Bleifreie Lötungen - Frage an die Spezialisten

[VISATON]

Ab 2006 darf ja kein Blei mehr in Lötzinn vorhanden sein. Das bedeutet, dass mit den Ersatzstoffen (z.B. Silber) die Schmelztemperatur des Lotes ca. 30° höher liegt. Die hochflexiblen Litzen bei Lautsprechern dürfen nicht zu heiß gelötet werden, weil sich sonst die Materialeigenschaften ändern können und die Litzen den Dauerbiegebelastung nicht mehr standhalten.

Kennt sich jemand mit dieser Vorschrift aus? Gibt es bei so einem geringen Anteil an Lötstellen, wie es bei Lautsprechern der Fall ist, vielleicht eine Ausnahmereglung?

[SDJungle]

Nix genaues weiß ich nicht - bei einer derartigen Frage würde ich aber mal beim Hersteller des bisherigen Lots vorstellig werden. Der möchte sicherlich auch nach diesem Datum weiter Visaton beliefern.

Gruß
Stefan

[Torsten]

Hi,

ob das 2006 wirklich so in Kraft tritt? Ihr seid nicht die einzigen die da (immer noch) Probleme mit haben. Ich habe mal für einen grossen Hersteller von elektronischen Bauelementen gearbeitet und da kämpft man immer noch. Ich könnte euch ja verraten wie man da trotz Silberlot und höherer Temperatur zu einem Ergebenis kommt

Da liegt das Problem da aber eher darin das man ein galvanisch verzinntes Teil löten muss. Durch die höhere Temperatur schmilzt aber auch das galvanisch verzinnte z.T. an bzw es wird da schon eng. Ausserdem haben wohl die Hersteller der Platinen/Geräte das Problem mit den höheren Temperaturen da mache Bauteile das wohl noch übel nehmen.

Wie genau wirkt sich das denn auf das Kupfer aus? Eigentlich sollte es da doch gar keinen Probleme geben ? Welche Temperatur ist denn das Problem ?

Torsten

Edit: Dem Tipp mit dem Lothersteller kann ich mich nur Anschliessen. Die sind sehr daran interessiert da Lösungen zu bieten und forschen afaik auch...

[UweG]

Nach aktueller Gesetzeslage ist da keine Ausnahme drin - Lötzinn muss definitiv bleifrei sein - bestenfalls speziell für die Reparatur alter Geräte (oder eben Chassis) könnte eine Ausnahme gelten. Der Druck auf die Bauteilhersteller hat etwa seit Anfang diesen Jahres massiv zugenommen, zumindest einen Zeitplan für die Umstellung zu publizieren. Von den Bauteilherstellern erwartet man eine frühzeitige Umstellung (spätestens ca. Mitte 2005, besser früher), da ja alte Lagerbestände noch aufgebraucht werden sollen.

Als Ersatzlote haben sich SnAgCu-Legierungen etabliert und sind m. E. für Lötungen an Lautsprchern das einzig Vernünftige. Die zeitweilig diskutierte ALternative mit Wismutloten dürfte, wenn überhaupt, dann höchstens im low end-Segment eine Rolle spielen. Wismuthaltige Lote dürfen keinesfalls mit bleihaltigen Loten (z. B. auf Bauteilenoberflächen!) verwendet werden, sonst besteht Gefahr starker Versprödung. SnAgCu-Lote hingegen vertragen Bleianteile problemlos, was für die Umstellungsphase ein nicht zu unterschätzender Vorteil sein kann. Ihr höherer Schmelzpunkt ist technisch ebenfalls u. U. ein Vorteil, bedeutet er doch auch, dass die Lötstelle hitzefester ist.
Näheres zum Thema z. B. auf:
www.zvei.de
oder direkt zu
http://www.zvei.org/bleifrei/default.htm
Auch zum Thema:
http://www.bleifrei.org/
oder
http://ak-bleifrei.izm.fhg.de/

Den Lothersteller anzufragen, halte ich auch für eine gute Idee, ebenso ggf. Hersteller von Lötanlagen, selbst wenn es sich nur um sehr kleine Anlagen handelt (Lötkolben) und den Hersteller der Litze, die wird schließlich verkauft um sie zu löten.

Die Geschichte könnte u. U. weniger kritisch sein, als anhand des Vergleichs der Schmelztemperaturen erstmal anzunehmen. Beim Reflowlöten (von Leiterplatten) beispielsweise geht man eher von ca. 20K notwendiger Temperaturerhöhung aus, obwohl die Schmelztemperatur mehr als 20K höher liegt. Es könnte aber sein, das anlagentechnische Verbesserungen hier eine Rolle spielen, die sind natürlich beim Anlöten der Litze erstmal nicht da.

Was die Biegefestigkeit der Litzen angeht: Ich habe wenig bis keine Erfahrungen mit so dünnen Drähten bzw. Litzen, aber bei Bändern bzw. Drähten etwas größerer Abmessungen gibt es Materialien mit wesentlich höherer Biegefestigkeit als reines Kupfer. Soweit mir bekannt, eignen sich CuFe- und CuMg-Legierungen (CuFe2P, CuFe0,2P, CuMg0,8, CuMg0,4, ...) auch gut zum Drahtziehen. Vielleicht gibt es solche Litzen. Preislich spielt das fast keine Rolle. Der elektrische Leitwert dieser Materialien ist zwar schlechter als bei Kupfer, aber immer noch sehr gut (ca. 30..50 MS/m gegenüber 57MS/m bei Kupfer). Auch der Phosphorgehalt des Kupfers beeinflusst seine mechanischen Eigenschaften nennenswert positiv, was jedoch ebenfalls mit kleinen Einbußen bei der elektrischen Leitfähigkeit bezahlt werden muss.

Konstruktive Maßnahmen kann ich mir auch vorstellen, die dürften aber nicht umsonst zu haben sein.

Viel Erfolg - wir wollen schließlich auch nach 2006 noch Visaton-Lautsprecher kaufen.

[Frank S]

Sonderregelungen gibt es in der Praxis - ein Beispiel dafür sind die Prozessorhersteller (z.B. Intel). Hier darf mit Sondergenehmigung auch nach 2006 noch bleihaltiges Lot eingesetzt werden solange keine technisch zuverlässige Alternativlösung bereitsteht. Die Blei-Kupfer-Silberlegierungen sind in Bezug auf die Langzeitstabilität bei Flip-Chip Gehäusen nicht konkurrenzfähig. Bei Temperaturschwankungen kommt es zu Rissen in der Kontaktierung und zum Ausfall der Einheit.

Bei den BGA Gehäusen kann mit Ersatzloten gearbeitet werden; die thermische Belastung der Multilayerplatinen ist aber kritisch und läßt die Ausschußquote steigen. Die 20K höhere Löttemperetur läßt die Epoxyträger ausgasen und durch Blasenbildung können Durchkontaktierungen brechen. Die Lötzeit muß je nach Layeerzahl verringert werden. Auch sind die Platinen mechanisch nicht mehr so belastbar (brechende Kontaktierung am Chip bei leicher Biegung der Platine). Außerdem enstehen beim Lötvorgang hochgiftige Dämpfe.

Bei den Lautsprecherlitzen würde ich ein Canton Chassis betrachten. Diese Firma wickelt einen Knickschutz in Form einer dünnen Spiralfeder um die Litzen bis in die Lötstelle hinein. Es handelt sich dabei um hauchdünnen, federnden Draht (schätze 0.15mm) der in etwa 15mm Länge dicht um die Litze gewickelt ist. Die Biegung der Litze am Rand der Lötstelle wird dadurch wirkungsvoll verhindert.

[Frankynstone]

Vielleicht kann man auf Quetsch-Verbindungen ausweichen. RFT hat schon in den 70er und 80er Jahren an großen Tieftönern die Litzen nur noch an den Schwingspulendraht angelötet, das andere Ende aber in einen Flachstecker gequetscht und auf die Anschlussfahne am Korb gesteckt. Das vereinfacht zudem das reconing. Die Verbindung zwischen Spule und Litze hätte man auch damals schon lötfei hinbekommen, da das einlöten in einen Niet in der Membran erfolgte.

Nun ergibt sich das Problem der Oxidation: man vergolde die Litzenenden und die Spulendrahtenden oder man gebe nach dem Herstellen der Verbindung eine Winzigkeit Kontaktöl drauf (verhindert korrosion und vergrößert die effektive Kontaktfläche).

Für Privatleute kommt ohnehin nur das gute alte bleihaltige Lot in Frage. Jetzt gibt es das ja noch an jeder Ecke zu kaufen, also keine Not.

[UweG]

solange keine technisch zuverlässige Alternativlösung bereitsteht

Sobald der erste Lautsprecherhersteller das Problem bleifrei löst, dürften die Chancen auf eine Ausnahme bei Null angekommen sein.

Da jetzt doch über konstruktive Maßnahmen diskutiert wird, gebe ich hier auch noch meinen Senf dazu. Wie wäre es mit folgendem Fertigungsablauf:
1. Litze ablängen
2. Litze an beiden Seiten nahe dem Ende (2mm?) mit "kaltem" Greifer greifen und belöten. Der Greifer soll verhindern, dass die Litze auf zu langer Strecke zu heiß wird.
Bis dahin unabhängig vom Chassis durchführbar, evtl. sogar in separater/externer Fertigung
3. beidseitig verlötete Litzenstücke an Gegenstück anlöten, indem das Gegenstück erhitzt wird und deas verlötete Ende in das heiße Lot gedrückt wird.
4. Mit geeignetem Kleber die Lötstelle zusätzlich mechansich fixieren um das empfindliche erste Stückchen der Litze zu schützen.

[Torsten]

Was Uwe sagt ist eigentlich der einfachste und sehr effektive weg. Man kühlt das was nicht warm werden darf. Das funktioniert schon mit kleinesten Luftmengen aus einer Düse. In eurem Fall ist die Methode mit der Flachzange wohl am angebrachtesten. Das wird auch schonmal bei anderen Dingen als Wärmedamm benutzt und funktioniert wunderbar. Das Lötzinn zieht sich soweit in die Litze wie die Temperatur hoch genug ist, und da wo die Flachzange oder die Düse die Litze kühlt fliesst das Zinn auch nicht weiter. Den nach wie vor empfindlichen Übergang hat man mit dem altem Lot doch auch.


Torsten

[VISATON]

Vielen Dank an alle für die interessanten Infos. Ich habs gewusst, dass es hier Spezialisten auch für diesen Bereich gibt.

Die Sache mit der Kühlung ist aber nicht so einfach. Das funktioniert sehr gut, wenn ein Bauteil geschützt werden soll. In diesem Fall dagegen könnte die Litze haargenau da brechen, wo sie zu heiß geworden ist, also direkt an der Lötstelle. Da kann man ja nicht kühlen, weil dann die Schmelztemperatur nicht erreicht würde. Wir werden uns bei den entsprechenden Herstellern erkundigen.

Es ist sicher mal interessant zu erfahren, wie eine Lautsprecherlitze aufgebaut ist. Dabei handelt es sich nicht um normale dünne Drähte aus Kupfer mit rundem Querschnitt sondern um hauchdünne streifenförmige Folien aus ganz speziellen Legierungen. Die genaue Zusammensetzung ist mir nicht bekannt. Wenn man sich die Litzen mit einer sehr starken Lupe oder unter dem Mikroskop ansieht, erkennt man den speziellen Aufbau: Die schmalen Streifen sind zu einer Locke aufgewickelt, wie bei der Geschenkverpackung zu Weihnachten, wenn die Verkäuferin das Kunststoffband mit der Schere bearbeitet. Bei der Lautsprecherlitze wird in diese Locke in die Mitte dann noch ein Kunststofffaden gebracht, damit sie auch auf Zug belastet werden kann. Viele von diesen winzigen Locken werden dann zu einer Litze versponnen. Nur so ist es möglich, dass die Litze über Jahrehnte die aberwitzige Anzahl von Biegungen schadlos übersteht.

[MrWoofa]

Ui. Das ist ja echt High-Tech, und da gibts Firmen, die geben mit ihren 'aufwändigen Papier-Glasfaser'-Membranen an... das ist doch nen Klacks gegen so ne Litze

[UweG]

@Visaton: Natürlich kann man direkt an der Lötstelle nicht kühlen, deshalb Schritt 4 in meinem obigen Vorschlag oder eben irgend eine andere mechanische Abfangung vorher.

Ich bin echt beeindruckt von dem Aufwand, den Litzenhersteller so treiben. Mich beschleicht aber trotzdem der Verdacht, dass das auch billiger geht. Mal so aus der Erinnerung an die Vorlesungen über Werkstoffkunde / Maschinenelemente:
Der Übergang zwischen Zeitstandsfestigkeit und Dauerfestigkeit liegt bei Nichteisenmetallen so bei ca. 10^6 Lastspielen. D.h. wir befinden uns tief im Bereich Dauerfestigkeit. Mit anderen Worten: Ein Bauteil welches eine Stunde übersteht wird mit relativ hoher Wahrscheinlichkeit auch Jahre überstehen. Das ist doch schon mal nett. Bei langsamen Lastwechseln (unterhalb der Eigenfrequenz der Litze) ist die Belastung sicherlich nicht so hoch, dass sie nicht von einem sehr einfachen Draht auszuhalten wäre. Problematisch wird es, wenn Eigenresonanzen der Litze zu einer schwer abschätzbaren Lastüberhöhugen führen. Kann man die Eigenresonanzen der Litze nicht extern dämpfen, irgendwo in der Aufhängung ... ... wahrscheinlich lohnt es aber gar nicht, weil der Kostenanteil der Litze am ganzen Chassis wahrscheinlich trotzdem eher verschwindet und zusätzliche Teile / Arbeitsschritte weitaus nachteiliger in die Kalkulation eingehen würden.

[Frankynstone]

Öm, wer sagt denn, dass man unbedingt Litzen nehmen muss. Es gibt auch die Möglichkeit die Zentrierspinne durch eine gewisse Anzahl von elastischen Stäben (zähelastische Kunststoffe für niedrige mechanische Güte) zu realisieren. Bei einer gerader Anzahl von Stäben können dann zwei davon durch Federbronzestreifen ersetzt werden, die gleichzeitig Teil der Einspannung und die Stromversorgung sind. Die Bronzefedern sind ohne Probleme durch Löt- oder Schraubverbindung zu kontaktieren.

@UweG: ich hab mal bei einem relativ kleinen Tieftöner die Lautsprecherlitze durch normale Litze ausgetauscht. Die war nach kürzester Zeit abgewackelt. Es bringt nichts, viel zu unflexibel! Selbst bei billigen Kofferradiolautsprechern wird diese Litze aus umsponnenen Textilfasern verwendet. Es gibt sie gedreht und geflochten, je nach benötigter Dicke. Das Desaster lässt sich nur durch andere Leitungstechnologien abwenden: Massivleiter, leitfähige Kunststoffe ... oder lötfreie Verbindungstechnologien: Aderendhüllsen, Stecker ...

@Visaton: Sei froh, dass es sich nicht um eine "aberwitzige Anzahl von Biegungen" handelt, sondern alles im elastischen Bereich sich abspielt. Deshalb die aufgewickelte Konstrukton der Einzellitzen, quasi lauter Spiralfedern mit Fäden im Kern. Bei den relativ dicken "Drähten" in normaler Litze treten eben doch manchmal die zermürbenden plastischen Verformungen ein, die dazu fürhen, dass das, aus wenigen großen und langgestreckten Kristalliten bestehende, ziehharte Kupfer Versetzungen bekommt, also durch das Verschieben der Kristallgleitebenen gegeneinander neue und kleinere Kristalle entstehen. Das Material ist dadurch an gebogenen Stellen nicht mehr belastbar und lässt sich leichter biegen und so fort.

Experiment: man nehme einen dicken Draht oder einen Metallstab, den man mit Hand noch bequem biegen kann. Biege ihn hin und her, bis er förmlich auseinander fällt. Man betrachte die Bruchstelle, sie ist rau und stachelig. Unter dem Mikroskop erkennt man spitzige Strukturen, deren Flächen die Gleitebenen der Kristalle waren.

Ich hasse Kristallgitter, Zieh- und Ausscheidungshärtung, Versetzungen und so weiter, seit ich Werkstoffe im Studium hatte. Wenn man nicht dazu gezwungen ist, das innerhalb eines Semesters in sein Hirn zu prügeln, dann ist es interessant.

Jetzt noch was sehr spannendes: Lote sind stets EUTEKTISCHE LEGIERUNGEN, also solche mit einem tiefen Schmelzpunkt, die bei erreichen der eutektischen Temperatur schlagartig erstarren und durch einen dritten Legierungsbestandteil oder durch die nur TEILWEISE MISCHBARKEIT DER KOMPONENTEN IM FESTEN ZUSTAND beim weiteren erkalten eine Ausscheidungshärtung erfahren. Dabei verabschiedet sich ein Legierungsbestandteil teilweise aus dem Kristallgitter und bildet eigene Kristalle mit anderer Gitterkonstante, wodurch das gesamte Kristallgitter verspannt wird und sehr hart. Es gibt verschiedene Legierungen, die sich ähnlich dem guten alten PbSn... verhalten. Man muss nur die kälteste aussuchen.

Viel Erfolg beim Suche ;-)

[UweG]

@Frankynstone: Sorry, aber da hast du meinen Beitrag wohl zumindest z. T. in den falschen Hals bekommen. Es handelt sich definitiv um eine "aberwitzige Anzahl von Biegungen" und deshalb hält es auch nur, wenn sich die Verformungen DEUTLICHST im elastischen Bereich befinden, genau genommen sogar unterhalb der Biegewechselfestigkeit.
Ich glaube dir sofort, dass ungeeignete Litze kurzfristig abbricht. Für unwahrscheinlicher würde ich halten, wenn sie erst nach langer Zeit abbrechen würde.