Heute haben wir gedämpfte Leiterplatten… Oder wie man sich mit Kondensationslöten das Leben leichter machen kann.
Inhalt
Einleitung
Nein, es werden jetzt keine Rezepte vorgestellt, und es wird auch nicht vom Kochen die Rede sein, obwohl Letzteres ja dann doch nicht ganz richtig ist. Es geht um eine recht alte Methode des Reflow-Lötens: Das Dampfphasenlöten oder auch Kondensationslöten genannt. Mit der Dampfphase ist das SMD-Löten ein Kinderspiel.
Noch Anfang der 1980er Jahre war dieses Verfahren wegen des Einsatzes von nicht gerade umweltfreundlichen Chemikalien in Verruf und damit in Vergessenheit geraten. Erst mit der Entwicklung von Perfluorpolyethern erlebte dieses Verfahren eine neue Renaissance.
Das wirklich Interessante ist aber, dass man es ganz einfach zu Hause nachmachen kann. Und zwar ohne den Einsatz von teuren Maschinen oder Spezialwerkzeugen.
Vielleicht zunächst einmal, warum es genau geht. Der Perfluorpolyether, oder auch besser bekannt unter dem Handelsnamen Galden, ist ein leicht öliger Kunststoff, der bei Raumtemperatur flüssig ist. Wenn dieser erhitzt wird, bildet sich ein inertes Gas, das die Temperatur ziemlich genau hält (es gibt verschiedene Versionen von Galden für unterschiedliche Temperaturbereiche).
Und in diesem Gas oder Dampf kann man nun Platinen löten. Der große Vorteil gegenüber dem Infrarot-Reflow-Verfahren (wie es in den meisten Reflow-Öfen verwendet wird) ist, dass sich alles gleichmäßig erwärmt. Die Farbe der Bauteile spielt im Gegensatz zum IR-Reflow keine Rolle. Es gibt auch keine Abschattungen bei großen Bauteilen. Auch BGAs sind kein Problem, denn dieses Gas füllt alles gleichmäßig aus.
Ich verwende Galden LS 230 (Hersteller ist die Firma Solvay) zum bleifreien Löten. Wobei die Zahl 230 für die Temperatur steht. Und das wirklich Interessante daran ist, dass man ganz einfach mit üblichen Hausmitteln arbeiten kann.
Der Aufbau sieht bei mir so aus:
Was wird benötigt?
Ich verwende einen Spargeltopf und ein kleines Induktionskochfeld vom Discounter. Was dann noch benötigt wird, ist ein Thermometer. Ein geeignetes Multimeter mit einem so genannten Thermoelement ist ebenfalls ausreichend.
Ein Induktionskochfeld ist wichtig, weil die Wärmequelle direkt unter der Elektrode liegt und der Topf nicht erst erhitzt werden muss. Bei einer Fritteuse, bei der die Heizspiralen nicht offen sind (sehr wichtig, weil man sonst viel zu viel Galden braucht, da ja die Heizspiralen komplett abgedeckt werden müssen), kann man auch das Dampfphasenlöten verwenden. Mit Gas auf jeden Fall nicht, weil dies nicht fein genug regelbar.
So ein Induktionskochfeld kostet um die 25,- Euro, ein entsprechender Spargeltopf ist schon unter 20,- Euro zu haben und das Messgerät schlägt nochmals mit 20,- Euro zu Buche (falls nicht schon vorhanden). Mit nicht ganz 75 Euro ist man also dabei, zumindest fast.
Denn natürlich wird noch der Galden selbst benötigt. Und das ist leider nicht ganz billig. Ein Container mit 500gr kostet derzeit knapp 100,- Euro. Die gute Nachricht ist aber, dass man damit wahrscheinlich 100.000 Platinen löten kann. Denn das Gas wird, bei sparsamen Umgang fast nicht verbraucht.
Wenn man einen dichten Topf nimmt, und auch nicht zwischendurch den Deckel abnimmt (Glasdeckel ist am besten für neugierige Bastler), während der Dampf noch im Topf ist, dann kann man mit dem Galden wahrscheinlich ein Leben lang arbeiten. Sicher, ein kleiner Hauch geht immer verloren, aber der ist so gering, dass man auch nach mehreren Versuchen keinen Verlust bemerkt.
Der Spargeltopf geswegen, weil ein möglichst hohes, aber nicht breites Gefäß benötigt wird. Je höher, desto besser, umso weniger Galden kann nach oben entweichen. Und die Spargeltöpfe haben einen entsprechenden Gittereinsatz, in den man die Platinen ideal einsetzen kann. Denn natürlich dürfen die Leiterplatten nicht in das flüssige Galden direkt eingebracht werden.
Der Temperatursensor sollte etwa 2 cm über der Platine angebracht werden. In diesem Aufbau habe ich zusätzlich über einen Abstandshalter (ein kleines Gitter, wo normalerweise heiße Töpfe abgestellt werden können) sogar zwei Platinen gleichzeitig im Topf, was auch kein Problem ist. Ich habe hier zusätzlich einen zweiten Temperaturfühler auch über der zweiten “Lage” angebracht.
Der Galden selbst wird in den Topf gefüllt, bis er ausreichend bedeckt ist. 5-10mm sind völlig ausreichend.
Das ist ähnlich wie bei kochendem Wasser. Sobald es kocht und sich eine ausreichende Menge im Topf befindet, bleibt der Dampf bei 100 Grad. Egal, wie heiß man dann die Kochplatte einstellt, es bleibt bei 100 Grad. Und das gilt natürlich auch für den Galden.
Ich empfehle ohnehin, das Kochfeld mit einer relativ niedrigen Leistung zu betreiben. Man kann keine Temperaturkurven fahren, anders als beim Reflow-Ofen. Das Gas bildet sich erst, wenn der Galden 230 Grad erreicht. Es ist also im Grunde egal, wie man das Galden erhitzt.
Aber wenn nun aber das Induktionsfeld auf niedrige Leistung eingestellt wird, dauert es länger, bis sich das flüssige Galden erwärmt. Dadurch erwärmt sich auch der Topf und die Luft im Topf. Und dies kann man nutzen, das die Platinen sich auch vorher etwas erwärmen. Dies verhindert, dass sich sehr kleine und leichte Bauteile bei der Berührung mit dem heißen Gas aufstellen.
Das muss man ein wenig mit spielen und probieren. Ich stelle das Induktionskochfeld, welches ich verwende, immer auf eine Temperatur von 80 Grad ein. Wobei diese 80 Grad etwas irreführend sind. Denn im Grunde lässt sich nur die Leistung regeln, nicht aber die Temperatur selbst.
Beobachten der Temperatur
Und so kann dann langsam die Temperatur gesteigert werden.
Der obere Wert gibt die Temperatur über der unteren Platine an, der zweite Wert für die obere. Hier kann man sehr gut sehen, wie das heiße Galden langsam aufheizt.
Und man kann beobachten, wie sich das Gas langsam bildet.
Jetzt wird es spannend. Von hier an dauert es nur noch wenige Augenblicke. Die Temperatur steigt weiter an und der Dampf wird immer dichter, bis man die Platinen fast oder gar nicht mehr sehen kann.
Nun gilt es das Thermometer zu beobachten. Sobald die gewünschten 230 Grad erreicht sind, gute 5 Sekunden warten bis alles verlötet ist. Und danach das Induktionsfeld abschalten.
Denn nun ist die notwendige Temperatur für das bleifreie Lot erreicht und das Löten selbst ist bereits abgeschlossen. Der gesamte Prozess vom Aufheizen bis zum Erreichen von 230 Grad dauert je nach Leistung der Platte 4-5 Minuten.
Den Topf vom Kochfeld nehmen, denn das Induktionskochfeld selbst ist noch sehr heiß, und das verzögert die Abkühlung nur unnötig.
Und da die Leiterplatten auch nicht zu schnell abkühlen sollten, empfehle ich, einfach zu warten, bis das Galden wieder soweit abgekühlt ist, dass der Dampf vollständig verschwunden ist (also wieder zu einer Flüssigkeit kondensiert ist). So hat man auch die geringsten Verluste an Galden. Wenn man vorher den Topfdeckel öffnet, entweicht der Dampf, was mit einem kleinen Galdenverlust einhergeht.
Übrigens riecht es während des Prozesses nach warmem Kunststoff. Das ist völlig normal, denn wie eingangs erwähnt, ist Galden ein flüssiger Kunststoff.
Fertig
Wenn alles abgekühlt ist, kann der Korbeinsatz aus dem Topf genommen werden. Die Platinen selbst sind grundsätzlich sauber. Es befindet sich nur ein sehr dünner Film aus Galden auf den Platinen, der bei Bedarf leicht abgewaschen werden kann.
Das Galden kann nun für den nächsten Gebrauch wieder in die Flasche zurück gefüllt werden. Denn das Galden kann immer wieder verwendet werden. Von Zeit zu Zeit wird es notwendig sein, das Galden durch einen Filter (Kaffeefilter reicht) laufen zu lassen, da sich mit der Zeit Schmutzpartikel (die in der Luft und vor allem auf den Platinen sind) in der Flüssigkeit sammeln.
Ich habe noch zwei Nahaufnahmen gemacht, die zeigen, wie sauber die Bauteile verlötet sind.
Wie man auf den Bildern sehen kann, sind die Lötstellen extrem sauber ausgeführt worden. Dazu noch ein paar Tipps, was die Vorbereitung anbelangt.
Es ist wichtig, mit einer Schablone (Lötpastenschablonen) zu arbeiten. Wenn die Lötpaste per Hand aufgetragen wird, ist das Ergebnis hinterher selten zufriedenstellend. Vor allem führt dies schnell zum so genannten Grabstein-Effekt. Das erzwungene ungleichmäßige Auftragen der Lötpaste führt zu Temperaturunterschieden. Das kann dann dazu führen, dass eine Seite bereits flüssig ist, während die andere Seite noch fest ist. Und wenn das der Fall ist, dann stellt sich ein leichteres Bauteil aufgrund der Oberflächenspannung des flüssigen Lots auf der geschmolzenen Seite hoch.
Auch bei der Gestaltung der Leiterplatte sollte man darauf achten, dass es entsprechende thermische Unterschiede gibt. So sollte man beispielsweise vermeiden, eine Seite eines Bauteils direkt mit einer großen Kupferfläche zu verbinden.
Aber auch eine gute Lötpaste ist sehr wichtig. Meiner Erfahrung nach sind die billigen von irgendwelchen Auktionsseiten oder ehemaligen Buchhändlern (Amazon) nicht die “besten”. Ich persönlich verwende gerne die Lötpasten von Felder. Diese sind nicht viel teurer, aber einfacher zu verarbeiten und das Ergebnis ist auch überzeugend.
Wer mit verbleiter Lötpaste arbeiten möchte, kann dies mit Galden LS 200 tun. Hier liegt der Punkt, an dem sich der Dampf bildet, bereits bei 200 Grad. Ansonsten gilt auch hier alles oben gesagte.
Und nun viel Spaß beim Basteln!
