Grundlagen des Lötens

Der folgende Artikel beschäftigt sich mit den Grundlagen der Fügetechnik Löten und ist als erste Einführung in dieses Thema konzipiert. Dazu zählen die Definition des Lötens, für das Verständnis des Lötens wesentliche Begriffe und Voraussetzungen sowie Übersichten zu Lötverfahren, Lotwerkstoffen und Flussmitteln.

Definition Löten

Bild: Schmelztemperaturen von Grundwerkstoffen und Lot
Bild 1: Schmelztemperaturen von Grundwerkstoffen und Lot, schematisch

Löten gehört zu den unlösbaren, stoffschlüssigen Fügetechniken wie auch Schweißen und Kleben [1] und ist international in der Norm DIN ISO 857-2 wie folgt definiert (einzelne Begrifflichkeiten werden weiter unten erläutert):

„Fügeprozess, bei dem ein geschmolzenes Lot genutzt wird, das eine Liquidustemperatur besitzt, die tiefer ist als die Solidustemperatur der/des Grundwerkstoffe(s). Das geschmolzene Lot benetzt die Oberflächen der/des Grundwerkstoffe(s) und wird während oder bei Ende des Aufheizens in einen engen, zwischen den zu fügenden Teilen befindlichen Spalt hineingezogen (oder, falls vorab eingelegt, dort gehalten)“ [2].

Löten wird üblicherweise bei Metallen angewendet wird. Es können jedoch auch Nichtmetalle wie z. B. Keramiken gelötet werden. Die folgenden Ausführungen beschäftigen sich ausschließlich mit dem Löten von Metallen.

Beim Löten werden definitionsgemäß die zu fügenden Bauteile auf eine Temperatur erwärmt, bei der nur das Lot schmilzt und nicht der Grundwerkstoff, bzw. die Grundwerkstoffe. Dies ist der wesentliche Unterschied im Vergleich zu Schweißverfahren.

Liquidus- und Solidustemperatur

Bild: Solidus- und Liquidustemperatur sowie Schmelzbereich des Lotes
Bild 2: Solidus- und Liquidustemperatur sowie Schmelzbereich des Lotes Ag 145

Die Begriffe Liquidustemperatur und Solidustemperatur stammen aus der Metallkunde. Während reine Metalle bei einer exakten Temperatur schmelzen (z.B. Silber bei 961 °C), besitzen Werkstoffe, die aus unterschiedlichen Metallen bestehen, sogenannte Schmelzbereiche, in denen sie nicht komplett erstarrt oder flüssig sind. Dies gilt insbesondere für Lotwerkstoffe, da es sich bei diesen in der Regel um Mischungen von zwei oder mehreren Metallen handelt.

Werkstoffe, die aus zwei oder mehreren Metallen bestehen, werden auch Legierungen genannt.

Unter Liquidustemperatur wird die obere Temperatur des Schmelzbereiches eines Werkstoffes verstanden. Oberhalb dieser Temperatur ist der Werkstoff vollständig flüssig.

Unter Solidustemperatur wird die untere Temperatur des Schmelzbereiches eines Werkstoffes verstanden. Unterhalb dieser Temperatur ist der Werkstoff vollständig erstarrt.

Bild 2 erläutert diese Temperaturbegriffe anhand des Silberhartlotes Ag 145 (Kurzzeichen nach DIN EN ISO 17672, Hartlöten – Lote [3]).

Benetzen

Unter dem in der Definition für Löten erwähnten „Benetzen“ versteht man das Ausbreiten und Haften einer durchgehend dünnen Schicht aus geschmolzenem Lot auf der Oberfläche des zu fügenden Bauteils. [2]

Ein geschmolzenes Lot benetzt eine Oberfläche nur unter folgenden Voraussetzungen [4]:

  • Die Lötflächen wie auch das Lot müssen „metallisch blank“ sein.
  • Die Lötflächen sowie das Lot müssen mindestens die Löttemperatur erreicht haben.
  • Mindestens ein Legierungsbestandteil des Lotes muss mit dem Grundwerkstoff eine Legierung eingehen können.

„Metallisch blank“ bezeichnet eine Oberfläche, die frei von Verunreinigungen, Ölen, Fetten und Oxidschichten ist. Dieser Zustand muss auch während der Erwärmung garantiert sein, was für das Entfernen und die Verhinderung der Neubildung der Oxidschichten besondere Maßnahmen erfordert. Dazu zählen der Einsatz von Flussmitteln und die Verwendung von Schutzgas- oder Vakuumatmosphären.

Die Löttemperatur entspricht der Temperatur an der Fügestelle, bei der das Lot die Oberfläche benetzt oder bei der eine flüssige Phase aufgrund von Grenzflächendiffusion gebildet wird und genügend Werkstofffluss eintritt [2].

Lotwerkstoffe bestehen, wie oben erwähnt, in der Regel aus einer Mischung von mehreren Metallen (z.B. Silber, Kuper und Zink), weshalb sie als Lotlegierung bezeichnet werden können. Mindestens eines der im Lot vorhandenen Metalle muss mit dem Grundwerkstoff (z.B. Eisen) ebenfalls mischbar sein, also eine Legierung eingehen können. Dies gilt z.B. für Eisen mit Kupfer und Zink, jedoch nicht für Eisen mit Silber.

Als Maß für die Benetzbarkeit eines Grundwerkstoffes durch ein flüssiges Lot wird der Benetzungswinkel α angegeben. Dieser bezeichnet den Winkel, der sich zwischen einem flüssigen Lottropfen und der ebenen Grundwerkstoffoberfläche einstellt.

Bild: Benetzungswinkel
Bild 3: Benetzungswinkel

Bei α < 90° liegt eine Benetzung vor (optimale Benetzung ab α < 30°).
Bei α = 0° existiert eine vollkommene Benetzung.
Bei α = 90° hat der Lottropfen benetzt, sich aber nicht ausgebreitet.
Bei α > 90° liegt keine Benetzung vor.

Kapillareffekt

Bild: Kapillarer Fülldruck in Abhängigkeit von der Spaltbreite
Bild 4: Kapillarer Fülldruck in Abhängigkeit von der Spaltbreite

Wie in der Definition für Löten erwähnt, befindet sich zwischen den zu fügenden Bauteilen ein Spalt, in den das flüssige Lot hineinfließt. Verantwortlich für das Fließen eines Lotes in einen Spalt ist der sogenannte Kapillareffekt. Damit wird das durch Oberflächenspannungen bestimmte Verhalten von Flüssigkeiten verstanden, das sie in engen Hohlräumen fester Körper wie z.B. Spalten, Poren, Röhrchen (Kapillare) zeigen. Wenn die Flüssigkeit den Festkörper (oder das Lot den Grundwerkstoff) benetzen kann, steigt die Flüssigkeit in einem engen Röhrchen aus dem Festkörper auch entgegen der Schwerkraft empor (= das Lot fließt in den Spalt).

Der Kapillareffekt ist wie folgt definiert: „Kraft, ausgelöst durch Oberflächenspannung, die das geschmolzene Lot in den Spalt zwischen die zu fügenden Bauteile hineinzieht, auch entgegen der Schwerkraft.“ [2]

Als Maß für die Kraft wird der kapillare Fülldruck angegeben. Dieser ist abhängig von der Spaltbreite und der Geometrie des Lötspaltes. Grundsätzlich gilt, dass der kapillare Fülldruck mit enger werdendem Spalt zunimmt.

Einteilung von Lötverfahren

Bild: Einteilung der Verfahren durch Weich- und Hartlöten
Bild 5: Einteilung der Verfahren durch Weich- und Hartlöten [2]

Die Einteilung von Lötverfahren kann nach unterschiedlichen Kriterien erfolgen und wird in der Literatur auch unterschiedlich durchgeführt. In der mittlerweile zurückgezogenen Norm DIN 8505 Teil 2 (ersetzt durch DIN ISO 857-2) erfolgte die Einteilung nach:

  • Liquidustemperatur der Lote
  • Art der Lötstelle
  • Art der Oxidbeseitigung
  • Art der Lotzuführung
  • Art der Fertigung
  • Energieträgern

Unter obigen Überschriften erfolgte dann die Definition der zugehörigen Begriffe und Verfahren.

Die nun gültige Norm DIN ISO 857-2 greift die in DIN 8505 Teil 2 erfolgte Einteilung auf und definiert die Begriffe und Verfahren direkt ohne der Einteilung Überschriften zu geben. Eine Verfahrensbeschreibung basierend auf Energiequellen (Energieträgern) erfolgt im informativen Anhang der Norm.

Wesentlich für die Einteilung von Lötprozessen ist die Unterscheidung in
Weichlöten – Fügeprozess mit Loten, deren Liquidustemperatur bei 450 °C oder darunter liegt [2] und
Hartlöten – Fügeprozess mit Loten, deren Liquidustemperatur oberhalb von 450 °C liegt [2]

Darüber hinaus wird unter Hochtemperaturlöten das flussmittelfreie Löten unter Luftabschluss (Vakuum, Schutzgas) mit Loten verstanden, deren Liquidustemperatur oberhalb von 900 °C liegt. Dieser Begriff ist jedoch nicht mehr in der Norm DIN ISO 857-2 aufgeführt.

Lote

Entsprechend der oben erläuterten Einteilung in Weich- und Hartlöten wird zwischen Weichloten und Hartloten unterschieden. Die Weichlote sind in DIN EN ISO 9453 [5] in ihrer Zusammensetzung genormt; für die Hartlote gilt DIN EN ISO 17672.

Bild: Schmelztemperaturbereiche der Hartlotgruppen nach DIN EN ISO 17672
Bild 6: Schmelztemperaturbereiche der Hartlotgruppen nach DIN EN ISO 17672

Weichlote werden in bleihaltige und bleifreie Lote unterteilt [5]. Darunter existieren verschiedene Untergruppen, die sich an der Zusammensetzung orientieren. Ihre Schmelzbereiche liegen zwischen 145 °C und 370 °C (bleihaltige Weichlote) bzw. 118 °C und 380 °C (bleifreie Weichlote). Das Hauptanwendungsgebiet des Weichlötens liegt in der Elektronikfertigung und stellt vom Umfang und der Bedeutung her ein eigenes Fachgebiet dar, das hier nicht näher betrachtet wird.

Die Hartlote werden nach [3] in folgende Gruppen eingeteilt:

Gruppe AI Aluminiumhartlote- und Magnesiumhartlote
Gruppe Ag Silberhartlote
Gruppe CuP Kupfer-Phosphor-Hartlote
Gruppe Cu Kupferhartlote
Gruppe Ni Nickelhartlote- und Nickel-Kobalthartlote
Gruppe Pd Palladiumhaltige Hartlote
Gruppe Au Goldhaltige Hartlote

 

Flussmittel

Wie im Kapitel „Benetzen“ erwähnt, müssen für eine erfolgreiche Lötung sowohl die Lötflächen als auch die Lotoberfläche „metallisch blank“, also frei von Verunreinigungen, Ölen und Fetten sowie Oxidschichten sein. Insbesondere die Entfernung von Oxidschichten sowie die Verhinderung der Neubildung dieser Schichten während der Erwärmung erfordert besondere Maßnahmen. Neben der Verwendung von Schutzgas- oder Vakuumatmosphären können auch Flussmittel zum Einsatz kommen.


DIN ISO 857-2 definiert Flussmittel als nicht-metallischen Stoff, der, wenn geschmolzen, das Benetzen unterstützt, indem vorhandene Oxide oder schädliche Beläge von den zu fügenden Oberflächen entfernt werden und ihre Neubildung während des Fügevorgangs verhindert wird.

Standards für Flussmittel zum Hartlöten sind in der Norm DIN EN 1045 aufgeführt. Grundsätzlich wird in Flussmittel zum Hartlöten von Schwermetallen (Klasse FH) und Flussmittel zum Hartlöten von Leichtmetallen unterschieden. Die Flussmittel sind als Pulver, Paste oder Flüssigkeit, sowie als Lot-Flussmittel-Mischung (pastös oder pulverförmig) lieferbar [nach 6].

Typ Flussmittelbasis Wirktemperaturbereich Anwendung Verhalten der 
Flussmittelrückstände
FH10 Borverbindungen, Fluoride 550°C – ca. 800°C Vielzweckflussmittel korrosiv
FH11 Borverbindungen, Fluoride,
Chloride 550°C – ca. 800°C Cu-Al-Werkstoffe Korrosiv
FH12 Borverbindungen, Fluoride, Bor 550°C – ca. 850°C Rostfreie und hochlegierte Stähle, Hartmetalle Korrosiv
FH20 Borverbindungen 700°C – ca. 1000°C Vielzweckflussmittel Korrosiv
FH21 Borverbindungen 750°C – ca. 1000°C Vielzweckflussmittel Nicht korrosiv
FH30 Bor- und Siliziumverbindungen, Phosphate > 1000°C Cu- oder Ni-Lote Nicht korrosiv
FH40 Chloride, Fluoride (borfrei) 600°C – ca. 1000°C Borfreie Anwendungen Korrosiv
FL10 Chloride, Fluoride, 
Lithiumverbindungen > 550°C Leichtmetalle Korrosiv
FL20 Fluoride > 550°C Leichtmetalle Nicht korrosiv
Tabelle 1: Flussmittelgruppen zum Hartlöten metallischer Werkstoffe nach DIN EN 1045

Zur Reduktion sowie zur Verhinderung der Neubildung von Oxidschichten sind Mindestmengen an Flussmittel an den zu lötenden Flächen erforderlich. Daraus folgt, dass bei Lötungen mit Flussmitteln der Lötspalt nicht zu klein werden darf, da ansonsten nicht ausreichend Flussmittel für eine erfolgreiche Lötung zur Verfügung steht. In der Praxis werden daher für Flussmittellötungen Mindestlötspalte von 0,05 mm verwendet (vgl. auch Bild 4).

Literatur

[1] Hartlöten – Eine Einführung
Erarbeitet vom Arbeitskreis „Schulungsunterlagen“ und der Arbeitsgruppe V6.1 „Hartlöten“ im Ausschuss für Technik des DVS
Herausgegeben von der Fachgesellschaft „Löten“ im DVS
ISBN 978-3-87155-839-9, DVS Media GmbH, Düsseldorf
[2] DIN ISO 857-2 Schweißen und verwandte Prozesse – Begriffe –
Teil 2: Weichlöten, Hartlöten und verwandte Begriffe
[3] DIN EN ISO 17672 Hartlöten – Lote
[4] Grundlagen des Lötens
Daniel Schnee
Veröffentlichung der Umicore AG & Co. KG
[5] DIN EN ISO 9453, Weichlote - Chemische Zusammensetzung und Lieferformen
[6] DIN EN 1045 Flussmittel zum Hartlöten