Bleifreie Lösungen
Umstellung auf bleifreie Verfahren: Von der Vision zur Realität

Die EU-Richtlinie über die Abfallentsorgung von Elektro- und Elektronikaltgeräten (WEEE) fordert den stufenweisen Ausstieg aus der Verwendung bleihaltiger Materialien beim Löten elektronischer Baugruppen bis zum Juli 2006. Japan unternimmt alle Anstrengungen, die Umstellung sogar noch schneller zu Ende zu bringen. Bleifreie Materialien gewinnen damit weltweit an Bedeutung.

Die Geschichte der No-Clean-Flussmittel reicht in die Mitte der 80er Jahre zurück. Damals kamen in den USA im Zuge der Bemühungen um eine Reduzierung des FCKW-Ausstoßes zum ersten Mal Flussmittel auf den Markt, deren Rückstände nicht von den gelöteten Leiterplatten entfernt werden mussten. Der Einsatz von flüssigen No-Clean-Flussmitteln oder von No-Clean-Lotpasten galt damals bei Leiterplattenherstellern noch als unvorstellbar. Um die Zuverlässigkeit der Produkte zu gewährleisten, mussten die Flussmittelrückstände in jedem Fall entfernt werden.

Heute wird beim Löten von Baugruppen zu 85 % mit No-Clean-Flussmitteln gearbeitet. No-Clean-Flussmittel haben sich als zuverlässig erwiesen. Da der Reinigungsprozess und die dabei entstehenden Abwässer entfallen, sind diese Flussmittel auch umweltfreundlicher.

Zweifellos bringt das bleifreie Löten aber auch eine ganze Reihe von Problemen mit sich. Die für Bestückungsanwendungen entwickelten bleifreien Legierungen sind neu, d. h., in Bezug auf die Grenzen beim Einsatz dieser Stoffe gibt es bisher erst wenige zuverlässige Daten. Die beiden wichtigsten Alternativen sind Zinn/Silber/Kupfer- und Zinn/Kupfer-Legierungen. Diese Legierungen haben höhere Schmelztemperaturen und weisen auf metallischen Oberflächen geringere Benetzungsgeschwindigkeiten auf, außerdem unterscheiden sich die Lötstellen im Aussehen von Zinn/Blei-Lötverbindungen: Sie glänzen weniger. Die Flussmittel, die sich aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung beim Löten mit Bleilegierungen bewährt haben, sind für das bleifreie Löten keineswegs in derselben Weise geeignet.

Im Bezug auf das bleifreie Löten sind Fragen der Kompatibilität mit den verschiedenen Oberflächenbeschichtungen von Leiterplatten und Bauteilen neu zu klären. Unsicherheit herrscht auch in Bezug darauf, welchen Temperaturen Leiterplatten und Bauteile ohne Risiken für eine uneingeschränkte Funktionsfähigkeit standhalten.

Die erforderlichen Prozessänderungen für eine angemessene Benetzung und die richtigen Flusseigenschaften der bleifreien Lötmittel sowie Kriterien für das Löten unter Stickstoff sind noch nicht festgelegt.

Mit der verstärkten Herstellung bleifrei gelöteter Leiterplatten in Europa und Asien erweitert sich auch das Angebot kompatibler Oberflächenbeschichtungen für Leiterplatten und Komponenten. Mittlerweile gibt es auch Prozessmodifikationen, wie z. B. Löttiegelbeschichtungen für Wellenlötgeräte, die unerwünschtes Durchsickern verhindern. Reflow-Öfen können relativ einfach auf höhere Temperaturprofile umgestellt werden. Die meisten Öfen erfüllen die entsprechenden thermischen Anforderungen.

Inzwischen gibt es auch No-Clean- und wasserlösliche Flussmittel, die bei bleifreien Materialien auch ohne Stickstoff eine verbesserte Benetzung ermöglichen.

Diese neuen Systeme enthalten innovative Aktivierungspakete und temperaturbeständigere Kolophoniumharze und verbessern die Verbreitung von Zinn/Silber/Kupfer- und Zinn/Kupfer-Legierungen, während die Lunker- und Brückenbildung reduziert wird. So gut diese Rezepturen heute auch schon sind, wird doch weiterhin intensiv an ihrer Verbesserung gearbeitet.

Due Umstellung auf bleifreies Löten ist heute keineswegs mehr unvorstellbar. Wenn wir sechs Jahre zurückblicken, wird deutlich, dass wir dieser Realität schon erheblich näher gekommen sind. Während anfänglich noch ca. 100 bleifreie Legierungsvarianten im Gespräch waren, werden heute nur noch ca. ein Dutzend verwendet, wobei sich vor allem beim Wellenlöten die Zinn/Silber/Kupfer- sowie Zinn/Kupfer-Legierungen zunehmend als internationaler Standard durchsetzen.

Die Prozessparameter für die effektive und verlustfreie Einführung des bleifreien Lötens sind bereits definiert. Wiederholte Analysen von Prozessvariablen, angefangen bei den Beschichtungen der Bauteile und Leiterplatten über die Auswahl der Lötflussmittel bis hin zur Optimierung der einzelnen Variablen für den Einsatz von bleifreiem Lötmaterial im Prozess, bilden ein solides Fundament für bleifreies Löten. Durch die Aufstellung geeigneter Richtlinien für die Qualitätsprüfung bleifreier Lötstellen und durch die Schaffung eines geeigneten Überarbeitungsprozesses wird dieselbe Zuverlässigkeit gewährleistet, die wir von einem Zinn/Blei-Prozess gewohnt sind.

Die vielen Unternehmen, die heute bereits bleifreie Lötprozesse einsetzen, haben ein Konzept für die Umsetzung der vorgegebenen Ziele entwickelt. Der Umstieg auf bleifreie Produkte dauert natürlich seine Zeit. Angesichts der vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Frist ist aber genau jetzt der richtige Zeitpunkt gekommen, um bleifreie Wellenlöt-, Reflow- und Nachbearbeitungsverfahren zu erforschen und einzuführen.

Bleifreies Löten ist längst keine Frage der technischen Umsetzbarkeit mehr. Vielmehr ist es höchste Zeit für uns, dem bereits bestehenden Trend zu folgen und Verantwortung zu übernehmen.

Kester hat qualitativ hochwertige Lötstoffe entwickelt, die die Umstellung auf bleifreie Bestückungsvorgänge bereits ermöglichen. Die Palette der Kester-Produkte reicht von Lotpasten über flüssige Flussmittel und Massivdrahtlot bis zu Formteilen und Lotkugeln. Alle Produkte wurden gezielt für zuverlässige bleifreie Prozesse entwickelt.

Die Entwicklung stabiler chemischer Verbindungen für bleifreie Prozesse fällt bei Kester in den Aufgabenbereich einer internationalen Abteilung für Forschung und Entwicklung. Dabei arbeitet Kester nach dem Grundsatz, dass Produktqualität, Fachwissen und technologisches Know-how bei der Umstellung auf bleifreie Prozesse Hand in Hand gehen. Die Wissenschaftler, die bei Kester an der Entwicklung der Anwendungen arbeiten, sind durch die betreffenden Stellen zertifiziert und durchaus in der Lage, zur Klärung technologischer Fragen im Rahmen der bleifreien Bestückung beizutragen.

Die Kester-Universität wurde ins Leben gerufen, um ein Forum zur Verbreitung des umfangreichen Wissens zu schaffen, das Kester im Laufe der Arbeit sammeln konnte. Die Kester-Universität zeichnet sich durch ein erstklassiges Kursangebot zum Thema bleifreier Bestückungstechnologien aus. Durch das bereits vorhandene Wissen zu bleifreien Technologien können viele bestehende Hürden beim bleifreien Löten überwunden werden; Einbußen in Bezug auf die Zuverlässigkeit oder die Produktionserträge sind bei der Umstellung auf eine bleifreie Fertigung also nicht zu befürchten.

Mit Kester werden bleifreie Baugruppen schon heute zur Realität.