Von Gayle Towell
Krätze Die Bildung ist eine unvermeidliche Folge von Wellenlöten. Es entsteht, wenn geschmolzenes Lot mit Sauerstoff in Kontakt kommt und Metalloxide bildet, die auf der Oberfläche des Lötbades schwimmen. Mit der Zeit sammelt sich dieses Oxidationsnebenprodukt an und muss entfernt werden, um die Lötqualität und die Prozesskonsistenz aufrechtzuerhalten. Während das Vorhandensein von Schlacke zu erwarten ist, können die Geschwindigkeit, mit der sie sich bildet, und der Aufwand, der zu ihrer Beseitigung erforderlich ist, je nach verschiedenen Prozess- und Materialvariablen stark variieren.
Eine häufig gestellte Frage von Fertigungsteams lautet: Wie viel Schlacke ist normal? In Wirklichkeit gibt es keinen allgemeingültigen Maßstab. Die Schlackenbildung wird von einer Kombination verschiedener Faktoren beeinflusst, darunter der Lötlegierungsprozess, die Temperatur und Bewegung des Lötbads, das Vorhandensein von Verunreinigungen aus der Baugruppe und der Gesamtzustand der Anlage. Was in einem Prozess akzeptabel ist, kann in einem anderen Prozess übermäßig sein.
Dieser Artikel beschreibt die wichtigsten Faktoren, die zur Schlackebildung beitragen, untersucht die Rolle von Legierungsveredelungsmethoden und untersucht praktische Möglichkeiten zur Reduzierung von Schlacke durch Prozesssteuerung und Anlagenoptimierung. Besonderes Augenmerk wird auf die Verwendung von Additiven wie Phosphor und die Herausforderungen gelegt, die mit der Aufrechterhaltung einer konsistenten Schlackenreduzierung im Laufe der Zeit verbunden sind.
Was ist Lötzunder und warum entsteht er?
Wenn geschmolzenes Lot der Luft ausgesetzt wird, reagiert es mit Sauerstoff und bildet Metalloxide – in den meisten elektronischen Loten vor allem Zinnoxid. Diese Oxide, oft in Verbindung mit verbrannten organischen Rückständen, schwimmen an die Oberfläche und bilden Schlacke.
Wenn Schlacke nicht regelmäßig entfernt wird, kann sie den Prozess stören, den Lötfluss beeinträchtigen und die Qualität der Leiterplatte beeinträchtigen.
Schlacke entsteht in der Regel durch normale Oxidation und nicht durch Verunreinigungen in der Legierung. Übermäßige oder schnelle Schlackebildung kann jedoch auf Probleme mit dem Oxidgehalt der Legierung, der Prozesstemperatur oder Turbulenzen hinweisen.
Die Schlackenbildungsrate wird von mehreren Faktoren beeinflusst – vor allem von der Legierungszusammensetzung, der Temperatur des Löttiegels, der Wellenbewegung und Verunreinigungen durch Leiterplatten oder Bauteile.
Legierungs- und Oxidgehalt
Barrenlot, das aus “neuen” Metallen hergestellt wird, ist nicht von Natur aus schlackearm. Wenn beim Legierungsprozess Oxide eingebracht oder nicht effektiv entfernt werden, kann das resultierende Lot ähnliche oder sogar schlechtere Oxidationsraten aufweisen wie schlecht verarbeitete Recyclinglegierungen. Oxide, die in der Legierung suspendiert bleiben, tragen direkt zur frühen und anhaltenden Schlackenbildung bei, sobald das Lot verwendet wird.
Andererseits neigt Barrenlot, das unter Verwendung kontrollierter, oxidminimierender Verfahren hergestellt wird, dazu, langsamer und vorhersehbarer zu verkrusten. Der entscheidende Faktor ist nicht, ob die Metalle neu oder recycelt sind, sondern ob Oxide und oxidationsanfällige Verunreinigungen während der Legierung und des Gießens ausreichend entfernt wurden.
Thermische Bedingungen
Löttemperatur ist einer der direktesten Faktoren für die Schlackenbildung. Mit steigender Temperatur erhöht sich auch die Oxidationsrate. Bei eutektischem Sn63/Pb37 liegen die typischen Betriebstemperaturen im Bereich von 480 °F bis 490 °F (ca. 250 °C bis 255 °C). Bei SAC305 und ähnlichen bleifreien Legierungen sind die Tiegel-Temperaturen in der Regel höher – oft zwischen 500 °F und 520 °F (260 °C bis 271 °C).
Ein Betrieb oberhalb dieser Bereiche kann die Oxidbildung erheblich beschleunigen. Die Reduzierung der Topftemperatur zur Begrenzung der Schlackebildung muss jedoch gegen die Prozessanforderungen abgewogen werden, da eine zu niedrige Temperatur die Lochfüllung, die Benetzung und die gesamte Lötleistung beeinträchtigen kann.
Wellencharakteristik und Bewegung
Mechanische Bewegung der Lötfläche, insbesondere durch turbulente Wellenkonstruktionen, erhöht die Schlackebildung. Wenn das Lot statisch ist, ist weniger Oberfläche der Luft ausgesetzt, und die Oxidation verläuft langsamer. In Systemen, die auf Chipwellen basieren oder eine konstante Bewegung an der Grenzfläche zwischen Lot und Luft erzeugen, vergrößert sich die exponierte Oberfläche, was zu einer schnelleren Oxidation führt.
Das Wellendesign, der Zustand der Pumpe und die Verwendung von Standby-Modi beeinflussen, wie viel Lot zu einem bestimmten Zeitpunkt der Luft ausgesetzt ist. Systeme, die mit einer intelligenten Wellensteuerung ausgestattet sind, die die Bewegung reduziert, wenn keine Leiterplatten vorhanden sind, produzieren im Laufe der Zeit in der Regel weniger Schlacke.
Verunreinigungen aus Baugruppen
Leiterplatten und Bauteile sorgen für zusätzliche Komplexität. Kupfer, Gold, Nickel und andere Oberflächenbeschichtungen können sich im Löttiegel auflösen, wodurch sich das Verhalten der Legierung subtil verändert und die Bildung von intermetallischen Verbindungen oder Oxid-Einschlüssen verstärkt wird. Organische Verunreinigungen wie Flussmittelrückstände können ebenfalls mit geschmolzenem Lot interagieren und unerwünschte Nebenprodukte bilden.
Eine regelmäßige Analyse des Löttopfs kann dabei helfen, steigende Verunreinigungsgrade zu erkennen und Korrekturmaßnahmen einzuleiten. Die Einhaltung der von IPC empfohlenen Grenzwerte für Verunreinigungen ist nicht nur für die Minimierung von Schlacke, sondern auch für die Gewährleistung der Zuverlässigkeit der Verbindungen von entscheidender Bedeutung.
Additive und Ansätze zur Reduzierung von Schlacke
Die Bemühungen zur Verringerung der Schlackebildung folgen in der Regel zwei Hauptansätzen: der Veränderung der Lötlegierung selbst oder der Modifizierung der Umgebung, in der das Löten stattfindet. Beide Ansätze zielen darauf ab, die Oxidation zu verlangsamen und die Ansammlung von unbrauchbarem Material zu begrenzen.
Um Oxidation zu mindern und Schlacke zu reduzieren, werden in einigen Betrieben Zusatzstoffe wie handelsübliche Löt-Tenside eingesetzt. Diese können zwar wirksam sein, bringen jedoch auch Herausforderungen mit sich: Die Verwendung eines zusätzlichen Materials im Prozess, die Sicherstellung der richtigen Dosierung und der Umgang mit potenzieller Instabilität oder unbeabsichtigten Wechselwirkungen mit der Lötlegierung oder Verunreinigungen.
Phosphor als Additiv zur Reduzierung von Schlacke
Eine gängige Methode zur Reduzierung sichtbarer Schlacke ist die Zugabe von Phosphor. Phosphor wirkt als Sauerstofffänger und oxidiert vorrangig vor dem Zinn in der Legierung, wodurch die Schlackebildung reduziert wird. Für Hersteller, die mit Materialien mit höherem Oxidgehalt arbeiten, bieten Phosphorzusätze einen relativ einfachen Weg zu einem verbesserten Erscheinungsbild und etwas weniger Abfall.
Die Verwendung von Phosphor hat jedoch erhebliche Nachteile. Es neigt dazu, sich auf Eisenkomponenten im Löttopf, wie Pumpen und Leitbleche, abzulagern, was häufig zu Verstopfungen oder Oberflächenablagerungen führt. In einigen Systemen kann diese Ablagerung zu Strömungsstörungen oder Welleninstabilität führen. Darüber hinaus wird Phosphor bei der Schlackenentfernung leicht aus dem Topf entfernt, was bedeutet, dass seine Konzentration mit der Zeit sinken kann, wenn sie nicht sorgfältig überwacht und wieder aufgefüllt wird.
Bei erhöhten Konzentrationen kann Phosphor auch die Benetzung beeinträchtigen. Untersuchungen haben gezeigt, dass Phosphorgehalte über 0,011 TP3T (Gewichtsprozent) zu Entbenetzung und Rissen in Lötstellen führen können. Dies stellt ein langfristiges Risiko für hochzuverlässige Baugruppen dar, insbesondere wenn der Phosphorgehalt nicht regelmäßig analysiert wird, da herkömmliche Lötbadanalysen dieses Element in der Regel nicht berücksichtigen.
Atmosphärenmodifikation (Stickstoffinertisierung)
Ein weiterer Ansatz besteht darin, den für die Oxidation verfügbaren Sauerstoff von vornherein zu reduzieren. Dies geschieht durch Inertisierung der Lötumgebung mit Stickstoff. Durch die Reduzierung des Sauerstoffgehalts in der Umgebung auf 50–100 ppm wird die Geschwindigkeit der Oxidbildung und damit auch die Schlackenbildung erheblich verlangsamt.
Es hat sich gezeigt, dass die Stickstoffinertisierung in einigen Wellenlötanlagen die Schlackebildung um bis zu 90% reduziert. Außerdem verbessert sie die Benetzung, indem sie die Oberflächenspannung des geschmolzenen Lötzinns senkt. Die Vorteile gehen jedoch mit einer erhöhten Komplexität einher: Inertisierungssysteme erfordern eine Gasversorgungsinfrastruktur, Durchflussregelungsgeräte und in einigen Fällen auch Modifikationen an der Lötmaschine selbst.
Minimierung von Schlacke durch Prozessstabilität
In vielen Fällen ist der effektivste Weg, um Schlacke zu reduzieren, nicht etwas Neues hinzuzufügen, sondern das bereits Vorhandene zu kontrollieren. Die Aufrechterhaltung der richtigen Löttemperaturen, die Minimierung von Wellenturbulenzen und die Aufrechterhaltung eines guten mechanischen Zustands der Geräte können einen erheblichen Einfluss auf den Schlackegehalt haben. Darüber hinaus trägt die Sicherstellung, dass die Baugruppen sauber und mit der verwendeten Lötlegierung kompatibel sind, dazu bei, das Eindringen von Fremdstoffen zu reduzieren, die die Oxidation begünstigen können.
Fortschrittliche Barrenlotformulierungen, die mit einem geringen Gehalt an suspendierten Oxiden hergestellt werden – anstatt auf chemische Behandlungen nach der Produktion angewiesen zu sein – weisen in Bezug auf Schlacke tendenziell ein stabileres Langzeitverhalten auf. Diese Materialien sind weniger reaktiv, weniger anfällig für Oxidregeneration während des Gebrauchs und im Allgemeinen über längere Produktionsläufe hinweg leichter zu warten.
Verwaltung von Schlacke und Zustand des Lötbades
Selbst unter optimalen Bedingungen ist eine gewisse Schlackenbildung unvermeidlich. Aus diesem Grund ist eine regelmäßige Wartung des Löttiegels und der umgebenden Anlagen unerlässlich. Ein effektives Schlackenmanagement umfasst nicht nur die Entfernung von Oberflächenoxid, sondern auch die Überwachung des Verschmutzungsgrades, die Erkennung früher Anzeichen von Instabilität und die Aufrechterhaltung konstanter Betriebsparameter.
Entschlackung und Aufbereitung von Anlagen
Die Entschlackung sollte sorgfältig durchgeführt werden, um zu vermeiden, dass zusammen mit der Oxidschicht übermäßig viel gute Legierung entfernt wird. In einigen Fällen, insbesondere nach einem Lötmittelwechsel oder wenn neues Barrenlot hinzugefügt wird, können sich Restoxide oder Oberflächenablagerungen an den Wänden des Löttopfs, den Pumpenwellen oder den Leitblechen wieder mit dem Lot vermischen. Eine kontrollierte “Einbrennphase”, in der der Löttopf über Nacht in einem statischen Zustand auf Betriebstemperatur gehalten wird, kann dazu beitragen, dass sich suspendierte Oxide absetzen und von der neuen Lötcharge trennen.
Nach diesem Konditionierungsschritt trägt eine gründliche, aber schonende Entfernung der angesammelten Schlacke dazu bei, den Topf zu stabilisieren und das Risiko einer vorzeitigen Oxidation während des Anfahrens zu verringern.
Löttiegelanalyse und Legierungsintegrität
Während Schlacke ein sichtbarer Indikator für Oxidation ist, finden im Lötbad viele chemische Veränderungen statt, lange bevor sie an der Oberfläche erkennbar sind. Regelmäßige Analysen des Löttiegels – in der Regel monatlich oder vierteljährlich durchgeführt – geben Aufschluss über die Anreicherung von Verunreinigungen wie Kupfer, Gold, Zink, Aluminium und Eisen. Diese Elemente können aus Bauteilanschlüssen, Leiterplattenbeschichtungen oder sogar aus der Legierung selbst in das Löttiegel gelangen.
Normen wie IPC J-STD-001 und IPC J-STD-006 definieren zulässige Werte für diese Verunreinigungen. Eine Überschreitung dieser Grenzwerte kann zu einer Reihe von Problemen führen, darunter:
- Verringerte Benetzung oder Fließfähigkeit
- Gelenkdefekte (z. B. Hohlräume oder unvollständige Füllung)
- Veränderungen im Schmelzverhalten von Lötlegierungen
In bleifreien Systemen sind Elemente wie Nickel und Wismut aufgrund ihrer geringen Löslichkeit und ihrer Auswirkungen auf die Bildung von Intermetallverbindungen besonders problematisch. Wenn die Schadstoffkonzentrationen sich den Schwellenwerten nähern, können Korrekturmaßnahmen wie die Verdünnung mit frischer Legierung, die Entfernung von Schlacke mit hohem Schadstoffgehalt oder in schwereren Fällen die vollständige Entleerung und Neubefüllung des Schmelzgefäßes erforderlich sein.
Schlacke-Recycling- und Rückgewinnungsprogramme
Da Schlacke einen erheblichen Anteil an verwertbarem Metall enthält, ist das Recycling ein wichtiger Bestandteil der Kostenkontrolle beim Wellenlöten. Ein gut geführtes Rückgewinnungsprogramm ermöglicht es Herstellern, Wert aus etwas zurückzugewinnen, das sonst als Abfall betrachtet würde. Gesammelte Schlacke kann von spezialisierten Metallrückgewinnungsdiensten verarbeitet werden, um wiederverwendbares Lot zu extrahieren, das dann gutgeschrieben oder in brauchbarer Form zurückgegeben wird.
Während einige Einrichtungen versuchen, interne Recyclingsysteme—wie beispielsweise Vorrichtungen zur Schlackenreduzierung vor Ort—können diese Anlagen neue Herausforderungen mit sich bringen. In vielen Fällen basieren solche Systeme auf chemischen oder thermischen Behandlungen, die Dämpfe erzeugen, den Wartungsaufwand erhöhen oder zu Schwankungen in der Qualität des zurückgewonnenen Lötzinns führen. Wenn sie nicht streng kontrolliert werden, kann das interne Recycling zu einer uneinheitlichen Legierungsqualität und zu Kontaminationsrisiken führen.
Für die meisten Vorgänge bietet die Zusammenarbeit mit einem qualifizierten externen Rückgewinnungspartner eine konsistentere und kostengünstigere Lösung, da sichergestellt wird, dass das zurückgewonnene Lot den Qualitätsstandards entspricht und Störungen des Produktionsprozesses minimiert werden.
Schlussfolgerung
Die Bildung von Schlacke ist ein fester Bestandteil des Wellenlötens und wird in erster Linie durch die Oxidation an der Lötstelle verursacht. Letztendlich bieten eine konsistente Prozesssteuerung, die Auswahl geeigneter Legierungen und regelmäßige Wartungsarbeiten den zuverlässigsten Weg, um Schlacke zu minimieren und die Lötqualität zu erhalten. Ein gut verwaltetes Löt-System reduziert nicht nur den Materialabfall, sondern unterstützt auch die langfristige Stabilität, Produktzuverlässigkeit und Fertigungseffizienz.
Ursprünglich veröffentlicht in Circuitnet