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Löten auf schwerbindendem Material: Eine neue Zukunft durch Ultraschall
- Ultraschall-Löten -

Ultraschall stellt die gängige Meinung auf den Kopf: Löten sogar auf Glas oder Keramik

Gewöhnliches Löten umfasst grundsätzlich das Verbinden eines Lotes (Zinn) mit einem metallischen Täger. Ultraschall ist eine fortschrittliche Technik die auch Verbindungen mit Glas oder Nichtmetallen möglich macht. Durch die weltweit zunehmende Bedeutung erneuerbarer Energiequellen, müssen immer mehr Elektroden auf Solarzellen aufgebracht werden. Für diese Anwendung hat sich inzwischen das Ultraschall-Löten etabliert. In diesem Bereich werden die Grundprinzipien des Ultraschall-Lötens beschrieben, das immer wieder Aufmerksamkeit erregt.

Das Ultraschall-Löten nutzt zwei unterschiedliche Prinzipien

Aufzeichnungen belegen, dass die Entwicklung des Ultraschall-Lötens auf das Jahr 1961 zurückgeht. Es macht das Löten auch auf Materialien möglich, die zuvor als so gut wie unlötbar galten, etwa Aluminium oder Edelstahl, bis hin zu unlötbaren nichtmetallischen Stoffen wie Glas, Keramik oder auf eloxierten Oberflächen. Allerdings unterscheiden sich die Verbundprinzipien für jedes dieser Materialien erheblich.

Aluminium und Edelstahl haben starke Oxidschichten. Noch heute werden starke säurehaltige Flussmittel eingesetzt, um die Oxidschicht für das Löten auf Aluminium und anderen Materialien zu entfernen. Allerdings führten die heutigen Umweltschutzbestimmungen zum Trend, die besonders umweltschädlichen halogenhaltigen Substanzen zu vermeiden. Auf der anderen Seite sind Glass und Aluminium oxidierte Materialien, weshalb sich konventionelle Lötmethoden für sie nicht eignen.

Ultraschallwellen: Kavitation - die Kraft einer 50.000stel Sekunde

Wenn die durch Ultraschallwellen hervorgerufenen Vibrationen eine Flüssigkeit durchlaufen, bilden sich darin kleinste, blasenartige Hohlräume aufgrund von Druckunterschieden. Dieses Phänomen wird Kavitation genannt. Diese Hohlräume kollabieren unter dem Luftdruck. Während dieser 50.000stel Sekunde wird eine große Energiemenge frei. Das Ultraschall-Löten nutzt die Kavitationsenergie zur Entfernung der Oxidschicht. Indem es diesen Mechanismus ausnutzt, wird die Verwendung von Flussmittel während des Lötvorgangs entbehrlich.

- Scheuerwirkung der Hohlraum-Implosionen (auf Metall) -

Bei einem Ultraschall-Lötsystem geschieht das Löten mittels einer erhitzten Lötspitze, welche zugleich Ultraschallvibrationen aussendet. Diese von einem Oszillator erzeugten Ultraschallwellen werden mittels eines Horns an die Lötspitze übertragen und produzieren Hohlräume an der Kontaktfläche zwischen dem geschmolzenen Lot und dem Trägermaterial. Die Implosionsenergie dieser Hohlräume verändert die Oxidoberfläche und entfernt Schmutz und die Oxidschicht selbst. Zur gleichen Zeit bildet sich eine Legierung durch Verschmelzen beider Materialien.

LotAluminiumLegierungs-Schicht

Löten auf einer Aluminiumplatte (6.000fach vergrößert)

LotAluminiumLegierungs-Schicht

Löten auf einer Aluminiumplatte (EDX)

- Verbindungswirkung durch Sauerstoff (nicht-metallisch) -

Glas und Keramik sind selbst Oxide und können nicht mit konventionellen Lötverfahren bearbeitet werden. Deshalb wird Sauerstoff genutzt, während Wärme-Energie im gleichen Moment freigesetzt wird, in dem die durch den Ultraschall hervorgerufenen Bläschen kollabieren. Es wird angenommen, dass die geschmolzenen metallischen Bestandteile des Lotes mit ihrer besonders starken chemischen Sauerstoff-Affinität diese Energie und zusätzlich aufgenommenen Sauerstoff als ein Mittel dazu verwenden, eine gemeinsame Bindung mit der Oberfläche des Glases oder ähnlicher Materialien auszubilden. (*1) Geschmolzenes Lot ist durch die Ultraschall-Vibrationen hinreichend angeregt, sodass das Lot und die Kontaktfläche leichter Sauerstoff aufnehmen können, um die Bildung einer festen gemeinsamen Bindung zu ermöglichen. Die daraus hervorgehenden geometrischen und chemischen Eigenschaften und die Verbindungsfestigkeit sind dabei jenen beim herkömmlichen Löten nicht unterlegen.

(1 Siehe: "A soldering technique for direct bonding of metal to glass" , Asahi Glass Research Labs, 1976 )

GlasLot

Löten auf einer Glasplatte
(10.000fach vergrößert)

- Zur Ausweitung der Anwendungsbereiche des Ultraschall-Lötens -

Beginnend mit dem Aufbringen von Elektroden auf das Glas von Solarzellen, gibt es viele verschiedene Bereiche, in welchen das Ultraschall-Löten eingesetzt wird. Mikrocomputer, die zusammen das “Gehirn” eines Autos bilden, sind vollständig in Aluminium eingeschlossen um sie von externen Geräuschen abzuschirmen. Ultraschall-Löten wird für das Löten des Aluminiums genutzt. In den letzten Jahren fanden Spulen aus Aluminiumdraht weitere Verbreitung, mit welchen zur Gewichtsreduzierung Kupfer bei Motorwicklungen ersetzt werden. Mit seinem vom konventionellen wie vom Laserlötverfahren verschiedenen Wirkmechanismus findet das Ultraschall-Löten Tag für Tag weitere Anwendungsbereiche und macht Arbeiten möglich, die in der Vergangenheit unmöglich waren.

Besondere Merkmale

  • 1. Bindungsprinzip nutzt das Phänomen der Kavitation
  • 2. Entfernung starker Oxidschichten ist auch ohne Flussmittel möglich
  • 3. Das Löten von Nicht-Metallen wird durch Sauerstoffbindungen erreicht
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