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Die Erfindung betrifft eine Lötdüse zum Löten von elektrischen Baugruppen.
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Hierbei wird unterschieden zwischen Lötdüsen mit einer Düsenbohrung zum Selektivlöten und Lötdüsen mit mehreren Düsenbohrungen zum Wellenlöten. Bei beiden Verfahren wird die komplette Vorrichtung einschließlich des Lötbades mit Schutzgas beschleiert, um eine Oxidation der Lötschmelze zu vermeiden.
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Lötdüsen zum Selektivlöten elektrischer Baugruppen sind unter anderem aus der
DE 10 2019 123 294 A1 bekannt. Diese Erfindung beschreibt eine neuartige Lötdüse mit optimierter Geometrie für einen gleichmäßigeren Wärmeübergang und ein neuartiges Verfahren zu deren Herstellung. Auch soll diese Erfindung eine einfachere Handhabung und Installation der Lötdüse in einer Lötvorrichtung, in der sich Dutzende solche Lötdüsen befinden können, zu ermöglichen.
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In diesen Anmeldungen wird nur am Rande erwähnt, dass solche Lötdüsen, neben der Lötschmelze, ebenfalls starker Korrosion ausgesetzt sind und oft schon nach wenigen Stunden ausgetauscht werden müssen. Diese Korrosion führt zu einer ungleichmäßigen Benetzung der Düsenspitze und somit zu Fehlern bei der Lötung der elektrischen Baugruppen.
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Hierbei handelt es sich um eine galvanische Korrosion, denn Lötschmelzen sind ein komplexes Gemisch aus mehreren Metallen, die teils in der galvanischen Reihe höher angeordnet sind. Besonders häufig werden Blei, Zinn, Zink, Silber und Kupfer verwendet.
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Lötdüsen sind mehr oder weniger Einwegdüsen und werden deshalb vielfach aus billigem ferritischen Baustahl St37 hergestellt. St37 lässt sich zudem sehr einfach und problemlos bearbeiten. Somit liegen die Kosten für eine Lötdüse insgesamt zwar relativ niedrig aber mit dem Manko, dass solche Lötdüsen eine niedrige Korrosionsbeständigkeit besitzen und schon bald bei beginnender Fehlfunktion infolge Korrosion wieder ausgetauscht werden müssen. Viele Lötdüsen sind, je nach Hersteller, zudem magnetisch, um einen einfachen Austausch zu gewährleisten.
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Einzig die
CN 100546437 C geht auf das Problem der Korrosion von Lotdüsen ein. Allerdings wird nur ein Verfahren beschrieben, bei dem gebrauchte Düsen in mehreren Schritten repariert werden. Zuerst wird die Oberfläche einer Lötdüse manuell poliert, bis die metallische Oberfläche wieder zum Vorschein kommt. Anschließend wird mit einem Phosphorsäure-Alkohol-Gemisch die Oberfläche gereinigt, getrocknet und anschließend in geschmolzenes Zinn oder in eine Zinn-Legierung zur Erzeugung einer Beschichtung eingetaucht. Es ist nicht erwähnt, wie die ebenfalls von Korrosion betroffene Düsenbohrung, die wesentlichen Einfluss auf den Austritt der Lötschmelze hat, repariert wird. Mit einem abrasiven Tuch ist dies nicht möglich und zudem kann während der Beschichtung geschmolzenes Zinn ungewollt eindringen und den Durchmesser verändern. Da die Geometrie und die Symmetrie der Lötdüse insgesamt undefiniert verändert wird, ist es sehr wahrscheinlich, dass die Lötschmelze nicht mehr ordnungsgemäß austritt und abfließt.
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Lötdüsen werden entweder mechanisch durch Drehen, Fräsen und Bohren oder, wie in der
DE 10 2019 123 294 A1 beschrieben, durch Tiefziehen hergestellt. Beide Herstellverfahren erzeugen aber eine mehr oder weniger raue Oberfläche mit Riefen und Unebenheiten deutlich über 10 µ. Diese werden oft anschließend galvanisch mit Nickel oder einem Edelmetall beschichtet, um die unweigerliche Korrosion zu verzögern. Aufgrund der herstellungsbedingten Oberflächenrauigkeit kann eine geschlossene Beschichtung aber kaum erzielt werden. Selbst eine mechanische Politur ermöglicht keine Abhilfe, denn Poren und Mikrorisse werden hierbei oft nur zugeschmiert und Fremdstoffe bleiben selbst bei zusätzlicher, intensiver Reinigung mit Wasser und Lösungsmitteln zurück. Diese Fremdstoffe können Bestandteile beinhalten, die in der galvanischen Spannungsreihe höher angeordnet sind und das außen herum befindliche Metall bei entsprechenden Bedingungen korrosiv angreifen.
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Die Beschichtung mit einer edleren Metallschicht ist jedoch nur solange wirksam, wie diese Schicht intakt bleibt. Bei Fehlstellen der galvanischen Beschichtung und geringfügigen Beschädigungen setzt die Korrosion dann sogar verstärkt ein.
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Der Austausch wird in der Regel dann vorgenommen, wenn die sogenannte Lötkugel an der Düsenspitze nicht mehr zentral über der Düsenbohrung bleibt. Nur diese Lötkugel, die aufgrund der Oberflächenspannung von der ausströmenden Lötschmelze gebildet wird, berührt letztlich das elektrische Bauteil und erzeugt die gewünschte Lötverbindung. Die Lötschmelze strömt anschließend aus dieser Lötkugel im Sollzustand gleichmäßig über den gesamten Umfang der Lötdüse nach unten in das Lötbad zurück.
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Um eine millimetergenaue Position und Höhe dieser Lötkugeln zu erreiche, werden je nach Zusammensetzung der Lötschmelze und gewünschter Ausbildung der Lötverbindung die Durchmesser der zentrischen Bohrungen innerhalb der Lötdüse ausgewählt. Eine sorgfältige Dimensionierung ist erforderlich, um auf den elektrischen Bauteilen sogenannte kalte Lötverbindungen oder umgekehrt Kurzschlüsse zwischen benachbarten Elementen der elektrischen Bauteile zu vermeiden.
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Korrosion verändert nun das Fließverhalten innerhalb der Düsenbohrung und auch am Umfang der Lötdüse. Ein nicht mehr rotationssymmetrischer Zufluss oder Abfluss verbunden mit Perlenbildung verändert die zentrale Position der Lötkugel und führt zu den genannten Fehllötungen. Die ordnungsgemäße Funktion aller Lötdüsen muss ständig visuell von Bedienpersonal überwacht werden. Es ist also im Interesse des Betreibers solcher Lötbäder mit Lötdüsen, dass sich die genannten Probleme möglichst selten oder gar nicht einstellen. Oftmals handelt es sich um Chargen mit mehreren Tausend baugleicher elektrischer Bauteile, deren Laufzeit sich über Tage oder Wochen erstreckt. Da es sich oft um mehrere Lötdüsen pro Lötbad handeln kann oder mehrere Lötbäder mit einer Lötdüse parallel oder seriell im Einsatz sind, ist es möglich, dass mehrmals täglich Lötdüsen mit Fehlfunktion ausgetauscht werden müssen. Natürlich ist auch eine vorausschauende Wartung möglich, bei der in regelmäßigen Abständen alle Lötdüsen auf einmal gewechselt werden. Allerdings besteht auch hier für den Betreiber der Wunsch, dass diese Wartungsintervalle möglichst lange sind.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Lötdüse mit erhöhter Korrosionsbeständigkeit durch eine Minimierung der Mikrorauigkeit. Dies geschieht durch Elektro- oder Plasmapolieren, wie es zur Glättung und Verspiegelung von Oberflächen technischer Bauteile aus Edelstählen benutzt wird. Wichtig hierbei ist, dass die gesamte Oberfläche der Düse einschließlich der Düsenbohrung elektro- oder plasmapoliert wird
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Elektropolieren ist ein elektrochemisches Abtragsverfahren mit einer Fremdstromquelle. Die anodisch verbundene Lötdüse wird in einem materialspezifischen Elektrolyten poliert. Hierbei werden bevorzugt die Spitzen und Erhebungen im Mikrobereich auf der gesamten Oberfläche abgetragen, wodurch die Mikrorauigkeit sichtbar reduziert wird. Optisch sind eine deutliche Glättung und spiegelnde Oberflächen erkennbar.
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Durch den Abtrag der Oberfläche der Lötdüse werden alle Mikrorisse und Gefügestörungen beseitigt, so dass die optimalen Eigenschaften des Grundwerkstoffes erreicht werden. Gleichzeitig verringert sich die effektive Oberfläche durch diese Beseitigung der Mikrorauigkeit um bis zu 50%. Hierdurch wird wiederum die Anhaftung der Lötschmelze verringert.
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Bei Edelstählen hat jede Inhomogenität an der Oberfläche zudem Potentialunterschiede zur Folge, wodurch Absorptionsvorgänge zwischen der Oberfläche und der Lötschmelze begünstigst werden. Da diese ebenfalls beseitigt werden, erhöht sich die Korrosionsbeständigkeit abermals. Besonders vorteilhaft kann dieses Verfahren zudem für magnetische Edelstähle eingesetzt werden, da hierdurch ein einfacher Austausch der Lötdüsen in einem Lötbad gewährleistet ist.
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Ziel einer optimalen Oberflächenbehandlung ist es also, möglichst eine absolut homogene, metallisch reine Oberfläche zu erzeugen. Dieser Idealzustand ist erreicht, wenn die Oberfläche aus nahtlos aneinandergereihten Kristallflächen besteht. Auch wird durch das Elektropolieren eine chrom- und nickelreiche Oberfläche erzielt, weil bevorzugt Eisen abgetragen wird. Hierdurch wird für technische Teile wie auch eine Lötdüse eine ideale Korrosionsbeständigkeit erreicht. Deshalb wird das Elektropolieren auch häufig für Teile in chemischen Anlagen oder Ausrüstungen von Klärwerken Anwendung.
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Alternativ kann für das Polieren der Oberfläche der Lötdüsen auch Plasmapolieren angewendet werden. Plasmapolieren ist ebenfalls ein elektrolytisches Polierverfahren, bei dem die anodisch gepolte Lötdüse mit einer deutlich höheren elektrischen Spannung behandelt wird. Hierdurch entsteht an der Oberfläche eine Gasschicht, die wiederum eine Plasmaschicht bildet. Neben der mit einem minimalen Masseverlust einhergehenden Einebnung von Mikrorauigkeiten werden Grate sowie organische und anorganische Verunreinigungen der Oberfläche entfernt. Darüber hinaus ist ebenfalls eine, je nach Material sogar beachtliche Korrosionshemmung plasmapolierter Metalloberflächen zu beobachten. Mit erreichbaren Rauheitswerten kleiner 0,01 µ bietet sich dieses Verfahren auch als Ergänzung und Problemloser bei bestehenden Oberflächenvergütungsmethoden an. Der typische Materialabtrag beim Plasmapolieren von 1 µ pro Minute ist allerdings 10 bis 30 Mal kleiner als beim Elektropolieren. Deshalb kann es sinnvoll sein, Teile erst zu elektropolieren und dann zu plasmapolieren.
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Durch die beschriebene Vorbehandlung mit Elektro- oder Plasmapolieren kann im Bedarfsfall bei einem anschließenden galvanischen Beschichtungsverfahren eine extrem homogene und fehlerfreie Metallschicht aufgetragen werden. Diese Beschichtung kann aus Edelmetallen wie Gold, Platin, Palladium oder Silber bestehen. Auch das Auftragen einer Zinnschicht ist möglich. Hierdurch kann eine nochmals verbesserte Korrosionsbeständigkeit erzielt werden. Aufgrund der geringen Oberflächenrauigkeit können Schichtdicken kleiner 1 µm aufgetragen werden, wodurch sowohl die Materialkosten wie auch die Bearbeitungszeiten beim Galvanisieren deutlich reduziert werden können.
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In einer besonderen Ausführung kann auch noch eine Verbindungsschicht aus Wolfram, Molybdän oder Nickel vorher galvanisch aufgetragen werden, um die vielleicht letzten Fehlstellen zu beseitigen. Durch die mit Elektropolieren oder Plasmapolieren erzeugte, extrem glatte Oberfläche der Lötdüse kann auch die Schichtdicke der Beschichtungen aus teuren Edelmetallen auf Schichtdicken < 1 µ reduziert werden.
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Natürlich können Lötdüsen auch ohne zusätzliche galvanische Beschichtung eingesetzt werden, da die Oberfläche, speziell von Edelstahldüsen, wie beschrieben bereits eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit durch Elektro- und/oder Plasmapolieren bekommen hat.
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1 zeigt den Vollschnitt einer Lötdüse 1 zum Selektivlöten, die von der Lötschmelze 2 in Pfeilrichtung durchströmt wird. Am oberen Austritt bildet sich zentrisch die sogenannte Lötkugel 3, eine kugelförmige Erhebung. Ausschließlich diese Lötkugel 3 kommt beim eigentlichen Lötvorgang mit dem elektrischen Bauteil in Berührung und erzeugt die gewünschte Lötverbindung. Nur durch die exakt zentrische Ausbildung der Lötkugel 3 erfolgt die Lötung ordnungsgemäß und werden Fehllötungen vermieden.
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Aus dieser Lötkugel 3 strömt die Lötschmelze rotationssymmetrisch über den Außenumfang der Lötdüse 1 in einem dünnen Film 4 nach unten zurück in den Lötschmelzesumpf 5.
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Aufgabe der Bediener ist es, ständig die einzelnen Lötdüsen 1 zu beobachten und gegebenenfalls auszuwechseln. Kommt es nun, wie in 2 dargestellt, zu Korrosion, was meistens als Lochkorrosion 6 an Stellen wie innerhalb der Lötdüse 1 oder an deren Spitze oder Außendurchmesser sein kann, haftet dort Lötschmelze fest und lenkt den übrigen Film seitlich ab. Dies führt zu der in 2 dargestellten Verschiebung der Lötkugel 3 aus der zentrischen Achse 7. Schon geringste Verschiebungen führen dazu, dass das elektrische Bauteil nicht mehr an der gewünschten Stelle von der Lötkugel 3 berührt wird und es zu Fehllötungen kommt. Diese Lochkorrosion hat anfangs nur eine Tiefe deutlich unter 1 mm, führt aber bereits zu den beschriebenen Problemen. Letztlich bleibt nur der Austausch der betroffenen Lötdüse. Es ist also im Interesse des Betreibers, dass Lötdüsen eine möglichst lange Standzeit haben. Dies kann durch die beschriebene Erfindung erreicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lötdüse
- 2
- Lötschmelze
- 3
- Lötkugel
- 4
- Film
- 5
- Lötschmelzesumpf
- 6
- Lochkorrosion
- 7
- Zentrische Achse
