Der Beginn einer Erfolgsgeschichte

Bis zur Umsetzung der Verwendungsbeschränkung gefährlicher Stoffe in der Elektronikindustrie war es ein weiter und zudem innovativer Weg. Denn das Löten ist nachweislich eine sehr alte Technik, die schon vor mehr als 7.000 Jahren bekannt war. Während damals Metalle wie Gold, Silber und Kupfer zu Schmuck- und Kultgegenständen verarbeitet wurden, geht es heute oftmals darum, filigranste Verbindungen in der Chipherstellung zu realisieren. Beim Löten werden zwei Werkstoffe durch Schmelzen des Lotes (Schmelzlöten) oder durch Diffusion an den Grenzflächen (Diffusionslöten) stoffschlüssig zusammengefügt. Damals reagierten Kupfersalze in der CO-Atmosphäre des Holzkohlefeuers mit Gold oder Silber und ergaben so eine lotfähige Legierung. Heute dient das Holzkohlefeuer beim Barbecue der Entspannung. Dort kommen dem Tüftler dann neue, innovative Gedanken. Denn in der Industrie geht es heute darum, durch partielle Lötungen mit minimalem Aufwand ein Maximum an Zielgenauigkeit zu erreichen. Dabei sollen die Bauteilkomponenten thermisch so wenig wie nur möglich belastet und dennoch optimal verbunden sein; Fertigungszeiten müssen verkürzt und die Prozesssicherheit verbessert werden.

Der Lötprofi bestätigt – Gesundheit geht vor

Bleihaltige Lote wurden im Elektronikbereich viele Jahrzehnte eingesetzt. Doch Blei zählt zu den Problemstoffen, die unsere Umwelt stark belasten. Zudem stellt das Schwermetal ein Risiko für die menschliche Gesundheit dar. Deshalb dürfen nach der Richtlinie RoHS 2002/95/EU Restriction of Hazardous Substances (Einschränkung gefährlicher Substanzen) wegen des Risikos für Umwelt und Gesundheit seit dem 1. Juli 2006 keine bleihaltigen Lote mehr verwendet werden. Einige wenige Einsatzgebiete und der Privatbereich sind dort ausgenommen. Inzwischen wurde die Richtlinie mit Wirkung zum 3. Januar 2013 durch die RoHS 2011/65/EU ersetzt. Der Geltungsbereich der Richtlinie wurde erweitert und einige Produktgruppen sind nun nicht mehr ausgenommen. Als Ersatz dienen bleifreie Lote aus beispielsweise Zinn-Silber (Sn/Ag), Zinn-Kupfer (Sn/Cu) oder Zinn-Silber- und Kupfer-Legierungen (Sn/Ag/Cu). HIRT Apparatebau stellt sich den neuen Herausforderungen, denn wir sind der Meinung, dass Umwelt und Gesundheit durch kontinuierliche Weiterentwicklung der Lötverfahren spürbar entlastet werden können.

Mit bleifreiem Lot ein optimales Ergebnis erzielen
Bleifreie Lote boten zunächst ein geringeres universelles Einsatzgebiet. Das lag zum einen daran, dass beim Lötvorgang höhere Temperaturen benötigt wurden, zum anderen zeigten sich Nachteile, was Oberflächenspannung, Viskosität (Fließeigenschaften) und den Oxidationsschutz betraf. Gerade empfindliche Bauelemente dürfen durch höhere Temperaturen auf keinen Fall zu Schaden kommen. Die Prozessfenster verschmälern sich und die Zielgenauigkeit muss optimiert werden. Beim Löten von Bauteilen auf einer Leiterplatte müssen gegebenenfalls technische Wechselwirkungen in den Fertigungsprozess mit einbezogen werden. Bei der Umstellung auf „bleifrei“ ist mit einer Kombination aus zahlreichen chemischen Elementen, Grenzschichten und Übergangszonen zu rechnen. Bleifreie Leiterplattenoberflächen sind zum Teil nur unter Schutzgas problemlos lötbar. Mit bleifreiem Lot erfolgreich zu arbeiten, bedeutet demnach, optimale Wege zu finden, das Werkstück schnell, gezielt und individuell ausgerichtet zu bearbeiten.

Schwalllöten – wie aus der Miniaturwelle ein Erfolgs-Tsunami wird

Was sich zunächst klein und bescheiden anhört, hinterlässt in puncto Löttechnik einen gewaltigen Eindruck. Bleifreies Löten, partiell durch Miniaturwellen, überträgt die Eigenschaft der Miniwellen auf den Arbeitsaufwand – denn der wird ebenfalls minimiert. Was die Zielgenauigkeit betrifft, lässt sich hingegen das Maximum erreichen. Bleifreies Löten wird in dieser Form auch als „Schwalllöten“ bezeichnet. Im Beispiel Leiterplatte wird die Lötseite zunächst mit einem Flussmittel benetzt, das wahlweise aufgesprüht oder aufgeschäumt wird. Mit der Sprühvariante kann sehr fein dossiert werden. Dem Vorheizen kommt bei empfindlichen Bauteilen eine tragende Rolle zu. Bei der Konvektionsheizung erfolgt eine Verwirbelung der Wärme, sodass überall die gleiche Temperatur anliegt. Ferner stehen zu diesem Zweck auch die Wendel- oder Infrarotheizung zur Verfügung. Warum ist der Temperatureffekt so wichtig?

Schwalllöten – die Sache mit der Temperatur
Der Sinn besteht zum einen darin, den Lösungsmittelanteil des Flussmittels zu verdampfen. Beim Lötvorgang könnte es sonst zu einer unerwünschten Blasenbildung kommen. Ferner soll es innerhalb der Baugruppe zu keinem Temperaturverzug kommen, sowie, durch einen zu steilen Temperaturanstieg beim anschließenden Löten, zu keiner Schädigung der Bauteile. Die Temperaturdifferenz beträgt hier in der Regel weniger als 120 °C. Bleifreies Löten erfordert eine etwas höhere Löttemperatur, die Spanne liegt in etwa zwischen 10 und 30 °C. Temperaturprofile ergeben sich durch Temperaturfühler, die an relevanten Messpunkten angebracht und mit einem Messgerät aufgezeichnet werden. Auf diese Weise werden Temperaturkurven sowohl von der Platine (Ober- und Unterseite) als auch von ausgewählten Bauteilen angezeigt.

Schwalllöten – mit der TS100 ins Detail
Die Besonderheit bei HIRT Apparatebau besteht im selektiven Wellenlöten. Hierbei wird nicht die ganze Baugruppe, sondern nur ein kleiner Teil mittels der eingangs erwähnten Miniatur-Welle gelötet. Der Erfolg basiert auf der ausgeklügelten Methode, die Baugruppe genau über der Welle zu positionieren. Bleifreies Löten mit dem TS 100 Schwalllötbad ist ideal für Bereiche mit Kleinstabmessungen oder für Bauteile, deren Lötstellen nur schwer zugänglich sind. Das TS 100 kann in nahezu jedem Löttemperaturbereich zum Einsatz kommen. Ein hoher Arbeitskomfort ergibt sich durch die Tatsache, dass entstehender Abbrand durch die stetige Lotumwälzung und mechanische Abstreifung sofort weggeschwemmt wird. Das Miniaturlötbad, auch Miniwave genannt, ist kostengünstig in der Anschaffung und im Unterhalt. Darüber hinaus erweist sich das Miniwave durch die frei wählbare Düsenform als sehr flexibel und ausgesprochen wartungsfreundlich. Das betrifft gerade auch die Haltbarkeit bei aggressiven Loten.

Schwalllöten – die individuelle Lösung verwirklichen
Wenn es darum geht, sich auf nahezu jede Applikationsgröße einzustellen, kommt das Schwalllötbad TS 200 zum Einsatz. Es spielt keine Rolle ob Einzel-, Simultan- oder Flächenlötung, hier steht ein kostengünstiges System für bleifreies Löten zur Verfügung. Bei allen Lötbadgrößen wird die gleiche Pumpeinheit eingesetzt – und die ist schnell ausgetauscht. Das macht Sinn, denn während eines Reinigungsintervalls wird einfach eine Ersatzpumpe eingesetzt. So kommt es zu keinen nennenswerten und kostenintensiven Produktionsunterbrechungen. Mit nur wenigen Handgriffen sind auch der Schwalleinsatz und die Gashaube entnommen. Damit der Sauerstoff auch hier nicht zum Feind wird, garantieren die permanente Stickstoffbegasung und die Lotumwälzung den oxidfreien Lotschwall. Die platzsparende Konstruktion liefert eine hervorragende Lötqualität und spielt die ganzen Stärken im Platinenlöten aus. Dort entsteht ein exakt definierter Lötabriss bei allen gängigen Durchzugswinkeln. Für die Schnellpositionierung steht optional ein XY-Schlittensystem zur Verfügung. Schwallabfrage und -kontrolle lassen sich über Laser und Kamera realisieren.

Induktionslöten – muss es immer die offene Flamme sein?

Unsere Vorfahren würden sich in einer heutigen Werkstätte verwundert die Augen reiben und sich fragen, was beim­ Induktionslöten vor sich geht. Wo ist die Flamme abgeblieben? Beim induktiven Löten wird zur Wärmeerzeugung der elektromagnetische Induktionseffekt genutzt. Bleifreies Löten bedeutet hier, dass zunächst ein im Wechselstromkreis befindlicher Induktor angebracht wird, der die Bauteile umschließt. Das sich verändernde elektrische Feld erzeugt ein wechselndes Magnetfeld, welches in den Bauteilen die zum Löten notwendige Wärme erzeugt. Mittels dieser „Induktionsschleife“ werden metallische Bauteile ohne offene Flamme bei gleichbleibend hoher Qualität und niedriger Taktzeit effektiv bleifrei verlötet. HIRT Apparatebau hat auch dieses Verfahren in den letzten Jahren immer weiter optimiert. Durch diese Sonderform des Selektivlötens bzw. partiellen Lötens werden Energie und Material genau dort eingesetzt, wo sie gebraucht werden. Das Lot kann vor dem Lötprozess dossiert, oder während des Lötprozesses über eine Lotdrahtzuführ-Einheit eingebracht werden. Als Alternative zum Flammlöten oder Lötkolbenlöten ist bleifreies Löten mittels Induktion hervorragend geeignet.

Laserlöten – wenn Science Fiction auf Wirklichkeit trifft

Auch wir haben nicht verlernt, uns zu wundern. So tritt das Licht sowohl als Welle wie auch als Teilchen (Photon) in Erscheinung. Ein Hollywood-„Lichtschwert“ gehört noch in den Bereich der Science Fiction, doch den gebündelten Strahl machen wir uns in der Löttechnik schon heute zunutze. Das Laserlöten eignet sich hervorragend zur Herstellung kleinster Lötverbindungen, denn der Laserstrahl ermöglicht die punktgenaue Übertragung einer hohen Energie auf die Lötstelle. Dadurch, dass die Erwärmung zeitlich und räumlich sehr eng begrenzt wird, tritt an den Bauteilen nahezu keine thermische Belastung auf. Bleifreies Löten mit dem Laser ermöglicht eine hohe Prozesssicherheit bei hoher Qualität und erweist sich als besonders geeignet bei der Verarbeitung hochempfindlicher Bauteile bzw. Trägermaterialien (Chipkarten) oder an schwer zugänglichen Lötstellen. Als Variante des Selektivlötens bzw. partiellen Lötens wird bleifreies Lot vor dem Lötprozess in Form eines Lotpasten-Depots aufgebracht. Bleifreies Löten lässt sich auch mittels Lotpastendosierung oder im Siebdruckverfahren umsetzen.

Zubehörteile – vom Nebendarsteller zum Hauptdarsteller
Es liegt in der Natur der Sache, dass ein so vielschichtiges Themengebiet wie das bleifreie Löten zahlreiche individuelle und teilweise exotische Kundenwünsche mit sich bringt. HIRT Apparatebau stellt sich seit vielen Jahren diesen Herausforderungen. Die Zubehörteile nehmen dabei einen immer höheren Stellenwert ein. Das können Komponenten aus Reintitan sein, die genau nach Kundenvorgaben hergestellt werden. Da werden die unterschiedlichsten statischen Löttiegel oder Sonderlötbäder aus beständigem Reintitan gefertigt. Fremdfabrikaten nehmen wir uns ebenso an und liefern Ersatz für ausgemusterte Originalteile. Da sich auch bleifreies Löten den Gesetzen der Chemie unterwerfen muss, entoxidiert das Flussmittel die Fügeflächen und verhindert die erneute Oxidbildung während des Lötvorgangs. Je nach Bauart der zu verlötenden Teile dienen wir mit dem Sprüh-, Schwall- oder Pinselfluxen. Schlussendlich kann nur die kontinuierliche Prozesskontrolle eine gleichbleibende Fertigungsgüte sicherstellen. So kann mittels Laserschwall- oder Kamera-Überwachung die Veränderung der Lotschwallhöhe erfasst und gegebenenfalls nachreguliert werden. Bleifreies Löten mit HIRT Apparatebau – den Tüftlern aus dem Schwarzwald.