Letzte Woche hatte ich einen Kollegen aus Kalifornien am Telefon: „Wir brauchen einen Fluss mit höherer Aktivität!“, sagte er. Ich schluckte Kommentare wie „Vielleicht können wir ja mal zusammen joggen gehen, wenn du das nächste Mal in der Stadt bist?“ herunter und bat ihn, genauer zu werden. „Du weißt doch ganz genau, was ich meine!“, entgegnete er. Er hatte recht. Das tat ich tatsächlich. Mehr oder weniger … Aber ich versuchte auch, ihn dazu zu bringen, darüber nachzudenken, was er da eigentlich verlangte. Allzu oft verlangen Menschen (selbst intelligente, gut ausgebildete Menschen) nach einem Aktivator mit höherer/größerer/stärkerer/besserer Aktivität, ohne inne zu halten und darüber nachzudenken, welchen Effekt sie eigentlich erzielen wollen. Falls du hier langsam den Faden verlierst, ist es vielleicht am besten, ganz von vorne anzufangen und zu überlegen, was ein Aktivator eigentlich bewirkt…
Aktivatoren sind chemische Stoffe, die Lötflussmitteln zugesetzt werden, um Oxide von Metalloberflächen zu entfernen und so deren Verbindung zu einer festen metallurgischen Bindung zu ermöglichen. Als ich meine Karriere als Chemiker für die Entwicklung von Lötpasten begann, dachte ich – wie viele andere auch –, dass ein chemischer Stoff umso besser als Aktivator geeignet sei, je reaktiver er sei. Außerdem glaubte ich, dass der Schlüssel dazu der pKa-Wert, also die Dissoziationskonstante, sei: Ich setzte Korrosivität mit Aktivität gleich. Für eine Chemikalie der Formel AB, die sich in Lösung dissoziiert:
AB < A + B
Die Dissoziationskonstante pKa beträgt daher:
pKa = -log { [A].[B] / [AB] }
Je kleiner also der pKa-Wert, desto größer ist der Dissoziationsgrad. Die Daten ergaben jedoch keinen Sinn, als ich die Experimente durchführte. Chemikalien mit niedrigem pKa-Wert funktionierten oft (aber nicht immer) nicht gut; und bei der Untersuchung homologer Reihen von Aktivatoren funktionierten einige gut, viele jedoch nicht, wobei sich dabei stets kein erkennbares Muster abzeichnete. Drei Dinge wurden schnell deutlich:
1/ Der pKa-Wert wird fast immer in wässriger Lösung angegeben
2/ Ich habe mich nicht auf einen einzelnen Effekt konzentriert (wir werden gleich darauf eingehen, was ich unter einem „Effekt“ verstehe)
3/ Bestimmte Chemikalien können Aktivatoren zugesetzt werden, um deren Wirkung zu verstärken
Mit Ausnahme bestimmter, sehr korrosiver bzw. reaktiver Flussmittel ist Wasser als Lösungsmittel ungeeignet, sodass jede Analyse, die beispielsweise auf Säuren und Basen basiert, bestenfalls recht vereinfacht ist; daher ist Punkt 1/ nicht zutreffend. Was 2/ und 3/ betrifft … OK, was ist das also für ein „Effekt“? Damals konzentrierte ich mich ausschließlich auf Lötpaste und dabei auch nur auf das Problem der Lötkugelbildung, bei der einzelne Lötpartikel teilweise zusammenwachsen, während einige Partikel zurückbleiben, die sich nicht mit dem Hauptkörper der reflow-geschmolzenen Paste verbinden. Als ich eine Lötpaste nahm, die hervorragende Daten zum Lötkugelbildung lieferte, und sie auf OSP-Kupfer reflowte, war das Ergebnis oft eine sehr schlechte Benetzung der Kupferoberfläche. Das war also meine vierte Erkenntnis, und sie ist der Schlüssel bei der Formulierung von Lötpasten:
4/ Welchen Effekt möchten Sie erzielen?
Aktivatoren, die Oxide von der Oberfläche von Lötzinn entfernen, sind in den meisten Fällen nicht geeignet, Oxide von Substratoberflächen zu entfernen, wie beispielsweise Nickel- oder Kupferoxide und -hydroxide. Es gab noch eine fünfte Erkenntnis:
5/ Aktivatoren müssen zwei Dinge tun (siehe Abbildung), nicht nur eines:
– Erstens: Reaktion mit den Metalloxiden an der Oberfläche zur Bildung eines Metall-Aktivator-Reaktionsprodukts (MARP)
– Zweitens: Entfernung der MARPs von der Metalloberfläche
Das führt mich ganz natürlich zum „Activator -Koan“: Was bringt es, ein unlösliches Metalloxid durch ein MARP zu ersetzen, wenn es sich nicht von der Metalloberfläche entfernt? Beachten Sie , dass diese MARPs entweder in den Rückstand aufgelöst oder flüchtig gemacht werden können: Allerdings wirft dieser letztere Ansatz die Frage auf, wie toxisch flüchtige organometallische Verbindungen sind, und ich glaube nicht, dass dieses interessante Konzept jemals in die Praxis umgesetzt wurde. Vielleicht wissen Sie es besser?
Wenn dich das nächste Mal jemand bittet, ein Flussmittel mit „höherer Aktivität“ zu entwickeln, lächle freundlich, schick ihm einen Link zu diesem Blogbeitrag (und sag ihm, Andy Mackie habe dich geschickt!) und frage ihn schließlich: „Was genau soll das Flussmittel denn eigentlich bewirken?“, oder genauer gesagt:
* Beschreiben Sie detailliert den Lötfehler, den der Kunde feststellt:
* Welche Lötlegierung wird verwendet?
* Auf welcher Oberfläche erfolgt die Benetzung?
* Unter welchen Reflow-Bedingungen (Profil / Atmosphäre)?
Auf diese Weise können Sie den Formulierungschemiker besser bei der Lösung des Problems anleiten, anstatt zu versuchen, seine Herangehensweise an das Problem zu erraten.
Zum Wohl! Andy
