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Donnerstag, 18 Juni 2020 07:56

Kolumne: Weich wie Butter

von Prof. Rahn
Geschätzte Lesezeit: 3 - 6 Minuten
Abb. 1: Was wäre eine ‚Brezn‘ ohne Butter? Abb. 1: Was wäre eine ‚Brezn‘ ohne Butter? V. Tisken / Leuze-Verlag

Butter wird sehr kontrovers diskutiert. Dabei ist sie der Gesundheit zuträglicher, als ihr schlechter Ruf vermuten lässt. Zudem hat sie weniger Kalorien als das als so gesund propagierte Olivenöl. Nicht ausdiskutiert ist nur noch die Frage, wie die richtige Streichfähigkeit erreicht werden darf. Bei Lotpaste ist es ähnlich – nicht bezüglich Gesundheit oder Kalorien, aber bei Viskosität und Rheologie. Auch stellt sich die Frage der Haltbarkeit. Dem Löter steht erst einmal ein mysteriöses Mus [2] gegenüber, mit dem er ohne weitere Prüfung einfach seinen Drucker füttert. Um das Endergebnis zu sichern, wäre es aber angeraten, sich über dieses Gemisch eingehender zu informieren.

image2Abb. 2: a) Frisches Lotpulver b) Lotpulver nach Pastenlagerung (ausgewaschen)

Lotpaste wird aus einigen Zugaben angerührt, wobei ein Metallpulver sowie Aktivatoren – allgemein unter dem Schlagwort ‚Flussmittel‘ zusammengefasst – einen wesentlichen Anteil ausmachen. Eine Reihe anderer Zugaben werden teilweise wie Geheimnisse gehandelt, obgleich ein Chemiker mit einem Gaschromatographen kaum Probleme haben dürfte, sie zu identifizieren.

Immerhin scheinen die Hersteller selbst gewisse Schwierigkeiten zu haben, denn Fehlchargen kommen nicht selten vor. Sie werden dann bei anschließenden Tests eliminiert und entweder wieder zurückgewonnen oder mit anderen Eigenschaften als ursprünglich vorgesehen veräußert. Das mag zum Teil überhöhte Preise erklären, die speziell bei sehr feinkörnigen Pasten verlangt werden.

Außer den Aktivatoren im Flussmittel werden auch Lösemittel wie Alkohole oder Glykole beigemischt, um die Paste druckbar zu machen. Für die Haftfähigkeit, welche nötig ist, um die Bauteile aufzunehmen, kommen z. B. verschiedene Harze in Frage. Auch Oxidationshemmer und natürlich thixotropische Chemikalien – interessanterweise auch Derivate des Rhizinusöls – sind wichtig, weil die steifere Pasten erlauben, die sich unter Scherung dann dünnflüssiger benehmen.

Insgesamt gesehen ist das ein recht instabiles Konglomerat, denn nicht nur sind die Gewichtsunterschiede zwischen dem Metall und dem Rest der Masse beachtlich – so geben die Hersteller die Anteile am liebsten als Gewichtsprozente an, denn das ist weit eindrucksvoller als relevantere Volumenprozente – andererseits sitzen da eine Reihe von Chemikalien über längere Zeit zusammen, die sehr gerne miteinander reagieren möchten, schließlich sind sie ja gerade deswegen ausgewählt worden.image3Abb. 3: Viskositätsmessgerätschaft

Um das Ausfallen der Metallpartikel zu verlangsamen werden Verdicker und Stabilisatoren eingemischt, die alleine jedoch nicht ausreichen, um ein Separieren zu verhindern. Deswegen sollte die Paste kontinuierlich gekühlt werden, denn je wärmer sie ist, desto dünnflüssiger wird sie und desto eher bewegen sich die Metallkügelchen dank der Schwerkraft nach unten. ‚Dauernd‘ bedeutet hier ununterbrochen, also auch während des Transports, denn wenn auch nur kurzfristig die Stabilität beeinträchtigt wird, hat die Paste bereits an Qualität verloren. Ein paar Stunden im Sommer ungeschützt im Kofferraum des Verkäufers und die Paste hat’s gehabt gehaben, wie man so sagt.

Was ‚kühl‘ hier bedeutet wird von den einzelnen Herstellern unterschiedlich angegeben, aber als Richtwert gelten wohl 7 °C ± 2 K. Der Gedanke kommt einem natürlich wie bei der Butter sie einfach einzufrieren. Bei der Butter ist das möglich, obgleich frische Butter geschmacklich angenehmer ist. Paste hat da aber gewisse Schwierigkeiten, denn Harzpartikel und auch andere Teilnehmer dieses Gebräus können kristallisieren und das hat man nicht gerne.

Kühlung verlangsamt auch die chemische Reaktion. Konzentriert man sich auf die Aktivatoren so ist es ja deren Aufgabe sich mit Metalloxiden zu verbinden um Metallsalze zu erzeugen und somit die Metalloberfläche für das Löten frei zu geben. Zwar versuchen die Pulverhersteller eine Oxidation der Körner durch Abdeckgase (Stickstoff) bei den ‚meisten‘ (wie sie keusch [3] zugeben) Schritten zu vermeiden, aber dennoch bilden sich Oxidhäute.

image4Abb. 4: Weitere Variationen zur Messung der ViskositätDass sich Pasten bei Lagerung in vielerlei Hinsicht verändern, haben zahlreiche Untersuchungen nachgewiesen. Uneinigkeit besteht darin, was genau dafür verantwortlich zu machen wäre. 
Die Reaktion der Aktivatoren mit den Metalloxiden auf den Lotkugeln spielt sicherlich eine wesentliche Rolle. Aber ob zum Beispiel das Aufbrechen einiger Molküle oder die Reaktion zwischen Zugaben weitere Beiträge leisten, haben die werten Herren Chemiker der einschlägigen Industrie noch nicht genauestens untersucht oder zumindest nicht veröffentlicht.

Die Viskosität ist eine der wichtigen Eigenschaften solcher Pasten. Sie bezeichnet die Zähflüssigkeit von derartigen ‚Flüssigkeiten‘ und die wird mit verschiedenen Methoden gemessen. Unter dem Begriff ‚Viskometer‘ [4] tummelt sich eine ganze Liste verschiedener Instrumente und Gerätschaften, so dass es stets anzuraten ist, bei der Angabe der Viskosität auch gleich nachzuschauen, welche Methode verwendet wurde und bei welcher Temperatur die Untersuchung stattfand, denn je kälter, desto fester ist eben die Paste.

image6Abb. 5: Solche Geräte kontrollieren Druck, Temperatur und Geschwindigkeit und können somit auch thixotropische Eigenschaften erfassen

Leicht variiert ist die Messung der Rheologie [5] welche das Fließverhalten der Paste bei unterschiedlicher Scherung beschreibt. Da auch hier eine Vielfalt an Instrumenten [6] verwendet werden kann, ist eine Nachfrage bei Angabe von Daten zu befürworten. Anstrengungen werden immer wieder unternommen, um eine Korrelation zwischen Viskosität, Rheologie und dem Pastendruck nachzuweisen. Außer bei extrem dünnen oder extrem dicken Pasten scheinen aber kaum verwertbare Daten das wirkliche Verhalten der Paste vorherzusagen. Zu viele andere Faktoren nehmen Einfluss, nicht zuletzt auch der Mensch der wegen eines derzeitigen noch herrschenden Mangels an ‚Künstlicher Intelligenz‘ nach wie vor die Herrschaft über diesen Bereich der Fertigung ausübt.

Alles gut zu wissen, doch sollte man die Pasten regelmäßig testen? image7Abb. 6: a) Aufgemischte Lotpaste b) ruinierte LotpasteEine gute Messung der Viskosität oder der Rheologie ist recht aufwändig und schwierig und in den meisten Firmen nicht wirklich machbar. Größere Hersteller mögen vielleicht über Laboratorien und gut ausgebildete Mitarbeiter verfügen, um den Herstellern und Lieferanten auf die Finger zu schauen. Den kleineren Lötern bleibt meist nichts anderes übrig als auf die Seriosität ihrer Pastenfirmen zu vertrauen.

 
thumb RahnProf. Rahn ist ein weltweit tätiger Berater in Fragen der Verbindungstechnologie.
Sein neues Buch über ‚Spezielle Reflowprozesse‘ erschien vor Kurzem beim Leuze Verlag.
Er ist erreichbar unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!, wohin auch Anfragen über In-Haus Seminare gerichtet werden können. 

 

Literatur und Anmerkungen:
[1] E. Marks: Characterization of Lead-Free Solder Pastes and their Correlation with the Stencil Printing Process Performance, University of Greenwich, UK, 2012
[2] C. Tudor: Minimizing Voiding; Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!, 2017
[3] The Quick Pocket Reference for Tin/Lead and Lead-Free Solder Assembly, Aim, 2008
[4] Allgemeine Information über Lotpaste, KOKI Company
[5] N. Badwe et al.: Solder Paste: Fundamental Material Property / Smt Performance Correlation, Proceedings of SMTA International, Oct. 14–18, 2018, Rosemont, IL, USA
[6] F. Gao; D. Amin: Rheology Of Solder Paste: Shelf Life Study, Proceedings of SMTA International, Oct. 14–18, 2018, Rosemont, IL, USA
[7] F. V. Barbosa et al.: Rheology Characterization of Solder Paste, ASME 2017 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, November 3–9, 2017, Tampa, Florida, USA 
[8] M. Holtzer et al.: Using Rheology Measurement as a Potentially Predictive Tool for Solder Paste Transfer Efficiency and Print Volume Consistency, Proceedings of SMTA International, Sep. 25–29, 2016, Rosemont, IL, USA

 Referenzen:
[1]  https://www.kitchenstories.com/de/stories/butter-blitzschnell-weich-machen
[2]  Die Bezeichnung Mus für einen Brei aus Obst oder Gemüse geht auf das althochdeutsche muos = Speise; Essen zurück.
[3]  keusch aus lateinisch conscius, ‚bewusst‘
[4]  https://en.wikipedia.org/wiki/Viscometer
[5]  von altgriechisch ῥεῖν (rhein), deutsch ‚fließen‘ und λόγος (logos), deutsch ‚Lehre‘
[6]  https://en.wikipedia.org/wiki/Rheometer

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  • Ausgabe: 6
  • Jahr: 2020
  • Autoren: Prof. Rahn

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