Warum braucht es ein Lotbadmanagement? Das Zusammenspiel der verwendeten Materialien und Instrumente sowie die gültigen Gesetze und wirtschaftliche Gesichtspunkte verlangen eine grosse Prozesssicherheit, damit das Legierungssystem im Gleichgewicht bleibt. Dabei ist das Lotbadmanagement ein fortlaufender Prozess, der nie aufhört und helfen kann, in puncto Qualität auf der sicheren Seite zu stehen. Metallisierungen von Leiterplatten und Bauteilen lösen sich im Zuge von Lötprozessen unterschiedlich stark im verwendeten Weichlot auf. Der Grad der Auflösung, und damit die Kontamination, ist abhängig von Löttemperatur, Kontaktzeit, Tiegelgrösse, Rüstzeug sowie der verwendeten Legierung. Die höhere Aggressivität von bleifreien Weichloten im Vergleich zu bleihaltigen Legierungen und die damit verbundene stärkere Lösungswirkung gegenüber anderen Metallen tragen dazu bei, die Zusammensetzung des Lotbads schneller zu verändern.
Wenn alles stimmt, steht am Ende eine zuverlässig funktionierende Baugruppe
Das Gleichgewicht des Legierungssystems bedeutet, dass Eingriffsgrenzen weder über- noch unterschritten werden sollten. Nur so kann man sicherstellen, dass das Fehlerpotenzial, ausgehend vom eingesetzten Weichlot, möglichst gering bleibt, die Eigenschaften der Lote sich nicht verändern und somit Beständigkeit bei der Lötqualität gewährleistet werden kann. Am Ende steht eine zuverlässig funktionierende elektronische Baugruppe.
Der Anfang ist einfach. Zu Beginn steht die regelmässige Probeentnahme – aber schon da lauern die ersten Gefahren. Fehler stellen die Aussagekraft von Analysenergebnissen erheblich in Frage. Jede noch so gute Analysenmethode kann dies nicht wieder wettmachen. Üblicherweise bedient man sich bei der Probeentnahme einer sauberen Probenkelle. Wie für alle Werkzeuge gilt auch hier eine strikte Trennung zwischen bleifreien und bleihaltigen Fertigungsstrassen. Daher ist zu empfehlen, besser zwei als eine Probenkelle zu verwenden. Hat die Anlage nach etwa zwei bis drei Stunden eine definierte Betriebszeit und das Lot damit eine homogene Durchmischung erreicht, wird eine Probe aus der Badmitte oder direkt aus der Welle entnommen und in eine kalte Form abgegossen. Mit den entsprechenden Informationen (Maschinentyp, Legierung, Datum der Probenahme) sendet man diese an ein Labor. Dort erhält jede Probe eine Analysennummer und es wird nach entsprechender Vorbereitung an einem modernen High-End-Funkenspektrometer die Zusammensetzung ermittelt. In der Regel erhalten die Kunden ihre Ergebnisse binnen 24 bis 72 h per E-Mail.
Kupfer, Silber, Gold, Nickel und teilweise auch Blei als Hauptübeltäter
Analysenscheine weisen in der Regel Kontaktinformationen, die Lotbadzusammensetzung sowie die empfohlenen legierungsspezifischen Eingriffsgrenzen auf. Entsprechen die Messergebnisse nicht den vorgegebenen Empfehlungen, sind Abweichungen farblich unterlegt. Ein roter Wert bedeutet für den Maschinenführer: Achtung, hier muss gehandelt werden! Da Eingriffsgrenzen aber nicht genormt sind, obliegt es dem Verantwortlichen, hier möglicherweise aktiv zu werden.
Keine Norm gibt Aufschluss darüber, welche Verunreinigungen ein Lotbad haben darf. Lediglich der amerikanische Joint Industry Standard 001F hat diesbezüglich Richtlinien erarbeitet. Leiterplatten, Bauteile und seltener auch erodiertes Rüstzeug verändern im Laufe der Zeit die Zusammensetzung einer Lötlegierung oft derart, dass eingegriffen werden muss. Kupfer, Silber, Gold, Nickel und teilweise auch Blei sind hier in den meisten Fällen die Hauptübeltäter, wenn Probleme auftreten. Diesen Elementen gilt folglich ein besonderes Augenmerk. Veränderungen in den Konzentrationen dieser und auch anderer Metalle können oft weitreichende Folgen haben.
Treten Lötdefekte bereits in erhöhter Anzahl auf, ist es meistens zu spät. Verletzungen der Eingriffsgrenzen verlangen, eine Korrektur vorzunehmen, um Qualitätsproblemen vorzubeugen. Korrektur bedeutet einen Teilaustausch oder das Beschicken mit einem so genannten Refill oder Nachsetzlegierung. Hier hilft nur, Prozesse besser zu steuern. Das eigentliche Lotbadmanagement beginnt.
Bei bleifreien Weichloten Kupfer-Leaching und Bleieintrag verhindern
Eine Herausforderung beim Einsatz von bleifreien Weichloten stellt die Regulierung des Kupfergehaltes dar. Bei Gehalten ab etwa 0,85 % erhöht sich die Gefahr der Brückenbildung, noch höhere Konzentrationen führen zu spröden Verbindungen und einer Erhöhung des Liquidus. Mithilfe von kupferarmen Äquivalenten kann das so genannte Kupfer-Leaching, bei dem sich das Lotbad durch Auslaugung mit Kupfer anreichert, ausgeglichen werden. Die Brückenbildung wird auf diese Weise reduziert. In seltenen Fällen reichern sich besonders bei niedrigen Prozesstemperaturen in Kaltzonen nadelförmige, intermetallische Phasen (Cu6Sn5) an, die nur schwer löslich sind. Hier hilft oft nur ein manuelles Abschöpfen oder komplettes Entleeren, um diese zu entfernen. Die RoHS-Direktive verbietet unter anderem einen Bleigehalt von über 0,1 %. Entstehen hier Kontaminationen, werden diese meist durch Bauteile eingetragen. Nicht selten kommt es aber auch zu einer versehentlichen Falschbefüllung des Lotbades. Besteht die Verpflichtung, gemäss RoHS-Richtlinien zu fertigen, ist ein Austausch oder sofortiges Verdünnen unvermeidbar.
Eisen-, Chrom- und Titan- und weitere Einträge von Rüstzeug verhindern
Silber ist in Zinn/Kupfer-Legierungen eher unerwünscht, Verunreinigungen führen hier zu matteren Oberflächen. Nickel ist oft Bestandteil in mikrodotierten Legierungen. Es gilt als Kornfeinungselement und minimiert das Kupfer-Leaching. Kritisch werden jedoch Werte ab 0,1 %, die zu Benetzungsproblemen führen können. Steigende Goldkonzentrationen (ab etwa 0,1 %) machen das Lot teigig und nehmen ihm den Glanz. Noch höhere Konzentrationen führen zu Versprödungen. Ein problematisches Element ist jedoch Eisen. Hier kann sich das Lotbad über längere Zeit verunreinigen, ohne dass es auffällt. Erosion an Pumpen, Steigrohren und sonstigem Rüstzeug findet unter der Lotbadoberfläche statt und bleibt so oft unentdeckt. Die Verteilung von gelösten Bestandteilen ist sehr inhomogen, auch in Proben neigt Eisen zu Seigerungen, infolgedessen wird die Detektion und quantitative Bestimmung erschwert. Konzentrationen ab etwa 0,03 % führen zu spröden Lötverbindungen und körnigem Aussehen.
Erschwerend kommt hinzu, dass verwendete Werkstoffe aus dem Anlagenbau, zum Beispiel Chrom und Titan, in der Regel nicht zum Analytikportfolio von Laboren der Lötmittelhersteller gehören. Deshalb ist es ratsam, sein Rüstzeug regelmässig auf Beschädigungen zu untersuchen und diese gegebenenfalls auszutauschen. Zink, Cadmium und Aluminium besitzen eine grosse Affinität zu Sauerstoff. Somit bilden sich schon bei niedrigen Gehalten Oxide, die sich an der Oberfläche anreichern. Konzentrationen über 0,005 % können hier bereits zu Lötfehlern führen. Arsen führt zu Entnetzung, bei Konzentrationen über 0,05 % wird ein Austausch der Legierung empfohlen.
Hohe Wismutgehalte sorgen, ähnlich wie Blei, für matte Oberflächen. Auch wenn Wismut unter anderem für bessere thermische Festigkeit sorgt, sind Kombinationen mit erhöhter Bleikontamination zu vermeiden, da dieses zu Lotmeniskusabhebern führen kann. Antimon erhöht die Zugfestigkeit in Weichloten, Konzentrationen über 0,5 % oder mehr können sich negativ auf die Benetzungsgeschwindigkeit auswirken. Ein Lotbad zu überwachen, erfordert Aufmerksamkeit, da sich eine pauschale Aussage betreffend nötiger Analysenintervallen schwer treffen lässt. Als Kundenservice dienen kostenfreie Lotbadanalytik und entsprechende Hilfestellung.
Infoservice
Simpex Electronic AG
Binzackerstrasse 33, 8622 Wetzikon
Tel. 044 931 10 10, Fax 044 931 10 11
contact@simpex.ch, www.simpex.ch
