Arten des PCB-Lötens und des Bestückungsvorgangs

Ich kann mich noch gut daran erinnern, wie ich zu Beginn meiner Arbeit im Labor gelegentlich Drahtleitungen an metallisierte Kontakte löten musste. Wir arbeiteten hier vorrangig mit Halbleitermaterialien. Dieselben Materialien können aber auch beim Löten von Leiterplatten verwendet werden. Es kommt nur darauf an, die richtige Mischung zu wählen, die in den Herstellungsprozess der Leiterplatte passt.

Der Herstellungsprozess von Leiterplatten umfasst mehrere Schritte. Diese reichen von der Herstellung der Leiterplatte bis zu deren Bestückung und Verpackung. Im Rahmen der Leiterplattenmontage werden verschiedene Arten von Leiterplattenlötmitteln zur Montage von Komponenten verwendet. Unterschiedliche Lötmittel haben wiederum unterschiedliche mechanische Eigenschaften, Sicherheitsaspekte und Entsorgungsbedenken, die bei der Planung der Bestückung berücksichtigt werden sollten. Der Übergang zu bleifreier Elektronik führt dazu, dass immer seltener bleihaltige Lötmittel verwendet werden.

Auf die Debatte über bleihaltige oder bleifreie Produkte möchte ich an dieser Stelle nicht eingehen, da das Internet dazu viel zu sagen hat. Bleiben wir also zunächst bei der Betrachtung der verschiedenen Arten des PCB-Lötens, insbesondere der verschiedenen Materialien und Verfahren.

PCB-Lötmaterialien

Es gibt viele verschiedene Arten von Lötmitteln auf dem Markt. Die Auswahl des besten Lötmitteltyps kann für neue Designer oder Monteure daher eine schwierige Aufgabe sein. Lötmittel werden verwendet, um elektrische Verbindungen zwischen Metallkontakten herzustellen. Sie tun dies, indem geschmolzenes Lot (eine Weichlotlegierung) ein Eutektikum bildet, welches wiederum beim Abkühlen verschmilzt. Die Metallmischung, aus der eine gelötete Leiterplatte besteht, bestimmt ihre mechanische Festigkeit nach dem Erstarren, die erforderliche Schmelztemperatur und alle Dämpfe, die beim Löten entstehen. Die verschiedenen Arten von PCB-Lötmaterialien können wir unterscheiden anhand: des Kernmaterials, der metallischen Bestandteile und der Art des Lötflussmittels.

Metallischer Gehalt

Bleilotmischungen werden als Weichlote bezeichnet und sind für den Aufschwung der Elektronikindustrie verantwortlich. Sie haben einen Schmelzpunkt von etwa 180–190 °C und eine Haltbarkeit von etwa 2 Jahren. Zu den gängigen Lotlegierungen auf Bleibasis gehören:

• 60/40 Sn/Pb
• 63/37 Sn/Pb
• 62/36/2 Sn/Pb/Ag

Andere Sn/Pb-Verhältnisse sind 50/50, 30/70 und 10/90. Zinn wird hauptsächlich als Grundmetall verwendet, da es der Legierung einen niedrigeren Schmelzpunkt verleiht. Blei wiederum hemmt das Wachstum von Zinn-Haarkristallen. Eine höhere Zinnkonzentration sorgt dafür, dass die Lötverbindung eine höhere Scher- und Zugfestigkeit aufweist. Die Silberkomponente in 62/36/2 Sn/Pb/Ag sorgt für einen geringeren Kontaktwiderstand und Korrosionsbeständigkeit. Beachten Sie, dass es auch andere Arten von Lot (Indium, Zinklegierung usw.) gibt, diese jedoch nicht auf Leiterplatten verwendet werden, da sie nicht mit dem PCB-Herstellungsverfahren kompatibel sind.

Bleifreie Lötmittel werden immer beliebter, vor allem seit die EU die Richtlinie zur Beschränkung gefährlicher Substanzen (Restriction of Hazardous Substances, RoHS) verabschiedet hat, welche die Verwendung von Blei in Elektronik deutlich einschränkt. Ein Problem mit bleifreien Lötmitteln besteht darin, dass sie eher dazu neigen Zinn-Haarkristalle zu bilden. Oft werden daher Schutzlacke verwendet, um die Bildung dieser Zinn-Haarkristalle zu verhindern und um gleichzeitig Schutz vor Feuchtigkeit und Korrosion zu bieten.

Flussmittelkernlot wird als Einzelrolle verkauft und enthält im Kern ein Reduktionsmittel. Dieses Reduktionsmittel (ich gehe weiter unten näher darauf ein) entfernt jegliche Oxidschicht auf den Metallkontakten, um einen elektrischen Kontakt mit hoher Leitfähigkeit zu gewährleisten. Die Art des im Kern enthaltenen Materials ist ein weiterer Punkt, den Sie berücksichtigen sollten, wenn Sie von Hand löten.

Material des Lötkerns

Lötspulen oder Lötpasten werden eines dieser Materialien enthalten, um die Metallkontakte beim Löten zu fluxen:

• Organisches Säureflussmittel: Ein Flussmittel auf Säurebasis sorgt für eine aggressive Entfernung von Oxiden von den Metallkontakten, während diese gelötet werden. Dieses Flussmittel ist wasserlöslich und die Rückstände müssen nach dem Löten entfernt werden, um Korrosion zu verhindern.
• Kolophonium-Flussmittel: Kolophonium ist eine feste Form von Harz, das aus Nadelbäumen gewonnen wird. Kolophonium-Flussmittelrückstände verursachen keine Korrosion und werden daher immer dann verwendet, wenn es schwierig ist, Rückstände von organischen Säureflussmitteln zu entfernen.
• Festkernlote: Manche Lötdrähte haben einen festen Kern und enthalten kein Flussmittel, also muss das Flussmittel von Hand aufgetragen werden. Diese Art von Lötmittel eignet sich für das Handlöten, sofern ein Flussmittel auch verfügbar ist.

PCB-Lötverfahren

Heutzutage stellt bleifreies (Sn-Cu) Kolophoniumkernlot die häufigste Art von Lot in Leiterplatten dar. Sofern Ihr Bestücker nicht an einer Einzelleiterplatte arbeitet oder Sie Ihre eigene Leiterplatte zusammenbauen, wird die PCBA nicht von Hand gelötet. Stattdessen durchläuft sie einen automatisierten Prozess:

• Wellenlöten: Wird für Durchkontaktierungskomponenten verwendet
• Reflow-Löten: Wird für SMT-Komponenten in einem Reflow-Ofen verwendet
• Selektives Löten: Wird verwendet, wenn eine Durchkontaktierungskomponente durch große Hitze beschädigt werden könnte oder für Wellen- und Reflow-Verfahren ungeeignet ist

Zuerst wird Flussmittel/Paste auf die Metallkontakte auf der Leiterplatte aufgetragen, um die Oxidation zu reduzieren und den Fluss des geschmolzenen Lötmittels auszugleichen, wodurch die fertige Lötverbindung auf einer Leiterplatte gestärkt wird. Die meisten Designer gehen wahrscheinlich davon aus, dass man Bauteile mit bleifreien Anschlüssen mit einer bleifreien Lötpaste zusammenbauen muss; das ist aber keine strenge Vorgabe. Laut einem Gremium von Lötexperten ist es nicht ungewöhnlich, diese Materialien zu mischen. Beachten Sie jedoch, dass die endgültige Legierung, die Sie formen, mechanische Eigenschaften aufweisen kann, die dann zwischen den endgültigen Legierungen auf Bleibasis und den bleifreien Legierungen liegen.

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