Die faszinierende Welt der Lotlegierungen und Metallurgie

Aug 01, 2023

Lot ist der leitfähige Metallkleber, den man zum Zusammenkleben von Bauteilen verwendet. Wenn Sie das Bauteil und die Leiterplatte ausreichend erhitzen und ein wenig Lot in der Verbindung schmelzen, bleibt es an Ort und Stelle und leitet zuverlässig. Aber es ist alles andere als einfach.

Es gibt viele verschiedene Lötlegierungen und selbst die Spitze des Lötkolbens selbst ist ein Meisterwerk aus mehreren Materialien. In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf die Metallurgie hinter dem Löten und erfahren, warum die Wartung und der regelmäßige Austausch der Lötspitze eine gute Idee ist. Natürlich gehen wir auch auf die Rolle von Blei in Lotlegierungen ein und welche Auswirkungen es hat, wenn man es durch andere Metalle ersetzt, wenn man auf Blei verzichtet. Womit lötest du?

Löten und sein Cousin bei höheren Temperaturen, das Hartlöten, sind eine von im Wesentlichen zwei Möglichkeiten, Metall-zu-Metall-Verbindungen herzustellen, und sie ermöglichen den Einsatz von Niedertemperaturtechniken, die dennoch relativ stabile Verbindungen zwischen zwei Metalloberflächen herstellen. Auch das Löten ist ein interessantes Kapitel im Bereich der Metallurgie, da es auf sogenannten intermetallischen Verbindungen (IMCs) basiert.

Schweißen steht im Gegensatz zum Löten, bei dem hohe Temperaturen das Metall auf beiden Seiten der zu verbindenden Teile schmelzen und sie dauerhaft verschmelzen. Schweißen ist eine hochfeste und zuverlässige Methode zum Verbinden von Metallteilen, ist aber leider völlig ungeeignet für empfindliche Elektronik, wo übermäßige Hitze Teile beschädigen kann und das Ziel eher darin besteht, elektrisch leitende Elemente zusammenzukleben als sie zusammenzuschmelzen.

Dies führt uns auch zu dem Grund, warum Löten und IMCs so problematisch sind, dass IMCs als „böse“ bezeichnet werden. IMCs sind im Wesentlichen Teile der beiden Metalloberflächen auf beiden Seiten, die sich im Lot auflösen und so eine ausreichende Verbindung bewirken, dass jede Seite der Verbindung mehr oder weniger stabil mit dem Lot verschmolzen ist. Leider ist ein solcher IMC weit entfernt von dem stabilen Vollmetall einer Schweißverbindung und kann daher spröde sein, je nachdem, welche Metalle genau in der Lotlegierung enthalten waren.

Aber die beim Löten gebildeten IMCs sind stark genug, und ihre Bildung ist der Grund dafür, warum in jeder Lötlegierung Zinn verwendet wird. Zinn hat die Eigenschaft, dass es andere Metalle sehr gut darin auflösen kann. Tatsächlich ist es möglich, mit reinem Zinn zu löten, obwohl, wie wir weiter unten sehen werden, die meisten Lote durch die Zugabe anderer Metalle zur Mischung verbessert werden.

Lötzinn schmilzt jedoch nicht von selbst, und selbst bei der Konstruktion der Lötkolbenspitze verbirgt sich unter der Haut eine Menge Metall. Die Spitzen selbst sind Verbundstrukturen, die im Allgemeinen aus einem Tellur-Kupfer-Kern bestehen, der mit einer haltbaren Eisenschicht überzogen ist, normalerweise mit Zinn für den Teil, der „benetzbar“ sein soll, und mit Chrom für den Teil unterhalb der Spitze, wo sich das Lot befindet soll nicht kleben. Die Eisenschicht wurde hinzugefügt, um zu verhindern, dass das Zinn im Lot das Kupfer der Spitze auflöst, was früher ein erhebliches Problem darstellte.

Die Eisenschicht ist ein schlechter Wärmeleiter und sollte so dünn wie möglich gehalten werden, ohne dass dadurch die Haltbarkeitsvorteile verloren gehen. Da Eisen jedoch rostet, sollte es mit einer dünnen Zinnschicht aus dem Lot bedeckt bleiben.

Wenn sich Eisenoxide bilden, gibt es verschiedene Möglichkeiten, diese Ablagerungen zu entfernen. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um abrasive Methoden zur physikalischen Entfernung der Oxidschicht oder um die Verwendung eines Spitzenverzinners, der bei Einwirkung der Hitze des Lötkolbens eine Säure erzeugt. Diese Säure ist stärker als die milde Säure aus dem Flussmittel und sollte daher sogar die Eisenoxide entfernen. Frisches Lot wird mit Spitzenreiniger vermischt, sodass die Spitze sofort beschichtet und einsatzbereit ist.

Wenn es um die herumliegende Lotrolle geht, denkt man selten mehr als oberflächlich darüber nach, um welche Legierung es sich handelt und welche genauen Eigenschaften diese Legierung hat. Man kann sich Lot als „bleihaltig“ oder „bleifrei“ vorstellen, aber es gibt noch viel mehr zu wissen.

Bleiben wir vorerst bei bleibasiertem Lot und ein flüchtiger Blick zeigt, dass es hier eine ganze Reihe beliebter Typen und deren Schmelztemperaturen gibt:

Die 60/40- und 63/37-Mischungen aus Zinn und Blei sind bei Bastlern am häufigsten. Eine interessante Eigenschaft einiger dieser Legierungen ist, dass sie eutektisch sind, was bedeutet, dass in ihrem Phasendiagramm alle Metalle in der Legierung in ihrer flüssigen und festen Phase übereinstimmen: Eutektische Lote schmelzen bei einer einzigen Temperatur vollständig.

Auch hier haben wir eine beeindruckende Liste bleifreier Legierungen:

Hier sehen wir, dass bleifreie Legierungen im Durchschnitt tatsächlich einen höheren Schmelzpunkt haben als bleihaltiges Lot, und es gibt eutektische und nichteutektische Legierungen.

Der Vorteil einer eutektischen Legierung besteht darin, dass es viel einfacher ist, damit eine gut aussehende Verbindung herzustellen. Während nicht-eutektisches Lot weiterhin funktioniert, besteht ein viel größeres Risiko von Defekten in der resultierenden Verbindung, die im Laufe der Zeit zu Rissen und anderen Problemen führen können. Aufgrund der gleichzeitigen Bildung der molekularen Matrix aller Metalle in der Legierung beim Erstarren neigen eutektische Legierungen dazu, sehr regelmäßige, mechanisch und elektrisch stabile Verbindungen zu bilden.

Konkret gibt es beim Übergang vom Löten mit bleihaltigem zum bleifreien Lot zwei große Veränderungen:

Wie dieses PDF von Kester zeigt, verbindet sich das Zinn im Lot nicht nur mit der Lötstelle, sondern löst auch das Kupfer und Eisen in der Spitze selbst auf, weshalb die Spitzen schließlich verschleißen. Eine Spitze, die für bleihaltiges Lot 63/37 ausgelegt ist, hält daher bei Verwendung mit bleifreiem Lot wie Sn99,3Cu0,7 oder Sn95,5Ag3,8Cu0,7 nicht so lange, da sich die Eisenbeschichtung im Zinn auflöst deutlich schneller.

Umgekehrt können auch Probleme auftreten. Während man eine Lötspitze, die für bleifreie Legierungen geeignet ist, problemlos mit Legierungen auf Bleibasis verwenden kann, ist es nie eine gute Idee, diese Spitze anschließend zum bleifreien Löten zu verwenden. Bleispuren können in das bleifreie Lot gelangen und dessen Schmelz- und Erstarrungsweise beeinträchtigen, was wahrscheinlich zu fehlerhaften, unzuverlässigen Verbindungen führen kann.

Wenn man über bleibasierte Lotmetallurgie spricht, kommt man kaum an den beiden gigantischen Elefanten vorbei: den gesundheitlichen Auswirkungen von Blei und der Bildung von Zinnwhiskern. In einem früheren Artikel von Ask Hackaday wurde dies bereits kürzlich angesprochen. Die gesundheitlichen Auswirkungen lassen sich leicht zusammenfassen: Blei ist einer der wenigen Stoffe, bei denen es keine Menge gibt, die als sicher angesehen werden kann. Blei bioakkumuliert sich im Körper und es ist von größter Bedeutung, dass eine Bleikontamination am Arbeitsplatz durch die Reinigung aller kontaminierten Oberflächen vermieden wird.

Der beim Löten entstehende Dampf – ob bleifrei oder auf Bleibasis – enthält kein Blei, wohl aber den erhitzten Flussmitteldampf, der im Fall von Kolophonium Kolophonium erzeugt. Hierbei handelt es sich um ein komplexes Gemisch aus Gasen und Partikeln, das nachweislich die Atemwege des Menschen reizt und dabei das Lungengewebe schädigt.

Die Bildung von Zinnwhiskern war schon lange vor der Umstellung auf bleifreie Lote ein großes Thema. Leider ist die Bildung von Whiskern in der Metallurgie ein kaum verstandenes Phänomen, wobei die übliche Erklärung darin besteht, dass die Druckfestigkeit das Wachstum dieser Whisker verursacht. Der Zusatz von Blei zu zinnbasiertem Lot trug zwar dazu bei, das Wachstum von Whiskern zu reduzieren, ist jedoch keine vollständige Lösung.

Das Aufbringen einer Schutzbeschichtung oder die Verwendung spezieller Legierungen kann dazu beitragen, die Bildung von Zinnwhiskern zu begrenzen. Es sollte auch beachtet werden, dass nicht nur Zinn anfällig für die Bildung von Whiskern ist, sondern auch andere Metalle. Bis wir die dahinter stehende Physik besser verstehen, bedeutet die Verhinderung, dass man durch reines Glück auf die richtige Legierungsformation stößt.

Während wir beim Löten viel Spaß haben, ist es auch ein Einstieg in die Wissenschaft der Metallurgie und sogar darüber hinaus. Aber nachdem Sie dies gelesen haben, hoffen wir, dass Sie sich etwas mehr Gedanken über Ihre Lötlegierung machen und Ihre Spitze rostfrei und verzinnt halten, ganz gleich, für welche Mischung Sie sich entscheiden. Und wir würden gerne Ihre Geschichten über Zinnbarthaare hören.