Löten

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engl: soldering          Kategorie: Aa-leerbild.jpg Level 3 Fertigung


Allgemeine Informationen hierzu finden Sie zum Beispiel bei wikipedia:Löten

Inhaltsverzeichnis

Simulation

Bei der Simulation des Lötens muss neben dem Temperaturfeld und der Strukturmechanik auch die Änderung des Zusammenhaltes am Lotspalt berücksichtigt werden. Dies entspricht weitgehend der Schweißsimulation. Hier beim Löten ist der Fluss des Lotmaterials in den Lotspalt und das Benetzen der Oberflächen des Lotspaltes von Bedeutung.

Beispiel

Einige Details der Simulation einer Lötverbindung sind an dem folgenden Beispiel erläutert.

Aufgabenstellung

Loeten-1.jpg

Das Bauteil besteht aus einem kurzen zylindrischen Block mit einem Durchmesser 16 mm und einer Höhe von 10 mm. In dem Block ist exzentrisch (also etwas außerhalb der Mitte) eine rechteckige Aussparung vorgesehen. Der Block besteht aus einer Keramik (Zirkonoxid ZRO2, viel als Zahnersatz verwendet) und wird durch einen Sinterprozess hergestellt.

In diesen Block wird ein rechteckiger Stab (Länge 20 mm) auch aus Keramik (Zirkonoxid ZRO2) so weit eingeschoben, dass er unten bündig abschließt. Durch die Abmessungen bleibt zwischen beiden Teilen ein Lotspalt von etwa 0,1 mm.

Um den rechteckigen Rand des Lotspaltes wird ein Streifen einer Lotpaste aufgetragen. Diese Lotpaste enthält im wesentlichen ein Glaspulver. Als Paste kann das Glaspulver gut bei der Fertigung verarbeitet werden. Das Trägermaterial verflüchtigt sich und beeinträchtigt den Prozess unwesentlich.


Loeten-2.jpg

Als Wärmequelle wird ein Laser verwendet. Im Fertigungsprozess rotiert das Bauteil unter dem Laserstrahl. Keramik und Glaslot sind bei den Laser-Wellenlängen teil-transparent. Die Wärme wird also kaum an der Oberfläche, sondern im wesentlichen im Inneren des Bauteils durch Absorption eingetragen. Die Wärmequell-Verteilung im Volumen ist dabei durch die Brechung an der Oberfläche geprägt. (Zum Vergleich: beim Löten von Metallen oder anderen intransparenten Materialien erfolgt der Wärmeeintrag nur an der Oberfläche, die Wärme breitet sich dann im Bauteil durch Wärmeleitung (Konduktion) aus.)

Ziel der Simulation

Die Aufheizung der Keramik darf nicht so lokal konzentriert erfolgen, dass die thermischen Dehnungen und Spannungen das Bauteil reißen lassen. Dazu kann der Laserstrahl geeignet defokussiert werden.

Die Aufheizung sollte gezielt an den Stellen stattfinden, die für das Verflüssigen des Lotes und für das Eindringen in den Lotspalt maßgebend sind.

Sobald das Lot in den Lotspalt eindringt, verändern sich dort die Absorptionsbedingungen, das Lot absorbiert die Lichtleistung und lokal wird mehr Wärme eingetragen. Es ist zu vermeiden, dass das Glaslot zu viel Wärme absorbiert und dadurch "verbrannt" wird. Durch die geringe Wärmeleitfähigkeit der Keramik wird die Wärme nur langsam in die angrenzende Keramik weitergeleitet.

Der Prozess soll so gestaltet werden, dass die Verbindung vollständig im gesamten Lotspalt entsteht. Die mechanischen Eigenspannungen während des Prozesses (Risse und Schäden an den Bauteilen) und am Ende des Prozesses (Beeinträchtigung der Tragfähigkeit von Betriebslasten) sollen so gering wie möglich sein. Sie ergeben sich durch thermische Dehnungen während des Prozesses und nach dem Ende des Prozesses beim Abkühlen (durch eine Kontraktion des Volumens und damit Zugspannungen im Lotspalt).

Die Simulation ermöglicht die Variantion von Prozessparametern wie zum Beispiel

Ablauf der Simulation

Für die Simulation wird die Finite-Elemente-Methode verwendet. Das Bauteil wird mit Volumen-Elementen diskretisiert. Es wird eine transiente Simulation des Temperaturfeldes und danach eine Simulation der Strukturmechanik ausgeführt.

Bei den Materialdaten wird die Absorption abhängig von der Temperatur berücksichtigt. Für die Keramik (ZrO2 Zirkonoxid) wird die Absorption bei Raumtemperatur für die hier vorliegende Wellenlänge zu 35% eingesetzt. Für das Glaslot ist die Absorption stark abhängig von den Stoffbeimischungen, für die hier vorliegende Mischung ist 75% angemessen.

Der Wärmeeintrag durch den Laser auf das rotierende Bauteil wird in der Simulation durch einen umlaufenden Laserstrahl abgebildet. Für jede Winkelstellung ergibt sich durch die Brechung des Lichts an der Oberfläche ein anderer Strahlverlauf im Inneren des Bauteils. Dazu wird je nach Winkelposition der Bereich der Wärmequellverteilung angepasst.

Zu jedem Zeitpunkt der transienten Simulation wird das Eindringen des Lotes in den Lotspalt und das Benetzen der Oberflächen des Lotspaltes abhängig gemacht

Anschließend an die Simulation des Temperaturfeldes erfolgt die Berechnung der Strukturmechanik.

Ergebnis der Simulation

Loeten-3.jpg

In den folgenden Absätzen werden die Bilder rechts beschrieben. Diese Bilder zeigen jeweils die Umrisse des Bauteils mit dem Block und dem eingeschobenen Stab.

Nach dem Beginn der Laserbestrahlung steigen die Temperaturen im Bauteil an. Bei Winkelposition 120° ist das Bauteil deutlich aufgeheizt. Aber zu diesem Zeitpunkt ist die Maximaltemperatur in der Lotpaste gerade noch unterhalb der Fließgrenze, so dass noch keine Eindringung des Lotes in den Lotspalt aufgetreten ist.


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Bei Winkelposition 160° ist der Temperatur-"Berg" weiter im Bauteil herumgewandert. Die in der Lotpaste absorbierte Wärme reicht gerade aus, um das Glaslot fließen zu lassen. Und die Temperaturen der angrenzenden Bereiche des Lotspaltes lassen die Benetzung zu. Daher ist eine beginnende Füllung des Lotspaltes zu sehen.


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Kurz vor dem Ende des ersten Umlaufes des Laserstrahles bei Winkelposition 320° ist das aktuelle Temperatur-Maximum an einer Ecke des Stabes. Bis zu diesem Zeitpunkt sind bereits einige Bereiche des Lotspaltes gefüllt und ein Teil der Lotpaste am oberen Rand verbraucht. Die aktuelle Temperaturverteilung im Lot innerhalb des Lotspaltes ist geprägt durch die aktuelle Position des Laserstrahls.


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Kurz vor dem Ende des zweiten Umlaufes des Laserstrahles bei Winkelposition 360+250° ist wieder das aktuelle Temperatur-Maximum an der vorderen Ecke des Stabes erkennbar. Jetzt sind nahezu alle Bereiche des Lotspaltes gefüllt und die Lotpaste am oberen Rand nahezu vollständig verbraucht. Einige Ecken des Lotspaltes unten sind noch nicht gefüllt, weil entweder die Temperaturen über der Zeit nicht ausreichten, um das Lot bis dort fließen zu lassen, oder weil zum maßgebenden Zeitpunkt keine Lotmasse in der Nähe verfügbar war, um den Spalt zu füllen.

Nun kann die Simulation mit geänderten Parametern wiederholt werden, um eine optimale Auslegung des Prozesses zu erreichen.

Sonstige Begriffe

Schweißsimulation, Schweißsimulation Wärmequelle

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