Welches Zinn für ein ruhendes Lötbad?

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Thomas Breuer

Welches Zinn für ein ruhendes Lötbad?

Beitrag von Thomas Breuer » So Jun 27, 2004 11:31 pm

Hallo,

wir möchten uns für die Nachbestückung von SMD-Vorbestückten Platinen (Kleinserien) eine kleine Lötanlage zulegen (ISEL/proMa) und fragen uns, welche Zinnlegierung am besten geeignet ist.

Dazu folgende Fragen:

- Spielt es eine Rolle, ob man Sn60Pb40 oder das eutektische Sn63Pb37 verwendet?

In verschiedenen Quellen wird darauf hingewiesen, dass durch Zugabe von Phosphor die Oxidationsneigung stark verringert wird.

- Ist das wirklich effektiv?

- Wirkt sich der Zusatz positiv/negativ auf die Neigung zu Brückenbildungen aus?

- Verbraucht sich der Phosphorzusatz, muss also von Zeit zu Zeit durch Zugabe von Anti-Oxidations-Pellets der Phosphor-Anteil wieder erhöht werden?

Einige Hersteller kennzeichnen diese Legierungen explizit mit dem Zusatz ’P’, also Sn60Pb40P (z.B. hier: http://www.chemet.de/elektronik_elektrotechnik_01.htm, http://www.jlgoslar.de/PDF/ELSOLD/ELSOL ... ODUKTE.PDF).

In Ihrem Datenblatt zum WSL-3 (http://www.stannol.de/WS_Metalle/Metall ... /WSL_3.pdf) wird ausdrücklich darauf hingewiesen, das ein Desoxidationszusatz enthalten ist, aber ein ’P’ ist nicht angehängt. In der Tabelle auf der Seite 7 dieser Übersicht http://www.stannol.de/Katalog/RZ%20Stan ... Seiter.pdf ist das WSL-3 ebenfalls nicht mit ’P’ gekennzeichnet, im Gegensatz zu den in der Tabelle gelisteten DX-Typen.

- Ist nun ein Phosphorzusatz im WSL-3 enthalten, und wie lange bleibt er wirksam?

- Wo kann man ggf. eine Menge von 5-10 kg beziehen?

- Wie sieht es mit den bleifreien Legierungen aus? Sind damit überhaupt gute Lötergebnisse in einem Tauchbad zu erzielen? Wie steht es hier um die Oxidationsneigung?

Danke,
Thomas Breuer

Jens Gruse
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Welches Zinn für ein ruhendes Lötbad?

Beitrag von Jens Gruse » So Jun 27, 2004 11:33 pm

Sehr geehrter Herr Breuer!

In einem ruhenden Lötbad gibt es keinen grossen Unterschied bei diesen beiden Legierungen. Es kommt auf die Arbeitstemperatur an. Mit der eutektischen Legierung Sn63Pb37 haben Sie einen Schmelzpunkt von 183°C, hier kann mit Arbeitstemperaturen ab ca. 240°C gearbeitet werden. Bei der Sn60Pb40 Legierung haben Sie einen Schmelzbereich von ca. 183-190°C, die Arbeitstemperatur muss etwas höher liegen, ab ca. 245°C aufwärts. Im Bereich maschinelles Löten wird aber meisten mit der eutektischen Legieurng gearbeitet.

Durch Zusatz vom Phosphor ist besonders in statischen Lötbadern eine deutliche Krätzereduzierung feststellbar. Auch wenn bei Temperaturen von bis zu 450°C gearbeitet wird, um z.B. in einem Arbeitsschritt Cu-Schutzlack abzubrennen und den Cu-Draht vorzuverzinnen, ist eine Reduzierung der Krätzemenge feststellbar. Auch wird die Brückenbildung geringfügig reduziert.
Das Phosphor verbraucht sich jedoch im Laufe der Zeit. Bei statischen Lotbädern sollte jeden Tag mit Anti-Oxidations-Pellets (mit Sn60Pb40-Legierung Zusatz von mit Phosphor in hoher Konzentration) der Phosphorgehalt wieder auf 50-100ppm Phosphor eingestellt werden. Dies kann aber auch an der Farbe des Lotes auf der Badoberfläche festgestellt werden und dann einfach je nach Bedarf geschehen.

Unser WSL-3 enthält Phosphor als Desoxidationszusatz. Das Datenblatt ist aber bereits nach neuer Norm erstellt (DIN EN 29453), dort wird der Zusatz "P" nicht mehr gefordert/erwähnt. Die Datenblätter der DX-HT Serie verweisen auf die ältere, nicht mehr gültige DIN 1707, dort wurde dieser Zusatz "P" eingeführt. Der Phosphorgehalt ist bei beiden Legierungen, je nach DX-Version identisch!

Bei den bleifreien Legierungen
Sn99Cu1=227°C Schmelzpunkt
Sn96Ag4=221°C Schmelzpunkt
Sn95,5Ag3,8Cu0,7 1=217°C Schmelzpunkt
muss mit höheren Temperaturen ab ca. 260-270°C aufwärts gearbeitet werden. Es muss allerdings unter Umständen ein etwas stärker aktiviertes Flussmittel verwendet werden. Die Oxidationsneigung ist aufgrund der höheren Temperatur und des erhöhten Sn-Anteils wesentlich stärker (2-3mal soviel!). Auch hier kann die Menge der Krätze durch Zusatz spezieller bleifreier Anti-Oxidationspellets stark reduziert werden.

Mit besten Grüssen
Jens Gruse
Anwendungstechnik
STANNOL GmbH

Thomas Breuer

Welches Zinn für ein ruhendes Lötbad?

Beitrag von Thomas Breuer » So Jun 27, 2004 11:35 pm

Hallo Herr Gruse,

vielen Dank für die ausführliche Antwort.

--- Zitat Anfang ---
Das Phosphor verbraucht sich jedoch im Laufe der Zeit. Bei statischen Lotbädern sollte jeden Tag mit Anti-Oxidations-Pellets (mit Sn60Pb40-Legierung Zusatz von mit Phosphor in hoher Konzentration) der Phosphorgehalt wieder auf 50-100ppm Phosphor eingestellt werden. Dies kann aber auch an der Farbe des Lotes auf der Badoberfläche festgestellt werden und dann einfach je nach Bedarf geschehen.
---Zitat Ende ---

Spielt nur die Oberfläche des Lötbads, die mit dem Luftsauerstoff Kontakt hat, eine Rolle, oder verbraucht sich der Phosphorzusatz schon allein durch die Erhitzung des Zinns? Wenn es nur mit der Oberfläche zusammenhängt, würde dann eine Abdeckung des Lötbads während längerer Lötpausen den Verbrauch senken?

Es ist meistens von ca. 40ppm Phosphor die Rede; hier wird sogar vor zu hohen Konzentrationen gewarnt (wegen Brückenbildung):
http://www.baum-electronic.de/Katalog/Prod63.htm
Nicht mehr als 16 Pellets pro 10kg, das ergibt ca. 40ppm. Sie sprechen dagegen von bis zu 100ppm. Ich habe heute noch einen Link gefunden:
http://www.wetec-rs.de/download/Wetec_5.pdf
Hier ist das WSL-3 mit 30-40ppm Phosphor angegeben.

Dass die Pellets nur in einer 60/40 Legierung verfügbar sind spielt keine Rolle, wenn man damit 63/37er Bäder auffrischt?

--- Zitat Anfang ---
Bei den bleifreien Legierungen
Sn99Cu1=227°C Schmelzpunkt
Sn96Ag4=221°C Schmelzpunkt
Sn95,5Ag3,8Cu0,7 1=217°C Schmelzpunkt
muss mit höheren Temperaturen ab ca. 260-270°C aufwärts gearbeitet werden. Es muss allerdings unter Umständen ein etwas stärker aktiviertes Flussmittel verwendet werden.
---Zitat Ende ---

Bleibt noch die Frage, ob überhaupt mit einem so einfachen Lötbad gute, d.h. mit Pb-Legierungen vergleichbare Lötergebnisse erzielbar sind, oder ob da ohnehin nur professionelle Lötwellen in Frage kommen.

Sie erwähnen stärker aktiviertes Flussmittel. Gibt es das auch als NoClean-Ausführung?

Grüße,
Thomas Breuer

Jens Gruse
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Beitrag von Jens Gruse » So Jun 27, 2004 11:36 pm

Hallo Herr Breuer!

Zinnoxid entsteht nur wenn Luftsauerstoff anwesend ist. Daher auch hauptsächlich an der Oberfläche des Zinnbades. Am besten hilft es, das Lötbad in längeren Pausen abzuschalten (natürlich nicht wenn es nur 1-2h sind), oder aber eine Stickstoffbegasung auf die Lotoberfläche einzurichten (grade bei bleifreiem Wellenlöten eine Lösung, die oft zum Einsatz kommt). Das ist aber auch mit die teuerste Lösung. Inwiefern eine ganz einfache Metallplatte, die als Abdeckung plan auf der Lotoberfläche aufliegt, helfen kann, die Krätzebildung zu reduzieren, kann ich nicht sagen, da habe ich keine Erfahrung. Da das nicht mit grossem Aufwand verbunden ist, würde ich empfehlen , es einfach mal zu testen, schaden kann es nicht.

Was die Phosphorgehalte angeht, habe ich mich mit meiner Empfehlung von 50-100ppm an die Erfahrungen gehalten, die unsere Kunden mit den Pellets gemacht haben. Phosphorgehalte bis 100ppm sind mit Sicherheit nicht als kritisch zu bewerten, sowohl was Lötstelle und deren Festigkeit angeht, als auch Brückenbildung. Das WSL3 wird mit 40ppm gefertigt.
Das hier "nur" mit Sn60Pb40 Legierung gearbeitet wird, ist nicht sonderlich kritisch zu bewerten, da Sie ja auch Sn63er Legierung nachdosieren. Der Sn-Gehalt wird nicht sonderlich beeinflusst.

Bei bleifreien Legierungen ist aufgrund der höheren Aktivität des Zinns und der höheren Temperaturen sowieso ein Lotbad zu verwenden, dass speziell darauf ausfgelegt sein muss und spezielle Materialien verwendet wurden bzw. die Oberflächen entsprechend vorbehandelt wurden.
Auch ist es vollkommen klar, dass in einer bewegten Welle die Benetzung in aller Regel schneller ablaufen kann. Aber es sollte auch mit den bleifreiene Legierungen in einem statischen Lötbad funktionieren.
Die Flussmittel zum bleifreiene Wellenlöten sind mit der gleichen Chemie ausgerüstet, allerdings werden Sie mit einem heutigen No-Clean Flussmittel
mit Feststoffgehalten um 2% nicht sonderlich glücklich werden. Das Benentzungsverhalten reicht nicht, wenn die lötung länger dauert, die Aktivierung reicht nicht, wenn höhere Vorheiztemperaturen gefahren werden. Wir empfehlen z.B. das Flussmittel EF350 zum Löten mit bleifreien Legierungen mit 3,5% Feststoff. Es hinterlässt nicht mehr Rückstände, da durch die höhere Temperatur bei Vorheizung und auf der Welle auch mehr von den Aktivatoren wieder verdampft. Es muss vorne mehr aufgetragen werden, damit hinten noch ausreichend Aktivator vorhanden ist! Diese Flussmittel sind echte No-Clean Flussmittel. Wenn Sie ein Muster davon benötigen, einfach ein kurze Mail an mich!

Viele Grüsse
Jens Gruse
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Thomas Breuer

Welches Zinn für stehendes Lotbad

Beitrag von Thomas Breuer » So Jun 27, 2004 11:38 pm

Hallo Herr Gruse,

--- Zitat Anfang ---
Zinnoxid entsteht nur wenn Luftsauerstoff anwesend ist. Daher auch hauptsächlich an der Oberfläche des Zinnbades.
--- Zitat Ende ---

Das ist schon klar. Die Frage betraf aber nicht die Zinnoxidbildung, sondern den Verbrauch des Phosphorzusatzes, und ob dieser bereits allein durch das Erhizten den Zinns stattfindet.

Wir werden zunächst bei der Pb-Legierung bleiben und uns bei WETEC das WSL-3 und zusätzlich die Pellets bestellen. Dort gibt es auch Flux aus Ihrem Programm. Welche NoClean-Sorte würden Sie bei einem Tauchbad empfehlen?

Können beim einfachen Tauchlöten mit Flussmitteln, die etwas mehr Rückstände hinterlassen, wesentlich bessere Ergebnisse erzielt werden? Wir könnten die LP anschließend waschen (eine kleine Bandelin Ultraschallwaschanlage ist vorhanden); dieser Mehraufwand wäre aber nur bei deutlich besseren Ergebnissen gerechtfertigt. Was wäre in diesem Fall ein geeignetes Reinigungsmittel bzw. -Zusatz?

Haben Sie auch eine Empfehlung für die Höhe der Vorheitztemperatur bei den verschiedenen Fluxmitteln?

Nochmals vielen Dank für die Zeit, die Sie sich mit der Beantwortung der Anfragen nehmen!

Grüße,
Thomas Breuer

Jens Gruse
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Welches Zinn für ein ruhendes Lötbad?

Beitrag von Jens Gruse » So Jun 27, 2004 11:40 pm

Hallo Herr Breuer!
Der Verbrauch des Posphors erfolgt über Oxidation mit Sauerstoff, oder über den Umweg von Zinnoxid (Krätzebestandteil), das wieder zu Zinn umgesetzt wird! So war es gedacht, aber ich glaube, da sind wir uns einig. Gehen Sie bei der Bewertung, ob die Pellets helfen oder nicht, doch recht pragmatisch vor: 2 Wochen ohne Pellets arbeiten und dann 2 Wochen mit! Dann sollten Sie die Vorteile in Ihren eigenen Fertigungsbedingungen erkennen können. Messen Sie die Krätzemenge in dieser Zeit.
Zum Thema Flussmittel ist es schwer, eine Aussage zu machen. Es kommt ganz auf das Lötgut an. Die meisten No-Clean Flussmittel lassen sich nicht nur auf der Welle, sondern auch beim Tauchlöten einsetzen. Nur sind dann die Rückstandsmengen sehr stark abhängig von der Lötgeometrie. Eigentlich heisst es hier: Probieren geht über studieren. Es kann sowohl mit extrem niedriger Aktivierung mit dem STANNOL 900-2-i gelötet werden, was nahezu keine Rückstände hinterlässt, nur ist hier Vorraussetzung, dass gut benetzbares Lötgut vorhanden sein muss. Oxidiertes Kupfer tut es nicht!
Mittelstark wäre das STANNOL 500-3401, das zum Tauch- und Selektivlöten geeignet ist. Als stärker aktiviertes Flussmittel gibt es dann das STANNOL AK-S1, das besonders zum Tauchlöten verwendet wird. Fragen Sie doch einfach unter info@stannol.de kleine Musterproben von diesen Flusmitteln an, um zu testen, welches Flux für Ihre Lötaufgabe ausreichend aktiviert ist.
Bei der Vorheiztemperatur kann man eine Ca-Angabe machen, dass von 80-140°C, je nach Flussmittel alles möglich ist. Wichtig ist, dass der Temperaturschock beim Hineingeben des Lötgutes in das Lötbad nicht zu gross ist (abhängig vom Lötgut!) und, dass die Hauptbestandteile des Lösemittels aus dem Flussmittel getrocknet sind (es darf im Lötbad nicht spritzen!) Je stärker die Aktivierung beim Flussmittel, desto eher hält es in der Regel auch höhere Vorheiztemperaturen aus.
Zum Reinigen kann bei allen Flussmitteln der alkalische Reiniger STANNOL Flux Ex200B verwendet werden. 5-10%ige Lösung davon in Wasser im US-Bad bei 50-60°C bringt gute Reinigungsergebnisse!

Viele Grüsse
Jens Gruse
Anwendungstechnik
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Thomas Breuer

Welches Zinn für ein ruhendes Lötbad?

Beitrag von Thomas Breuer » So Jun 27, 2004 11:42 pm

Hallo Herr Gruse,

danke für die Erläuterungen.

Zum Flussmittel: Unser ’Lötgut’ ist sicherlich unkritisch. Durchkontaktierte FR4-Platinen mit HAL-Verzinnung, Oberseite bereits SMD-Vorbestückt (Reflow), noch zu löten sind überwiegend vergoldete Anschlussstifte und ein paar verzinnte Anschlussbeinchen konventioneller Bauteile.

In diesem Fall wird wohl das STANNOL 900-2-i ausreichen. Das finde ich auch bei WETEC im Online-Shop, aber ein 500-3401 nicht – dafür ein 500-3104. Zahlendreher oder andere Sorte?

Allerdings kann ich beide Sorten weder in Ihrem PDF-Produktkatalog noch in dem PDF mit der Flussmittelauswahlhilfe entdecken. Hier lande ich bei EF210 oder EF350.

Auf das Angebot mit den Proben komme ich bei den Flussmitteln gerne zurück.

Grüße,
Thomas Breuer

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Welches Zinn für ein ruhendes Lötbad?

Beitrag von Jens Gruse » So Jun 27, 2004 11:43 pm

Hallo Herr Breuer!
500-3104 ist ein Zahlendreher, es sollte richtigerweise 500-3401 heissen. Das 900-2-i ist recht schwach aktiviert, kann aber bereits vollkommen ausreichend sein. Sonst würde das EF210 etwas besser geeignet sein. Es sind auf unserer Homepage einige etwas länger im Programm befindliche Produkte nicht aufgeführt, daher die "nicht Übereinstimmungen" !

Viele Grüsse
Jens Gruse
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Thomas Breuer

Welches Zinn für ein ruhendes Lötbad?

Beitrag von Thomas Breuer » So Jun 27, 2004 11:45 pm

Hallo Herr Gruse,

so, wir haben mal erste Versuche mit der Tauchlötanlage, 63/37er Zinn mit Phosphorzusatz und einem NoClean Flussmittel von ISEL gemacht (hatten wir zusammen mit der Lötanlage bestellt). Die Platinen haben etwa 350 durchkontaktierte Pads für überwiegend vergoldete Kontakte im 2.54er Raster (Wannenstiftleisten).

Bei vielen Lötstellen bleibt zuviel Zinn haften (kugelförmig), außerdem entstehen immer 10 bis 15 Lötbrücken. Kann man das auch durch die richtige Auswahl des Flussmittels verbessern, oder ist das einfach ein prinzipbedingter Nachteil des einfachen Tauchlötens? Wie gesagt, wenn ein deutlich besseres Lötergebnis mit nicht-rückstandsfreien Flussmitteln erzielbar wäre, würden wir auch eine anschließende Platinenwäsche in Kauf nehmen.

Grüße,
Thomas Breuer

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Welches Zinn für ein ruhendes Lötbad?

Beitrag von Jens Gruse » So Jun 27, 2004 11:48 pm

Hallo Herr Breuer!

Wenn es sich jetzt von den Fehlern so darstellt, ist evtl. ein leicht harzhaltiges Flussmittel, wie z.B. das 500-6B besser geeignet. Das Harz ist auch nach dem Löten noch da und hilft beim Herausziehen aus dem Lötbad, Brücken zu vermeiden. Für Muster bitte kurz eine Mail mit Ihrer Lieferanschrift an mich, schicken wir dann zum testen raus!

Grüsse
Jens Gruse
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