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Bleifreies Löten

Vor der Elektronikindustrie in Deutschland stand bis Juli 2006 die Aufgabe, von den bis dahin verwendeten Verfahren mit überwiegend bleihaltigen Loten auf bleifreie Verfahren bei der Fertigung und Verarbeitung von Elektronikbaugruppen überzugehen. Durch die Elektro- und Elektronikkaltgeräte-Verordnung und der Verwendungsbeschränkung gefährlicher Stoffe wurde die Ablösung von Blei in der Elektronikindustrie bis zum 1. Juli 2006 gefordert. Diese Regelungen entsprechen dem internationalen Trend. Weitere Einschränkungen sind zu erwarten.
Die Verfahren unter Verwendung bleihaltiger Materialien hatten sich über Jahrzehnte bewährt. Zu den bleifreien Materialen stehen Langzeiterfahrungen noch aus. Damit in Verbindung stehende Probleme können gewaltige Kosten verursachen.

Für bestimmte sicherheitsrelevante Anwendungsfälle (Militär- Weltraum- und Medizintechnik existieren Ausnahmeregelungen vom Bleifrei-Gebot.

Die Kennzeichnung bleifreier Bauteile erfolgt durch ein entsprechendes Logo.

Technische Wechselwirkungen

Beim Löten von Bauteilen auf eine Leiterplatte entstehen mehrere Grenzzonen: Bauteil/Bauteilbeschichtung, Bauteilbeschichtung/Lot, Lot/Leiterplattenbeschichtung, Leiterplattenbeschichtung/Leiterplatte. Beim bis zur Umstellung üblichen Fall ist sowohl die Bauteilebeschichtung, das Lot sowie die Platinenbeschichtung im Prinzip Lötzinn. Die Umstellung auf bleifreie Verfahren bedingt bleifreie Lote, eine bleifreie Platinenbeschichtung als auch eine bleifreie Bauteilebeschichtung. Unterschiedliche auf der gleichen Platine eingesetzte Bauteile können unterschiedliche Oberflächenbeschichtungen haben. Nach der Umstellung auf bleifreie Oberflächen ist mit einer Kombination aus zahlreichen chemischen Elementen, zahlreichen Grenzschichten und Übergangszonen mit all ihren Risiken und Nebenwirkungen zu rechnen.
Bleifreie Lote haben im allgemeinen eine höhere Löttemperatur als bleihaltige Lote. Da die Bauteile nicht den Hitzetod sterben sollen, wird das Prozessfenster schmaler. Gegebenenfalls müssen spezielle Bauteile mit erhöhter Temperaturbeständigkeit verwendet werden.
Bleifreie Leiterplatten-Oberflächen sind teilweise nur unter Schutzgas problemlos mehrfach lötbar.
Bleifreie Lote haben beim Einsatz in der Lötwelle eine erhöhte Krätzebildung. Anlagenteile wie Heizung, Tiegel,… werden verstärkt durch das Lot angegriffen.
Bleifreie Lote verursachen auch durch die andere Oberflächenspannung im geschmolzenen Zustand und ein anderes Benetzungsverhalten Probleme, die es mit bleihaltigen Loten so nicht gab.

Lote

Lot Zusammensetzung Schmelztemperatur Anwendung
konventionelles bleihaltiges Lot Sn-37PB 183 Grad C momentan Standard-Legierung
Niedrigtemperatur-Lot Sn-58Bi 139 Grad C Â
Mitteltemperatur-Lot Sn-9Zn 198 Grad C Â
Hochtemperatur-Lot Sn-3,8Ag-0,7Cu 217 Grad C Â
Hochtemperatur-Lot Sn-3,5Ag 221 Grad C Â
Hochtemperatur-Lot Sn-0,7Cu 227 Grad C übliche preiswerte Bleifrei-Legierung

nachfolgend einige typische Lote mit ihren Löttemperaturen. Die Schmelztemperatur läßt sich durch geringfügige Variation der Bestandteile gegebenenfalls anpassen. Weiterhin besteht die Möglichkeit der Zugabe weiterer Elemente zur Verbesserung der Verarbeitungseigenschaften:

Leiterplattenoberflächen

Folgende bleifreie Oberflächenbeschichtungen sind momentan in Deutschland üblich:

Oberflächenqualität Lagerzeit Eigenschaften typische Anwendungsfälle bei fs-GmbH liefarbar bleifrei?
verbleites HAL mehr als 1 Jahr universell einsetzbar und unproblematisch in der Verarbeitung, Planarität eingeschränkt nur noch für Sonderanwendungen ja, über Lohnanbieter nein
organischer Anlaufschutz neuere Verfahren bis 1 Jahr nach erstem Lötvorgang sofortige Weiterverarbeitung erforderlich, gute Planarität Großserien, Inhouse-Fertiger ja, über Lohnanbieter
chemisch Zinn ca 1/2 Jahr soll ein zweites Löten erfolgen, 1. Lötvorgang unter Schutzgas, zügige Weiterverarbeitung, kurze Lötvorgänge, gute Planarität Baugruppen geringer bis hoher Schwierigkeitsklasse ja, über Lohnanbieter
bleifreies HAL mehr als 1 Jahr mehrfach lötbar, guter Korrosionsschutz des Kupfers, Planarität eingeschränkt Baugruppen geringer und mittlerer Schwierigkeitsklasse ja, im Hause, Standardqualität
chemisch Silber mehr als 1 Jahr mehrfach lötbar, gute Planarität, günstiger Preis (verglichen mit chem. Ni/Au) hochwertige Elektronikbaugruppen ja, über Lohnanbieter
chemisch Nickel/Gold mehr als 1 Jahr mehrfach lötbar, bei unsachgemäßer Verarbeitung Gefahr von “black pins”, gute Planarität, etwas höherer Preis hochwertige Elektronikbaugruppen. ja, über Lohnanbieter

Beachten Sie bitte, dass die oben angegebenen Oberflächenbeschichtungen von verschiedenen Herstellern geliefert werden. Von den Lieferanten werden teilweise unterschiedliche Parameter angegeben. Die in obiger Tabelle genannten Eigenschaften sind typischerweise angegebene Eigenschaften. Teilweise werden unterschiedliche Rahmenbedingungen vorausgesetzt.

Basismaterialien:

Material Glasübergangstemperatur Einsatzgebiet bei fs-GmbH lieferbar
FR 4 120 – 140 Grad C Standard-Basismaterial für Industriequalität Standard-Qualität
FR 4 mit erhöhter Temperaturbeständigkeit 150 – 200 Grad C Standard-Leiterplatten mit erhöhter Temperaturanforderung in Vorbereitung
FR 5 160 – 210 Grad C nochmals höhere Temperaturbeständigkeit, hohe mechanische Festigkeit momentan nicht lieferbar
Polyimid >= 260 Grad C weiter erhöhte Temperaturbeständigkeit zum deutlich höheren Preis lieferbar

Die früher verwendeten Basismaterialien CEM-1 und FR3 können für die beim bleifreien Löten auftretenden höheren Löttemperaturen nicht empfohlen werden.

Preisentwicklung:

Nach wie vor können Sie von uns Platinen mit HAL bleihaltig geliefert bekommen. Dieses allerdings zu einem höheren Preis, da wir hierbei einen externen Anbieter in Anspruch nehmen müssen. Platinen mit bleifreier HAL-Oberfläche lassen sich jedoch auch bleihaltig löten. Benötigen Sie für ehemals bleihaltig gelieferte Platinen bleifreien Ersatz, behalten wir uns eine Nachkalkulation vor.

Technologische Aspekte bei der Verarbeitung bleifreier Materialien

Im Zuge der Umstellung auf bleifreie Materialien mussten zahlreiche Aspekte überdacht werden. Nachfolgend in Stichpunktform einige Denkanstöße:

  • Kalte Lötstellen
  • Lotdurchstieg bei bedrahteten Bauteilen
  • veränderte Padgeometrie bei kleinen SMD-Bauteilen zur Verhinderung eines Tombstone-Effektes
  • Verkleinerung der Prozessfensters beim Reflowlöten zur Vermeidung der Überschreitung zulässiger Maximaltemperaturen an SMD-Bauteilen
  • Angriff des Lotes auf Maschinenteile der Schwalllötmaschine, gesteigerte Krätzebildung ohne Schutzgas
  • erhöhte Heizleistung der Lötanlage
  • Notwendigkeit und Kostenaufwand der Begasung der Lötanlage mit Stickstoff
  • Optimierung der Organisation der Baugruppenfertigung zur Verringerung der Zeit zwischen den Lötvorgängen
  • Vermeidung der Notwendigkeit eines zweiten Lötvorganges
  • Kostenaspekte bedingt durch die Umstellung auf bleifreie Verfahren
  • erhöhte Neigung zur Lötbrückenbildung
  • Unter Umständen geringere Lagerzeiten von Bauteilen zulässig
  • Bildung von mechanischen Spannungen und evtl. dadurch bedingte Bauteilbrüche von SMD-Bauteilen.
  • Probleme bei Reparaturarbeiten, da bei längerem Erhitzen die Benetzbarkeit abnimmt.
  • Temperaturbeständigkeit der Basismaterialien beim Löten (Verwindung, Durchbiegung, Beschädigung wie z.B. Delamination)
Weitere Quellen: