Schmuck: Löten

Löten ist ein Verfahren, bei dem zwei oder mehr Metallteile durch das Schmelzen und Fließen eines Zusatzmetalls (Lot) an der Verbindungsstelle miteinander verbunden werden. Dabei hat das Lot einen niedrigeren Schmelzpunkt als das angrenzende Metall.

Geschichte

Löten unterscheidet sich vom Schweißen dadurch, dass beim Löten die Werkstücke nicht geschmolzen werden. Beim Hartlöten schmilzt der Schweißzusatz bei einer höheren Temperatur, aber das Metall des Werkstücks schmilzt nicht. Früher enthielten fast alle Lote Blei, doch aufgrund Umweltbelangen wird zunehmend die Verwendung von bleifreien Legierungen für elektronische und sanitärische Zwecke vorgeschrieben.

Es gibt Hinweise, dass das Löten bereits vor 5000 Jahren in Mesopotamien eingesetzt wurde.[1] Man geht davon aus, dass das Löten und Schweißen sehr früh in der Geschichte der Metallverarbeitung entstand, wahrscheinlich bereits um 4000 v. Chr.[2]. Die sumerischen Schwerter aus der Zeit um 3000 v. Chr. wurden durch Hartlöten zusammengebaut.

Das Löten wurde ursprünglich verwendet, um Schmuckstücke, Kochgeschirr und Werkzeuge herzustellen, sowie auch für andere Anwendungen, wie z.B. beim Zusammenbau von buntem Glas.

 

Anwendungen

Löten

Löten

Löten wird für Sanitär- und Elektronikarbeiten verwendet, sowie für Metallarbeiten von Kehlblech bis zu Schmuck.

Das Zusammenlöten bietet eine permanente Verbindung, aber auch reversible Verbindungen zwischen Kupferrohren in Rohrleitungssystemen, sowie Verbindungen für Blechgegenstände, wie z.B. Konservendosen, Dachabdeckungen, Dachrinnen und Autokühler.

Schmuckbestandteile, Werkzeugmaschinen und einige Kälte- und Sanitärkomponenten werden oft durch den Hochtemperatur-Silberlötvorgang zusammengesetzt und repariert. Kleine mechanische Teile werden auch oft gelötet oder hartgelötet. Löten wird auch verwendet, um Blei- und Kupferfolie bei der Buntglas-Arbeit zu verbinden. Es kann auch als vorübergehender Flicken für ein Leck in einem Behälter oder als Kochgefäß verwendet werden.

Elektronisches Löten verbindet elektrischen Leitungen und elektronische Bauteile auf Leiterplatten.

 

Lote

Löt-Füllmaterialien gibt es in vielen verschiedenen Legierungen für jeweils unterschiedliche Anwendungen. Bei Elektronikbaugruppen ist die beliebteste Legierung die eutektische Legierung aus 63 % Zinn und 37 % Blei (oder 60/40, die einen nahezu gleichen Schmelzpunkt hat). Andere Legierungen werden für sanitärische und mechanische Montagen und andere Anwendungen verwendet. Einige Beispiele für weichen Lot sind Zinn-Blei für allgemeine Anwendungen, Zinn-Zink für Aluminiumverbindungen, Blei-Silber für gute Festigkeit bei Temperaturen höher als der Raumtemperatur, Cadmium-Silber für gute Festigkeit bei hohen Temperaturen, Zink-Aluminium für Aluminiumverbindungen und Korrosionsbeständigkeit, und Zinn-Silber und Zinn-Wismut für elektronische Anwendungen.

Eine eutektische Formel bietet Vorteile, wenn sie beim Löten angewendet wird: die Liquidus- und Solidus-Temperaturen sind die selben, so dass es keine plastische Phase gibt und es den niedrigsten Schmelzpunkt hat. Beim niedrigsten Schmelzpunkt wird eine minimierte Wärmebelastung für elektronische Komponenten beim Löten ermöglicht. Ohne plastische Phase wird eine schnellere Benetzung ermöglicht, während sich das Lot erwärmt und einen schnelleren Aufbau beim Abkühlen des Lot ermöglicht. Eine nicht-eutektische Formel muss dennoch bestehen, da die Temperatur durch die Liquidus- und Solidus-Temperaturen fällt. Jegliche Bewegung während der plastischen Phase kann zu Rissen führen und somit zu einer unzuverlässigen Verbindung.

Übliche Löt-Formeln auf Zinn und Blei-Basis werden untenstehend aufgeführt. Der Bruch gibt den Anteil von Zinn an, dann folgt Blei, und diese ergeben zusammen 100%:

63/37: schmilzt bei 183°C (361°F) (eutektisch: die einzige Mischung, die genau bei einem Temperaturpunkt schmilzt, und nicht in einem Temperaturbereich)
60/40: schmilzt zwischen 183-190°C (361-374°F)
50/50: schmilzt zwischen 185-215°C (365-419°F)

Aus Umweltschutzgründen (und der Einführung von Regelungen, wie z.B. die europäische RoHS (Restriction of Hazardous Substances -Richtlinie) werden bleifreie Lote immer häufiger verwendet. Diese werden auch dort vorgeschrieben, wo kleine Kinder damit in Kontakt kommen könnten oder für den Außenbereich, wo Regen und andere Niederschläge das Blei in das Grundwasser waschen könnten. Leider sind die meisten bleifreien Lote keine eutektischen Formeln und schmelzen erst bei etwa 250°C (482°F), so dass es schwierig ist, zuverlässige Verbindungen mit ihnen zu erzeugen.

Andere übliche Lote sind Niedertemperatur-Formeln (oft enthalten diese Wismut), die häufig verwendet werden, um zuvor gelötete Verbindungen neu zu verbinden ohne die vorherigen Verbindungen abzulöten. Hochtemperatur-Formeln (in der Regel enthalten diese Silber) werden für den Hochtemperaturbetrieb verwendet oder für die erste Verbindung von Elementen, die während den nachfolgenden Verwendungen nicht abgelötet werden muss. Die Legierung aus Silber mit anderen Metallen ändert den Schmelzpunkt, die Haftung, die Benetzungseigenschaften und die Zugfestigkeit. Von allen Schweißlegierungen haben Silberlote die größte Stärke und die vielfältigsten Anwendungenszwecke.[2] Speziallegierungen sind sogar mit speziellen Eigenschaften erhältlich, wie z.B. eine höhere Stärke, die Fähigkeit Aluminium zu löten, eine bessere elektrische Leitfähigkeit und eine höhere Korrosionsbeständigkeit.[3]

 

Flussmittel

Gelötete Kupferrohre

Gelötete Kupferrohre

Der Zweck des Flussmittels ist es, den Lötvorgang zu erleichtern. Eine Verunreinigung an der Verbindungsstelle, wie z.B. Schmutz, Öl oder Rost, stellt oft ein Hindernis für eine erfolgreiche Lötverbindung dar. Die Verunreinigungen können durch mechanische Reinigung oder durch chemische Mittel entfernt werden, aber die erforderliche hohe Temperatur für das Schmelzen des Schweißzusatzes (das Lot) fördert die erneute Rostbildung am Werkstück (und am Lot). Dieser Effekt wird durch die sich erhöhenden Temperaturen beim Löten beschleunigt und kann verhindern, dass das Lot sich mit dem Werkstück verbindet. Eine der frühesten Formen des Flussmittels war Kohle, welches als Reduktionsmittel wirkte und half die Oxidation während des Lötprozesses zu verhindern. Einige Flussmittel verhindern nicht nur die Rostbildung, sondern auch eine Art der chemischen Reinigung (Ätzen).

Viele Jahre lang bestand die üblichste Art des Flussmittels für die Elektronik (Weichlöten) auf Kolophonium-Basis. Das Kolophonium stammte von einer bestimmten Art von Pinienbäumen. Es war ideal, da es nicht ätzend und nicht-leitend bei normalen Temperaturen war, doch wurde es leicht reaktiv (ätzend) bei den erhöhten Löttemperaturen. Sanitär- und Automobilanwendungen u.a. verwenden in der Regel ein Flussmittel auf Säurebasis (Salzsäure), welches eine Reinigung der Verbindung ermöglicht. Diese Flussmittel können nicht in der Elektronik verwendet werden, weil sie leitfähig sind und mit der Zeit die feineren Drähte auflösen könnten. Viele Flussmittel wirken auch als Benetzungsmittel im Lötprozess[4], verkleinern die Oberflächenspannung des geschmolzenen Lots und bewirken so, dass es leichter fliesst und das Werkstück leichter benetzt.

 

Flussmittel zum Weichlöten gibt es derzeit in drei Grundformeln:

Wasserlösliche Flussmittel – Flussmittel mit höherer Aktivität wurden entwickelt, um mit Wasser nach dem Löten (keine flüchtigen organischen Verbindungen zur Entfernung erforderlich) entfernt werden zu können.

Flussmittel ohne Reinigung – sind mild genug, um aufgrund ihrer nicht-leitenden und nicht-korrosiven Rückstände, nicht entfernt werden zu müssen[5]. Diese Flussmittel werden als solche bezeichnet, weil die Rückstände nach dem Lotvorgang nicht-leitend sind und daher zu keinen elektrischen Kurzschlüssen führen; dennoch hinterlassen sie einen deutlich sichtbaren weißen Rückstand. Rückstände von diesen Flussmitteln werden auf allen 3 Klassen von PCB definiert, akzeptiert, sofern diese Rückstände keine Sichtprüfung durchlaufen müssen, den Zugang zu Testpunkten verhindern oder nasse, klebrige oder zu viel Rückstände aufweisen, die sich auf andere Bereiche ausbreiten können. Auch Anschlusspassflächen müssen frei von Flussmittelrückständen sein. Fingerabdrücke in Rückständen sind ein Defekt der Klasse 3[6].

Traditionelle Kolophoniumflussmittel – sind als nicht-aktivierte (R), leicht aktivierte (RMA) und aktivierte (RA) Formeln verfügbar. RA und RMA-Flussmittel enthalten Kolophonium kombiniert mit einem Aktivierungsmittel, typischerweise eine Säure, die die Benetzbarkeit von Metallen erhöht, auf die es durch Entfernen der vorhandenen Oxide aufgebracht wird. Der Rückstand durch die Verwendung von RA-Flussmitteln ist ätzend und muss gereinigt werden. RMA-Flussmittel wurden so konzipiert, dass sie einen Rückstand aufweisen, der nicht besonders ätzend ist. Hier sollte gereinigt werden, doch entfernt werden muss es nicht.

Die Flussmittel-Leistung muss sorgfältig ausgewertet werden; ein sehr mildes Flussmittel ohne Reinigung könnte für Fertigungsanlagen durchaus akzeptabel sein, bietet aber keine ausreichende Leistung für einen schlecht-vorgenommenen Hand-Lötvorgang.

 

Verfahren

Es gibt drei Formen des Lötens, die jeweils eine immer höhere Temperatur benötigen und eine immer stärkere Verbindung ergeben:

Weichlöten, bei dem ursprünglich eine Zinn-Blei-Legierung als Schweißzusatz verwendet wird

Silber-Löten, bei dem eine Legierung verwendet wird, die Silber enthält

Schweißen, bei dem eine Messinglegierung als Schweißzusatz verwendet wird

Die Legierung des Schweißzusatzes kann für jede Art von Löten eingestellt werden, um die Schmelztemperatur des Lotes zu ändern. Löten unterscheidet sich vom Kleben dadurch, dass die Schweißzusatz-Legierung sich mit dem Werkstück an der Verbindungsstelle verbindet, um eine gas- und flüssigkeitsdichte Verbindung zu bilden.[5]

Weichlöten zeichnet sich durch einen Schmelzpunkt des Schweißzusatzes von unter 400°C (752°F)[8] aus, wohingegen beim Silberlöten und Schweißen höhere Temperaturen benötigt werden, typischerweise von einer Flamme oder Kohlelichtbogenbrenner, um das Schmelzen des Lots zu erreichen. Weichlot-Schweißzusätze sind typischerweise Legierungen (die häufig Blei enthalten), die Liquidus-Temperaturen von unter 350°C aufweisen.

Bei diesem Lötvorgang werden die zu verbindenden Teile erhitzt, wodurch das Lot schmilzt und die Werkstücke in einem Legierungsverfahren, welches man Benetzung nennt, verbindet. Beim Litzendraht wird das Lot in den Draht durch Kapillarwirkung gezogen. Diesen Vorgang nennt man Dochtwirkung. Die Kapillarwirkung erfolgt auch dann, wenn die Werkstücke sehr nah zusammen sind oder sich berühren. Die Zugfestigkeit der Verbindung hängt von dem verwendeten Schweißzusatz ab. Löten erzeugt elektrisch-leitende, wasser- und gasdichte Verbindungen.

Jede Art von Lot bietet Vor- und Nachteile. Weichlot nennt man so, weil das weiche Blei der Hauptbestandteil ist. Beim Weichlöten verwendet man die niedrigsten Temperaturen, aber es werden keine starken Verbindungen erzeugt und es ist für Anwendungen unter mechanischer Belastbarkeit ungeeignet. Auch ist es für Hochtemperaturanwendungen ungeeignet, da die Verbindungen weich werden und schmelzen.

Silberlöten, wie es von Juwelieren, Maschinisten und für einige Rohranwendungen verwendet wird, erfordert einen Brenner oder andere Hochtemperaturquelle und die Verbindung wird viel stärker als beim Weichlöten.

Hartlöten bietet die stärkste Verbindung, doch es erfordert auch die heißesten Temperaturen, um den Schweißzusatz zu schmelzen. Diese werden durch einen Brenner oder andere Hochtemperaturquellen erzeugt und hier benötigt man auch eine verdunkelte Schutzbrille, um die Augen vor dem hellen Licht der Schweißarbeit zu schützen. Hartlöten wird oft für die Reparatur von gusseisernen Objekten, schmiedeeisernen Möbeln etc. verwendet.

Löten kann mit Handwerkzeugen durchgeführt werden und jeweils wird nur eine Verbindung bearbeitet. Das Handlöten wird üblicherweise mit einem Lötkolben, einer Lötpistole, einem Brenner oder ab und zu mit einem Heißluftkolben durchgeführt. Blecharbeiten wurden ursprünglich mit „Kupferlot“ direkt von einer Flamme erhitzt. Hierbei behielt das Kupferlot genügend Hitze, um eine Verbindung herzustellen; Brenner oder elektrisch beheizte Lötkolben sind praktischer. Alle Lötstellen müssen gleich gereinigt, dann angepasst, erhitzt, das Flussmittel und den Lot aufgetragen werden, die Hitze reduziert und abschließend müssen die Teile so lange ruhig zusammengehalten werden, bis das Lot vollständig erstarrt ist. Je nach Art des verwendeten Flussmittels müssen die Verbindungen nach dem Abkühlen gereinigt werden.

Jede Legierung hat Eigenschaften, die für die jeweiligen Anwendungen am besten funktionieren, insbesondere Festigkeit und Leitfähigkeit und jeder Typ von Lötmittel und Legierung hat verschiedene Schmelztemperaturen. Der Begriff Silberlot bezeichnet ebenfalls den Typ des verwendeten Lots. Einige Weichlote sind „silberhaltige“ Legierungen, die verwendet werden, um versilberte Gegenstände zu löten. Lote auf Blei-basis sollten nicht für Edelmetalle verwendet werden, da das Blei das Metall auflöst und es verformt.

 

Quellen

[1] Brady, George et al. (1996). Materials Handbook. McGraw Hill. pp. 768–70. ISBN 0-07-007084-9.
[2] How soldering differs from brazing
[3] Kapp Alloy & Wire, Inc. „Products“. Kapp Alloy & Wire, Inc. Retrieved 5 March 2013.
[4] Solder Flux
[5] Soldering 101 – A Basic Overview
[6] IPC-A-610 revision E section 10.6.4

 

 

Author: Lukas Steiner on 23. Juni 2013
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