Löten und Kleben auf einen Streich

Von unserem Redaktionsmitglied Olaf Stauß

Flußmittelfrei löten – direkt an Luft und bei Temperaturen unter 250 °C: Günstigere Prozeßbedingungen gibt es für einen Lötexperten nicht. Genau dies ermöglicht jetzt der metallische Fügewerkstoff S-Bond, den die Euromat GmbH in Hückelhoven entwickelt hat und seit zwei Jahren auf dem Markt anbietet.

„Das Verfahren ist zwischen Löten und Kleben anzusiedeln”, steckt Dr. Dagmar Pickart-Castillo die Position der neuen Fügetechnik ab. Zur Lötverbindung hinzu kommen chemische Reaktionen mit dem Grundwerkstoff und Adhäsionskräfte, wie sie beim Kleben auftreten. Die Produktmanagerin spricht darum nicht von einem „Lot”, sondern bezeichnet das Material bewußt allgemeiner als „metallischen Fügewerkstoff”.

Vom Prozeßverhalten her ließe sich S-Bond am ehesten mit einem Weichaktivlot vergleichen. Durch die mehrfach verbindenden Effekte ist es jedoch wesentlich vielseitiger. „Nahezu alle Werkstoffe werden benetzt”, hebt Dr. Pickart-Castillo hervor. Leichtmetalle, magnetische und poröse Werkstoffe, Hartmetalle, Eisen- und Nichteisenmetalle gehören ebenso dazu wie Keramiken und neue Werkstoffe. Das Fügematerial wird als Draht, Band, Pulver, Paste oder Pellet geliefert und bereits in unterschiedlichen Branchen eingesetzt, so zum Beispiel der Automobil- und Textilindustrie, der Hochleistungselektronik und Installationstechnik.

Die wichtigsten Vorzüge werden bei Euromat in vier Punkten zusammengefaßt:

Durch die moderaten Fügetemperaturen zwischen 240 und 480°C wird vergleichsweise wenig Energie verbraucht. Induktions-, Platten- oder Flammenerwärmung lassen sich als kostengünstige Heizmethoden verwenden. Zudem ist der Prozeß voll automatisierbar, geringe Stückzahlen können manuell hergestellt werden.

Das Fügematerial erzielt Scherfestigkeiten bis 70 Mpa. Es ist sehr alterungsbeständig und weist eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit auf. Durch den Verzicht auf Flußmittel werden die Bauteile beim Fügen keiner Korrosionsgefahr ausgesetzt, so daß eine langlebige Verbindung entsteht.

S-Bond läßt sich an viele Bauteilgeometrien anpassen und benetzt nahezu sämtliche Grundwerkstoffe. Durch die Zusammensetzung der Legierung können auch solche Werkstoffe problemlos verarbeitet werden, die bisher nur bei sehr hohen Temperaturen benetzt wurden.

Weder Schutzgas noch Vakuum ist für das Fügen erforderlich. Durch den Verzicht auf Flußmittel entfallen die sonst üblichen Reinigungsprozesse. Da sich S-Bond vollständig recyceln läßt, entfällt der Aufwand für die Entsorgung.

Wie einfach das Verfahren zu handhaben ist, zeigt die Herstellung von sogenannten PVD-Targets. Diese Komponenten werden in Sputteranlagen zum Oberflächenbeschichten durch „Physical Vapour Deposition” benötigt. Sie bestehen aus einer Kupferbasisplatte mit Chromauflage. Euromat verbindet im Auftrag eines Anlagenherstellers die Chromplättchen mit der Kupferplatte durch S-Bond. Wegen der kleinen Stückzahlen führen die Werker den Prozeß manuell durch. Dies verdeutlicht, wie schnell die Verbindung hergestellt ist. Drei Schritte genügen:

Zunächst erwärmt eine Heizplatte das Kupfer auf 220 °C, die Solidustemperatur von S-Bond. Der als Folie oder Paste aufgebrachte Fügewerkstoff schmilzt ab, beginnt aber nicht zu fließen. Vielmehr bildet sich eine Oxidhaut, die das applizierte Material dort festhält, wo die Fügezone sein soll. Außerdem schützt die Haut die sauerstoffaffinen Bestandteile vor übermäßigem Oxidieren und damit vor der Zerstörung.

Im zweiten Schritt reißen die Werker die Oxidhaut mechanisch auf, damit der schmelzflüssige Fügewerkstoff den Grundwerkstoff benetzen kann. Dafür benützen sie im vorliegenden Fall eine Bürste. Bei automatisierten Prozessen hingegen kommen Ultraschall-, Vibrations- oder Reibverfahren zum Einsatz, je nach Bauteilgeometrie. Direkt an das mechanische Aktivieren schließt sich als letzter Schritt das Fügen an. Die Werker müssen nur noch die Chromplättchen auflegen, unter Druck abkühlen lassen, und die Verbindung ist fertig.

S-Bond gelingt es, die Fügepartner Chrom und Kupfer ohne weitere Zusatzstoffe zu benetzen. Und dies, obwohl Chrom als ein sehr schwer benetzbarer Werkstoff gilt. Im Gegensatz dazu wird beim herkömmlichen Weichlöten ein Flußmittel benötigt, das die Oxidschichten auf den Fügeteilen aufbricht und so den Weg für das Lotmaterial freimacht. Hier aber übernehmen diese Aufgabe spezielle Legierungsbestandteile im Lot: Sie reagieren direkt mit dem Grundmaterial. Die Komponenten Titan und Seltene Erden fördern das Benetzen.

Dieses Modell reicht jedoch allein nicht aus, um S-Bond zu erklären. Denn das Fügeverfahren funktioniert auch dort, wo eine chemische Reaktion gar nicht möglich ist. Technische Keramiken beispielsweise sind bei so niedrigen Temperaturen chemisch völlig stabil und werden trotzdem benetzt. Als Ursache geben die Euromat-Experten hier Adhäsionskräfte an, die wie bei einem Klebstoff wirken.

„Das sind die Extreme”, kommentiert Dr. Pickart-Castillo die Verbindungen mit Kupfer und mit Keramiken. „Bei vielen Werkstoffen tritt eine Zwischenlösung aus beiden Effekten auf.” Auch dafür hat sie ein Beispiel parat: Aluminium. Mit seiner niedrigen Schmelztemperatur von 600 °C ist das Leichtmetall durch Schweißen und Löten nur schwer zu fügen. Um etwa eine Verbindung mit Stahl herzustellen, greifen Konstrukteure oft zu einem Trick: Sie plattieren die Stahloberfläche mit Aluminium und löten erst dann. S-Bond kann jedoch beide Materialien bei niedrigen Temperaturen gut benetzen. Somit lassen sich die Metalle in einem einstufigen Prozeß direkt miteinander verbinden.

Die Festigkeit der Fügezone hängt von der Wahl der Grundwerkstoffe ab und sinkt mit zunehmender Umgebungstemperatur. Bei Aluminium lassen sich unter Raumtemperatur Scherfestigkeiten bis zu 70 Mpa erreichen. Niedriger liegen die Werte bei Kupfer, MMC, Stahl und Keramik (siehe Tabelle). Sind spezielle Anforderungen zu erfüllen, sehen die Fügetechniker aus Hückelhoven die Möglichkeit, das Standardmaterial gezielt zu modifizieren.

Für Anwendungen wie Kühler und Wärmetauscher spielt eine hohe Wärmeleitfähigkeit die entscheidende Rolle. Bei S-Bond bleibt sie konstant bei etwa 48 W/mK bis zur Einsatztemperatur von 125 °C und entspricht in etwa dem Wert von Zinn.

Als weiterer Kennwert ist der Längenausdehnungskoeffizient bedeutsam. Daß er mit 17,7 10-6 relativ hoch liegt, kommt Fügeprozessen wie bei den PVD-Targets zugute: Die Kupferplatine dehnt sich mit steigender Temperatur stark aus, Chrom hingegen nur wenig. S-Bond kann die Wärmespannungen entschärfen, indem es durch die eigene Ausdehnung „mitgeht” und aufgrund seines niederen E-Moduls wie ein Gummiband nachgibt. Als weiteres Plus kommt die niedere Prozeßtemperatur von 220 °C hinzu.

Die bisher genannten Werte beziehen sich alle auf „S-Bond 220”. Sind die Bauteile jedoch höheren Betriebstemperaturen als 200 °C ausgesetzt, muß auch die Fügetemperatur höher liegen. Diesen Einsatzzweck erfüllt die höherschmelzende Variante „S-Bond 420”, die Euromat seit Mitte letzten Jahres anbietet. Verwendet wird sie beispielsweise zum Fügen der Sandwichböden von Kochtöpfen aus Edelstahl und Aluminium.