Die Schüler/innen fertigen einen UKW-Rundfunkempfänger und lernen dabei SMD-Bauteile und das Reflow-Lötverfahren kennen.
Sie werden entsprechend dem Stand der Technik auf die in der Praxis gestellten Aufgaben vorbereitet.


Lotpastenauftrag UKW-Empfänger


Löten


Bauteilbestückung


Inspektion der Lötungen


Bleifrei SMD- Löten in der HTL- Steyr

Das Kürzel RoHS (engl. Restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment: „Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten“) bezeichnet zusammenfassend die EG-Richtlinie 2002/95/EG zum Verbot bestimmter Substanzen bei der Herstellung und Verarbeitung von elektrischen und elektronischen Geräten und Bauteilen sowie die jeweilige Umsetzung in nationales Recht.
Das Ziel ist dabei, im Zuge der massiven Ausweitung von Wegwerfelektronik äußerst problematische Bestandteile aus den Produkten zu verbannen. Dazu gehört unter anderem die bleifreie Verlötung elektronischer Bauteile durchzusetzen, giftige Flammhemmer bei der Herstellung von Leiterplatten und Kabeln zu verbieten sowie die Einführung entsprechender Ersatzprodukte zu verstärken. Des Weiteren müssen auch die verwendeten Bauteile und Komponenten selbst frei von entsprechenden Stoffen sein.
Festgehalten werden muss, dass der Lötprozess wegen der auftretenden Flussmitteldämpfe auch beim Bleifreiprozess nicht umweltfreundlicher wird!
Vorerst ausgenommen von dieser Richtlinie sind medizinische Geräte sowie Überwachungs- und Kontrollinstrumente und aufgrund der Altautoverordnung auch die Autoelektronik sowie der militärische Bereich. Bei Reparaturen von Menschenhand sind die erhöhten Schmelztemperaturen und die Eigenschaften des bleifreien Lötzinns problematisch. Daher dürfen sie weiterhin mit bleihaltigem Lötzinn ausgeführt werden. Ersatzteile, die für die Reparatur oder Wiederverwendung von Elektro- und Elektronikgeräten bestimmt sind, die vor dem 1. Juli 2006 auf den Markt gebracht wurden (EG-Richtlinie 2002/95/EG Artikel 2 Abs. 3) sind ebenfalls ausgenommen
Bedingt durch das beim Löten verringerte Prozessfenster wegen der wesentlich höheren Löttemperaturen (235-250°C) gegenüber Bleilot (205-235°C) bei gleich gebliebenen maximal zulässigen Bauteiltemperaturen (260°C) hat dies direkte Auswirkung auf betroffene Firmen, da die Lötprofile der Lötanlagen umgestellt werden müssen.
Bei Verwendung bleifreier Stoffe können mehr Lötfehler auftreten. Um Fehlerquellen auszuschließen, ist es wichtig, sich ausführlich mit den Eigenschaften von bleifreien Legierungen und Flussmittelsystemen auseinanderzusetzen. Andernfalls kann es aufgrund von Brücken- oder Lotkugelbildungen sowie Nichtbenetzung vermehrt zu Fehlern kommen. Die Fehlerneigung kann durch Auswahl der richtigen mit den Metallen des Lots kompatiblen Flussmittelformel und ein optimiertes Reflow - Profil gemindert werden. Um bei bleifreien Lotpasten gute Lötbarkeit zu gewährleisten, müssen Leiterplatten und Bauteile so gelagert und verarbeitet werden, dass ihre Lötbarkeit nicht beeinträchtigt wird. Wenn die Materialien mit Sorgfalt gewählt und der SMT- Prozess gesteuert wird, entstehen im Vergleich zum Sn/Pb - Prozess keine Produktionseinbußen.
Unsere Aufgabe in der HTL- Steyr besteht darin, die Schüler/innen entsprechend dem Stand der Technik auf die an sie in den Firmen in der Praxis gestellten Aufgaben vorzubereiten.
Die Schüler/innen fertigen in der SMT-Werkstätte einen UKW-Rundfunkempfänger und lernen dabei SMD-Bauteile und das Reflow-Lötverfahren kennen.
Die Bauteile wurden bis jetzt mit Blei-Lotpaste, (no clean) Sn62 Pb36Ag2 (particle size 25-45µm) 11% Flussmittel F-SW32, SP 183°C, gelötet.
Versuche im Jahr 2007, die oberflächenmontierten Bauteile mit Bleifrei- Lotpaste zu löten, ergaben keine zufriedenstellenden Ergebnisse (Tochterkugelbildung und unzureichendes Aufschmelzen bzw.Benetzen mit der Lotpaste).
Nach dem Besuch eines Seminars, bei dem es um Bleifrei-SMD-Löten ging, erhielt ich von Hr. Ing. Fleischer der Firma Kapsch Forschungsunterlagen über einen über vier Jahre dauernden Langzeittest, welcher durch EU-Förderung ermöglicht wurde.
Es wurden Chipbauelemente mit verschiedenen Lotpasten und Flussmittelkombinationen auf unterschiedlichen Leiterplattenoberflächen aufgelötet, und dann Temperaturzyklen von -40°C bis +120°C vier Jahre lang ausgesetzt. In Etappen wurden REM- Aufnahmen, Schnittbilder sowie Festigkeitsprüfungen der Lötverbindungen durchgeführt.
Zum Schluss wurden die Benetzung, das Ablegierverhalten und eine Zuverlässigkeitsbeurteilung zur jeweils verwendeten Lotpaste und Leiterplatte in graphischer Form dargestellt.

Mein Kollege Fl. Ing. Fuchs brachte mir von der Firma Technosert Electronic eine Dose Bleifrei-Lotpaste mit, die, nach dem Studium des Forschungsberichtes, meinen Vorstellungen entsprach.

Lotpaste Koki S3X58-M406L
Flussmittel 11,5 %
Sn 96,5 Ag 3 Cu 0,5 particle size 20-38µm
SP 217-218 °C

Mit dieser Lotpaste wurde bei uns eine 5cm³ Dispenser Kartusche gefüllt. Nach dem die Lotpaste mittels des Dispensers auf die Versuchsplatinen ( Epoxydharz FR4, verzinnt, Lötstopplack ) aufgetragen war, konnten Chipbauelemente der Bauform 1206 bestückt und probegelötet werden.
Während die Lötstellen beim herkömmlichen Sn/Pb - Löten nach dem Reflowprozess glänzen, wirken die Oberflächen der Zinn/Silber/Kupfer-Legierungen matt und rissig. Dieses Erscheinungsbild ist charakteristisch für diese Legierungen und darf nicht als Zeichen für qualitative Mängel gedeutet werden. Ein weiterer auffälliger Unterschied sind die größeren Kontaktwinkel und die geringere Benetzung an den Rändern des Pads. Sie sind darauf zurückzuführen, dass Zinn/Silber/Kupfer-Legierungen nicht so schnell und vollständig benetzen wie die Sn/Pb Legierung.
Die Lötergebnisse waren zufriedenstellend.
Jetzt wurden verschiedene Rundfunkempfänger platinenbestückt, mit unterschiedlichen Temperatur und Leistungseinstellungen gelötet und auf Funktion geprüft:

1.Leiterplatte Phenolharz Glasgewebe FR 3 ohne Lötlack
2.Leiterplatte Epoxydharz Glasgewebe FR 4 mit Lötlack SK 10 (OSP- Organic Surface Protection)
3.Leiterplatte Epoxydharz Glasgewebe FR 4 ohne Lötlack

Lötstation Martin Rework Expert 04
Einstellungen:
1) Unterhitze IR-Strahler 150W
Lötgriffel 310°C 10,0 l/min Düse d = 4mm

2) Unterhitze IR-Strahler 100W
Lötgriffel 320°C 7.0l/min Düse d = 4mm

Ergebnisse:
Da wir die Reflowlötung der Platine von Hand mittels Heißluftgriffel und IR Unterhitze durchführen und daher das Lötverfahren durch optische Erkennung des Schmelzvorganges stattfindet, hängt es von der Geschicklichkeit der ausführenden Person ab, wie exakt das Lötprofil gestaltet wird.
In der Folge kam es, bedingt durch die bei der mit Bleifrei Lot notwendigen höheren Löttemperaturen, bei der FR 3 Leiterplatte partiell zu Verfärbungen durch Überhitzung. Etwas Verbesserung brachte das Senken der Leistung der IR Unterhitze auf 100W, sowie des Luftdurchsatzes beim Lötgriffel auf 7,0l/min.

Die FR4 Platine mit OSP ließ sich gut und ohne Verfärbung löten, jedoch mussten bei der Inbetriebnahme eine Lötstelle von Hand mit dem Lötkolben nachgelötet werden.

Die FR4 Leiterplatte ohne Lötlack (Cu blank), zeigte partiell leichte Verfärbungen der Leiterbahnen, die Lötstellen waren alle in Ordnung.


Wenn die Löttemperatur erreicht ist, schmilzt das Bleifreie Lot besser durch als das Sn/Pb Lot, da die Platine durch die erforderliche längere Erwärmung eine für den Lötprozess genügend hohe Temperatur erreicht hat.
Bei Verwendung des Sn/Pb Lotes wurde von den Schülern die Lötung oft zu früh beendet, obwohl die Lotpaste nur oberflächlich geschmolzen war. Es zeigte sich eine glänzende Oberfläche, jedoch war die Lotpaste nicht vollständig bis unter das Bauelement verflüssigt, da die Platine selbst noch nicht die erforderliche Löttemperatur erreicht hatte. Das führte des Öfteren zu einer mangelhaften Kontaktierung der Bauelemente mit der Leiterplatte und somit zum Bedarf der Nacharbeit. Diese Problematik ergab sich durch den manuellen Reflow- Lötprozess und ist nicht charakteristisch für das automatisierte Sn/Pb Reflow- Löten.

Bei den Übungsplatinen mit verzinnten Pads und Lötstoppmaske war die Qualität der Lötstellen sehr gut und es kam nie zu Verfärbungen durch zu langes Löten. Daher wäre es Ideal, verzinnte Leiterplatten mit Lötstoppmaske zur Fertigung des UKW-Empfängers zu verwenden.

Mittlerweile wurden 20 UKW-Empfänger von Schülern mittels Bleifrei-Lotpaste im Reflow-Verfahren gelötet. Die Lötergebnisse sind überraschend gut. Es sind keine Bauelemente wegen Überhitzung durch das Löten ausgefallen.
Bei etwaiger Fehlbestückung gestaltet sich der Bauteiletausch wegen des höheren Schmelzpunktes des Lotes etwas schwieriger. Dem Flussmittel kommt wegen der erhöhten Löttemperaturen große Bedeutung zu (Polymerflussmittel statt Kolophoniumflussmittel).
Eine Umstellung der optischen Bewertungskriterien bezüglich der Qualität der Lötstellen (matte Oberfläche) musste erfolgen.
Der Umstieg vom Zinn/ Bleilot auf SMD-Bleifrei-Löten an der HTL Steyr ist somit gelungen.

Gerhard König