Haben Sie sich jemals gefragt, warum die Lötkolbenspitze oder der Reflow-Ofen so viel heißer werden muss als der Schmelzpunkt der Lotlegierung selbst? Wenn SAC305 bei etwa 220°C vollständig schmilzt, warum setzen wir den Reflow-Peak Temperaturen 20 Grad höher? Warum ist die Lötkolbenspitze auf 350°C hochgekurbelt?
Auf den ersten Blick mag das übertrieben erscheinen. Aber wenn man die Thermodynamik hinter dem Löten versteht, macht es durchaus Sinn. Es kommt darauf an, wie sich die Wärme bewegt und wie viel davon verloren geht, bevor sie dort ankommt, wo sie hin soll.
Die Rolle der Energieeinsparung
Wenn eine Wärmequelle eine Oberfläche berührt, erreicht nicht alles sofort die gleiche Temperatur. Die Erhöhung der Temperatur eines Objekts erfordert Zeit und Energie. Die Wärme muss in das Objekt fließen, bis sie sich genug angesammelt hat, um eine Veränderung zu bewirken.
Stellen Sie sich die Wärmequelle wie einen Wasserhahn vor, der Wärmeenergie anstelle von Wasser ausspuckt. Wenn man ihn aufdreht, füllt sich nicht sofort ein Eimer. Wie schnell sich der Eimer füllt, hängt von der Durchflussmenge, der Größe des Eimers und der Menge ab, die er fassen kann. Stellen Sie sich nun vor, dass der Eimer undicht ist - ein Teil des Wassers entweicht ständig in die Umgebung.
Das ist im Wesentlichen das, was beim Löten passiert. Wärme erscheint oder verschwindet nicht, sie verteilt sich einfach im System. Nach dem Gesetz der Energieerhaltung wird jedes bisschen Wärme, das wir zuführen, irgendwo im System verteilt. Das Lot, die Bauteile, die Leiterplatte und die Umgebungsluft nehmen diese Energie in unterschiedlichem Maße auf und geben sie weiter.
Aus diesem Grund erhitzen wir nicht nur bis zum Schmelzpunkt, sondern überschreiten ihn. Es ist wie beim Versuch, einen undichten Eimer zu füllen: Ein langsamer Strom wird ihn vielleicht nie voll machen, aber ein schnellerer Fluss kann den Verlust ausgleichen. Die zusätzlichen Grade dienen demselben Zweck. Sie kompensieren die Wärme, die an die Umgebung und die Materialien verloren geht. Und je größer oder leitfähiger die Materialien sind, desto mehr Wärme entziehen sie der Verbindung, so dass weniger für das Lot selbst übrig bleibt.
Was Newton mit Löten zu tun hat
Das Newtonsche Kühlungsgesetz besagt, dass die Geschwindigkeit, mit der ein Objekt seine Temperatur ändert, proportional zur Differenz zwischen seiner Temperatur und der Temperatur seiner Umgebung ist. Einfacher ausgedrückt: Je größer der Temperaturunterschied ist, desto schneller wird die Wärme übertragen.
Im Zusammenhang mit dem Löten ist das "Objekt", das wir zu erwärmen versuchen, die Lötlegierung und, was vielleicht noch wichtiger ist, die Oberfläche, auf der sie benetzt werden soll, z. B. ein PCB-Pad oder ein Bauteilanschluss. Diese Oberflächen haben in der Regel Raumtemperatur oder eine leicht erhöhte Temperatur, während Ihre Lötkolbenspitze oder die Reflow-Luft viel heißer ist. Je größer dieser Temperaturunterschied ist, desto schneller und effektiver fließt die Wärme in die Verbindung.
Wir schießen also absichtlich über den Schmelzpunkt hinaus, um Garantie genügend Wärmeenergie in das Lot und die umgebenden Materialien eindringt, um den Reflow-Prozess einzuleiten, bevor die Wärme an anderer Stelle verloren geht.
Warum die Spitze des Lötkolbens so viel heißer sein muss als der Schmelzpunkt der Legierung
Wenn Sie einen Lötkolben auf ein Pad setzen, versuchen Sie nicht nur, ein Stück Legierung zu schmelzen. Sie versuchen, genügend Energie auf die gesamte thermische Masse der Verbindung zu übertragen. Dazu gehören das Kupferpad, das Bauteilkabel, das durchkontaktierte Loch und alle nahe gelegenen Kupferebenen oder Durchkontaktierungen, die als Wärmesenken dienen.
Alle diese Materialien ziehen die Wärme von der Verbindungsstelle weg. Wenn also die Spitze des Lötkolbens nicht wesentlich heißer ist als der Schmelzpunkt des Lötmittels, fließt nicht genug Wärme schnell genug hinein, um eine vollständige, nasse und zuverlässige Verbindung herzustellen.
Aus diesem Grund liegen die Temperaturen der Eisenspitzen je nach Legierung und Anwendung in der Regel zwischen 315°C und 370°C. Diese Spanne gibt uns den Gradienten, den wir brauchen, um Wärmeverluste zu überwinden und die Verbindung schnell und gleichmäßig über ihre Liquidustemperatur hinaus zu bringen.
Die Wissenschaft hinter den Spitzentemperaturen von Reflowöfen
Reflowöfen sind sogar noch präziser. Wenn wir eine Reflow-ProfilWir planen eine allmähliche Erwärmung, ein kurzes Eintauchen und dann einen schnellen Höhepunkt. Aber diese Spitze ist kritisch. Er wird absichtlich weit über den Schmelzpunkt des Lots gesetzt.
Warum? Weil die gesamte Leiterplattenbaugruppe genügend Wärme aufnehmen muss, um jede Lötstelle über den Reflow hinaus zu bringen. Die Bauteile haben unterschiedliche Massen und Wärmeleitfähigkeiten, und die Ofenatmosphäre (Luft oder Stickstoff) ist nicht 100% effizient. Außerdem gibt die Leiterplatte ständig Wärme an ihre Umgebung ab.
Wenn wir im Ofen nur 220 °C anstreben würden, würde das Lot nie wirklich schmelzen. Wenn wir einen Spitzenwert von 235°C bis 250°C anstreben, können wir all diese Variablen berücksichtigen und eine gleichmäßige Benetzung der gesamten Leiterplatte sicherstellen.
Die Fluiddynamik von geschmolzenem Lot bei hohen Temperaturen
Sobald das Lot seinen Schmelzpunkt überschritten hat, ist es nicht mehr nur schmelzen-verändert es sich. Wie jede Flüssigkeit wird auch das Verhalten von geschmolzenem Lot von der Temperatur beeinflusst, und diese Veränderungen können sich sowohl auf die Benetzung als auch auf die Qualität der endgültigen Verbindung auswirken.
Wenn sich das Lot über seinen Schmelzpunkt hinaus erhitzt, sinkt seine Viskosität, was bedeutet, dass es leichter fließt. Dieses verbesserte Fließen kann dazu beitragen, dass die Legierung Lücken besser füllt, Leitungen ummantelt und sich an Pad-Oberflächen anpasst, insbesondere bei Durchgangsbohrungen oder komplexen SMT-Verbindungen. Durch die höhere Temperatur wird auch die Oberflächenspannung etwas verringert, so dass das Lot die Oberflächen, mit denen es in Berührung kommt, besser "benetzen" kann.
Allerdings gibt es dafür einen Kompromiss.
Wenn das Lot zu lange zu heiß ist, erhöht sich das Risiko von Oxidation, intermetallischem Wachstum und Bauteilschäden. Wenn die Temperatur zu niedrig ist, kann es sein, dass das Lot nicht vollständig benetzt wird oder nicht vollständig aufschäumt. Es gibt ein schmales thermisches Fenster, in dem das Lot am effektivsten ist - heiß genug, um sich optimal als Flüssigkeit zu verhalten, aber nicht so heiß, dass es beginnt, die Leistung oder Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen.
Die praktische Bedeutung: Zuverlässige Gelenke und konsistente Ergebnisse
Letztendlich geht es beim Verständnis der Wärmeübertragung beim Löten nicht nur um Physik, sondern auch um Zuverlässigkeit. Jede gute Verbindung ist ein gelungenes Gleichgewicht zwischen Energieübertragung, Materialkompatibilität und Timing.
Durch die absichtliche Zufuhr von Wärme weit oberhalb des Schmelzpunkts können wir:
- Vollständigen Reflow sicherstellen für eine Vielzahl von Leiterplatten- und Komponententypen
- Überwindung der Effekte von thermischer Masse und Kühlkörper
- Benetzung maximieren und Gelenkfestigkeit
- Mängel minimieren wie kalte Fugen, Hohlräume oder unvollständige Filets
Und all das tun wir, während wir gegen die Uhr arbeiten. Die Wärme versucht immer zu entweichen - zu den Bauteilen, der Platine, der Luft um uns herum. Je besser wir diesen Prozess verstehen und kontrollieren können, desto besser sind die Ergebnisse.
Abschließende Überlegungen
Wenn Sie das nächste Mal einen Lötkolben einschalten oder ein Reflow-Profil prüfen, denken Sie nicht nur daran, eine Zahl zu erreichen. Denken Sie an warum Diese Zahl ist wichtig. Es geht nicht um rohe Gewalt. Es geht um Präzision, Planung und Physik.
Löten ist ein thermischer Prozess, und wie jeder thermische Prozess unterliegt er den Gesetzen der Wärmeübertragung. Das Newtonsche Gesetz der Kühlung mag akademisch klingen, aber in der Praxis hilft es, fast jede Herausforderung und jeden Erfolg zu erklären, den wir heute bei der Montage erleben.
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