Löten in der Elektronik

Löten verbindet zwei Metallteile mit einem dritten Metall – dem Lot. Der entscheidende Punkt: Die zu verbindenden Teile selbst schmelzen nicht. Nur das Lot wird flüssig, fließt in den Spalt und erstarrt. Beim Schweißen ist das anders, dort schmilzt der Grundwerkstoff selbst auf. Die Verfahren des Schweißens werden in einem eigenen Beitrag behandelt; hier geht es ausschließlich ums Löten.

In der Elektronik wird weichgelötet. Weichlöten bedeutet, dass das Lot unterhalb von etwa 450 °C schmilzt – beim Elektroniklöten liegen die Arbeitstemperaturen sogar deutlich darunter, meist zwischen 250 °C und 350 °C. Das Hartlöten mit höher schmelzenden Loten ist ein anderes Verfahren mit eigenem Einsatzbereich und wird separat besprochen.

Warum überhaupt löten und nicht schrauben oder klemmen? Drei Gründe: Die Verbindung ist elektrisch gut leitend, sie ist mechanisch fest, und die niedrige Temperatur schont die wärmeempfindlichen Bauteile. Ein Halbleiter verträgt nur kurz Hitze – ein Verfahren mit niedriger Prozesstemperatur ist hier Pflicht.

Damit eine Lötstelle entsteht, müssen drei Dinge zusammenspielen: das Lot, das Flussmittel und die Benetzung der Oberflächen.

Das Lot is eine Metalllegierung. Lange war Zinn-Blei (SnPb) Standard, heute wird in der Elektronik fast durchgängig bleifrei gelötet, meist mit Zinn-Kupfer (SnCu) oder Zinn-Silber-Kupfer (SnAgCu). Bleifreie Lote schmelzen etwas höher und brauchen genauere Temperaturführung.

Hier kommt ein wichtiger metallurgischer Unterschied ins Spiel. Manche Legierungen haben einen Schmelzbereich – sie werden über eine Temperaturspanne hinweg erst breiig, dann flüssig. Andere sind eutektisch: Eine eutektische Legierung hat einen festen Schmelzpunkt, sie geht bei einer einzigen Temperatur direkt von fest auf flüssig über, ohne breiige Zwischenphase. Das klassische Beispiel ist Sn63Pb37 mit einem Schmelzpunkt von 183 °C. Auch unter den bleifreien Loten gibt es eutektische Zusammensetzungen.

Warum ist das praktisch wichtig? Eine eutektische Legierung erstarrt schlagartig. Eine Legierung mit Schmelzbereich durchläuft beim Abkühlen eine teigige Phase – wenn man die Lötstelle in diesem Moment bewegt, entsteht eine gestörte, oft kalte Lötstelle. Das Verständnis dieses Erstarrungsverhaltens erklärt, warum man eine Lötstelle nach dem Lötvorgang ruhig abkühlen lassen muss.

Das Flussmittel ist genauso wichtig wie das Lot. Jede Metalloberfläche überzieht sich an der Luft mit einer dünnen Oxidschicht. Flüssiges Lot perlt von dieser Oxidschicht ab, statt zu haften. Das Flussmittel löst die Oxide chemisch, hält die Oberfläche während des Lötens metallisch blank und ermöglicht so erst, dass das Lot haftet. In der Elektronik wird oft Kolophonium (ein Harz) oder ein no-clean-Flussmittel verwendet, dessen Rückstände nicht entfernt werden müssen.

Das Benetzen ist das eigentliche Ziel: Das flüssige Lot soll sich flach über die Oberfläche ausbreiten und mit dem Grundmetall eine dünne Verbindungsschicht bilden. Eine gut benetzte Stelle zeigt einen flachen, auslaufenden Lotrand. Perlt das Lot dagegen zu einer Kugel zusammen, ist die Benetzung schlecht – ein Zeichen für fehlendes Flussmittel oder eine verschmutzte Oberfläche. Wie gut sich eine Oberfläche löten lässt, beschreibt der Begriff Lötbarkeit.

Praktisch kommt beides oft kombiniert: Das Lötzinn hat eine Flussmittelseele – einen dünnen Kanal aus Flussmittel im Inneren des Drahts. Beim Schmelzen tritt das Flussmittel automatisch aus.

Eine gute und eine schlechte Benetzung lassen sich am Querschnitt des Lottropfens an der Oberfläche zeigen. Links breitet sich das Lot flach aus und benetzt, rechts zieht es sich zur Kugel zusammen.

Das wichtigste Werkzeug ist der Lötkolben, in der Praxis meist als geregelte Lötstation. Eine Lötstation hält die eingestellte Temperatur konstant, weil sie ständig nachheizt, wenn die Spitze beim Kontakt mit der Lötstelle Wärme abgibt. Genau das ist der Vorteil gegenüber einem ungeregelten Kolben: gleichmäßige Temperatur, unabhängig davon, wie viel Wärme die Lötstelle gerade abzieht.

Die Lötspitze überträgt die Wärme. Entscheidend ist die Kontaktfläche zwischen Spitze und Lötstelle – je größer und sauberer der Kontakt, desto schneller fließt Wärme. Deshalb wird die Spitze regelmäßig verzinnt: Eine dünne Lotschicht verbessert den Wärmeübergang und schützt vor Oxidation. Eine oxidierte, schwarze Spitze überträgt kaum noch Wärme. Spitzenformen gibt es viele – von der feinen Bleistiftspitze für kleine Lötstellen bis zur Meißelform für größere Flächen.

Die Arbeitstemperatur richtet sich nach dem Lot. Bleifreie Lote brauchen etwas höhere Temperaturen als die früher üblichen verbleiten. Die Regel lautet: so heiß wie nötig, so kurz wie möglich. Zu niedrige Temperatur führt zur kalten Lötstelle, zu lange Hitze schlägt Bauteil und Leiterplatte.

Wer an elektronischen Baugruppen arbeitet, beachtet außerdem den ESD-Schutz – elektrostatische Entladungen können empfindliche Bauteile zerstören, deshalb arbeitet man an geerdeten Arbeitsplätzen.

Ein Punkt, der oft unterschätzt wird, ist der Gesundheitsschutz. Beim Löten entstehen Dämpfe – vor allem aus dem verdampfenden Flussmittel, etwa dem Kolophonium. Diese Lötrauche reizen die Atemwege und können bei dauerhafter Belastung gesundheitsschädlich sein. In der Werkstattpraxis gehört deshalb eine Lötrauchabsaugung zum Standard: ein kleines Absauggerät mit Filter, das die Dämpfe direkt an der Lötstelle abzieht, bevor sie eingeatmet werden. In Österreich sind Arbeitgeber über das Arbeitnehmerschutzgesetz und die Grenzwerteverordnung verpflichtet, die Belastung durch solche Stoffe gering zu halten. Bei gelegentlichem Löten reicht oft eine gute Lüftung, bei regelmäßiger Arbeit ist eine Absaugung an der Quelle die richtige Lösung.

Eine saubere Lötstelle entsteht in einer festen Reihenfolge. Zuerst wird die Lötstelle erhitzt – die Spitze berührt gleichzeitig Bauteilanschluss und Leiterbahn, damit beide warm werden. Dann wird das Lot zugeführt, und zwar an die erhitzte Stelle, nicht an die Spitze. Das Lot schmilzt, das Flussmittel tritt aus, und das Lot fließt in den Spalt. Anschließend wird zuerst das Lot, dann die Spitze entfernt, und die Stelle kühlt ohne Bewegung ab.

Eine gute Lötstelle erkennt man am Aussehen: Sie zeigt eine glatte, gleichmäßige Oberfläche und eine konkave, also nach innen gewölbte Form, bei der das Lot sauber an Anschluss und Pad ausläuft. Bleifreie Lötstellen wirken oft etwas matter als die früher glänzenden verbleiten – das ist normal und kein Fehler.

Typische Fehlerbilder:

Die kalte Lötstelle ist der häufigste und tückischste Fehler. Sie sieht oft fast fertig aus, hat aber keine echte metallische Verbindung. Elektrisch ist sie unzuverlässig: Sie funktioniert mal, mal nicht, und verursacht schwer auffindbare Fehler.

Soll eine Lötstelle wieder geöffnet werden, kommt das Entlöten zum Einsatz. Mit Entlötlitze – einem feinen Kupfergeflecht – wird das geschmolzen Lot durch Kapillarwirkung aufgesaugt. Für größere Lotmengen nutzt man eine Entlötpumpe, die das flüssige Lot absaugt.

Bauteile werden auf zwei grundsätzlich verschiedene Arten auf die Leiterplatte gelötet.

Bei der Durchsteckmontage – kurz THT für Through-Hole Technology – haben die Bauteile Drahtanschlüsse, die durch Bohrungen in der Leiterplatte gesteckt und auf der Rückseite verlötet werden. THT-Bauteile sitzen mechanisch fest und sind gut von Hand zu löten. Man findet sie bei größeren Bauteilen, Steckverbindern und überall dort, wo mechanische Belastung auftritt.

Bei der Oberflächenmontage – SMD für Surface Mounted Device – werden die Bauteile direkt auf Lötflächen der Platinenoberfläche gesetzt, ohne Bohrung. SMD-Bauteile sind klein, oft winzig, und erlauben dichte Bestückung. Sie sind heute der Standard in der Serienfertigung.

Beim Löten unterscheiden sich die Welten deutlich. THT und kleinere SMD-Bauteile lassen sich von Hand mit dem Lötkolben löten. In der industriellen Serienfertigung kommen automatisierte Verfahren zum Einsatz: Beim Reflowlöten wird zuerst Lötpaste – eine Mischung aus Lotpulver und Flussmittel – über eine Schablone auf die Pads aufgebracht, die Bauteile werden aufgesetzt, und die ganze Platine durchläuft einen Ofen, in dem die Paste aufschmilzt und alle Lötstellen gleichzeitig entstehen. Beim Wellenlöten läuft die Platine über eine Welle aus flüssigem Lot. Diese Welle entsteht, indem eine mechanische Pumpe das flüssige Lot kontinuierlich durch eine Düse drückt, sodass sich eine stehende Lotwelle aufbaut, die die Unterseite der vorbeilaufenden Platine berührt und die durchgesteckten Anschlüsse benetzt – ein Verfahren vor allem für THT-Bauteile in Serie.

Für die Werkstatt- und Reparaturpraxis zählt vor allem das Handlöten: THT-Bauteile sind unkompliziert, größere SMD-Bauteile gut machbar, sehr feine SMD-Bauteile verlangen Übung, feine Spitze und ruhige Hand.