Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Die Lotwerkstoffe, die derzeit zur Herstellung elektronischer Baugruppen verwendet werden, enthalten ca. 36 – 40% Blei. Ziel der durchgef\u00fchrten Arbeiten war die Untersuchung und Realisierung des Einsatzes bleifreier Weichlote. Da die Verwendung von Blei in elektronischen Komponenten derzeit gesetzlich nicht beschr\u00e4nkt ist, wurden als besonders geeignete Anwendungsbereiche die Sensor-, Automatisierungs- und Automobilelektronik ausgew\u00e4hlt, die aus technischen Gr\u00fcnden geneigt sind, zuverl\u00e4ssigere und thermisch st\u00e4rker belastbare Lote einzusetzen. Exemplarisch wurde die Einf\u00fchrung eines bleifreien Alternativlotes mit dem genannten Eigenschaftsprofil beim Unternehmen Endress+Hauser GmbH+Co., Me\u00dftechnik und Automation, Maulburg, begleitet und abgesichert.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Wahl bleifreier Weichlotlegierungen erfolgte aus der Absch\u00e4tzung der Verf\u00fcgbarkeit, technischer Eigenschaften und Kosten sowie der Auswertung bekannter Literaturstellen und eigener Vorarbeiten.
\nZur Bestimmung der L\u00f6tbarkeit der Legierungen wurden Benetzungskraftmessungen mit verschiedenen Flu\u00dfmitteln und Anschlu\u00dfmetallisierungen durchgef\u00fchrt. Mit den betrachteten Legierungen wurden im Wellen- und Reflowverfahren sowohl spezielle Test- und Serienbaugruppen des Kooperationspartners als auch applikationsneutrale Testleiterplatten mit einem repr\u00e4sentativen Bauelementspektrum verarbeitet. Zur Beurteilung des Proze\u00dfverhaltens wurden eine visuelle Inspektion des L\u00f6tergebnisses, Lotbadanalysen und Messungen zur thermischen Belastung der Bauteile und Leiterplatten durchgef\u00fchrt. Die Zuverl\u00e4ssigkeit der L\u00f6tstellen auf Serien- und Testleiterplatten bei unterschiedlichen Belastungscharakteristiken wurde in Biege- und Temperaturwechselversuchen sowie Auslagerungstests ermittelt. Die Auswertung erfolgte durch makroskopische Beurteilung der L\u00f6tstellen, mit Schliffanalysen und mittels Rasterelektronenmikroskopie. Um Alternativlegierungen referentiell zu Standardlegierungen beurteilen zu k\u00f6nnen, wurden alle experimentellen Arbeiten an Standard- und Alternativloten durchgef\u00fchrt.
\nIm Hinblick auf umweltrelevante Auswirkungen wurden das Potential zur Verringerung der anfallenden Elektronikschrottmenge durch zuverl\u00e4ssigere Lotwerkstoffe untersucht und Unternehmen aus der Recyclingbranche in einer schriftlichen Befragung zum Einflu\u00df bleifreier Lote auf die Aufarbeitung elektronischer Baugruppen an das Projekt angebunden.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Zu den Standardlegierungen Sn60Pb, Sn63Pb und Sn62PbAg2 existieren bleifreie Alternativen, die vom Handel angeboten werden und deren Legierungsbestandteile zumindest f\u00fcr branchenspezifische Anwendungen in ausreichendem Ma\u00dfe vorhanden sind. Ausgew\u00e4hlt wurden die Lote SnBi9,5Cu0,5 , SnCu1 und als Schwerpunkt SnAg3,5 , die Zinn als Hauptlegierungsbestandteil enthalten und Kupfer, Wismut oder Silber in niedrigen Konzentrationen als Nebenlegierungselemente. Die Schmelzpunkte der Legierungen liegen 20 – 40\u00b0C \u00fcber den Werten der Standardlote. Ebenfalls verf\u00fcgbar sind bleifreie Anschlu\u00dfmetallisierungen f\u00fcr die Leiterplatten. Bauteilanschl\u00fcsse sind mit verschiedenen Metallisierungen versehen, die zum Teil auch Blei enthalten. Hier nimmt jedoch aus technischen und wirtschaftlichen Gr\u00fcnden der Anteil der bleifreien Metallisierungen wie z.B. Nickel\/Palladium zu.
\nDie in Benetzungskraftmessungen untersuchten Lote SnAg3,5 und SnCu1 besitzen auf Hei\u00dfluftverzinnung, AlphaLevel-, chem. Nickel\/Gold- und chem. Zinn-Oberfl\u00e4che bei Verwendung feststoffarmer Flu\u00dfmittel gleichwertiges oder besseres Benetzungsverhalten wie die Standardlegierung Sn63Pb und lassen damit auf eine gute L\u00f6tbarkeit in automatisierten Verfahren schlie\u00dfen.
\nDie Lote SnAg3,5 und SnCu1 erweisen sich bei der Verarbeitung im Wellenl\u00f6tverfahren als unkritisch. Die Qualit\u00e4t des L\u00f6tergebnisses wird ebenso wie bei Standardlegierung prim\u00e4r von der Optimierung der Maschinenparameter f\u00fcr die zu verl\u00f6tenden Baugruppentypen bestimmt. Auf Anlagen des Typs KIRSTEN-Jet liegt die thermische Belastung der Bauteile und Leiterplatten auf etwa gleichem Niveau wie bei Standardlegierung, so da\u00df Hitzesch\u00e4den vermieden werden. Wellenl\u00f6ten mit Zinn\/Silber-Lot wurde erfolgreich in die Serienfertigung des Kooperationspartners Endress+Hauser eingef\u00fchrt. Mehr als 200.000 Baugruppen wurden bislang gefertigt.
\nBeim Reflowl\u00f6ten im Konvektionsofen ohne Schutzgasatmosph\u00e4re erfordern die erh\u00f6hten Schmelzpunkte der Lotpasten eine sehr exakte Temperaturf\u00fchrung, um das Lot vollst\u00e4ndig aufzuschmelzen und eine thermische Sch\u00e4digung der Bauteile zu vermeiden. F\u00fcr ein breites Bauteilspektrum konnten hier gute Ergebnisse erzielt werden. Probleme bereiten spezielle Bauformen mit str\u00f6mungsung\u00fcnstigen Anschl\u00fcssen. Beobachtete Qualit\u00e4tsprobleme bei den Lotpasten, wie Perlenbildung und mangelnde Konturenstabilit\u00e4t, m\u00fcssen durch Entwicklungsma\u00dfnahmen seitens Pastenherstellern beseitigt werden, um das Qualit\u00e4tsniveau von Standardpaste zu erreichen. Reflowl\u00f6ten mit SnAg3,5-Paste wird eingeschr\u00e4nkt in der Serienfertigung des Kooperationspartners Endress+Hauser durchgef\u00fchrt. Weitere Erkenntnisse und Verbesserungen k\u00f6nnen durch Proze\u00dfuntersuchungen unter Schutzgasatmosph\u00e4re gewonnen werden.
\nUnter rein mechanischer Belastung bei Raumtemperatur zeigen die drei Alternativlegierungen und Standardlot an einem gro\u00dfen Bauelementspektrum \u00e4hnliche Zuverl\u00e4ssigkeitseigenschaften. Bei h\u00f6heren Temperaturen, d.h. thermomechanischer Belastung, differiert das Verhalten. Umfangreiche Vergleiche wurden zwischen Sn63Pb-Standardlot und SnAg3,5 an einer Serienbaugruppe mit bedrahteten Bauteilanschl\u00fcssen durchgef\u00fchrt. Zinn\/Silber-L\u00f6tstellen zeigten bei diesem Belastungsprofil eine deutlich l\u00e4ngere Lebensdauer und erwiesen sich f\u00fcr Maximaltemperaturen bis zu 150\u00b0C als geeignet.
\nDurchgef\u00fchrte Untersuchungen zum Recycling von Elektronikschrott zeigen, da\u00df der Marktwert des Elektronikschrotts mit dem Edelmetallgehalt steigt und mit dem Schadstoffanteil sinkt. Recyclingunternehmen erwarten durch den Einsatz bleifreier Lote eine wirtschaftlichere Aufarbeitung elektronischer Leiterplatten. Eine verbesserte Zuverl\u00e4ssigkeit der L\u00f6tstellen bzw. l\u00e4ngere Lebensdauer der Baugruppen verringert die anfallende Menge an Elektronikschrott unmittelbar und geht einher mit Bem\u00fchungen, die M\u00f6glichkeiten einer Wieder- und Weiterverwendung von Baugruppen zu verbessern<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
\u00b7 Neue Lote f\u00fcr den automatisierten Proze\u00df, VTE 8 (1996), Heft 1 und 2
\n\u00b7 Applikation bleifreier Lote beim Wellen- und Reflowl\u00f6ten, Tagungsband, SMT 1996, N\u00fcrnberg
\n\u00b7 Proze\u00dff\u00e4higkeit und Zuverl\u00e4ssigkeit alternativer Lote, Tagungsband Weichl\u00f6ttagung 1996, M\u00fcnchen
\n\u00b7 European Conference on Electronic Packaging Technology, EuPac \u00b496, 31.01.- 02.02.96, Essen
\n\u00b7 Alternative Lote f\u00fcr die Herstellung elektonischer Baugruppen, Tagungsunterlagen, SMT 1997, N\u00fcrnberg
\n\u00b7 Alternative Lote in der industriellen Anwendung, Tagungsband, ZVE-Technologieforum 1997, M\u00fcnchen<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Mit dem bearbeiteten Projekt wurde ein Referenzfall geschaffen, in dem eine bleifreie Weichlotlegierung nicht nur unter Laborbedingungen untersucht, sondern erfolgreich in die Serienfertigung eines mittelst\u00e4ndischen Unternehmens eingef\u00fchrt wurde. Die Vermeidung von Blei ohne gesetzlichen Zwang beruht auf den Werkstoffvorteilen, die Zinn\/Silber-Lot bietet. Die Serienprodukte bew\u00e4hren sich im Feldeinsatz und \u00fcbertreffen die Lebensdauer baugleicher Standardlot-Produkte. Aufgedeckte Probleme bei der Verarbeitung h\u00f6her schmelzender Pasten im Reflowverfahren k\u00f6nnten vermutlich durch weitere Entwicklungs- und Optimierungsma\u00dfnahmen minimiert oder gel\u00f6st werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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