Bleifreie Legierungen

Das in den USA tätige NEMI-Konsortium empfiehlt bei Bestückungsvorgängen für das Reflow-Löten SnAg3.9Cu0.6-Legierungen und für das Wellenlöten SnCu0.7-Legierungen. Die Bleifrei-Richtlinie der japanischen JEITA (Japanischer Verband der Elektronik- und IT-Industrie) empfiehlt für das Reflow-Löten mit SnAg-Legierungen SnAg3.0Cu0.5 und als sekundäre Alternative SnZnBi. Darüber hinaus empfiehlt JEITA für das Wellenlöten mit SnCu-Legierungen auch SnAg3.0Cu0.5 als sekundäre Alternative. Das europäische IDEALS-Konsortium favorisiert demgegenüber für das Reflow-Löten SnAg3.8Cu0.7 und für das Wellenlöten SnAg3.8Cu0.7Sb0.25. Die Bleifrei-Richtlinie des europäischen SOLDERTEC-Verbands empfiehlt für das Reflow- und Wellenlöten Legierungen aus dem Bereich SnAg(3.4-4.1)Cu(0.45-0.9).

Damit werden Legierungen der SnAgCu-Familie gegenwärtig weltweit als beste Alternative gehandelt. Als echte eutektische Verbindungen wurden die Legierungen aus dem Bereich SnAg(3.5-3.8)Cu(0.7-1) festgelegt. NIST definierte SnAg3.5Cu0.9 als wirklich eutektische Legierung.

In Japan setzen zwei Drittel der Hersteller für das Reflow- und Wellenlöten SnAgCu ein. Für das Reflow-Löten bei Bestückungsvorgängen werden auch SnAg-, SnZnBi-, SnAgCuBi- und SnInAgBi-Legierungen verwendet, allerdings in geringerem Umfang. Beim Wellenlöten sind die seltener eingesetzten Legierungen SnCu und SnAg. Beim manuellen Löten verwenden drei Viertel der Hersteller SnAgCu-Legierungen. Dabei wird in Japan bei den SnAgCu-Legierungen vor allem SnAg3.0Cu0.5 verwendet. Auch andernorts ist die Tendenz bei der Verwendung dieser Legierung steigend.

Kester besitzt Lizenzen für das Patent Nr. 5.527.628 für SnAgCu(Bi) von ISURF, für das Patent Nr. 3027441 für SnAgCu(Bi) von Senju-Matsushita und das Patent Nr. 4.879.096 für SnAgBiCu von Oatey.

Im Folgenden finden Sie eine Liste der bleifreien Legierungen geordnet nach Schmelzpunkt. Die Liste enthält nicht alle Legierungen. Aus dem Fehlen einer Legierung leitet sich nicht automatisch ab, dass diese nicht geeignet ist.

* Hinweis: Zwar herrscht Einigkeit darüber, dass der Schmelzpunkt dieser SnAgCu-Legierungen bei ca. 217°C liegt, als Schmelzbereich werden für die Legierungen jedoch z. T. unterschiedliche Werte angegeben. Der ausgewiesene Schmelzbereich wird auf der Grundlage des NIST-Phasendiagramms geschätzt. Bei 220°C liegt der Festkörpergehalt dieser Legierungen laut NIST jedoch immer bei 0,1 %.

Materialkosten im Vergleich zu Sn63Pb37*-Legierungen

* Hinweis: Die Kosten wurden basierend auf dem Marktpreis der Metalle berechnet.

Physikalische Eigenschaften bleifreier Legierungen

SnAgCu(Bi)-Legierungen

• Bleifreie Alternative mit höherem Schmelzpunkt. SnAgCu-Legierungen gelten in der Elektronikbranche als Standard. In den meisten Fällen weisen sie im Vergleich zu SnPb-Legierungen die gleiche oder eine bessere thermische Ermüdungsbeständigkeit auf.
• Die Oberflächenspannung ist bei diesen Materialien höher, ihre Benetzungseigenschaften sind schlechter als bei SnPb-Legierungen.
• Ag bietet im Vergleich zu Pb eine höhere Festigkeit bei geringerer Duktilität.
• Durch Cu sinkt der Schmelzpunkt des Lots, die thermische Ermüdungsbeständigkeit verbessert sich ebenso wie die Benetzbarkeit. Cu verzögert während des Lötvorgangs die Auflösung der Kupferbestandteile des Basismaterials oder der Bauteile im geschmolzenen Lot.
• Durch Bi sinkt der Schmelzpunkt des Lots, die Benetzbarkeit verbessert sich. Bei bleihaltigen heiß verzinnten Leiterplatten (HASL) oder Bauteilen kann die thermische Ermüdungsbeständigkeit durch Bi herabgesetzt werden, da sich Sn16Pb32Bi52 (Schmelzpunkt=95°C) bilden und zwischen Lot und Beschichtung einlagern kann (Fillet Lifting).

SnBi58(Ag)-Legierung

• Eine bleifreie Alternative mit niedrigem Schmelzpunkt für elektronische Konsumartikel. Aufgrund der geringen Schmelztemperatur kommt die Legierung bei Anwendungen mit einer Betriebstemperatur um 138°C nicht in Frage.
• Durch den großen Bi-Anteil wird zwar die Schmelztemperatur des Lots stark gesenkt, es ist dadurch jedoch auch brüchiger. Bi verbessert die Benetzungseigenschaften, allerdings relativiert sich dieser Vorzug durch die stärkere Oxydationsbereitschaft. Bei bleihaltigen heiß verzinnten Leiterplatten (HASL) oder Bauteilen kann die thermische Ermüdungsbeständigkeit durch Bi herabgesetzt werden, da sich Sn16Pb32Bi52 (Schmelzpunkt=95°C) bilden und zwischen Lot und Beschichtung einlagern kann (Fillet Lifting).
• Durch Einlegierung eines geringen Silberanteils können Festigkeit und thermische Ermüdungsbeständigkeit verbessert werden. Dies setzt jedoch voraus, dass kein Material Blei enthält.

SnZn(Bi)-Legierung

• Bleifreie Alternative mit moderatem, nur wenig über SnPb gelagerten Schmelzpunkt.
• Durch Zn wird der Schmelzpunkt gesenkt, allerdings weist es eine höhere Oxydationsgeschwindigkeit auf und ist weniger korrosionsbeständig. Aufgrund der hohen Oxydationsbereitschaft kommt das Material beim Wellenlöten nicht in Frage. Durch die hohe Reaktionsfähigkeit des Zink sind Schablonenstandzeit oder Haltbarkeit der Lotpaste ggf. geringer als bei anderen Legierungen.
• Durch Bi wird der Schmelzpunkt weiter gesenkt, es verbessert die Benetzungeigenschaften und in geringem Maße auch die Korrosionsbeständigkeit. Bei bleihaltigen heiß verzinnten Leiterplatten (HASL) oder Bauteilen kann die thermische Ermüdungsbeständigkeit durch Bi herabgesetzt werden, da sich Sn16Pb32Bi52 (Schmelzpunkt=95°C) bilden und zwischen Lot und Beschichtung einlagern kann (Fillet Lifting).

SnInAgBi-Legierung

• Bleifreie Alternative mit moderater Schmelztemperatur, die unter SnAgCu liegt.
• Durch Ag verbessert sich die Festigkeit der Legierung.
• Durch Indium wird der Schmelzpunkt gesenkt. Indium ist ein duktiles Material. Bei bleihaltigen heiß verzinnten Leiterplatten (HASL) oder Bauteilen bildet das Indium eine ternäre Verbindung, deren Phasenübergang bei 114°C liegt.
• Durch Bi wird der Schmelzpunkt weiter gesenkt, und die Benetzungseigenschaften verbessern sich. Bei bleihaltigen heiß verzinnten Leiterplatten (HASL) oder Bauteilen kann die thermische Ermüdungsbeständigkeit durch Bi herabgesetzt werden, da sich Sn16Pb32Bi52 (Schmelzpunkt=95°C) bilden und zwischen Lot und Beschichtung einlagern kann (Fillet Lifting).