In meinen zwanzig Jahren in der Elektronikfertigungsbranche habe ich viele Behauptungen über den Einsatz von Stickstoff bei Inertisierungs-Lötverfahren gehört: Viele davon sind völlig falsch. In dieser Erörterung werde ich das Beispiel des Reflow-Lötens in einem geschlossenen Ofen heranziehen, obwohl viele dieser Ausführungen auch für das Wellenlöten und sogar für das Vakuumlöten gelten mögen.
Fangen wir mit dem eigentlichen Grund an, warum ein Montageingenieur beim Inertlöten Stickstoff verwendet: weil es das günstigste verfügbare Gas ist, das nicht mit heißen Metalloberflächen reagiert und dabei einen nicht lötbaren Film bildet. Das ist alles. Punkt. Wer Stickstoff beim Reflow-Löten einsetzt, tut dies nicht, weil er irgendwelche wunderbaren Eigenschaften hätte, sondern weil er einen geringen Sauerstoff- und Feuchtigkeitsgehalt aufweist und Sauerstoff so weit verdünnen kann, dass die Oxidation von Metalloberflächen während des Erhitzens verhindert oder verlangsamt wird.
Um einen Prozess zu verstehen, bei dem inerte (nicht reaktive) Gase zum Einsatz kommen, muss man die Zusammensetzung der Luft kennen – des Gases, das uns in den größten Mengen zur Verfügung steht. Luft besteht zu etwa 78 % aus Stickstoff, zu 20,9 % aus Sauerstoff und zu 0,9 % aus Argon, dazu kommen geringe Mengen anderer Gase wie Kohlendioxid und so weiter sowie schwankende Mengen an Wasserdampf. Der Wasserdampfgehalt kann bis zu etwa 4 % betragen, und natürlich verdünnt er bei diesem Anteil die Konzentrationen der anderen Gase um den Faktor (96/100) – nur für den Fall, dass Sie glauben, es gäbe ein Problem mit der Rechnung. Der Sauerstoffgehalt (20,9 %) entspricht 209.000 ppm (Teile pro Million). Die Einheit ppm ist eine viel nützlichere Maßeinheit, wenn man sich im Bereich niedriger Prozentwerte bewegt, zum Beispiel 0,01 % = 100 ppm. Es ist auch wichtig zu beachten, dass die Bruchzahl (ppm oder %) mit dem Volumenanteil korreliert und, gemäß der Idealgasgleichung, auch mit dem molaren Prozentsatz.
Ich werde jetzt die Hälfte der Mythen behandeln und die andere Hälfte beim nächsten Mal.
Mythos 1: „Stickstoff entfernt Oxide“
Fakt: Stickstoff, der bei Reflow-Temperaturen eingesetzt wird, besitzt keinerlei Flussmittel- (oxidentfernende) Eigenschaften und geht bei diesen Temperaturen mit nichts chemisch eine Reaktion ein. Stickstoff verhindert oder verlangsamt die Oxidation bzw. (im Falle einer mit Flussmittel gereinigten Oberfläche) die Reoxidation, einfach weil er kein oxidierendes Gas ist. Formiergas (ein Gemisch aus Wasserstoff und Stickstoff) ist etwas ganz anderes, worauf ich in einem späteren Beitrag eingehen werde.
Mythos 2: „Stickstoff verbessert die Wärmeübertragung“
Fakt: Er hat keinen praktischen thermischen Einfluss auf den Lötprozess. Die Wärmeübertragung in Gasen bei gleichem Druck und gleicher Temperatur wird ausschließlich durch das Molekulargewicht der Gase bestimmt – durch nichts anderes. Da Stickstoff ein Molekulargewicht von 28 und Sauerstoff mit 32 fast das gleiche Molekulargewicht hat, ist der Unterschied in den Wärmeübertragungseigenschaften zwischen Luft und Stickstoff minimal, unabhängig davon, ob es sich um eine laminare oder eine turbulente Strömung handelt.
Mythos 3: „Wenn ich den Sauerstoffgehalt in meinem zugeführten Stickstoff messe, kenne ich den Gehalt im Ofen.“
Fakt: Selbst ein scheinbar gut abgedichteter, mit Inertgas gefüllter Reflow-Ofen vermischt tatsächlich bis zu einem gewissen Grad Umgebungsluft mit Ihrem Stickstoff. Dies geschieht durch einfache Diffusion (angetrieben durch den Unterschied im Sauerstoffpartialdruck zwischen der Luft und dem Ofeninneren) oder durch turbulente Vermischung von Stickstoff mit Luft in der Nähe einer Öffnung. Was in einem echten Ofen geschieht, ist in der Abbildung (oben) dargestellt. Das Einleiten einer geringen Stickstoffdurchflussrate in den Ofen hat kaum oder gar keine Auswirkung (a); wenn Sie dann mehr einleiten, sinkt der Gehalt, es treten jedoch starke Schwankungen auf (b); schließlich erreichen Sie ein Plateau (c), auf dem Sie den minimal möglichen Sauerstoffgehalt erreicht haben, aber durch turbulente Vermischung gelangt weiterhin Sauerstoff aus der Außenluft hinein. Wenn Sie die Stickstoffdurchflussrate erhöhen, verstärken Sie lediglich die Turbulenz und damit die Vermischungsrate.
Mythos 4: „Reinerer Stickstoff liefert mir bessere Ergebnisse“
Fakt: Standard-Stickstoff in kryogener Qualität enthält etwa 2–5 ppm Sauerstoff. Selbst durch das Spülen eines gut abgedichteten Ofens lässt sich der Sauerstoffgehalt nicht genau auf das Niveau des zugeführten Gases senken. Sie werden keinen Unterschied feststellen, wenn Sie eine Stickstoffquelle mit 10 ppm oder 10 ppt (Teile pro Billion) Sauerstoff verwenden. Wie Sie der obigen Abbildung (c) entnehmen können, wird die Wirkung des hochreinen Gases durch die Vermischung mit Luft vollständig zunichte gemacht.
Mythos 5: „Stickstoff reduziert alle Lötfehler“
Fakt: Stickstoff kann bei einigen Fehlern im Zusammenhang mit der Benetzung helfen und oft einen mittelmäßigen (gerade noch akzeptablen) Lötprozess in einen akzeptablen verwandeln. Weitere Tatsache: Es kann nicht nur zu einer unkontrollierten Benetzung („Dochtwirkung“) auf Leadframes oder anderen Oberflächen führen, sondern auch Lötzunder verursachen und zu einer Chipneigung (Leistungshalbleitermontage) oder zum „Tombstoning“ ( SMT) beitragen.
Mehr dazu beim nächsten Mal. Teil II dieses Beitrags finden Sie hier.
Zum Wohl! Andy
