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Through Hole Technology

Als Durchsteckmontage (engl.: through-hole technology, THT; pin-in-hole technology, PIH) bezeichnet man in der  Aufbau- und Verbindungstechnik eine Montageweise von elektronischenBauelementen. Im Gegensatz zur Oberflächenmontage (engl.: surface-mounted technology, 

SMT) ist die Durchsteckmontage dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile Drahtanschlüssehaben („bedrahtete Bauteile“). Die Drahtanschlüsse werden bei der Montage mittelsKontaktlöcher durch die Leiterplatte gesteckt und anschließend durch spezielle THT-Lötprozesse(konventionelles Handlöten, Wellenlöten) verbunden.

unterseitig verlöteter Widerstand

THT-bestückte Leiterkarte, Oberseite

THT-bestückte Leiterkarte, Unterseite

In den Anfängen der Leiterplattenbestückung in den 1960er-Jahren wurden Dual-inline-Gehäuse mit einem Rastermaß von 2,54 Millimetern verwendet. Das Rastermaß, oder auch Pitch genannt,ist der Mittenabstand zweier Anschlussbeinchen des Bauteils. Durch den Einsatz der SMT konnte aber auf Kontaktlöcher verzichtet werden. Damit wurde eine deutlich höhereBauteildichte auf der Leiterplatte und eine Verringerung der Herstellungsschritte und somit der Herstellungskosten erreicht. Im Zuge dieser Einsparmöglichkeit wurde versucht, die THT

komplett zu ersetzen.

Einige Bauteilen mit einer hohen mechanischen Belastung (z. B. Steckverbinder, Schalter,Elektrolytkondensatoren, Leistungshalbleiter ) müssen jedoch weiterhin mittelsDurchsteckmontage auf der Leiterplatte befestigt werden, denn für diese Bauelemente existierenkeine SMT-Bauformen. Für rein oberflächenmontierte Bauteile besteht bei hoher Belastung dieGefahr, dass die beanspruchte Lötstelle oder die Leiterbahn beschädigt wird. Aus diesem Grund

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werden Leiterplatten oftmals mischbestückt. Dabei entsteht der Nachteil, dass der THT-Prozessnicht durchgängig automatisierbar ist und so höhere Kosten verursacht.

Im Zeitalter der SMT-Bestückungs- und Lötprozesse bot es sich daher an, Steckverbinder, dieeigentlich nicht für diese Bauweise geeignet sind, trotzdem dem Reflow-Lötverfahren 

zugänglich zu machen. In diesem Zusammenhang wurde die Through-hole-reflow-Technologie(THR) entwickelt. Dabei werden Through-hole-Bauteile für die automatische Bestückung unddie hohe thermische Belastung im Reflow-Ofen konstruiert. So lassen sich dieBestückungskosten für die automatische Leiterplattenbestückung senken, da einigeProzessschritte der normalen THT-Bestückung entfallen.

Für THR–Technology werden auch die Begriffe PiP – „Pin in Paste“ und PIHIR – „Pin in HoleIntrusive Reflow“ genutzt.

Löten

Löten ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstoffen, wobei eineflüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes (Schmelzlöten) oder durch Diffusion an denGrenzflächen (Diffusionslöten) entsteht. Die Liquidustemperatur der Grundwerkstoffe wird nichterreicht. Im Gegensatz dazu wird diese Temperatur beim Schweißen überschritten.

Definition

Manuelles Weichlöten mittels elektrischem Lötkolben

Beim Löten benetzt ein geschmolzener Zusatzwerkstoff, der eine Liquidustemperatur  besitzt,welche geringer als die Solidustemperatur des bzw. der Grundwerkstoffe ist, die Oberfläche der Bauteile und dringt in den Lötspalt ein. Beim Erstarren wird eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt.

Verbindungen

Verbindungsmaterialien

Als Verbindungsmaterial dient meist eine leicht schmelzbare Metalllegierung, das Lot. Mitdessen Hilfe wird eine metallische Verbindung von zwei metallischen Bauteilen erzeugt.

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Keramik - und Glasbauteile können mit Glaslot oder – wenn sie vorher metallisiert wurden – mitMetalllot und Metallteilen verbunden werden.

Verbindungstechniken

Das Löten steht neben anderen Verbindungstechniken, z. B. dem Schweißen, dem Kleben oder formschlüssigen Verbindungen wie Nieten, Bördeln, Aufschrumpfen oder Einpressverbindungen. Löten gehört zu den wichtigen elektrischen Verbindungstechniken.

Ein Kennzeichen einer Lötverbindung ist die Intermetallische Verbindung. In dieser dünnenSchicht bilden der Grundwerkstoff und das Lot eine Legierung und gehen eine feste Verbindungein.

 Nachteilig wirkt sich das Vorhandensein unterschiedlicher Metalle und Legierungen anLötverbindungen aus. Bei Anwesenheit eines Elektrolyten (z. B. Feuchtigkeit) entstehengalvanische Elemente wie ein Lokalelement, die zu verstärkter Korrosion führen können.

Geschichte des Lötens

Löten ist eine sehr alte Technik, die nachweislich schon um 5000 v. Chr. und vermutlich auchschon davor bekannt war. Die damals bekannten Metalle Gold, Silber und Kupfer wurden zuKult- oder Schmuckgegenständen verarbeitet, wobei das Löten als Verbindungstechnik zumEinsatz kam. Beim sogenannten Reaktionslöten (oder auch Diffusionslöten) werden Kupfersalzein der CO-Atmosphäre des Holzkohlefeuers reduziert, und die Kupferanteile ergeben bei der chemischen Reaktion mit Gold oder Silber eine lötfähige Legierung. Das entstehendeEutektikum hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als die reinen Metalle Gold, Silber und Kupfer.Gegenüber den Schmelztemperaturen von Gold (1063 °C), Silber (961 °C) und Kupfer (ca.

1100 °C) hat eine Legierung 66,5 % Gold/(Rest-)Kupfer einen Schmelzpunkt von 889 °C. AlsBasis für das Kupfersalz kam z. B. Kupferkarbonat in Form von pulverisiertem Malachit, sowieBeimischungen von Alaun und Soda/ Natron-Bindemittelgemischen als "Kleber" zum Einsatz.Abbildungen in altägyptischen Gräbern zeigen Goldarbeiter mit Blasrohr vor einemHolzkohlefeuer . Erst später kam die heute bekanntere Technik zum Einsatz, eine bereitsvorhandene Legierung als Lotzugabe einzusetzen. Beispiele für diese Lötkunst sind u. a. dieägyptische Goldmaske des Tutanchamuns, ein goldener Dolch der Sumerer , gefunden in Ur inChaldäa am Ufer des Euphrat (2600 v. Chr.), oder eine goldene Halskette der Etrusker (6 Jh.v. Chr.).

Lote

Als Material zum Erzeugen einer Lötverbindung werden Lote verwendet. Metalllote sind meistLegierungen, die als Lötdraht oder Lotpaste vorliegen. Sie enthalten oft bereits ein Flussmittel. Nach der Lötung verbleibt oft ein Rückstand des Flussmittels auf der Lötstelle.

Vakuumverbindungen (Hochvakuumanlagen oder Elektronenröhren) oder solche mit hohenReinheitsansprüchen (z. B. Montage von Halbleiterlasern) müssen ohne Flussmittel erfolgen,

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erfordern daher reine Oberflächen der Fügepartner und müssen unter Schutzgas oder Vakuumausgeführt werden.

Metallisierte Keramikteile sowie thermisch hoch beanspruchte Edelstähle werden häufig mitSilberlot gelötet.

Glaslot zum Löten von Keramik und Glas wird pastös verarbeitet, es besteht aus Pulver eines besonders niedrig schmelzenden Glases und organischen Zusatzstoffen, die die pastöseKonsistenz einstellen. Die organischen Stoffe verdampfen bzw. pyrolysieren und verbrennen beim Löten vollständig.

Für Wärmetauscher in der Automobilindustrie werden meistens Al-Si-Lote verwendet. Es gibtmehrere Formen von Al-Si-Loten: Plattieren Lot-Ring, usw..

Flussmittel

Damit der oben beschriebene Diffusionsprozess stattfinden kann, müssen alle Metalloberflächen blank und somit frei von Oxiden und Verschmutzungen sein.

Fast ausnahmslos wird unter Lufteinwirkung gelötet. Schon während der Erwärmung der Lötstelle begünstigt der Sauerstoffanteil der Luft eine Oxidation der Oberflächen, die einezuverlässige und damit erfolgreiche Lötung gefährdet.

Daher wird in solchen Fällen vor dem Lötvorgang ein Flussmittel aufgetragen. Das Flussmittelreduziert (entoxidiert) die Oberfläche beim Löten und soll die erneute Oxidbildung vor undwährend des Lötvorgangs verhindern, die sonst die Fließ- und Benetzungseigenschaften stark reduzieren würden, und weiterhin um Einschlüsse von Fremdstoffen zu verringern. Ein weiterer 

Effekt ist das Verringern der Oberflächenspannung des flüssigen Lotes.

Die Art der Flussmittel ist vom Anwendungsgebiet abhängig. Viele Flussmittel müssen nach der Lötung beseitigt werden, da sie sonst korrosiv wirken.

In Spezialfällen oder aus Kostengründen in der Großserienfertigung wird ohne Flussmittel unter Schutzgas oder Vakuum gelötet. Das Schutzgas verhindert die Oxidation und kann auchreduzierend auf vorhandene Oxidschichten wirken.

Wärmeeinbringung

Wärme wird mittels eines Lötkolbens, einer (Gas)Flamme, Heißluft, heißen Dampf ,Wärmestrahlung, Laser oder Induktion eingebracht, in manchen Fällen auch durch Ultraschall,Elektronenstrahl oder einen Lichtbogen (Lichtbogenhartlöten).

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Löten in der Elektrotechnik/Elektronik 

Lotkegel, der sogenannte hydrostatische Meniskus (hellgrau) hier zwischen einem elektrischenWiderstandsbauelement und einer Leiterplatine

Am weitesten verbreitet ist das Löten in der Elektrotechnik und Elektronik. Die Lötungenwerden dort fast ausschließlich mit Weichlot ausgeführt.

Als Flussmittel werden in der Elektronik normalerweise nur sogenannte  säurefreie Flussmittel 

verwendet, beispielsweise Kolophonium. Dabei bezieht sich der Begriff  säurefrei auf dieabgekühlte Lötstelle. Während der Lötung spielen die Zersetzungstemperaturen der aktiven

Bestandteile eine entscheidende Rolle für die erforderliche und zulässige Temperatur. Auchnicht-saure Flussmittel können durchaus korrosiv wirken.

Bei großflächigen Lötungen werden die zu lötenden Gegenstände vorher typischerweise an der Fügefläche mit Weichlot verzinnt, um Wärmebelastungen der umgebenden Bauteile gering zuhalten. Gleichzeitig begünstigt diese Vorarbeit die Benetzung.

In der Elektrotechnik wird heute im großtechnischen Stil vor allem das Schwallbad-Löten, dasReflow-Löten und das Löten mit Heißluft eingesetzt. Trotz zahlreicher anderer Verbindungstechniken (Crimpen, Wire Wrap, Schraubklemmen, Schneidklemmentechnik ,Klemmen) erfreut sich das Löten einer weiterhin recht hohen Verbreitung. Die Dimensionen

gehen dabei von einigen Zentimetern bis hinunter zu wenigen zehntel Millimetern (bei SMD-Bauteilen wie Widerständen oder Halbleitern).

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Werkzeuge: 

Um einigermaßen gute Ergebnisse zu erzielen bedarf es einiger Hilfsmittel. Deswegen hier eineAuflistung aller mehr oder weniger wichtigen Werkzeuge die man besitzen sollte:

Lötkolben 

Der Lötkolben kann schon von Anfang an über Erfolg und Misserfolg entscheiden. Daher solltedie Wahl des Kolbens gut durchdacht sein. Es gibt aber zum Löten nicht nur Lötkolben, sondernauch Lötpistolen, Gaslötkolben und Lötstationen. Lötpistolen und Gaslötkolben sollte manmeiden, da man mit ihnen nicht genau arbeiten kann. Die Lötstationen lohnen sich nur für "Viellöter", da professionelle Geräte ziemlich ins Geld gehen können! Für den "Hobbylöter"haben sich Geräte mit 15-25 Watt und einer austauschbaren Lötspitze sehr bewährt. AlsLötspitze kann ich die bleistiftspitze Dauerlötspitze empfehlen.

Lötzinn 

Der Lötzinn übernimmt gleich 2 Aufgaben beim Löten. Zu einem leitet er natürlich den Stromund dann muss er noch die Teile halten, die gelötet werden sollen! Daher ist eine saubereLötstelle das wichtigste beim Löten. Auch beim Lötzinn gibt es eine große Auswahl. Beim Kauf sollte man hauptsächlich darauf achten, das der Lötzinn eine Flussmittelseele hat. Diese Seelesorgt dafür das der Zinn gleichmäßig verläuft. Benutzt auf keinen Fall noch weitere Lötpaste

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oder andere Flussmittel, wenn ihr schon Zinn mit Seele habt!

Platinenassistent 

Dieser Platinenassistent (umgangssprachlich auch "3. Hand" genannt) ist ein guter Helfer wennman Platinen und/oder LCDs lötet. Mit Hilfe der Krokodilklemmen an den schwenkbaren Armenkann man verschiedene Platinen befestigen und diese damit auch in unterschiedliche Positionen bringen.

(Abisolier-) Seitenschneider 

Mit Hilfe des Seitenschneiders kann man ohne Probleme Kabel beschneiden. Die meistenSeitenschneider sind teilweise sogar so scharf, das man auch Lötplatinen damit bearbeiten kann.

Dieses Gerät ist zweifellos ein Muss für jeden Case-Modder, und die die es noch werden wollen.

Es gibt den Seitenschneider auch als Abisolier-Seitenschneider zu kaufen. Bei ihm sind dann 2Einkerbungen in den Schneiden, mit denen man kleine Kabeldurchmesser bearbeiten kann.

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Flachrundzange mit Schneide (gerade oder gebogen) 

Dieses Tool leistet mir immer wieder gute Dienste. Man kann ohne Probleme heiße Sachen (wiez.B. zu lötende Kabel) damit halten. Auch als Seitenschneider kann man es gebrauchen,

allerdings nicht in Zwangslagen wie z.B. im Gehäuse.

Die Flachrundzange gibt es in einer geraden und gebogenen Ausführung. Ich persönlich kommemit der geraden Version besser zurecht.

Abisolierzange 

Mit der Abisolierzange kann man, wie der Name schon vermuten lässt, Kabel abisolieren. DieHandhabung ist dabei ganz einfach. Kabel bis 5mm Durchmesser lassen gut bearbeiten, größereQuerschnitte stellen aber ein Problem dar.

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Entlötpumpe

Oft kommt es vor das Lötstellen nicht sauber gelötet sind, oder das man Bauteile wieder ganzauslöten muss. Ohne Zusatzwerkzeug ist es rechtmühsam den Lötzinn zu entfernen. Mit einer 

Entlötpumpe dagegen (arbeitet mit einem Vakuum) kann man den flüssigen Lötzinn ganzeinfach "wegsaugen". Danach ist das entfernen des Bauteils kein Problem mehr.

Lötkolbenhalter

Man sollte einen Lötkolben nie sie offen rum liegen lassen, denn ruckzuck fällt er mal runter oder man legt was drauf bzw. berührt ihn. Der Lötkolbenhalter erfüllt eigentlich 3 Aufgaben auf einmal. Zu einem hält er natürlich den Kolben sicher fest. Dabei wird die nicht gebrauchteWärme des Kolbens an das Metall abgeführt. Und zum Schluss haben wir noch den (feuchten)

Schwamm, mit dem man die Spitze reinigen kann!

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Sicherheitshinweise: 

Bevor es mit dem Löten losgeht sollte man noch ein paar Sicherheitsvorkehrungen einhalten! Es

ist für eine gute Belüftung zu sorgen, da beim Löten giftige Dämpfe entstehen! Des weiternsollte man darauf achten das man geerdet ist, da man sonst empfindliche Bauteile (IC's) zerstören

kann!

Das Löten: 

Das wichtigste beim Löten ist das ihr eine ruhige Hand habt! Wenn ihr z.B. Tastatur LEDs

austauscht kann es tödlich sein, wenn ihr anfangt rum zu zittern! Weiterhin ist es ratsam das man

sich alle benötigten Werkzeuge und Materialien schon gleich auf seine Arbeitsfläche legt bevor man überhaupt den Kolben in Betrieb nimmt. Löten solltet ihr nach Möglichkeit auf einer großen

Arbeitsfläche.

 Nachdem ihr nun euren Arbeitsplatz vorbereitet habt kann es losgehen. Um zu prüfen ob er 

Lötkolben schon auf Temperatur ist, hält man einfach etwas Zinn auf die Spitze. Wenn dieser 

verläuft, müsst ihr die ganze Spitze mit ihm einschmieren und warten bis es nicht mehr qualmt!Die Spitze wird dann noch schnell sauber gemacht (in dem feuchten Schwamm vom

Lötkolbenhalter abwischen), danach ist euer Lötkolben einsatzbereit!

Die Lötstelle wird, je nach Lötkolbenstärke, ein paar Sekunden erhitzt. Der Lötzinn ist dabeischon in Lauerstellung und wird nach der Erhitzung der Lötstelle zugegeben. Wenn die Lötstelle

nicht heiß genug war bildet sich eine kleine Kugel. Dies ist dann eine kalte Lötstelle mit der wir 

nichts anfangen können, da man sie nicht belasten kann!

Ihr dürft auch nicht zuviel Lötzinn zugeben, da sonst die Lötstellen zu groß werden. Weniger ist

manchmal mehr 

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Hier sind 3 Lötstellen zu sehen. Die linke ist genau richtig. Bei der mittleren dagegen wurdeetwas zu viel Zinn zugegeben und die rechte hat zu wenig Zinn abbekommen.

Nach dem Löten: 

Wenn ihr fertig sein mit dem Löten, solltet ihr die Platine noch mit einem feuchten warmen

Lappen von den Flussmittelresten befreien. Das Flussmittel, welches ätzend ist, kann so diePlatine nicht mehr angreifen und es sieht schöner aus. Die Lötkolbenspitze sollte ebenfalls

gereinigt werden! Hier müsst ihr aber darauf aufpassen was ihr für eine Spitze habt.

Dauerlötspitzen oder vernickelte Lötspitzen nur in dem Feuchten Schwamm vom

Lötkolbenhalter abwischen! Ältere Kupferlötspitzen werden mit einer Metallfeile gereinigt.Achtung: Reinigt niemals eure Dauerlöt- bzw. Nickellötspitze mit einer Feile! Wenn ihr mit der 

Feile die Schicht auf diesen Lötspitzen abfeilt, nimmt die Oberfläche den Zinn nicht mehr auf,

die Spitze ist damit Schrottreif!