BLEIFREI
HÄUFIG GESTELLTE FRAGEN

Bleifrei-Technologie und SMT

Welche bleifreien Lotlegierungen werden für das Reflow-Löten empfohlen?

Das wichtigste Kriterium bei der Auswahl einer Legierung für SMT-Bestückungsvorgänge ist die Reflow-Temperatur der Legierung. Ferner fallen bei der Auswahl auch Aspekte wie die Hitzebeständigkeit der Bauteile ins Gewicht. Eine Frage kann beispielsweise lauten, ob Bauteile mit Plastikgehäuse durch die bei bleifreien Lotlegierungen erforderlichen Temperaturen beschädigt werden könnten. Oder: Wird die Zuverlässigkeit des Bauteils nach der starken Hitzeeinwirkung noch gegeben sein? Die Benetzungseigenschaften bleifreier Legierungen unterscheiden sich von bleihaltigen Loten und sind auch von der Zusammensetzung der Oberflächenbeschichtung abhängig, auf die gelötet werden soll.

Gegenwärtig wird bei den meisten SMT-Bestückungsanwendungen Zinn/Silber/Kupfer eingesetzt. Die Reflow-Temperatur dieser Legierungen liegt bei 217-221°C, und bei einer Spitzentemperatur von 235-255°C ist auf den meisten bleifreien Beschichtungen, wie Zinn, Silber, Nickel/Gold und Kupfer/OSP, eine gute Lötbarkeit gewährleistet.

Legierungen mit niedrigerem Schmelzpunkt, wie Zinn/Zink oder Zinn/Silber/Kupfer/Bismut werden zwar angeboten, allerdings erfordern diese Legierungen oft besondere Flussmittelsysteme, oder die Leitungen und Leiterplatten müssen vollkommen frei von Bismut sein, um zuverlässige Lötstellen zu erhalten.

Welche Kriterien spielen bei Tests bleifreier Lotpasten eine Rolle?

Die sorgfältige Auswahl der bleifreien Paste ist für einen fehlerfreien SMT-Prozess von größter Bedeutung. Zunächst muss festgestellt werden, wie die Leiterplatte und die Bauteile beschichtet sind. Dann wird eine für das Löten auf diesen Beschichtungen geeignete Flussmittelformel ausgewählt. Es gibt Pasten, die auf verzinnten Oberflächen hervorragend funktionieren, auf OSP-beschichtetem Kupfer jedoch schlecht lötbar sind. Hersteller von Lotpasten testen ihre Produkte in der Regel gründlich. Im Rahmen der Testserien werden u. a. auch die Verteilungs- und Benetzungseigenschaften einer Lotpaste unter Luft und Stickstoff eingeschätzt. Diesbezügliche Informationen können beim Hersteller erfragt werden. Weitere wichtige Testkriterien sind:

• Volumengenauigkeit bei hohen Temperaturen, z. B. bei 180-185°C
• Volumengenauigkeit bei niedrigen Temperaturen
• Lotkugelbildung unter Luft und Stickstoff bei Verwendung eines für Reflow-Prozesse typischen Temperaturprofils
• Benetzung auf verschiedenen Oberflächen, Verteilung
• Klebezeit
• Schablonenstandzeit
• Eigenschaften der Rückstände
• Nadelkartentests der Rückstände
• Aufwand beim Entfernen der Rückstände, vor allem bei wasserlöslichen Pasten

Müssen Schablone oder Druckprozess für bleifreie Anwendungen geändert werden?

An Schablonen oder am Druckvorgang müssen keine Änderungen vorgenommen werden. Bei bleifreien Legierungen wie Zinn/Silber/Kupfer wird die Oberfläche nicht vollständig bis zum Rand der Pads benetzt. Dieser Effekt kann durch Verwendung einer großzügigeren Schablone oder mit einem Maßstab von 1:1 etwas ausgeglichen werden. Eine hochwertige bleifreie Lotpaste zeichnet sich prinzipiell durch eine hervorragende Klebezeit aus und garantiert dieselben Schablonenstandzeiten wie die herkömmlichen bleihaltigen Pasten. Auch hinsichtlich der Druckgeschwindigkeit bestehen keine Bedenken.

Inwiefern unterscheidet sich das Temperaturprofil für bleifreie Pasten von herkömmlichen Zinn/Blei-Prozessen?

Der wichtigste Unterschied besteht darin, dass bei Verwendung von Zinn/Silber/Kupfer die Lotlegierung die Spitzentemperatur belegt. Der Schmelzpunkt der Legierung liegt bei 217-221°C, die Spitzentemperatur beläuft sich je nach thermisch wirksamer Masse der Baugruppe auf ca. 230-255°C. Es wird empfohlen, die Verweilzeit über Liquidus auf maximal 90 Sekunden zu beschränken, damit die Rückstände nicht verschmoren. Außerdem wird auf diese Weise die Gefahr von unerwünschten metallischen Einlagerungen zwischen Beschichtung und Lot reduziert.

Ist für den Reflow-Vorgang eine Stickstoffatmosphäre zu empfehlen?

Ob unter Stickstoff gearbeitet werden muss, ist von der chemischen Zusammensetzung des Flussmittels der Lotpaste abhängig. Seit einiger Zeit werden Flussmittelsysteme für bleifreie Pasten entwickelt, die ohne Stickstoff eingesetzt werden können und dabei eine gute Benetzung und zuverlässige Lötstellen gewährleisten. Wie beim Einsatz von Zinn/Blei unter Stickstoff werden jedoch auch hier mit Stickstoff glattere Lötstellen und eine bessere Benetzung erreicht.

Führen die zum Schmelzen bleifreier Lote erforderlichen höheren Temperaturen im Reflow-Ofen zu einer verstärkten Rauch- und Kondensatbildung?

Für die bleifreien Legierungen wurden neue Formeln für No-Clean- und wasserlösliche Pasten entwickelt. Aus diesem Grund ist die Zersetzung der Zusatzstoffe bei diesen Produkten nur geringfügig stärker als bei Pasten auf Zinn/Blei-Basis. Bei Systemen für Zinn/Silber/Kupfer-Lotpasten wird vorausgesetzt, dass sie für hohe Spitzentemperaturen im Bereich 230-260°C entwickelt wurden. Wenn ein System nicht auf diese Temperaturen zugeschnitten ist, kann sich der Zersetzungsprozess der Flussmittelstoffe etwas verstärken, wodurch es im Bereich des Reflow-Ofens und des Lüftungssystems zu einer starken Kondensatbildung kommt.

Lassen sich die Rückstände bleifreier, wasserlöslicher Pasten schlechter entfernen?

Bei Zinn/Silber/Kupfer-Lotpasten werden hohe Spitzentemperaturen verwendet. Wenn das Flussmittelsystem nicht für diese hohen Temperaturen entwickelt wurde, lassen sich Rückstände u. U. nicht ganz einfach entfernen. Um die Flussmittelrückstände erfolgreich entfernen zu können, müssen ggf. erst verschiedene Reinigungsmittel getestet werden. In einigen Fällen führt eine Erhöhung des Drucks, eine Verringerung der Bandgeschwindigkeit oder Änderung der Temperatur der Lösung zum Erfolg. Bei beidseitigen Reflow-Anwendungen kann sich der Reinigungsaufwand zudem noch erhöhen, weil beim zweiten Durchlauf Rückstände aus dem ersten Reflow auf der Leiterplatte festbacken. Prinzipiell ist es wichtig, eine Paste mit guten Reinigungseigenschaften auszuwählen.

Wie verhalten sich No-Clean-Flussmittelrückstände bei den höheren Reflow-Temperaturen?

Da die Temperaturen während der Verweilzeit über dem Liquidus bei Zinn/Silber/Kupfer höher sind, können sich Flussmittelrückstände beim Reflow unter Luft u. U. verfärben. Bei Flussmittelsystemen, die gezielt für bleifreie Anwendungen entwickelt wurden, tritt dieser Effekt meist nicht auf. Die Flussmittelrückstände können zur Bildung von Polymeren neigen und sich verfestigen, wodurch bei Tests ein höherer Druck angewandt werden muss. Damit Flussmittelrückstände Nadelkartentests unterzogen werden können, müssen sie auch nach dem Reflow eine weiche Konsistenz aufweisen. Die Formeln, die unter diesem Gesichtspunkt entwickelt wurden, verhärten auch bei hohen Spitzentemperaturen nicht.

Unterscheiden sich Lötstellen bei bleifreien Loten im Aussehen von Verbindungen, die mit Zinn/Blei-Legierungen gelötet wurden?

Während die Lötstellen bei herkömmlichen Sn63-Loten nach dem Reflow glänzen, wirken die Oberflächen der Zinn/Silber/Kupfer-Legierungen matt und rissig. Dieses Erscheiningsbild ist charakteristisch für diese Legierungen und darf nicht als Zeichen für qualitative Mängel gedeutet werden. Ein weiterer auffälliger Unterschied sind die größeren Kontaktwinkel und die geringere Benetzung an den Rändern des Pads. Sie sind darauf zurückzuführen, dass Zinn/Silber/Kupfer-Legierungen nicht so schnell und vollständig benetzen wie Sn63.

Welche Lötfehler sind bei bleifreien Reflow-Lötvorgängen bekannt?

Bei Verwendung bleifreier Stoffe können mehr Lötfehler auftreten. Um Fehlerquellen auszuschließen ist es wichtig, sich ausführlich mit den Eigenschaften von bleifreien Legierungen und Flussmittelsystemen auseinanderzusetzen. Andernfalls kann es aufgrund von Brücken- oder Lotkugelbildungen, Nichtbenetzung oder Entnetzung vermehrt zu Fehlern kommen. Die Fehlerneigung kann durch Auswahl der richtigen, mit den Metallen des Lots kompatiblen Flussmittelformel und ein optimiertes Reflow-Profil gemindert werden. Um bei bleifreien Pasten gute Lötbarkeit zu gewährleisten, müssen Leiterplatten und Bauteile so gelagert und verarbeitet werden, dass ihre Lötbarkeit nicht beeinträchtigt wird. Wenn die Formel mit Sorgfalt gewählt und der SMT-Prozess gesteuert wird, entstehen im Vergleich zum Sn63-Prozess keine Produktionseinbußen.

Welche Fragen sind darüber hinaus bei der Umstellung auf bleifreie Reflow-Lötvorgänge zu berücksichtigen?

Vor und nach der Einführung bleifreier SMT-Prozesse sind folgende Fragen zu klären:

• Verfügbarkeit prozesskompatibler bleifreier Beschichtungen
• Verfügbarkeit bleifreier Bauteile
• Thermische Kompatibilität von Leiterplatten und Bauteilen mit dem neuen Temperaturprofil
• Verfügbarkeit einer für den Bestückungsvorgang und die Betriebsbedingungen geeigneten Lotpastenformel, die die Zuverlässigkeit der Baugruppe gewährleistet
• Prozessoptimierung und Erfassung statistischer Daten zur Verbesserung der Prozesssteuerung
• Schulungen zu bleifreien Prozessen für Betriebs- und Führungspersonal
• Substantielle und logistsiche Voraussetzungen für die Einführung eines dualen Systems, wenn sowohl bleihaltige als auch bleifreie Materialien verarbeitet werden
• Entwicklung eines Überarbeitungsprozesses für bleifreie Baugruppen
• Kennzeichnung von Baugruppen als "bleifrei" für den außerbetrieblichen Einsatz