Elektronikfertigung : Löten unter Stickstoff: Wenn das Prozessfenster in der Elektronikfertigung enger wird

Je mehr Funktionen auf immer kleinerem Raum untergebracht werden, desto weniger Spielraum bleibt in der Fertigung elektronischer Baugruppen. Kleinere Bauteile und eine zunehmende Packungsdichte verschärfen die Anforderungen an Bestückung und Lötprozess. Gleichzeitig bleiben die Erwartungen an die Zuverlässigkeit hoch. Fehlerhafte Lötverbindungen können Nacharbeit und Ausschuss verursachen oder sich erst später im Betrieb bemerkbar machen. Stabile und reproduzierbare Prozesse sind daher essenziell.

Das betrifft einen wirtschaftlich bedeutenden Industriebereich. Die Elektro- und Elektronikindustrie ist laut FEEI der zweitgrößte Industriezweig Österreichs und erreichte 2025 einen Produktionswert von 23,6 Milliarden Euro. Elektronische Bauelemente stellten mit rund 27 Prozent den größten Produktionsbereich. Umso relevanter ist die Frage, wie sich Fertigungsprozesse auch bei enger werdenden Toleranzen stabil halten lassen.

Im Lötprozess rücken damit jene Größen in den Fokus, die sich gezielt beeinflussen lassen. Dazu gehören Materialien, Bestückung und Temperaturprofil ebenso wie die Prozessatmosphäre, die am fertigen Produkt unsichtbar bleibt.

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Beim Löten reagieren erhitzte metallische Oberflächen und Lot mit dem Sauerstoff der Umgebung. Dabei bilden sich Oxide, die die Benetzung erschweren können, also das gleichmäßige Ausbreiten des flüssigen Lots auf den zu verbindenden Oberflächen. Stickstoff wird deshalb als Schutzgas eingesetzt. Er reduziert den Sauerstoffanteil in der Prozesszone und begrenzt so die Oxidation.

Besonders relevant ist das beim Reflow-Löten, einem zentralen Verfahren der Leiterplattenbestückung. Die bestückte Leiterplatte durchläuft dabei ein definiertes Temperaturprofil, in dem die Lotpaste aufschmilzt und die Lötverbindungen entstehen. Eine Stickstoffatmosphäre kann die Benetzung unterstützen und das nutzbare Prozessfenster vergrößern. Eine Untersuchung zu bleifreien Loten zeigt zudem, dass die Atmosphäre eine von mehreren Stellgrößen ist. Das thermische Profil hatte bei den untersuchten Konstellationen teilweise einen stärkeren Einfluss auf Eigenschaften der Lötverbindung als die verwendete Atmosphäre.

„In der Praxis wird dem Prozess gerade so viel Stickstoff hinzugefügt, dass ein leichter Überdruck in der Prozesskammer entsteht. Das hilft, den eindringenden Sauerstoff der Umgebungsluft abzuwehren. Mehr Stickstoff als nötig bringt jedoch keinen zusätzlichen Nutzen und treibt nur die Kosten in die Höhe“, so Silvio Hödl von Messer Austria – einem Anbieter von Industrie- und Spezialgasen.

Davon zu unterscheiden sind spezielle druckunterstützte Reflowverfahren. Hier wird die aufgeschmolzene Lötverbindung gezielt einem höheren Druck ausgesetzt, um sogenannte Voids zu reduzieren. Diese gasgefüllten Hohlräume können während des Lötprozesses entstehen und je nach Anwendung die Qualität der Verbindung beeinträchtigen. Stickstoff übernimmt in solchen Verfahren damit eine zusätzliche Funktion, nämlich als Druckmedium.

Beim Wellenlöten kommt ein weiterer Effekt hinzu. Das flüssige Lötbad steht in Kontakt mit der Umgebungsluft, wodurch Lot oxidiert und sogenannte Krätze entsteht. Eine sauerstoffärmere Atmosphäre kann deren Bildung verringern und damit Materialverluste begrenzen. Auch aus der Anwendungspraxis bei Wellenlötprozessen beschreibt Messer eine geringere Krätzebildung unter sauerstoffarmer Atmosphäre.

Die Wirkung einer Stickstoffatmosphäre hängt vom Zusammenspiel mit Baugruppe, Materialien und Temperaturprofil ab. 

Ein wichtiger Parameter ist dabei der Restsauerstoffgehalt. Wie sensibel dieses Zusammenspiel bei miniaturisierten Baugruppen werden kann, zeigt eine Untersuchung an besonders kleinen oberflächenmontierten Bauteilen (SMD) der Baugröße 01005. Unter einer stickstoffbasierten Schutzatmosphäre war die Qualität der Lötverbindungen gegenüber dem Löten unter Luft besser. Eine weitere Absenkung des Sauerstoffgehalts brachte im untersuchten Bereich jedoch kaum zusätzliche Vorteile. Bei sehr niedriger Sauerstoffkonzentration stieg im Versuch sogar das Risiko für „Tombstoning“, bei dem sich kleine Bauteile während des Reflow-Lötens einseitig aufrichten. Die Ergebnisse gelten zwar für den beschriebenen Versuchsaufbau, verdeutlichen aber, dass der geeignete Restsauerstoffgehalt vom jeweiligen Prozess abhängt.

Für die Praxis ist dabei eine Unterscheidung wichtig: Die spezifizierte Reinheit des eingesetzten Stickstoffs ist nicht gleichbedeutend mit dem Restsauerstoffgehalt, der tatsächlich in der Prozesszone erreicht wird. Für die Gasversorgung ergeben sich daher je nach Prozessanforderung unterschiedliche Reinheitsgrade und Versorgungskonzepte.

Prozessstabilität ist nicht nur eine Frage der Lötqualität. Nacharbeit und Ausschuss verursachen zusätzliche Kosten. Bei elektronischen Baugruppen ist das zugleich eine Ressourcenfrage, weil in Komponenten und vorgelagerte Fertigungsschritte bereits Material und Energie geflossen sind.

Fraunhofer IZM weist darauf hin, dass bei elektronischen Produkten ein wesentlicher Teil des CO₂-Fußabdrucks bereits in vorgelagerten Prozessen und der Herstellung der Komponenten entstehen kann. Ein Fehler beim Löten kann damit auch den bereits entstandenen Material- und Energieaufwand der eingesetzten Komponenten zunichtemachen.

Auch die Reflowanlage selbst bietet Ansatzpunkte für einen effizienteren Energieeinsatz. Die Baugruppen durchlaufen mehrere Heizzonen bis zur erforderlichen Spitzentemperatur und werden anschließend wieder gekühlt. Neben einer bedarfsgerechten Betriebsweise kann deshalb auch die Nutzung entstehender Abwärme interessant sein. In der Praxis lässt sie sich beispielsweise für andere Wärmeanwendungen einsetzen. Ob sich etwa eine Gebäudeheizung anbietet, hängt allerdings vom Standort und vom aktuellen Wärmebedarf ab.

Einen anderen Ansatz verfolgt Messer mit dem CoolSold-Verfahren. Dabei wird die Kälte des Flüssigstickstoffs zusätzlich zur Kühlung der Kondensationsfilter der Lötanlage genutzt. Dadurch müssen die dafür vorgesehenen elektrischen Kühlaggregate seltener arbeiten. CoolSold nutzt damit Kälte, die andernfalls an die Umgebung abgegeben würde. Während Wärmerückgewinnung auf die Abwärme der Anlage zielt, setzt das Verfahren auf der kalten Seite des Prozesses an.

Für Fertiger bleibt eine klare Konsequenz: Ein einmal definiertes Prozessfenster ist keine fixe Größe. Ändern sich Baugruppe, Materialien oder Prozessführung, muss auch die Atmosphäre beim Löten neu bewertet werden.

Stickstoff ist damit weder Selbstzweck noch pauschale Absicherung gegen Lötfehler. Richtig eingesetzt ist die Prozessatmosphäre eine gezielt beeinflussbare Größe, mit der sich Qualität und Wirtschaftlichkeit der Fertigung mitsteuern lassen.