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Lotbadmanagement als fort laufender Prozess für hohe Qual itätsanforderungen

Damit das Lotbad im Lot bleibtMetallisierungen von Leiterplatten und Bauteilen verhalten sich im Lotbad unterschiedlich. Auflösung und Kontaminierungsgrad hängen unter anderem von Temperatur, Kontaktzeit und der verwendeten Legierung ab. Zusammen mit dem Gesetz und wirtschaftlichen Aspekten spricht das für ein Lotbadmanagement. Nur so ist die Lötqualität gewährleistet und man erhält eine zuverlässige elektronische Baugruppe.

» Christian Czapiewski, Chemielaborant, Stannol, DE-Velbert

Warum braucht es ein Lotbadmanagement? Das Zusammenspiel der verwendeten Mate-rialien und Instrumente sowie die gültigen Gesetze und wirtschaftliche Gesichtspunkte verlangen eine grosse Prozesssicherheit, da-mit das Legierungssystem im Gleichgewicht bleibt. Dabei ist das Lotbadmanagement ein fortlaufender Prozess, der nie aufhört und helfen kann, in puncto Qualität auf der si-cheren 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 verwende-ten Legierung. Die höhere Aggressivität von bleifreien Weichloten im Vergleich zu bleihal-tigen Legierungen und die damit verbundene stärkere Lösungswirkung gegenüber anderen Metallen tragen dazu bei, die Zusammenset-zung des Lotbads schneller zu verändern.

Wenn alles stimmt, steht am Ende eine zuverlässig funktionierende BaugruppeDas Gleichgewicht des Legierungssystems bedeutet, dass Eingriffsgrenzen weder über- noch unterschritten werden sollten. Nur so kann man sicherstellen, dass das Fehlerpo-tenzial, ausgehend vom eingesetzten Weich-lot, möglichst gering bleibt, die Eigenschaften der Lote sich nicht verändern und somit Be-ständigkeit 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 er-

heblich in Frage. Jede noch so gute Analysen-methode kann dies nicht wieder wettmachen. Üblicherweise bedient man sich bei der Pro-beentnahme 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 verwen-den. Hat die Anlage nach etwa zwei bis drei Stunden eine definierte Betriebszeit und das Lot damit eine homogene Durchmischung er-reicht, wird eine Probe aus der Badmitte oder direkt aus der Welle entnommen und in eine kalte Form abgegossen. Mit den entsprechen-

den Informationen (Maschinentyp, Legierung, Datum der Probenahme) sendet man diese an ein Labor. Dort erhält jede Probe eine Analy-sennummer 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 Kontakt-informationen, die Lotbadzusammensetzung sowie die empfohlenen legierungsspezifischen

Unachtsamkeit bei Mischfertigung im Doppellöttiegel kann zu folgenschweren Kontaminationen führen

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Eingriffsgrenzen auf. Entsprechen die Mess-ergebnisse nicht den vorgegebenen Empfeh-lungen, sind Abweichungen farblich unterlegt. Ein roter Wert bedeutet für den Maschinen-führer: Achtung, hier muss gehandelt werden! Da Eingriffsgrenzen aber nicht genormt sind, obliegt es dem Verantwortlichen, hier mögli-cherweise aktiv zu werden.

Keine Norm gibt Aufschluss darüber, wel-che 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 Lötle-gierung oft derart, dass eingegriffen werden muss. Kupfer, Silber, Gold, Nickel und teilwei-se auch Blei sind hier in den meisten Fällen die Hauptübeltäter, wenn Probleme auftreten. Diesen Elementen gilt folglich ein besonderes Augenmerk. Veränderungen in den Konzen-trationen dieser und auch anderer Metalle können oft weitreichende Folgen haben.

Treten Lötdefekte bereits in erhöhter An-zahl auf, ist es meistens zu spät. Verletzungen der Eingriffsgrenzen verlangen, eine Korrek-tur vorzunehmen, um Qualitätsproblemen vorzubeugen. Korrektur bedeutet einen Teil-austausch oder das Beschicken mit einem so genannten Refi ll oder Nachsetzlegierung. Hier hilft nur, Prozesse besser zu steuern. Das ei-gentliche Lotbadmanagement beginnt.

Bei bleifreien Weichloten kupfer-leaching und Bleieintrag verhindernEine Herausforderung beim Einsatz von blei-freien Weichloten stellt die Regulierung des Kupfergehaltes dar. Bei Gehalten ab etwa 0,85 % erhöht sich die Gefahr der Brücken-bildung, noch höhere Konzentrationen führen zu spröden Verbindungen und einer Erhö-hung des Liquidus. Mithilfe von kupferarmen

Äquivalenten kann das so genannte Kupfer-Leaching, bei dem sich das Lotbad durch Aus-laugung mit Kupfer anreichert, ausgeglichen werden. Die Brückenbildung wird auf diese Weise reduziert. In seltenen Fällen reichern sich besonders bei niedrigen Prozesstempe-raturen in Kaltzonen nadelförmige, interme-tallische 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 ver-bietet unter anderem einen Bleigehalt von über 0,1 %. Entstehen hier Kontaminationen, werden diese meist durch Bauteile eingetra-gen. Nicht selten kommt es aber auch zu einer versehentlichen Falschbefüllung des Lotbades. Besteht die Verpfl ichtung, gemäss RoHS-Richt-linien zu fertigen, ist ein Austausch oder so-fortiges Verdünnen unvermeidbar.

Eisen-, Chrom- und titan- und weitere Einträge von rüstzeug verhindernSilber ist in Zinn/Kupfer-Legierungen eher unerwünscht, Verunreinigungen führen hier zu matteren Oberfl ächen. Nickel ist oft Be-standteil 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 Goldkonzentrati-onen (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 Rüst-zeug fi ndet unter der Lotbadoberfl äche statt und bleibt so oft unentdeckt. Die Verteilung von gelösten Bestandteilen ist sehr inhomo-gen, auch in Proben neigt Eisen zu Seigerun-

gen, infolgedessen wird die Detektion und quantitative Bestimmung erschwert. Konzen-trationen ab etwa 0,03 % führen zu spröden Lötverbindungen und körnigem Aussehen.

Erschwerend kommt hinzu, dass ver-wendete 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, Cadmi-um und Aluminium besitzen eine grosse Af-fi nität zu Sauerstoff. Somit bilden sich schon bei niedrigen Gehalten Oxide, die sich an der Oberfl äche anreichern. Konzentrationen über 0,005 % können hier bereits zu Lötfehlern führen. Arsen führt zu Entnetzung, bei Kon-zentrationen über 0,05 % wird ein Austausch der Legierung empfohlen.

Hohe Wismutgehalte sorgen, ähnlich wie Blei, für matte Oberfl ächen. Auch wenn Wis-mut unter anderem für bessere thermische Festigkeit sorgt, sind Kombinationen mit er-höhter Bleikontamination zu vermeiden, da dieses zu Lotmeniskusabhebern führen kann. Antimon erhöht die Zugfestigkeit in Weichlo-ten, Konzentrationen über 0,5 % oder mehr können sich negativ auf die Benetzungs-geschwindigkeit auswirken. Ein Lotbad zu überwachen, erfordert Aufmerksamkeit, da sich eine pauschale Aussage betreffend nöti-ger Analysenintervallen schwer treffen lässt. Als Kundenservice dienen kostenfreie Lotbad-analytik und entsprechende Hilfestellung. «

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Ein Lotbad zu überwachen, erfordert Aufmerk-samkeit. Eine pauschale Aussage hinsichtlich notwendiger Analysenintervalle lässt sich auf Grund der Individualität jedes Prozesses nur schwer treffen. Die Häufi gkeit sollte sich aber nach der Anzahl gelöteter Leiterplatten und Lot-verbrauch richten. Wenn Lötprozesse hinsichtlich Legierungssystem oder Leiterplatten-Finish verändert wurden, kann es sinnvoll sein, die Intervalle in der Anfangszeit zu verkürzen. Als Service für den Kunden bietet die Stannol GmbH Hilfestellung bei der Lotbadanalytik und steht bei aufkommenden Fragen im Lötprozess als Ansprechpartner zur Verfügung.

lötprozess ist individuell

Durch erhöhte Kupferkonzentra-tionen im Lotbad besteht die Gefahr von Brückenbildung und somit auch die eines elektrischen KurzschlussesSeH

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