Löten

Löten in der Elektronik ist eine praktisch-handwerkliche Tätigkeit und erfordert daher neben entsprechendem Geschick in erster Linie ... viel Übung!

Grundlagen

Löten ist ein Verfahren zum Herstellen einer dauerhaften Verbindung zwischen zwei Materialien mit höherem Schmelzpunkt durch ein drittes Material mit niedrigerem Schmelzpunkt.

Das verbindende Material (Lot) wird dabei kurzfristig geschmolzen, so dass eine haftschlüssige und meist auch formschlüssige Verbindung entsteht. Die Verbindung entsteht dabei durch Diffusion des Lots in die Oberfläche der zu verbindenden Metallteile. Daher ist es wichtig, dass die zu verbindenden Partner sauber und oxidfrei sind und vom Lot gut benetzt werden können. Um dieses Verhalten zu verbessern, wird ein Flussmittel benutzt.

Neben dem im weiteren ausschließlich betrachteten Weichlöten gibt es auch sogenanntes Hartlöten. Als Lot dienen dabei Legierungen aus Silber, Kupfer und Zink (Silberhartlot), Kupfer und Zink (Messinghartlot) oder reines Kupfer; Flussmittel basieren in der Regel auf Natriumtetraborat (Borax). Durch die hohe Festigkeit der benutzten Lote sowie die aus der höheren Temperatur resultierende größere Diffusionstiefe werden dabei beachtliche Festigkeiten der Verbindungen erreicht, die mit Weichlöten nicht erreichbar sind.

In der Elektronik, wo es in der Regel um elektrisch leitfähige Verbindung geht, kann z. B. durch Lötzinn, welches an der etwa 300 Grad heißen Spitze eines Lötkolbens geschmolzen(*1) wird, ein Silberdraht mit der Kupfer-Leiterbahn einer Platine verbunden werden. Eine solche Verbindung ist

• elektrisch leitend
• bis zu einem gewissen Grad mechanisch belastbar
• erfordert vergleichsweise geringen Herstellungsaufwand
• und kann bei Bedarf auch wieder gelöst werden.

Lötverfahren sind gut maschinell durchzuführen und automatisierbar (Lötbäder), für Testaufbauten, Kleinst-Stückzahlen, zu Reparaturzwecken usw. wird aber häufig auch Löten per Hand notwendig sein.

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• 1: Wen es interessiert: Der Schmelzpunkt von Zinn liegt bei 232 Grad Celsius, der von Silber dagegen bei 962 Grad und der von Kupfer bei 1083 Grad.

Voraussetzungen

Wichtigste Voraussetzungen für das Löten in der Elektronik sind

• ein Lötkolben
• Lötzinn
• in schwierigen Fällen zusätzliches Flußmittel

Alles muss natürlich für Elektronik geeignet sein. Lötzinn für die Elektronik ist beispielsweise im Inneren mit einem Flussmittel gefüllt, welches eine leichte Oberflächenkorrosion beseitigt, die anderfalls das Anhaften des Lötzinns auf den zu verlötenden Oberflächen verhindern würde. Ausserdem schützt das Flussmittel die Lötstelle während des Lötens vor Oxidation, welche durch die hohen Temperaturen in Sekundenbruchteilen entstehen würde. Lötfett oder gar Lötwasser (Salzsäure) hat im Elektronikbereich nichts zu suchen, diese aggressiven Stoffe greifen Bauteile und Leiterbahnen an.

Vorsichtsmaßnahmen

Da man es beim Löten in der Elektronik mit über 300 Grad heißen Metallen (fest und flüssig) zu tun hat, ist die Notwendigkeit einiger Schutzmaßnahmen so naheliegend, dass man sie nicht weiter erklären muss. Niemand wird einen Lötkolben freiwillig an der heißen Spitze anfassen, aber dennoch und aus der Praxis heraus:

• Der heiße Lötkolben wird unachtsam auf dem Tisch abgelegt und verrutscht.

• => Andere, Gegenstände werden "angekokelt" oder gar unbrauchbar.

• Wie zuvor, aber der Lötkolben rutscht sogar vom Tisch herunter.

• => AUA!! Der normale "Greifreflex" mit den Oberschenkeln bei herunterfallenden Dingen - Knie zusammen - ist dann nicht so angebracht :-/

• Ein unzureichend festgeklemmter Draht federt weg und es spritzt Lötzinn durch die Gegend, besonders beim Entlöten!.

• => Augen schützen!!! Man hat nur zwei und mit einem allein ist schon mal das Stereo-Sehen hin!

Grundlegende Vorgehensweise

Beim Löten gilt:

• Lötkolbentemperatur 300..330°C bei bleihaltigem Lot, 350..370°C bei bleifreiem Lot

1. Mit dem Lötkolben werden beide zu verlötenden Teile gleichzeitig erwärmt.
2. Das Lötzinn wird zwischen Lötspitze und Lötstelle gebracht
3. Das geschmolzene Lötzinn verläuft und verbindet die beiden Teile.
4. Der Lötkolben wird entfernt und das Lötzinn erstarrt.
5. Die Lötstelle sollte konkav sein, glatte, glänzende Oberfläche (bleihaltiges Lot) und die Kontur des Drahtes muss noch zu erkennen sein.

Eine geringe(!) Menge Lötzinn, die vor dem ersten Schritt auf die heiße Spitze des Lötkolbens aufgetragen wird, dient vor allem dazu, den Wärmeübergang auf die zu verlötenden Teile zu verbessern und damit die Dauer des ersten Schritts kurz zu halten. Bei sauberen Flächen, richtiger Löttemperatur und ausreichend grosser Lötspitze dauert eine Lötung kaum mehr als eine Sekunde!

Typische Fehlerquellen

Anfänger machen beim Löten eine Reihe typischer Fehler, welche die Qualität der hergestellten Verbindung beeinträchtigen. Das heißt, die elektrische Verbindung ist schlecht (Wackelkontakt, kalte Lötstelle) und die mechanische Festigkeit gering (Gefahr des Abreißens).

• Die zu verlötenden Teile sind nicht ausreichend sauber ("blank"):

• => Die korrosionsbefreiende Wirkung des Flußmittels im Lötzinn reicht nicht aus.
• Abhilfe: die zu verlötenden Oberflächen säubern, z. B. mechanisch mit sehr feinem Sandpapier oder einem speziellen "Schmirgelschwamm" (ähnlich einem Radiergummi aber versetzt mit feinstem Schmirgelsand) oder chemisch mit zusätzlich aufgetragenem Flußmittel.

• Das Lötzinn für die herzustellende Verbindung vorwiegend an der heißen Lötkolbenspitze geschmolzen.

• => Die zu verlötenden Teile sind nicht warm genug.
• => Das Flußmittel im Lötzinn verdampft zu schnell.
• Abhilfe: Sich an die Grundlegende Vorgehensweise halten!

• Nach Wegnehmen des Lötkolbens werden die zu verbindenden Teile bewegt, bevor das Lötzinn kalt und erstarrt ist.

• => Die erstellte Verbindung kann durchaus "formschlüssig" sein, scheinbar hält sie fest
• => sie hat aber elektrisch eine schlechte Qualität (Wackelkontakt oder erhöhter Widerstand, damit evtl. auch Erwärmung bei hohen Strömen und weitere Verschlechterung).
• Tip: Die Oberfläche eines Lötzinntropfens spiegelt, solange er noch flüssig ist und wird etwas matter, wenn sich das Zinn verfestigt.

• Das Lötzinn an der Spitze des Lötkolbens ist "zu alt", sieht eher matt und körnig aus und "fließt" nicht mehr aureichend.

• => der Zweck des Lötzinns an der Lötkolbenspitze ist die Verbesserung des Wärmeübergangs, dieser wird nicht erreicht.
• Abhilfe: Altes Lötzinn des öfteren von der Spitze des Lötkolbens abstreifen (z. B. an einem angefeuchteten Lötschwamm oder besser mit Lötspitzenreiniger aus weicher Metallwolle) und neues Lötzinn auftragen.

• Lötkolbentemperatur zu niedrig

• => Das Lot ist nicht flüssig und glänzend, sondern eher breiartig und matt
• Abhilfe: Temperatur des Lötkolbens richtig einstellen, siehe Grundlegende Vorgehensweise

• Lötkolbentemperatur zu hoch

• => Das Flussmittel verdampft zu schnell, viel Rauchbildung beim Antippen der Spitze mit Lötzinn von der Rolle
• Abhilfe: Temperatur des Lötkolbens richtig einstellen, siehe Grundlegende Vorgehensweise

• Lötspitze zu dünn

• => Der Wärmeübergang von der Lötspitze zu den Teilen ist schlecht, damit wird die notwendige Temperatur dort nicht erreicht und der Effekt ist gleich wie bei zu niedriger Löttemperatur
• Abhilfe: dickere Lötspitze nehmen, für normale Lötungen bis hin zu mässig kleinem SMD sind meißelförmige Spitzen mit 2mm Breite vollkommen OK (0805er Bauteile, SOIC Gehäuse mit 1,27mm Pinraster etc.)

Arten von Lötverbindungen

Für den Anfänger sind bestimmte Arten von Lötverbindungen einfacher herzustellen als andere, beim Üben empfiehlt es sich entsprechend, "vom Einfachen zum Schwierigen" zu trainieren.

Löten auf vergoldeten Oberflächen

Vergoldete Oberflächen sollten grundsätzlich nicht gelötet werden, da das Gold schmilzt, sich mit dem Lot vermischt und eine geringere mechanische Stabilität zur Folge hat. Darum sollte die Oberfläche stets 'entgoldet' werden. Eine Goldauflage < 1µm kann mit einem weißen Radiergummi oder einem Radierstift entfernt werden, dickere Vergoldung kann durch verzinnen (2..3 Sekunden bei 250..280°C) und anschließend vollständiges Entfernen der Zinn-Goldmischung erfolgen. Die Lötstelle sollte auf jeden Fall verzinnt sein.

Die Bedeutung der Golddicke beim Löten vergoldeter Oberflächen

Beim Löten einer vergoldeten Oberfläche spielt die Dicke des Goldes eine wichtige Rolle. Wenn die Goldauflage dicker als ca. 1 bis 1,25 Mikrometer ist, wird das Lot sehr wahrscheinlich nicht das gesamte Gold auflösen und abbinden. Das Lot sieht stumpf aus, und bei einem Goldanteil von mehr als 5 % im Lot wird die Lötstelle brüchig. Wenn das Gold relativ dünn ist (weniger als ca. 0,5 Mikrometer), löst es sich problemlos im Lot auf, und die Lötstelle sieht körnig aus. Wenn das Metall unter der Goldauflage nicht oxidiert ist, geht das mit Gold verunreinigte Lot eine Verbindung mit dem Metall ein. Da Goldauflagen in der Regel eine säulenförmige Struktur haben, muss das Gold mindestens 0,25 Mikrometer dick sein, damit das Basismetall (in den meisten Fällen Nickel) vor dem Oxidieren geschützt ist.

Einfaches Verlöten von Drähten

Recht einfach zu verlöten sind zwei Drähte, die man zuvor miteinander verdrillt hat. Bei starren Drähten empfiehlt sich in der Regel ein vorheriges "Verzinnen" (= der Draht wird mit einer Oberfläche aus Lötzinn versehen), da sich dann das beim Zusammenlöten aufgetragene Lötzinn besser verteilt. Bei dünnen Litzen kann auf das Verzinnen meist verzichtet werden, da durch die Kapillarwirkung das Lötzinn quasi "aufgesogen" wird. Bei dicken Litzen (Querschnitt 1 Quadratmillimeter und mehr) ist vorheriges Verzinnen meist nicht ratsam, weil ansonsten die Verdrillung nicht mehr so gut gelingt. Da das Flussmittel im Lötzinn in dicke, verdrillte Litzenverbindungen oft nicht ausreichend eindringen kann, empfiehlt es sich hier, die Litzenenden vor dem Verlöten nochmal gesondert mit Flussmittel zu behandeln.

In Umgebungen, in denen es häufige oder gar permanente Vibrationen gibt (z. B. Auto), sollten Litzenenden allerdings immer verzinnt werden (auch beim Einlöten in Durchbohrungen gedruckter Schaltungen - siehe nächster Punkt). Die Verzinnung darf dabei nicht unter die Isolierung reichen (leicht zu kontrollieren durch die Biegbarkeit), andernfalls brechen Litzen oft genau an der Stelle, an der die Isolierung endet, da diese Stelle (mechanische) die stärkste Last aufnehmen muss. Den Kapillareffekt, der das Zinn unter die Isolierung 'zieht' nennt man 'wicking' und sollte auf jeden Fall vermieden werden. Dies kann durch Wärmeableitklemmen direkt vor der Isolierung erreicht werden.

Einlöten von Bauteilen Platinenbohrungen

Auch dies gelingt dem Anfänger nach einiger Übung meist ganz gut (vorausgesetzt die obigen Tips und Richtlinien werden befolgt). Die Bauteile sollten allerdings nicht "lose" sondern - durch festklemmen des Bauteils mit z. B. einer Kreuzpinzette (öffnet beim Zusammendrücken) - die Anschlussdrähte senkrecht und mittig in den Platinenbohrungen sitzen. Dies verhindert das "Wackeln" beim Wegnehmen des Lötkolbens und erleichtert ein späteres Auslöten bei Reparaturen. Die Anschlussdrähte sollten vor dem Löten auf ca. 1.5mm abgeschnitten werden.

Was hier aber ggf. berücksichtigt werden muss, ist die Wärmeempfindlichkeit.

• Halbleiterbauelemente (Dioden, Transistoren, ICs) vertragen keine längere Erhitzung auf 300 Grad Celsius (Lötkolbentemperatur).

• => Der Lötvorgang muss also "zügig" erfolgen.
• => GGf. kann eine kleine Zange am Anschlussdraht als "Wärmeableiter" zwischen Lötstelle und Bauteil eingesetzt werden.

• Auch die Leiterbahnen der Platinen vertragen keine beliebig lange, beliebig häufige Erwärmung und die Leiterbahn löst sich schließlich von der Platine ab.

• => Wie oben (zügig löten).
• => Bei Bauteilen mit "dicken" (und entsprechend unempfindlichen) Drähten ggf. zunächst diese und erst kurz vorm Aufbringen des Lötzinns auch die Leiterbahn der Platine erhitzen.

• Wie kann man Stiftleisten beidseitig löten?

Löten von SMD-Bauteilen

Eigener Artikel: SMD Löten

Entlöten

Unter Entlöten versteht man das Trennen einer Lötverbindung. In der Theorie ist das einfach, weil ja "nur" das Lötzinn erwärmt werden muss und dann (z. B. bei in Platinen eingelöteten Bauteilen) der Draht aus der Bohrung gezogen werden kann. In der Praxis besteht die Schwierigkeit jedoch darin, dass typische Bauteile mindestens zwei, oft aber drei oder noch mehr verlötete Anschlüsse haben und man die Lötstellen nicht alle gleichzeitig erwärmen kann.

Es ist auf alle Fälle vorteilhaft, wenn man zunächst an jedem einzelnen Anschluss versucht, so viel Lötzinn wie möglich zu entfernen (z. B. mit Absaugpumpe oder Entlötlitze). Dennoch werden sich insbesondere Bohrungen in gedruckten Schaltungen so nicht völlig von Lötzinn befreien lassen.

Bauteile mit zwei Anschlussdrähten

Sofern sich das Bauteil "kippen" lässt, erst die eine, dann die andere Seite ablöten.

• Bei einem an seinen zwei Enden festgelöteten Widerstand oder Kondensator zum Ablöten der ersten Seite ggf. einen kleinen Schraubendreher als Hebel unterschieben.
• Bei einem senkrecht stehend aufgelöteten (Rund-) Elko erst den "mittigeren" Draht auslöten, da sich das Teil leichter kippen lässt, wenn es der äußere Draht ist, der noch angelötet ist.

Bauteile mit drei Anschlussdrähten

Bei einem Transistor kommt man mit der "Kipptechnik" oft auch noch weiter, wenn die Lötpunkte im Dreieck angeordnet sind. Man hat dann immer eine Richtung zum Kippen, bei der sich der Draht in der momentan erwärmten Lötstelle ein Stück herausziehen lässt. Notfalls muss man sich schrittweise vorarbeiten (d.h. beim ersten Mal wird man den ersten Draht nicht vollständig aus der Bohrung herausbekommen, aber nachdem man einmal "reihum" ist, sitzt das Bauteil schon ein Stück weiter draußen).

Bei drei Anschlußdrähten "in einer Reihe" funktioniert die Kipptechnik nicht, evtl. kann man hier versuchen, mit dem Lötkolben zwei Lötstellen gleichzeitig zu erwärmen. (Aber Vorsicht, dass nach dem Auslöten und Wiedereinlöten eines neuen Bauteils keine feine Lötzinnbrücke stehen bleibt und einen Kurzschluss verursacht!)

Bauteile mit vielen Anschlussdrähten

Das Auslöten von ICs ist ohne spezielle Werkzeuge (z. B. spezieller Lötkolbenaufsatz) meist unmöglich. Wenn man nicht beides - IC und Platine - "retten" will oder muss, kann man es so versuchen:

• Platine retten: Anschlussdrähte abzwicken und Drahtreste aus der Platine entfernen (siehe auch unten, Freimachen von Durchbohrungen).
• Bauteil retten: Platine auseinanderschneiden oder -sägen und verbleibende Reste auch zwischen den Drähten mit einem Seitenschneider durchzwicken, so dass letzten Endes an jedem Draht (bzw. jedem "Beinchen" des ICs) nur noch ein minimaler Platinenrest hängt. Dann alle Reste einen nach dem anderen Ablöten. Diese Technik ist genau so aufwändig wie sie sich anhört und lohnt sich allenfalls bei sehr teuren Bauteilen oder solchen, die irgendwo als Ersatzteil dienen müssen und allgemein schwer beschaffbar sind (z. B. weil nicht mehr hergestellt werden).
• Platine und Bauteil retten: Mit einer Entlötpumpe das Lötzinn bei jedem Pin absaugen, evtl. übrig gebliebene Reste mit Entlötlitze aufsaugen. Funktioniert bei einseitigen Platinen gut, bei doppelseitigen ist etwas mehr Aufwand damit verbunden, besonders bei engen Durchkontaktierungshülsen.

Manchmal kann man auch mit einenm einfachen Heizluftgebläse versuchen die Platinenunterseite zu erhitzen und dann den IC rausziehen. Mit etwas Übung und richtiger Hitze eine recht schnelle und effektive Arbeitsweise.

Ein Trick der gerade bei SubD-Steckern und Bauteilen mit ähnlichen vielen eng beieinanderliegenden Beinchen funktioniert: Alle Beinchen mit Lötzinn untereinander verbinden. Quasi einen riesigen Klecks Lötzinn über alle Beinchen legen. Diesen Lötzinnklecks mit dem Lötkolben heiß machen. Irgendwann ist das gesamte Lötzinn flüssig und man kann das Bauteil (Zange nehmen, heiß) herausziehen. Danach muß man nur noch den Lötzinnklecks von der Platine bekommen. Ich halte die Platine dazu mit der Hand, so daß die Lötseite unten ist, mache den Klecks heiß und schüttel ihn ab. Reste können nach eigenem ermessen entfernt werden. Achtung: ICs und andere Temperaturempfindliche Bauteile können bei dieser Hauruckmethode den Hitzetod sterben.

Tipp im Forum: ICs entlöten http://www.mikrocontroller.net/topic/21885#162117

Freimachen von Durchbohrungen

Allgemein gilt, dass man bei einem Bauteil, welches mit Sicherheit defekt ist, meist besser erst alle Drähtchen abzwickt und dann nur diese Reste "entlötet". Kurze Drähtchenreste sind allerdings oft schwer aus Platinenbohrungen zu entfernen, da sie von der Kapillarwirkung der Bohrung auf das Lötzinn praktisch "angesogen" und in der Bohrung festgehalten werden.

Ein alter Praktiker-Trick ist hier, nach Erwärmen des Lötzinns die Bohrung mit einem gut gespitzten Bleistift zu durchstoßen. (Das Lötzinn wird vom Graphit der Mine praktisch "abgestoßen".) Besser geeignet als die Bleistift-Methode ist es, eine dünne Injektionsnadel zu verwenden. Die Nadeln bestehen aus Edelstahl und nehmen Lötzinn kaum an. Des weiteren sind die Nadeln wesentlich stabiler als die Minen. Passende Nadeln bekommt man in der Apotheke.

Und Zuguterletzt: Wenn beim erfolgreichen Auslöten eines Bauteils die Bohrung in der Platine gleich lötzinnfrei ist, sollte man sich nicht zu früh freuen: Bei doppelseitigen "durchkontaktierten" Platinen kann so unbemerkt auch die Durchkontaktierungshülse herausgerissen worden sein. Vor dem Einlöten von Ersatz sollte man evtl. Nachmessen (Ohmmeter) und im Schadensfall (oder zur Sicherheit auch immer) das neu eingesetzte Bauteil auf beiden Seiten der Platine anlöten. Bei Multi-Layer-Platinen wird auch das den Erfolg nicht garantieren, aber Reparaturen mit Lötkolbeneinsatz sind an solchen Platinen ohnehin oft ein Glücksspiel

Bleifreies Löten

Bleifreies Löten hat ohne eine einigermaßen gut geregelte Lötstation keinen Zweck. Außerdem müssen die Spitzen dafür geeignet sein, insbesondere dürfen sie keinen zu hohen Wärmewiderstand haben, sonst reicht die Temperatur an der Spitze selbst beim Löten dann einfach nicht mehr aus. [1]

Mit einer Lötstation mit ordentlicher Regelung und passenden Spitzen ist bleifreies Löten jedoch auch im Hobbybereich kein Problem. Die Station wird auf (350...370) °C eingestellt (zum Vergleich: bei bleihaltigem Zinn lötet man mit (300...330) °C). Kurze, dick ausgeführte Spitzen sind sinnvoll, um die Wärme ausreichend zur Lötstelle leiten zu können und der Temperaturregelung eine Chance zu geben, den Wärmebedarf beim Löten schnell genug nachregeln zu können.

Wichtig bei bleifreiem Löten ist die Verwendung von ausreichend Flussmittel, welches ausdrücklich als für bleifreies Löten benutzbar deklariert sein muss, damit es bei der benutzten Temperatur nicht sofort verbrennt. Durch die höhere Temperatur tendieren die Spitzen auch schneller zur Belagbildung, müssen also häufiger beim Arbeiten gereinigt werden (feuchter Schwamm oder Metallwolle).

Da mehr und teilweise aggressivere Flussmitteldämpfe entstehen als beim Löten mit bleihaltigem Zinn, sollte mehr Wert auf eine Abfuhr dieser Dämpfe gelegt werden. Absaugen ist technisch schwieriger als Wegblasen (z. B. mit einem alten CPU-Lüfter). Dabei werden die Dämpfe nur im Raum verteilt, aber die unmittelbare Einwirkung auf Nase und Schleimhäute dennoch gut reduziert. Den Raum kann man dann auf normalem Weg reichlich lüften.

Die populärste Legierung für bleifreies Löten ist Sn95,5Ag3,8Cu0,7 (häufig als SAC bezeichnet, entsprechend den Anfangsbuchstaben der beteiligten Elemente). Diese Legierung ist mit einem Schmelzpunkt von 217 °C sehr nahe (< 1 K) am Eutektikum dieses 3-Metall-Systems. Dadurch sehen die Lötstellen nach dem Erstarren in der Regel nicht glänzend aus. Dies hat aber rein ästhetische Bedeutung. Wichtig für die Lötstelle selbst ist eine ausreichende Benetzung der Kontaktpartner (ausreichend Flussmittel benutzen) sowie eine gute Diffusion des Lotmetalls in die Kontaktpartner (ausreichende Löttemperatur).

Mittlerweile sind silberfreie Legierungen populär geworden mit geringen Legierungsanteilen von Nickel oder Germanium (Markennamen sind beispielsweise Sn100Ni+ oder SN100C). Diese haben ein besseres Benetzungsverhalten als SAC-Legierungen, sodass bis auf die höhere Verarbeitungstemperatur kaum noch Unterschiede zu traditionellen bleihaltigen Legierungen spürbar sind.

Siehe auch

• SMD Löten
• Lötkolben
• Forumsbeitrag: Löten extrem penibel

Weblinks

• Circuit Technology Center - Surgeon grade rework and repair, by the book and guaranteed. Deeplink: Guides
• Elprak.ch - Elektronik in der Praxis - Video das den Lötvorgang zeigt. Weiter Lehrstoff und Präsentationen zu Elektronik in der Praxis
• Surface Mount Soldering bei Curious Inventor
• Löten von Lochrasterplatinen von B. Redemann, Beispiel mit Attiny 13 Board
• How to Solder, Video auf Youtube, engl., sehr gute Informationen, leider recht schnelle Sprache