Löten entmystifiziert: Die Grundlagen für erfolgreiches Löten verstehen

Löten ist eine überraschend einfach zu erlernende Fähigkeit, vorausgesetzt, Sie wissen, was Sie tun. Letzteres ist kritisch, da das Fahrzeug Komponenten manipuliert, die für maximal 250 ° F ausgelegt sind, mit einem Werkzeug, das bei 650 ° F arbeitet.

Die Fehlerquote ist hier recht gering und Fehler sind oft katastrophal und teuer, was die meisten Anfänger davon abhält, bei anfänglichen Fehlern durchzuhalten. Dies lässt sich jedoch ganz vermeiden, indem man sich von Anfang an mit den Grundlagen vertraut macht.

Lesen Sie weiter, um die Grundlagen des Lötens zu lernen und sich die Schrecken verkohlter Elektronik und zerbrochener Träume zu ersparen.

Warum sollten Sie sich mit dem Löten beschäftigen?

Auf der grundlegendsten Ebene schafft das Löten zuverlässige elektrische (und folglich mechanische) Verbindungen zwischen leitfähigen Metallkomponenten. Dabei wird ein Paar Drähte oder ein elektronisches Bauteil auf eine Leiterplatte (PCB) gebondet.

Die kritischen Denker unter Ihnen fragen sich vielleicht, warum nicht einfach Drähte miteinander verdrillen oder Komponenten mit Muttern und Schrauben auf Leiterplatten befestigen. Bei diesem Ansatz gibt es zwei Hauptprobleme. Zunächst einmal sind solche Verbindungen bei Bewegung oder Vibration mechanisch nicht stabil. Zweitens sind Befestigungselemente, obwohl mechanisch einwandfrei, überhaupt nicht elektrisch stabil.

Wir suchten Inputs von Dr. Lakshmi Narayan Ramasubramanian von dem Department of Materials Science and Engineering am Indian Institute of Technology Delhi, um Klarheit über einige der eher technischen Aspekte des Lötens zu erhalten.

Empfindliche Elektronik benötigt unbedingt niederohmige elektrische Verbindungen, um eine konstante Leitfähigkeit über die gesamte Lebensdauer des Produkts aufrechtzuerhalten. Dies ist durch einfaches Zusammenpassen von Komponenten mit Befestigungselementen schwierig zu erreichen. Der unvermeidliche Luftspalt zwischen den Bauteilen in solchen Verbindungen führt zu Oxidation (oder Rost bei Eisenmetallen), was die elektrische Leitfähigkeit erheblich verringert. Diese Hürden machen das Löten für Anwendungen der Niederspannungs-Präzisionselektronik unverzichtbar.

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Beim Löten von zwei Komponenten verbindet sich das Lot selbst mit dem Metall (meist Kupfer) zu einer völlig neuen Legierung. Löten verbindet die Komponenten im Wesentlichen auf molekularer Ebene, ohne Luftspalte zu hinterlassen und somit die Möglichkeit einer Oxidation auszuschließen. Die zusätzliche mechanische Stabilität ist ein willkommener Bonus.

Das Verbinden von Metallen durch Zusammenschmelzen ist ein riskantes Unterfangen, wenn man bedenkt, wie die meisten Halbleiterkomponenten für den Betrieb bei einer maximalen Temperatur von 250 ° F ausgelegt sind. Die Verwendung von Hitze, um die Anschlüsse eines integrierten Chips mit den Pads auf einer Leiterplatte zu verschmelzen, ist nicht möglich, da Kupfer bei atemberaubenden 194°C schmilzt. Sie müssen das Bauteil lange braten, bevor Sie eine zuverlässige Verbindung herstellen.

Hier kommen die einzigartige Zusammensetzung und die thermodynamischen Eigenschaften von Lot ins Spiel.

Lot ist eine eutektische Legierung aus Blei und Zinn. Das eutektische Bit ist wichtig, weil es der Legierung ermöglicht, bei einer deutlich niedrigeren Temperatur zu schmelzen als ihre konstituierenden Metalle. Während reines Blei und Zinn bei 620 °F bzw. 450 °F schmelzen, beginnt eine Lotlegierung, die aus diesen beiden Metallen besteht, die im Verhältnis 63:37 gemischt sind, bereits bei 361 °F zu fließen.

Während das Löten so aussehen mag, als würde es Kupferdrähte oder Bauteilanschlüsse auf eine Leiterplatte schmelzen, funktioniert der Prozess in Wirklichkeit durch die Nutzung der metallischen Lösungsmittelwirkung des Lötmittels. Wenn heißes Lot in die Kupferkomponentenleitungen eingeführt wird, wirkt es als Lösungsmittel, das die freiliegenden Kupferoberflächen durchdringt und auflöst. Durch diese Lösungsmittelwirkung werden sie auf molekularer Ebene zu einer völlig neuen Legierung in der intermetallischen Schicht verschmolzen.

Dieses Phänomen wird als Benetzungswirkung bezeichnet und ist für den Prozess der Löten – d. h. die Umwandlung unterschiedlicher Komponenten in einen durchgehenden und elektrisch leitenden Körper aus Hybridlegierung.

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Oxidation mit Flussmittel bekämpfen

Die metallische Lösungswirkung von Lot ist die Grundlage erfolgreicher Lötverbindungen. In der Praxis kann jedoch Lot allein keine Benetzungswirkung auslösen. Dieser Prozess wird katalysiert, indem Wärme sowohl dem Lötmittel als auch den Kupferkomponentenanschlüssen zugeführt wird.

Das ist ein Problem, da Hitze auch dazu führt, dass exponierte Kupferoberflächen in Gegenwart von Luft schnell oxidieren. Die entstehende Oxidgrenzschicht wirkt als Barriere, die eine Benetzung unmöglich macht. Das Problem wird noch schlimmer, wenn Schmutz, Schmutz, Fingeröle, Fett und andere Verunreinigungen auf den Komponentenoberflächen vorhanden sind. Diese hemmen weiter die Metalllösungsmittelwirkung, die für eine erfolgreiche Lötverbindung erforderlich ist.

Sie können versuchen, die Oberflächen sauber zu schrubben, aber Sie werden auf eine brandneue Oxidschicht stoßen, sobald Sie die Kupferleitungen erneut erhitzen. Wenn es nur eine Möglichkeit gäbe, die Oxidschicht beim Löten zu entfernen. Nun, genau das macht Flux.

Flussmittel besteht aus Kolophonium, einer festen Form von Harz, das aus Pflanzen gewonnen wird. Für Elektronikzwecke wird Kolophonium entweder allein verwendet oder mit milden Aktivatoren kombiniert, die es dem resultierenden Flussmittel ermöglichen, bei Raumtemperatur nicht korrosiv und nicht leitend zu bleiben. Dasselbe wird ausreichend aktiv, um Oxide und andere Verunreinigungen chemisch zu entfernen, wenn es mit genügend Wärme versorgt wird.

Wenn Sie Oberflächen, die mit Flussmittel gelötet werden sollen, beschichten, katalysiert die während des Lötvorgangs aufgebrachte Wärme das Flussmittel und entfernt Verunreinigungen. Dadurch wird reines Kupfer freigelegt und die Benetzungswirkung ermöglicht. Flussmittel kann vor dem Löten auf Bauteile aufgebracht werden, es wird aber auch während des Prozesses durch den Lötdraht selbst eingebracht.

Die meisten modernen Lötdrähte haben einen inneren Kern, der mit Kolophoniumflussmittel gefüllt ist, das während des Lötens automatisch abgegeben wird.

Wann löten und wann nicht löten

Nachdem wir nun die Wissenschaft hinter dem Löten herausgefunden haben, ist es ebenso wichtig zu wissen, wann man lötet und wann es eine schlechte Idee ist. Alles, was mit Leiterplatten zu tun hat, wird fast ausschließlich gelötet. Das Verfahren bietet eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit und ein gutes Maß an mechanischer Befestigung, während die Gesamtgröße Ihrer Elektronikprojekte erheblich reduziert wird.

Manchmal lohnt es sich jedoch, genau zu wissen, wann Sie nicht zum Löten greifen sollten.

Während Drähte entweder miteinander verlötet oder auf Leiterplatten gelötet werden können, müssen Sie immer dann überdenken, wenn die gewünschte Anwendung irgendeine Bewegung oder Vibration beinhaltet. Automobil-, Robotik- und 3D-Druckanwendungen sind großartige Beispiele, bei denen das Löten normalerweise auf Leiterplatten beschränkt ist und bei allen Kabelanschlüssen kategorisch vermieden wird.

Denn Lötstellen sind hart, aber spröde und damit anfällig für Biegeermüdung. Definitiv keine wünschenswerte Eigenschaft für elektrische Gelenke, die ständigen Vibrationen und Bewegungen ausgesetzt sind. Gelötete Kabel unterliegen bei solchen Anwendungen einer Biegeermüdung und versagen folglich an den spröden Verbindungsstellen.

Gerade deshalb werden Kabelendverschlüsse, die solchen Kräften ausgesetzt sind, in diesen Anwendungen gecrimpt statt gelötet.

Auch wenn dies kontraintuitiv klingen mag, ist Löten nicht die einzige Möglichkeit, gasdichte, oxidationsbeständige Verbindungen zu erzielen. Der enorme Druck, der beim Crimpen erzeugt wird, sichert Kupferleitungen auf molekularer Ebene, wodurch sie perfekt gasdicht werden.

Tatsächlich sind Crimpverbindungen ihren gelöteten Gegenstücken sowohl mechanisch als auch elektrisch überlegen und gleichzeitig widerstandsfähig gegen Biegeermüdung. Dr. Ramasubramanian nennt das Fehlen intermetallischer Verbindungen in Crimpverbindungen als Hauptgrund dafür, dass die Grenzfläche aus reinem Kupfer eine verbesserte Leitfähigkeit gegenüber Lötverbindungen aufweist.

Er erklärt auch, dass die Kupfer-zu-Kupfer-Verbindung von Crimpverbindungen von Natur aus stärker ist, da ähnliche Atome dazu neigen, starke, stabile Bindungen zu bilden. Auf der anderen Seite bilden sich die unterschiedlichen Kupfer-, Blei- und Zinnatome in Lötverbindungen relativ schwächere Bindungen, die unter ständiger Belastung stehen, was wiederum die Ermüdungsrissbildung unter mechanischer betonen.

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Auch deshalb finden Sie im Motorraum Ihres Fahrzeugs keinen einzigen gelöteten Kabelanschluss. Dito für 3D-Drucker und alle anderen Geräte, die ständigen Vibrationen und Bewegungen ausgesetzt sind.

Je mehr du weisst

Wenn Sie die zugrunde liegende Mechanik des Lötens kennen und wissen, wann es angemessen ist, es auf Ihre Projekte anzuwenden, machen Sie den Unterschied zwischen Erfolg und Hunderten von Dollar an beschädigter Elektronik aus.

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