BLEIFREI
HÄUFIG GESTELLTE FRAGEN

Wellenlöten mit bleifreien Legierungen

Welche bleifreien Lotlegierungen werden für das Wellenlöten empfohlen?

Für das Wellenlöten werden Sn96.5Ag3.0Cu0.5 und Sn99.3Cu0.7 empfohlen. Dabei zeichnet sich SnAgCu im Vergleich zu SnCu durch eine höhere Benetzungsgeschwindigkeit und bessere Lötbarkeit aus.

Kann die bisher verwendete Wellenlötanlage weiter benutzt werden? Welche Änderungen sind vorzunehmen?
In Bezug auf die Wellenlötanlage sind verschiedene Aspekte zu beachten.

• Für das Vorheizen werden beim bleifreien Wellenlöten Konvektionsheizgeräte empfohlen.
• Da das Zinn des Löttiegelbelags korrosionsanfällig ist, muss es ggf. durch einen neuen Belag ersetzt werden.

Verstärkt sich bei Verwendung bleifreier Legierungen die Krätzebildung?
Beim Einsatz bleifreier Legierungen verdoppelt sich die Krätzebildung in etwa. Bei SnCu bildet sich etwas weniger Krätze als bei SnAgCu. Durch Stickstoffabdeckung des Tiegels kann die Krätzebildung jedoch drastisch verringert werden.

Kann das bisher verwendete flüssige Flussmittel ohne Abstriche auch für bleifreie Legierungen weiterverwendet werden?

Bei Weiterverwendung der ursprünglich für Sn63-Lote entwickelten Flussmittel verschlechtern sich die Benetzung und das Füllverhalten. Beide sind für zuverlässige bleifreie Lötverbindungen beim Wellenlöten jedoch wichtig. Das Aktivierungspaket in Flussmitteln für bleifreie Legierungen ist hitzebeständiger und bleibt bei den etwas höheren Löttemperaturen stabil. Aufgrund dieser thermischen Stabilität bleiben die Flussmittel während der gesamten Kontaktzeit mit dem Lot aktiv. No-Clean-Flussmittel sind bei hohen Löttemperaturen sehr anfällig. Wasserlösliche Flussmittel mit den richtigen Aktivierungspaketen eignen sich aufgrund des höheren Gehalts an Aktivierungssubstanzen aber u. U. gut für bleifreie Prozesse. Grundsätzlich wird empfohlen, die Flüssigflussmittel zu verwenden, die für das bleifreie Wellenlöten entwickelt wurden.

Muss beim Wellenlöten unter Stickstoff gearbeitet werden?

Eine Stickstoffumgebung ist zwar nicht zwingend erforderlich, kann sich aus den folgenden Gründen jedoch als vorteilhaft erweisen:

• Durch Stickstoff wird die Krätzebildung weitgehend unterbunden.
• Durch Stickstoff verbessert sich das Benetzungs- und Verteilungsverhalten des Lotes auf der Leiterplatte.
• Durch Stickstoff entstehen glänzendere Lötstellen und kleinere Kontaktwinkel.

Wie kann Einfluss auf die metallische Reinheit der Lötlegierungen und Unreinheiten im Tiegel genommen werden?
Silber und Kupfer neigen außerhalb des Löttiegels nicht zur Krätzebildung. Je nach Metallisierung der Leiterplatte kann Silber (Sudsilber) oder Kupfer (Kupfer oder OSP-beschichtetes Kupfer) in den Löttiegel gelangen. Wenn reines Zinn in den Tiegel gegeben wird, kann die Legierung gesteuert werden. Auf Verunreinigungen durch Kupfer, Palladium oder Silber muss geachtet werden, da sie den Schmelzpunkt der Legierung erhöhen. So steigt der Schmelzpunkt einer bleifreien Legierung beispielsweise pro 1 % Kupferzusatz um 25°C.

Unterscheiden sich die bleifreien Lötstellen in ihrem Aussehen von Zinn/Blei-Lötstellen?
Bleifreie Lötstellen sehen anders aus als bleihaltige. Sie sind nicht so glatt und haben einen größeren Kontaktwinkel. Die Oberfläche der Lötstelle kann rissig erscheinen oder sogar mikroskopische Risse aufweisen. Diese besondere Oberflächenbeschaffenheit entsteht beim Abkühlen der Lötstelle.

Was ist unter Fillet Lifting zu verstehen, und wie kann dieser Fehler vermieden werden?
Als Fillet Lifting wird das Abheben der Lötkehle bezeichnet. Der Lötfehler wird durch eine Blei/Bismut-Verbindung verursacht, die aus dem Blei der heißverzinnten (HASL) Leiterplatte oder bleihaltigen, galvanisch Zinn/Blei-beschichteten Bauteilen und dem Bismut aus der Lotlegierung entsteht. Die Zinn/Blei/Bismut-Schicht bildet sich an der Oberseite des Basismaterials. Der Schmelzpunkt der Schicht ist mit 96 °C sehr niedrig. Während die Lötstelle abkühlt, fest wird und sich zusammenzieht, bleibt die bleihaltige Zwischenschicht auf dem Basismaterial noch flüssig. Beim Abkühlen der Zinn/Blei/Bismut-Verbindung bildet sich durch die Volumenabnahme eine Lücke, die durch das Lot nicht ausgefüllt werden kann.

Dieser Effekt kann abgeschwächt oder verhindert werden, indem die Leiterplatte weniger stark vorgeheizt und die Temperatur des Tiegels gleichzeitig erhöht wird. Bei dieser Verfahrensweise ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Bauteile einem beträchtlichen Temperaturwechsel ausgesetzt sind. Eine andere Lösung besteht darin, die Leiterplatte nach Verlassen der Wellenlötanlage sehr schnell abzukühlen. Als Präventivmaßnahme ist natürlich der Einsatz bleifreier Materialien zu empfehlen.

Können die mit Zinn/Blei-Legierungen verwendeten Flussmittel auch für bleifreie Lote verwendet werden?
Einige der Flussmittel für Zinn/Blei-Legierungen können auch bei bleifreien Loten verwendet werden. Die bessere Variante besteht jedoch darin, ein Flussmittel für bleifreie Prozesse einzusetzen, da die meisten Bleifrei-Flussmittel auch für Zinn/Blei-Lotlegierungen verwendet werden können. Bleifreie Flussmittel sind in der Regel wasserbasiert und VOC-frei, da sie für die höheren Temperaturen beim bleifreien Löten eine stärkere Hitzebeständigkeit aufweisen müssen.

Welche Kriterien gelten beim Einsatz flüssiger Flussmittel?

Das wichtigste Kriterium für die Auswahl eines Flussmittels ist mit der Frage verbunden, welches Füllmaterial sich für die Basismaterial- und Bauteilbeschichtung eignet. No-Clean-Flussmittel erfordern bei der Verwendung eine erhöhte Achtsamkeit und sind weniger aktiv als wasserlösliche, auf organischen Säuren basierende Flussmittel, die zudem das beste Füllverhalten aufweisen. Bei Optimierung der Vorheiztemperatur, Löttiegeltemperatur und des Flussmittelvolumens muss die Bandgeschwindigkeit ggf. reduziert werden, um bei Verwendung bleifreier Lote eine gute Benetzung zu gewährleisten. Das Flussmittel spielt eine maßgebliche Rolle, wenn Einbußen bei der Produktion vermieden werden sollen. Bei Flussmitteln mit geringerem Festkörpergehalt muss die Bandgeschwindigkeit erhöht werden, damit das Flussmittel nicht verbrennt. Bei höherem Festkörpergehalt sind die Toleranzgrenzen der Flussmittel weiter gefasst, d. h., die Bandgeschwindigkeit muss nicht unbedingt reduziert werden.

Wie können die Pb-, Cu- und Fe-Konzentrationen im bleifreien Löttiegel gesteuert werden? Welche Maßnahmen müssen ergriffen werden, um die Grenzen für oben genannte Elemente einzuhalten?

Beim bleifreien Wellenlöten müssen die Cu-, Fe- und Pb-Konzentrationen sehr genau beobachtet werden.

Eine erhöhte Cu-Konzentration hat einen höheren Schmelzpunkt der Legierung und eine stärkere Viskosität des Lots zufolge. Dies führt zu einer langsameren Benetzung und schlechteren Unterfüllung von Hohlräumen. Wenn z. B. SAC305 verwendet wird, sollte der Volumenausgleich des Löttiegel mithilfe von SAC300 (ohne Kupfer) erfolgen, damit eine konstante Kupferkonzentration gewährleistet werden kann.

Die Pb-Konzentration muss unter einem Wert von 0,1 Gew.-% gehalten werden. Wenn nicht alle Komponenten bleifrei sind, erhöht sich die Pb-Konzentration sehr schnell. Da der ursprüngliche Pb-Wert der Lotstangen zwischen 0,05 % und 0,1 % liegt, kann die Grenze von 0,1 % sehr schnell erreicht werden. Nur eine teilweise Entfernung des verunreinigten Löttiegels kann die Pb-Konzentration wieder unter 0,1 Gew.-% senken.

Eine erhöhte Fe-Konzentration im Löttiegel weist darauf hin, dass sich der Löttiegel auf Grund der Pb-freien Legierung langsam auflöst. Eine hohe Sn-Konzentration (alle Pb-freien Legierungen) kann weichen unlegierten Stahl auflösen. In diesem Fall erhöht sich die Fe-Konzentration rapide, und auf der Oberfläche des Löttiegels sind Fe-Kristalle zu erkennen. Wenn dies auftritt, muss der Löttiegel ausgetauscht oder beschichtet werden, und eine neue Lotstange ist erforderlich.

Der Löttiegel kann mittels ASS (Atomabsorptionsspektrometrie) oder ICP(Inductive Couple Plasma) analysiert werden. Andere Methoden, wie eine Röntgenanalyse, sind ebenfalls möglich. Kester verfügt über Labore, die solche Analysen (einschließlich XRF) durchführen können.

Welche Grenzen sollten beim bleifreien Wellenlöten hinsichtlich der Verunreinigungen durch z. B. Blei, Kupfer und Silber eingehalten werden?

Die empfohlene Höchstgrenze für Blei beträgt 1000 ppm und entspricht somit der RoHs-Richtlinie. Für Kupfer und Blei im SnAgCu-Löttiegel gibt es keine branchenüblichen Grenzwerte. Hinsichtlich einer Silberverunreinigung wird jedoch eine Toleranz von +/- 0,2 % empfohlen. Die Kupferverunreinigung sollte unter 1 % liegen. Da Verunreinigungen je nach Verfahren, Plattenbeschichtung und Komponente variieren können, wird den Kunden angeraten, den Verunreinigungsgrad im jeweiligen Produktionsertrag zu überwachen und dann eine geeignete Höchstgrenze für die Fertigungskontrolle zu ermitteln.

Welche Methode wird für die Zugabe von bleifreiem Stangenlot empfohlen?

Wenn ein SnAgCu-Stangenlot als Legierung für das bleifreie Löten verwendet werden soll, wird je nach der verwendeten Plattenbeschichtung und den Fertigungsbedingungen als bleifreier Zusatz zum Löttiegel entweder SnAgCu oder SnAg3 empfohlen.

Wie können Risse des SAC-Lots in bleifreien Verbindungen nach dem Wellenlöten vermieden werden und kann die Zuverlässigkeit darunter leiden?

Risse im Lot treten in der Regel dann auf, wenn beim Wellenlöten eine bleifreie SAC-Legierung verwendet wurde und eine Bleiverunreinigung aufgetreten ist. Dies wird jedoch laut IPC-610D-Spezifikation nicht als Fehler angesehen. In der Regel handelt es sich um einen reinen kosmetischen Mangel. Einigen Studien zufolge führen Lotrisse nicht zu erkennbaren Einbußen hinsichtlich der Zuverlässigkeit. Das Phänomen ist auf eine unterschiedliche Aushärtung des Lots zurückzuführen, die durch das Blei in der Leiterplatte oder der Anschlussbeschichtung verursacht wird. Unterschiede in der Aushärtung des Lots können zum Schrumpfen des Lots führen, was wiederum erkennbare Lotrisse an der Oberfläche zur Folge haben kann. In einigen Fällen kann die Konzentration nach dem Auskühlen der Platte sogar zum Abheben von Lötaugen auf der Oberfläche des Laminats führen. In einigen Studien wird berichtet, dass eine Blei- oder Bismutverunreinigung der Legierung an der Verbindungsschnittstelle zu unterschiedlichen Aushärtungsraten in der Lötstelle führen kann.

Eine Möglichkeit, Risse im Lot zu vermeiden, besteht darin, die Leiterplatte weiter abzukühlen, indem z. B. gleich nach der Wellenlötanlage ein zusätzlicher Kühlbereich eingerichtet wird. Hier ist eine enge Zusammenarbeit mit dem Anlagenhersteller erforderlich.

Kann die Krätzebildung (Oxid) bei der Verwendung von Sn96.5Ag3Cu0.5-Lot verringert werden?

Wenn dem Sn96.5Ag3Cu0.5-Lot Ge zugefügt wird, kann die Krätzebildung verringert werden. Ein Ge-Gehalt (von 0,01 % bis 0,05 %) ist eine effektive Möglichkeit, die Oxidbildung zu reduzieren.

Weitere Ursachen für eine erhöhte Oxidbildung sind hohe Tiegeltemperaturen, eine turbulente Wellendynamik und erhöhte Metallverunreinigungen, wie z. B. Zink, Eisen oder Kupfer.

Gibt es ein bleifreies Lot, das die Auflösung von Cu verhindert?

Bei einem Cu-Inhalt von 2-6 % im bleifreien Lot kann eine Auflösung des Kupfers verhindert werden. Leider führt ein höherer Cu-Gehalt im Lot auch zu einer Erhöhung des Liquidus.

Höhere Löttemperaturen können die Zuverlässigkeit von Bauteilen und Platten beeinträchtigen.

Gewisse Zusätze von Nickel zu bleifreien Loten, insbesondere zu SnCu-Lotlegierungen, können ebenfalls eine Löttiegelauflösung vermeiden.