefährdet.

Daher wird in solchen Fällen vor dem Lötvorgang ein 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 würde. Weiterhin sollen Einschlüsse von Fremdstoffen verringert werden. Ein weiterer Effekt ist die Minderung der Oberflächenspannung des flüssigen Lotes.

Die Art der Flussmittel ist vom Anwendungsgebiet abhängig. Viele Flussmittel müssen nach der Lötung beseitigt werden, da sie sonst korrosiv wirken.

In Spezialfällen oder aus Kostengründen in der Großserienfertigung wird ohne Flussmittel unter Schutzgas oder Vakuum gelötet. Das Schutzgas verhindert die Oxidation und kann auch reduzierend auf vorhandene Oxidschichten wirken.

Wärmeeinbringung Wärme wird mittels eines Lötkolbens, der Flamme eines Lötbrenners, Heißluft, heißem Dampf, Wärmestrahlung, Laser oder Induktion eingebracht, in manchen Fällen auch durch Ultraschall, Elektronenstrahl oder einen Lichtbogen (Lichtbogenhartlöten).

Löten in der Elektrotechnik/Elektronik mini|Manuelles Entlöten mittels eines elektrischen Lötkolbens mini|Lotkegel in idealer Meniskus-Form (hellgrau) zwischen einem bedrahteten Bauteil und der Leiterplatte Am weitesten verbreitet ist das Löten in der Elektrotechnik und Elektronik. Die Lötungen werden dort fast ausschließlich mit Weichlot ausgeführt.

Als Flussmittel werden in der Elektronik normalerweise nur sogenannte säurefreie Flussmittel verwendet, beispielsweise Kolophonium. Dabei bezieht sich der Begriff säurefrei auf die abgekühlte Lötstelle. Während der Lötung spielen die Zersetzungsprodukte der dann sauer wirkenden Bestandteile des Flussmittels eine entscheidende Rolle für die Qualität der Lötverbindung. Auch nicht-saure Flussmittel können somit korrosiv wirken.

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

In der Elektrotechnik wird vor allem das Wellenlöten (Schwalllöten), das Reflow-Löten und das Löten mit Heißluft eingesetzt. Das Löten ist neben anderen Verbindungstechniken (Crimpen, Wire Wrap, Klemme, Schneidklemmtechnik, Steckverbindungen, Bonden, Schweißen) das verbreitetste Verbindungsverfahren in der Elektronik. Die geringste Abmessung einer Lötstelle als auch der geringste Abstand zwischen zwei Lötstellen beträgt etwa 0,2 mm.

Lötverfahren

Tauchlöten Wellenlöten/Schwalllöten Reflow-Löten Lichtlöten Induktives Löten Widerstandslöten Kaltlöten Vakuumlöten Heißluftlöten Laserlöten Löten mit offener Gasflamme Diffusionslöten Amorphe Lötfolie Dampfphasenlöten Mikrolöten Ultraschalllöten

Qualität von Lötungen mini|Montage durch Schwalllöten, zu erkennen sind Reste von Lötzinn auf dem Lötstopplack. Die Qualität der eigentlichen Lötstellen ist unterschiedlich.

Die Benetzung ist ein wichtiges Kriterium für die erfolgreiche Lötung. Es sollte nur so viel Lot an der Lötstelle verwendet werden, so 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 bis 30° wird als „vollständig bis ausreichend benetzt“, von 30 bis 90° als „teilweise benetzt“ und über 90° als „nicht benetzt“ eingestuft. Grundsätzlich sollte der Benetzungswinkel also kleiner als 30° sein.

Ein weiteres Qualitätsmerkmal ist die Sauberkeit der Lötstellen, so sollten zum Beispiel keine Lotreste außerhalb der Lötstellen zu finden sein. Die Lötstellen sollten sauber und gleichmäßig sein, das gilt auch für die Durchkontaktierungen.

Kalte Lötstelle mini|Eine kalte Lötstelle mini|Gebrochene Lötstellen an einem Zeilentrafo Ein besonders beim Löten im Elektronikbereich gefürchtetes Phänomen sind die sogenannten kalten Lötstellen. Bei einer kalten Lötstelle besteht keine stoffschlüssige Verbindung zwischen Lot und Fügepartner.

Kalte Lötstellen sind oft schwer zu erkennen. Im Gegensatz zu korrekten Lötstellen sehen sie eventuell matt aus (bleihaltige Lote erstarren hochglänzend, bleifreie Lote sind generell matt) oder weisen 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 dem 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 chemisch reduzierende (deoxidierende) Wirkung einsetzt. Die hohe Temperatur führt zu einer schnellen Oxidation der zu verbindenden Bereiche. Beim Abkühlen einer Lötverbindung wurde nicht sichergestellt, dass 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 dass das Lot eher formschlüssig eine Art „Verklammerung“ darstellt.