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Donnerstag, 04 Mai 2023 11:59

Ein Recht auf Reparatur – Lote, Flussmittel und Pasten für Rework- und Reparaturlötungen

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Reparatur eines Computermonitors von einem Servicetechniker Reparatur eines Computermonitors von einem Servicetechniker Bild: guruXOX/AdobeStock

Wer schon einmal versucht hat, ein defektes Elektrogerät reparieren lassen, hat sicher schon erlebt, dass dies gar nicht so einfach ist. Ersatzteile fehlen, entsprechende Fachkräfte sowieso, und oft wird man von Servicetechnikern weggeschickt, weil sich die Reparaturkosten gar nicht mehr lohnen. Doch dies ändert sich – dank EU-Vorgaben und Innovationen der Hersteller selbst.

Seit dem 1.3.2021 gelten dank der EU-Ökodesign-Richtlinie für Haushalts- und Konsumentengeräte strengere Vorgaben, die eine Reparatur vereinfachen und somit für Verbraucherinnen und Verbraucher attraktiver machen sollen. Das liegt auch bei der Bevölkerung im Trend: Laut einer aktuellen Umfrage (Eurobarometer 04/2022) würden nahezu 80 % der Europäer ihre Elektrogeräte lieber reparieren lassen, als ständig neue Geräte kaufen zu müssen.

Hersteller sind nun verpflichtet, ihre Geräte so zu konzipieren, dass Reparaturen mit ‚handelsüblichen Werkzeugen' durchgeführt werden können, ohne dass das Gehäuse dabei beschädigt werden muss. Ersatzteile müssen leicht erhältlich, langfristig verfügbar und kurzfristig lieferbar sein (innerhalb von max. 15 Tagen). Zudem muss ‚fachlich kompetenten Reparateuren' der freie Zugang zu entsprechenden Reparaturanleitungen vom Hersteller gewährt werden.

Das Europaparlament hat das ‚Recht auf Reparatur' als Priorität für 2022 festgelegt. Somit werden neue Geschäftsfelder geschaffen und alte reaktiviert: Reparaturwerkstätten für ‚weiße' und ‚braune' Ware, die dann wieder die Voraussetzungen vorfinden werden, Elektrogeräte fachgerecht zu reparieren. Der Austausch von Bauteilen auf der Leiterplatte wird wieder als sinnvoller erachtet als der Austausch einer ganzen elektronischen Einheit.

Auch in der Baugruppenfertigung wird umgedacht

In der elektronischen Baugruppenfertigung sind Nachlötarbeiten trotz des hohen Automatisierungsgrades mit geringsten Fehlerquoten unvermeidlich. Typische Fehler sind etwa ungewollte Lotbrücken, Nichtlötungen und versetzte oder fehlende Bauteile. Elektronisch defekte Bauteile werden erst nach dem Lötprozess, z. B. im In-Circuit-Test, detektiert und müssen ausgetauscht werden. Ein weiterer Grund für manuelle Lötungen sind Bauteile, die aufgrund ihrer Bauform, des Layouts der Leiterplatte oder einfach aus ökonomischen Gründen nicht automatisch verlötet werden können.

Die richtige Auswahl von Lot und Flussmittel ist beim Handlöten genauso wichtig wie beim Maschinenlöten. Je nach Anforderung können sowohl Lotdrähte mit Flussmittelseele (Röhrenlote), Lötpasten mit und ohne Metallpulveranteil bzw. Reparaturflussmittel in Kombination mit (Mini)-Tauchlötbädern zum Einsatz kommen. Mit der Auswahl der geeigneten Lötmittel wollen wir uns im Folgenden befassen.

Röhrenlote

Röhrenlote (Weichlötdrähte mit Flussmittelfüllung) werden in verschiedenen metallischen Legierungen und Flussmitteltypen in diversen Durchmessern angeboten.

Bei der Auswahl des passenden Lötdrahtes stellen sich dem Anwender folgende grundlegende Fragen:

  • Welche Legierung soll eingesetzt werden (bleihaltig /bleifrei)?
  • Welcher Flussmitteltyp ist für die Anwendung sinnvoll?
  • Welcher Flussmittelanteil ist erforderlich?
  • Welcher Lötdrahtdurchmesser ist passend?

Auswahl der Weichlotlegierung

RoHS-konforme Baugruppen müssen, bis auf wenige Ausnahmefälle, bleifrei gelötet werden. Dies gilt selbstverständlich auch für, bei einer Reparatur, anfallende Lötarbeiten. Die gängigen bleifreien Legierungen für den Handlötprozess decken sich mit denen für Schwall- und Reflowlötprozesse.

Die in der Baugruppenfertigung eingesetzten Weichlote sind in u. a. in der Norm ISO 9453 aufgeführt. Auch die DIN EN 61190-1-3 beschreibt in ihren Teilen 1 bis 3, die Anforderungen an Verbindungsmaterialien für Baugruppen der Elektronik.

Nun hat man also die Qual der Wahl. Sicherlich ist es sinnvoll, die Lotlegierung zu verwenden, die man auch im vorgeschalteten Lötprozess verwendet hat. Also Sn100Ni+, wie auch in der Welle? Aber im Reflowprozess kam SAC387 oder SAC405 zum Einsatz! Muss jetzt von Lötstelle zu Lötstelle der Lötdraht gewechselt werden? Oder kann man bleifreie Lote unbedenklich untereinander mischen, also beispielsweise eine SAC305-Lötstelle mit Sn99,3Cu0,7 nachlöten?

Tab. 1: Gängige bleifreie LotlegierungenTab. 1: Gängige bleifreie LotlegierungenDies ist natürlich in erster Linie von internen und externen Vorgaben Ihrer Fertigung abhängig wie z. B. der IPC J-STD-001 (Anforderungen an gelötete elektrische und elektronische Baugruppen). Aber was genau entsteht denn bei der Mischung von Zinn-Kupfer und Zinn-Silber-Kupfer? Richtig, Zinn-Silber-Kupfer. „Kein klar definierter Zustand“ sagen Sie jetzt zurecht. Aber das Lot aus der Welle bzw. dem Reflowprozess ist spätestens nach eben diesen Lötprozessen nicht mehr in der definierten Original-Zusammensetzung auf der Leiterplatte vorhanden! Je nach Leiterplattenfinish haben Sie die Lotlegierung bereits mit Zinn-Kupfer-Nickel (HAL-Bleifrei), Nickel-Gold (ENIG), Silber (chem. Ag) oder Kupfer (OSP) mehr oder weniger stark ‚verunreinigt'.

Oder man entscheidet sich für das Lot mit der niedrigsten Schmelztemperatur (SAC387) um Baugruppe und Lötkolben zu schonen. Schauen wir uns dazu die Empfehlungen der Hersteller von Lötstationen an, so wird für bleifreie Lote eine Lötkolbentemperatur von 350–380 °C empfohlen (unabhängig von der Lotlegierung). Bleifreie Lote sind aufgrund Ihrer Zusammensetzung und der erforderlichen erhöhten Löttemperaturen wesentlich aggressiver gegenüber gängigen Grundwerkstoffen und Anlagenteilen in der Elektronikfertigung. Dies hat auch zur Folge, dass Lötspitzen schneller ablegiert werden und im schlimmsten Fall innerhalb weniger Tage unbrauchbar werden! Neben den Standard-Lotlegierungen werden daher seit der Umstellung aus Bleifrei bevorzugt Lote mit sogenannten Mikrodotierungen angewendet. Diese Dotierungen sind Legierungszusätze wie z. B. Nickel, Germanium etc.. Insbesondere Nickel dient dem Schutz der Lötspitzen und verlängert deren Standzeit merklich. Auch der Abtrag der Substrat-Metallisierung ist bei silberarmen oder -freien Lotlegierungen mit Nickeldotierung wesentlich geringer. Daher sind z. B. Legierungen wie Sn100Ni+, SN100403C oder Sn99Ag+ trotz ihres höheren Schmelzpunktes für Nachlötungen bestens geeignet.

Auswahl des Flussmittels

Grundsätzlich sind alle Flussmittel gleichen Typs (aber von unterschiedlichen Herstellern) miteinander mischbar. Das zur Nacharbeit verwendete Flussmittel muss mit den in den automatischen Lötprozessen verwendeten Flussmitteln kompatibel sein. In der Baugruppenfertigung finden hauptsächlich Flussmittel der Klassifizierungen ROL0, ROL1, REL0 oder REL1 Verwendung. Dies sind halogenfrei bzw. halogenarm aktivierte Flussmittel auf natürlicher (RO) bzw. synthetischer (RE) Harzbasis, deren Rückstände als ‚No-Clean' bezeichnet werden.

Neben der international anerkannten IPC-Norm ist die ISO 9454.1 eine weitere Norm für Weichlötflussmittel, die sich aber nicht ausschließlich mit dem Einsatzbereich Elektronikfertigung befasst (siehe Tab. 3). Ein weiterer maßgeblicher Unterschied der beiden Normen liegt in der Klassifizierung. Während die IPC-J-STD-006 die Flussmittel nach ihrer Aktivierung bzw. nach der Wirkung der Flussmittelrückstände einstuft, orientiert sich die ISO 9454-1 an den Hauptbestandteilen des Flussmittels.

Tab. 2: Auszug aus der IPC J-STD-006 mit den äquivalenten FELDER LötdrahttypenTab. 2: Auszug aus der IPC J-STD-006 mit den äquivalenten FELDER Lötdrahttypen

Tab. 3: Einteilung von Weichlötflussmitteln nach Ihren Bestandteilen (ISO 9454.1)Tab. 3: Einteilung von Weichlötflussmitteln nach Ihren Bestandteilen (ISO 9454.1)Flussmittel mit höheren Halogenidgehalten > 0,5 % wurden bisher aufgrund der Korrosionsgefahr ihrer Rückstände sowie der geringeren Isolationswiderstände in der Baugruppenfertigung kaum eingesetzt. Durch kontinuierliche, intensive Forschung im Lötmittelbereich ist es Felder gelungen, einen Lötdraht zu entwickeln, der mit einer ausgewogenen Mischung von organischen Säuren, hochwertigen Harzen und Halogeniden die hervorragenden löttechnischen Eigenschaften eines halogenaktivierten Lötdrahtes mit der No-clean-Funktionalität von ROL0- bzw. REL0-Flussmitteln zu kombinieren.

Der bleifreie Felder-Lötdraht ISO-Core ‚Clear' wurde allen gängigen Prüfungen nach IPC-TM-650 unterzogen:

Tab. 4: Testergebnisse für den Lötdraht ISO-Core ‚Clear' 

2.3.32

Kupferspiegeltest

bestanden

2.4.46

Ausbreitungstest

bestanden

2.4.48

Test auf Flussmittelspritzer

bestanden

2.6.3.3

Oberflächen-Widerstandstest

> 100 MΩ

2.6.14.1

Test auf elektrochemische Migration

bestanden

2.6.15

Prüfung auf Korrosivität

bestanden

Erforderlicher Flussmittelanteil

Gängige Flussmittelgehalte sind: 1,0, 1,5, 2,0, 2,2, 2,5, 3,0 und 3,5 %. Dabei werden halogenfreie Röhrenlote meist mit einem Flussmittelanteil von 3 bis 3,5 %, halogenhaltige eher mit 2,2 bis 2,5 % angeboten. Für Nacharbeiten und Reparaturen an Lötstellen aus dem Wellen- bzw. Reflowprozess sind auch Lötdrähte mit geringeren Flussmittelanteilen (0,7–1,5 %) einsetzbar, da nutzbare Flussmittelrückstände aus vorhergegangenen Lötprozessen auf der Baugruppe vorhanden sind. Das Flussmittel befindet sich im inneren des Drahtes, in der sogenannten Flussmittelseele oder auch Flussmittelkern. In mehrseeligen Lötdrähten ist das Flussmittel in 3 bis 5 Kammern aufgeteilt. Dies soll das Flussmittel schneller an die Lötstelle transportieren und einen konstanten Flussmittelgehalt im Draht gewährleisten.

Optimaler Drahtdurchmesser

Abb. 1: Schematische Darstellung ein- und mehrseeliger LötdrähteAbb. 1: Schematische Darstellung ein- und mehrseeliger LötdrähteDie Wahl des passenden Drahtdurchmessers ist abhängig vom erforderlichen Lotvolumen der Lötstelle und somit auch von der Bauteilgröße. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung in der Elektronikfertigung werden auch Lötdrähte mit feineren Durchmessern erforderlich. War in den 1990ern noch ein Lötdraht mit einem Durchmesser von 1,0 bis 1,5 mm auf jedem Rework-Arbeitsplatz zu finden, sind heute eher die Durchmesser 0,5 bis 1,0 mm die Regel. Gängige Drahtdurchmesser sind:

  • für SMD-Bauteile: 0,15–0,5 mm
  • für THT-Bauteile: 0,5–1,0 mm
  • Kabelkonfektion: 0,75–1,5 mm

Zu der Drahtstärke und Bauteilabmessung sollte auch die passende Lötkolbenspitze ausgewählt werden. Von einer feinen Bleistiftspitze bis zu einer Breite von 20 mm ist alles verfügbar! Aber: zu klein gewählt verlängert sich die Lötzeit – das ist nicht ökonomisch. Zu groß gewählt verstellt sie den Blick auf die Lötstelle oder erhitzt sogar benachbarte Kontakte.

SMD-Lotpasten

SMD-Lotpasten sind das Resultat aus der fachgerechten Bewertung von Anforderungen in der Anwendung sowie der Beurteilung gesammelter Kundenwünsche auf deren Realisierbarkeit. SMD-Lötpasten werden, neben der seriellen Baugruppenfertigung auch für Reparaturarbeiten, insbesondere an hochwertigen Bauteilen, eingesetzt.

Beim Replacement von BGAs oder dem Austausch von LEDs werden vermehrt druck- oder dosierbare SMD-Pasten eingesetzt, um eine thermische Überbelastung der Bauteile zu vermeiden.

Abb. 2 und 3: Replacement von BGAs und Rework an temperaturempfindlichen SMD-LEDs

Abb. 2 und 3: Replacement von BGAs und Rework an temperaturempfindlichen SMD-LEDs

Abb. 2 und 3: Replacement von BGAs und Rework an temperaturempfindlichen SMD-LEDs

Betrachtet man den Lötprozess ausschließlich aus dem Blickwinkel des Lötmittelherstellers, werden Benetzung und Ausbreitung maßgeblich von den verwendeten Harzen, Aktivatoren und der Lotlegierung des Metallpulvers einer SMD-Lötpaste beeinflusst.

Flussmittel

SMD-Lötpasten auf Basis natürlicher Harze (Abb. 4) hinterlassen mehr oder weniger dunkle Rückstände auf den Baugruppen. Selbst Farbschwankungen zwischen verschiedenen Chargen eines Pastentyps sind nicht ungewöhnlich. Die in den ‚Clear'-Lötmitteln verwendeten synthetischen Harze sind wasserklar, farbkonstant und thermisch stabil (Abb. 5). Insbesondere bei der Reparatur bzw. bei löttechnischen Nacharbeiten spielt die Unauffälligkeit von Flussmittelrückständen eine übergeordnete Rolle.

Abb. 4: Flussmittelrückstand einer Paste auf Basis natürlicher HarzeAbb. 4: Flussmittelrückstand einer Paste auf Basis natürlicher Harze

Abb. 5: Flussmittelrückstand der ‚Clear‘-Paste auf Basis synthetischer Harze.Abb. 5: Flussmittelrückstand der ‚Clear‘-Paste auf Basis synthetischer Harze.

Abb. 5: Ob ein Reparaturflussmittel synthetisch oder auf Basis natürlicher Harze hergestellt ist, lässt sich leicht an seiner Färbung erkennen: natürliche Harze sind größtenteils bernsteinfarben, synthetische farblosAbb. 5: Ob ein Reparaturflussmittel synthetisch oder auf Basis natürlicher Harze hergestellt ist, lässt sich leicht an seiner Färbung erkennen: natürliche Harze sind größtenteils bernsteinfarben, synthetische farblos

Viskosität

SMD-Lötpasten für Rework und Reparatur werden hauptsächlich in Dispenser-Kartuschen verarbeitet, da ein Druckprozess auf einer bereits bestückten Baugruppe in den seltensten Fällen realisierbar ist. Um die Dosierfähigkeit der Paste zu gewährleisten haben diese eine geringere Viskosität und einen geringeren Metallanteil als Pasten für den Schablonendruck.

Tab. 5: Applikationen und Viskositäten am Beispiel der ISO-Cream ‚Clear‘-PasteTab. 5: Applikationen und Viskositäten am Beispiel der ISO-Cream ‚Clear‘-Paste

Metallpulver

Bei der Auswahl des richtigen Metallpulveranteils einer SMD-Paste sollte dieser der in den vorgeschalteten Prozessen verwendeten Legierung entsprechen. Soll allerdings vermieden werden, dass nahegelegene Lötstellen mit aufgeschmolzen werden, ist eine niedrigschmelzende Lotlegierungen wie Bi58Sn42 (Schmelzpunkt 138 °C) empfehlenswert.

Bei der Auswahl der Korngröße bei druckbaren SMD-Lötpasten sollte die Partikelgröße des Metallpulvers zur Bauteilgröße und zur verwendeten Dosiernadel passen.

SMD- und BGA-Reparaturflussmittel

Passend zur bleifreien SMD-Lötpaste ISO-Cream ‚Clear' steht dem Anwender auch ein Reparaturflussmittel ISO-Flux ‚Clear' mit denselben Attributen zur Verfügung. Die Rezeptur basiert auf synthetischen Harzen, verzichtet auf Kolophonium [1] und ist auf die Bedürfnisse der bleifreien Löttechnik abgestimmt:

  • hohe Benetzungsgeschwindigkeit und Ausbreitung auf allen in der Elektronik gängigen Oberflächen
  • glasklare Flussmittelrückstände zur Optimierung des optischen Eindruckes
  • geringe Ausgasung und neutraler Geruch vermindert die Arbeitsplatzbelastung
  • leicht entfernbare Flussmittelrückstände, die sich mit allen bekannten konventionellen Reinigungsmitteln rückstandsfrei entfernen lassen.

Die SIR-100 MΩ-, Kupferspiegel- und Korrosionstests nach IEC 61189-5 und 61189-6 sowie nach IPC J-STD-004B wurden bestanden. Die Flussmittel sind somit uneingeschränkt in der Baugruppenfertigung einsetzbar.

Resümee

Um dem ökologischen Anspruch des Verbrauchers an eine nachhaltige und ganzheitliche Konsumentenelektronik nachzukommen, stehen auch die Hersteller von Lötprodukten in der Pflicht. Es geht darum, Ansätze für eine möglichst CO2-neutrale und nachhaltige Fertigung zu finden und zu realisieren. Felder verfolgt dabei mehrere Ansätze und verwendet etwa Rohstoffe aus fairen Quellen und Strom aus zu 100 % erneuerbaren Energien (auch bei Schmelzprozessen), nutzt die Abwärme der Maschinen und Öfen sowie Brauchwasser zur Reduktion des Frischwassers, receycelt Altmetalle und Altflussmittel, setzt bei Drahtspulen, Pasten- und Flussmitteldosen auf Recycling-Kunststoffe, stellt sukzessive den Firmenfuhrpark auf Fahrzeuge mit Hybrid- und E-Antrieb um und bietet seinen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern sowie deren Angehörigen ein Fahrad-Leasing-Programm an.

Bei der Reparatur von Geräten, die unter die Öko-Design-Richtlinie fallen, sollten – wie dieser Artikel zeigt - nachhaltige Tools und Zusatzwerkstoffe eingesetzt werden. So werden alle hier aufgeführten genannten Lötmittel für den Europäischen Markt in Deutschland produziert. Dies ist ein weiterer Schritt auf dem Weg zu einem möglichst kleinen CO2-Fußabdruck.

Udo Grimmer-HerklotzZur Person

Udo Grimmer-Herklotz ist seit 1999 bei Felder in der Anwendungstechnik für die technische Kundenbetreuung verantwortlich und verfügt über umfängliches Wissen um Lötprozesse in der elektronischen Baugruppen- und Leiterplattenfertigung.

Referenzen

[1] Das einst bei Lötarbeiten in der Elektronikfertigung verwendete Kolophonium gilt als gesundheitsschädlich und verursacht häufig allergische Reaktionen, Asthma und Ekzeme. Vgl.: www.biologie-seite.de/Biologie/Kolophonium

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 4
  • Jahr: 2023
  • Autoren: Udo Grimmer-Herklotz

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