Herausforderungen beim Löten von wärmeableitenden Elementen

Hochkupferhaltige metallisierte Bauteile und Leiterplatten wirken als Kühlkörper: Sie erzeugen einen Wärmeableitungseffekt, der Wärme von der Lötspitze wegzieht und die Abgabe an die Lötstelle erschwert.

17.11.2021
 

In der Unterhaltungs- und Industrieelektronik haben sich Lote aus Zinn-, Silber- und Kupferlegierungen (SAC) zum Industriestandard für bleifreies Löten entwickelt. In Kombination mit Multilayer-Leiterplatten und Komponenten zur Wärmeableitung auf Basis metallisierter Leadframes erfordert die Elektronik heute spezielle, leistungsstarke Lösungen für das manuelle Löten.

Metallisierte Bauteile und Leiterplatten fungieren als Kühlkörper: Sie erzeugen einen Wärmeableitungseffekt, der Wärme von der Lötspitze wegzieht und es so schwer macht, an die Lötstelle zu gelangen. Um den Wärmeableitungseffekt besser zu verstehen, denken Sie an eine große Kupferpfanne - wenn die Hitze auf eine kleine Stelle in der Pfanne aufgebracht wird (das Äquivalent einer Lötkolbenspitze zu einem Kupferblech), breitet sie sich aus, bis die gesamte Pfanne heiß genug ist für Kochen.

Ebenso erschwert der Wärmeableitungseffekt das Löten, indem Wärme von der Lötspitze abgeleitet wird, was eine spezielle Lösung erfordert, um sowohl das Bauteil als auch die Leiterplatte zu erhitzen und folglich das Lot zu schmelzen.

Der Wärmeableitungseffekt ist bei Hochleistungstransistoren wie TO-220 sowie bei mehrlagigen Leiterplatten und PCBs mit großen, metallisierten Masseflächen sichtbar. Eine andere Art von PCB, die einen Wärmeableitungseffekt aufweist, ist das isolierte Metallsubstrat (IMS), das häufig in LED-Beleuchtung und anderen Anwendungen verwendet wird, die erhebliche Wärmemengen erzeugen. Sie werden durch das Auftragen von leitfähigen und nicht leitfähigen Klebstoffschichten auf eine Metallplatte hergestellt, wodurch die Wärme effektiv von Komponenten abgeführt wird, die große Mengen davon erzeugen. Das manuelle Löten von IMS-Platinen kann jedoch aufgrund ihrer massiven Metallrückseite äußerst schwierig sein.

 
 

Andere Komponenten schwer zu löten

HF-Abschirmung (oft in Form von Metalldosen), Koaxialkabel mit metallisierter Erdung oder in Glas eingebettete Elektronik sind weitere Punkte auf der Liste der 10 am schwierigsten zu lötenden Bauteile. Das Bonden von Elektronik und Glas (z. B. Windschutzscheiben-Entfrosterelektronik), HF-Abschirmung und Erdung bestehen typischerweise aus Metallen, die Wärme sehr effizient leiten, als große Wärmeverteiler wirken und besonders schwer zu löten sind.

Kompensationsmethoden und potenzielle Risiken

Um die beim Hartlöten von metallisierten Bauteilen und PCBs inhärenten Probleme zu überwinden, versuchen Bediener, die Wärmeableitung zu kompensieren, indem sie die Zeit zum Aufbringen der Wärmequelle, d. h. der Spitze, verlängern. Sie können auch versuchen, die Temperatur der Spitze zu erhöhen.



Verbranntes Lot durch übermäßigen Wärmeeintrag

Quelle: Induktives Löten für Anwendungen mit hohem Wärmebedarf. © OK International

Diese Ausgleichsmethoden verkürzen nicht nur die Lebensdauer der Spitze, sondern können auch die Zuverlässigkeit beeinträchtigen oder sowohl Einsätze als auch Komponenten beschädigen. Eine andere Kompensationsmethode besteht darin, die Leiterplatte vorzuwärmen und zu versuchen, das Bauteil zu löten, während die Leiterplatte noch heiß ist. Dies wiederum ist nicht ungefährlich für den Bediener selbst, der oft dazu neigt, sein Gesicht nahe an die Leiterplatte zu halten und manchmal die Hände darauf abzulegen, was bei der Arbeit zu Unbehagen führt und sogar zu schmerzhaften Verbrennungen führen kann.

 

Induktionslöten und Widerstandslöten

Das Induktionslöten bietet gegenüber dem Widerstandslöten eine Reihe von Vorteilen, insbesondere ist die Wärmeerzeugung und -übertragung schnell, effizient, wiederholbar und genau. Induktionslötkolben verwenden eine Induktionsspule, die um einen Magnetkern gewickelt ist. Wenn Wechselstrom durch die Spule fließt, entsteht ein Feld, das Wärme erzeugt. Bei der Induktionserwärmung wird die Temperatur des Magnetkerns durch den Strom gesteuert, der durch die Spule um ihn herum fließt. Die Induktionserwärmung ist effizienter und einfacher zu steuern als die Widerstandserwärmung und ermöglicht das Erreichen der Temperatur nur dann, wenn sie im Prozess benötigt wird („on demand“).

Bei Induktionslötkolben sind die Heizung und der Temperatursensor direkt in die Lötspitze eingebaut, wodurch ein geschlossener Wärmeaustauschkreislauf entsteht, der schnell, effizient, wiederholbar und genau ist.

Widerstandslötkolben erhitzen die gesamte Spitze durch Wärmeleitung. Durch die Widerstandsheizungstechnologie fungiert die Spitze als Wärmespeicher mit einem höheren thermischen Widerstand und einer geringeren thermischen Effizienz als bei der Induktionsheizung. Dadurch heizt sie sich langsamer auf und es ist schwieriger, die Temperatur der Lötspitze konstant zu halten, ohne die Temperatur gefährlich zu überschreiten.

Widerstandslötkolben mit weniger effizienten Wärmeübertragungseigenschaften erfordern höhere Temperaturen, um das gleiche Ergebnis zu erzielen, während sie potenzielle Schäden an Komponenten und Leiterplatten riskieren.

Die Vorteile des Induktionslötens

Bei der heiklen und komplexen Elektronik von heute sind Genauigkeit und Temperaturkontrolle eine ständige Herausforderung. Metallisierte Bauteile und Leiterplatten in Kombination mit einer temperaturempfindlichen Elektronik und dem Bedarf an bleifreiem Löten schaffen komplexe Anforderungen an die Prozesssteuerung.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, können Hersteller Hochleistungs-Induktionslötsysteme verwenden. Beim Induktionslöten wird Wärme „nach Bedarf“ schnell und effizient erzeugt. Und weil das Induktionslöten präzise und kontrolliert Wärme erzeugt, kann es sowohl für kleinste und filigrane Bauteile als auch für anspruchsvolle Bauteile mit hoher Wärmekapazität eingesetzt werden.

Zusammenfassung

Elektronik wird immer kleiner, schneller, intelligenter und funktionaler. Je kleiner die Anlagen werden, desto mehr Wärme wird auf kleinerem Raum erzeugt. Um die Wärmeableitung zu unterstützen, verwenden Designer in ihren Designs gut leitende Materialien wie Glas und Metall. Leadframes, Multilayer-Leiterplatten, metallisierte Substrate und Erdungsoberflächen werden weiterhin weit verbreitet sein, was geeignete Lötlösungen erfordert.

Während sich Widerstandslötsysteme dahingehend entwickeln, mehr Strom zu verbrauchen, indem mehr Wärme erzeugt und an die Lötspitzen übertragen wird, verfolgen Induktionslötsysteme einen anderen Ansatz.

Die Verwendung eines Standard-Netzteils und die Erhöhung der Netzfrequenz um den magnetisierten Kern herum erweist sich als eine viel effizientere Möglichkeit, die Spitze zu erzeugen und warm zu halten.

 

Quelle: Induktives Löten für Anwendungen mit hohem Wärmebedarf. © OK International & https://tek.info.pl

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