Löten 101: II: Das Wunder des Lötens

Leute,

Schade Ötzi, der Mann aus dem Eisca. 3500 v. Chr. Es wird angenommen, dass er in der Kupferverhüttung tätig war, da in seinem Haar sowohl Kupferpartikel als auch Arsen, ein Spurenelement in einigen Kupfererzen, gefunden wurden. Er wurde nicht nur langsam durch das Arsen vergiftet, sondern musste zum Schmelzen des Kupfers eine Holzfeuertemperatur von etwa 1085 ºC (1985 ºF) erreichen, wie es in meinem letzten Beitrag. Das Arsen im Kupfer hatte einen Vorteil, denn es verlieh dem Kupfer etwas mehr Festigkeit als wenn es rein wäre.

Kurz nach der Zeit von Otzi entdeckten Metallarbeiter, dass durch Zugabe von 10 % Zinn zum Kupfer Bronze entsteht. Bronze ist nicht nur deutlich härter als Kupfer, sondern schmilzt auch bei fast 100 ºC weniger als reines Kupfer, was die Metallbearbeitung erheblich erleichtert. Die Bronzezeit hatte begonnen. Diese Zeit fiel mit dem zusammen, was Wissenschaftler als den Beginn der modernen Zivilisationen bezeichnen, wie z. B. in Ägypten und Griechenland.

Da Bronze bei einer niedrigeren Temperatur schmilzt, füllt es auch die Formen besser aus. Diese bessere Formfüllung ist in Abbildung 1 zu sehen. Dieses Foto zeigt ein Kupfer- und ein Bronzebeil, die ich hergestellt habe. Das Kupferbeil auf der linken Seite zeigt Anzeichen einer schlechten Formfüllung.

Abbildung 1. Kupfer- (links) und Bronzebeile, die für Dr. Ron's Dartmouth College Kurs ENGS 3: Materialien: Die Substanz der Zivilisation. Beachten Sie, dass das Kupferbeil aufgrund der höheren Schmelztemperatur von Kupfer eine schlechte Formfüllung aufweist.

Meiner Meinung nach ist es fast sicher, dass die Bronzezeit mit der Entwicklung des Lötens zusammenhängt. Die ersten Nachweis des Lötens gab es etwa 3000º v. Chr., als die erste Zivilisation, die Sumerer ihre Schwerter mit Hochtemperaturloten zusammensetzten. Da das Basismetall für die meisten Kupfer-Kupfer-Lötungen Zinn ist, haben die frühen Metallarbeiter mit ziemlicher Sicherheit gelernt, dass Zinn verwendet werden kann, um Kupfer- oder Bronzeteile bei viel niedrigeren Temperaturen als beim Schmelzen miteinander zu verbinden.

Bis zu den Beschränkungen der Europäischen Union für Blei in Lötmitteln im Jahr 2006 waren die meisten Elektroniklote Zinn-Blei eutektisch. Eutektisch ist ein griechisches Wort, das in etwa mit "leicht schmelzend" übersetzt werden kann. Abbildung 2 zeigt das Phasendiagramm von Zinn-Blei. Man beachte, dass der Schmelzpunkt von Zinn bei 232 ºC und der von Blei bei 327 ºC liegt. Bei einer eutektischen Konzentration von 63 % Zinn und 37 % Blei sinkt die Schmelztemperatur jedoch auf 183 ºC. Diese Konzentration und Temperatur wird als eutektischer Punkt bezeichnet.

Abbildung 2. Das Zinn-Blei-Phasendiagramm. Man beachte den eutektischen Punkt bei 183 ºC.

Nach dem Inkrafttreten der EU-Bleibeschränkung basieren die meisten Elektroniklote auf einer Zinn-Silber-Kupfer-Legierung, die im Bereich von 217-225 °C schmilzt. Die gängigste dieser Legierungen ist SAC305 (Sn96_,5Ag3,0Cu0,5, wobei die Zahlen Gewichtsprozente sind).

Obwohl der eutektische Punkt aufgrund seines niedrigeren Schmelzpunktes ein interessantes und in der Regel vorteilhaftes Phänomen ist, besteht das wahre Wunder des Lötens darin, dass zwei Kupferstücke, die bei 1085 ºC schmelzen, mit einem Lot auf Zinnbasis bei weniger als 232 ºC miteinander verbunden werden können. Der Wert dieses Vorteils kann gar nicht hoch genug eingeschätzt werden. Die Natur hat es uns ermöglicht, zwei Kupferstücke bei einer so niedrigen Temperatur mechanisch und elektrisch miteinander zu verbinden, dass wir diese Verbindung auch in Gegenwart von elektrisch isolierenden Polymermaterialien herstellen können. Ohne diese Eigenschaft des Lots gäbe es keine Elektronikindustrie! Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass die Verklebung nachbearbeitet werden kann, so dass ein defektes Bauteil ersetzt werden kann, ohne dass die gesamte elektronische Leiterplatte verschrottet werden muss.

Natürlich stellt sich die Frage, wie diese Bindung zustande kommt. Das Zinn im Lot bildet intermetallische Verbindungen mit dem Kupfer. Typischerweise bildet sich _Cu6Sn5 in der Nähe des Zinns und _Cu3Snin der Nähe des Kupfers. Siehe Abbildung 3.

Abbildung 3:Intermetallisches Kupfer-Zinn aus Roubaud et al, "Impact of IM Growth on the Mech. Strength of Pb-Free Assemblies", APEX 2001.

Wenn Sie also das nächste Mal Ihr Smartphone, Ihren Laptop, Ihr Tablet oder ein anderes elektronisches Gerät benutzen, vergessen Sie nicht, dass es ohne das Wunder des Lötens nicht existieren würde.

Zum Wohl,

Dr. Ron