Projekt 03426/01

Einsatz bleifreier Lote fĂŒr die umweltfreundliche Herstellung elektronischer Produkte

ProjekttrÀger

Technische UniversitĂ€t MĂŒnchenLehrstuhl fĂŒr FĂŒgetechnikInstitut fĂŒr Werkstoffe und Verarbeitung
Boltzmannstr. 15
85748 GarchingZielsetzung und Anlass des Vorhabens Die Lotwerkstoffe, die derzeit zur Herstellung elektronischer Baugruppen verwendet werden, enthalten ca. 36 - 40% Blei. Ziel der durchgefĂŒhrten Arbeiten war die Untersuchung und Realisierung des Einsatzes bleifreier Weichlote. Da die Verwendung von Blei in elektronischen Komponenten derzeit gesetzlich nicht beschrĂ€nkt ist, wurden als besonders geeignete Anwendungsbereiche die Sensor-, Automatisierungs- und Automobilelektronik ausgewĂ€hlt, die aus technischen GrĂŒnden geneigt sind, zuverlĂ€ssigere und thermisch stĂ€rker belastbare Lote einzusetzen. Exemplarisch wurde die EinfĂŒhrung eines bleifreien Alternativlotes mit dem genannten Eigenschaftsprofil beim Unternehmen Endress+Hauser GmbH+Co., Meßtechnik und Automation, Maulburg, begleitet und abgesichert. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Wahl bleifreier Weichlotlegierungen erfolgte aus der AbschĂ€tzung der VerfĂŒgbarkeit, technischer Eigenschaften und Kosten sowie der Auswertung bekannter Literaturstellen und eigener Vorarbeiten. Zur Bestimmung der Lötbarkeit der Legierungen wurden Benetzungskraftmessungen mit verschiedenen Flußmitteln und Anschlußmetallisierungen durchgefĂŒhrt. Mit den betrachteten Legierungen wurden im Wellen- und Reflowverfahren sowohl spezielle Test- und Serienbaugruppen des Kooperationspartners als auch applikationsneutrale Testleiterplatten mit einem reprĂ€sentativen Bauelementspektrum verarbeitet. Zur Beurteilung des Prozeßverhaltens wurden eine visuelle Inspektion des Lötergebnisses, Lotbadanalysen und Messungen zur thermischen Belastung der Bauteile und Leiterplatten durchgefĂŒhrt. Die ZuverlĂ€ssigkeit der Lötstellen auf Serien- und Testleiterplatten bei unterschiedlichen Belastungscharakteristiken wurde in Biege- und Temperaturwechselversuchen sowie Auslagerungstests ermittelt. Die Auswertung erfolgte durch makroskopische Beurteilung der Lötstellen, mit Schliffanalysen und mittels Rasterelektronenmikroskopie. Um Alternativlegierungen referentiell zu Standardlegierungen beurteilen zu können, wurden alle experimentellen Arbeiten an Standard- und Alternativloten durchgefĂŒhrt. Im Hinblick auf umweltrelevante Auswirkungen wurden das Potential zur Verringerung der anfallenden Elektronikschrottmenge durch zuverlĂ€ssigere Lotwerkstoffe untersucht und Unternehmen aus der Recyclingbranche in einer schriftlichen Befragung zum Einfluß bleifreier Lote auf die Aufarbeitung elektronischer Baugruppen an das Projekt angebunden. Ergebnisse und Diskussion Zu den Standardlegierungen Sn60Pb, Sn63Pb und Sn62PbAg2 existieren bleifreie Alternativen, die vom Handel angeboten werden und deren Legierungsbestandteile zumindest fĂŒr branchenspezifische Anwendungen in ausreichendem Maße vorhanden sind. AusgewĂ€hlt 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°C ĂŒber den Werten der Standardlote. Ebenfalls verfĂŒgbar sind bleifreie Anschlußmetallisierungen fĂŒr die Leiterplatten. BauteilanschlĂŒsse sind mit verschiedenen Metallisierungen versehen, die zum Teil auch Blei enthalten. Hier nimmt jedoch aus technischen und wirtschaftlichen GrĂŒnden der Anteil der bleifreien Metallisierungen wie z.B. Nickel/Palladium zu. Die in Benetzungskraftmessungen untersuchten Lote SnAg3,5 und SnCu1 besitzen auf Heißluftverzinnung, AlphaLevel-, chem. Nickel/Gold- und chem. Zinn-OberflĂ€che bei Verwendung feststoffarmer Flußmittel gleichwertiges oder besseres Benetzungsverhalten wie die Standardlegierung Sn63Pb und lassen damit auf eine gute Lötbarkeit in automatisierten Verfahren schließen. Die Lote SnAg3,5 und SnCu1 erweisen sich bei der Verarbeitung im Wellenlötverfahren als unkritisch. Die QualitĂ€t des Lötergebnisses wird ebenso wie bei Standardlegierung primĂ€r von der Optimierung der Maschinenparameter fĂŒr die zu verlötenden Baugruppentypen bestimmt. Auf Anlagen des Typs KIRSTEN-Jet liegt die thermische Belastung der Bauteile und Leiterplatten auf etwa gleichem Niveau wie bei Standardlegierung, so daß HitzeschĂ€den vermieden werden. Wellenlöten mit Zinn/Silber-Lot wurde erfolgreich in die Serienfertigung des Kooperationspartners Endress+Hauser eingefĂŒhrt. Mehr als 200.000 Baugruppen wurden bislang gefertigt. Beim Reflowlöten im Konvektionsofen ohne SchutzgasatmosphĂ€re erfordern die erhöhten Schmelzpunkte der Lotpasten eine sehr exakte TemperaturfĂŒhrung, um das Lot vollstĂ€ndig aufzuschmelzen und eine thermische SchĂ€digung der Bauteile zu vermeiden. FĂŒr ein breites Bauteilspektrum konnten hier gute Ergebnisse erzielt werden. Probleme bereiten spezielle Bauformen mit strömungsungĂŒnstigen AnschlĂŒssen. Beobachtete QualitĂ€tsprobleme bei den Lotpasten, wie Perlenbildung und mangelnde KonturenstabilitĂ€t, mĂŒssen durch Entwicklungsmaßnahmen seitens Pastenherstellern beseitigt werden, um das QualitĂ€tsniveau von Standardpaste zu erreichen. Reflowlöten mit SnAg3,5-Paste wird eingeschrĂ€nkt in der Serienfertigung des Kooperationspartners Endress+Hauser durchgefĂŒhrt. Weitere Erkenntnisse und Verbesserungen können durch Prozeßuntersuchungen unter SchutzgasatmosphĂ€re gewonnen werden. Unter rein mechanischer Belastung bei Raumtemperatur zeigen die drei Alternativlegierungen und Standardlot an einem großen Bauelementspektrum Ă€hnliche ZuverlĂ€ssigkeitseigenschaften. Bei höheren Temperaturen, d.h. thermomechanischer Belastung, differiert das Verhalten. Umfangreiche Vergleiche wurden zwischen Sn63Pb-Standardlot und SnAg3,5 an einer Serienbaugruppe mit bedrahteten BauteilanschlĂŒssen durchgefĂŒhrt. Zinn/Silber-Lötstellen zeigten bei diesem Belastungsprofil eine deutlich lĂ€ngere Lebensdauer und erwiesen sich fĂŒr Maximaltemperaturen bis zu 150°C als geeignet. DurchgefĂŒhrte Untersuchungen zum Recycling von Elektronikschrott zeigen, daß 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 ZuverlĂ€ssigkeit der Lötstellen bzw. lĂ€ngere Lebensdauer der Baugruppen verringert die anfallende Menge an Elektronikschrott unmittelbar und geht einher mit BemĂŒhungen, die Möglichkeiten einer Wieder- und Weiterverwendung von Baugruppen zu verbessern Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation · Neue Lote fĂŒr den automatisierten Prozeß, VTE 8 (1996), Heft 1 und 2 · Applikation bleifreier Lote beim Wellen- und Reflowlöten, Tagungsband, SMT 1996, NĂŒrnberg · ProzeßfĂ€higkeit und ZuverlĂ€ssigkeit alternativer Lote, Tagungsband Weichlöttagung 1996, MĂŒnchen · European Conference on Electronic Packaging Technology, EuPac ÂŽ96, 31.01.- 02.02.96, Essen · Alternative Lote fĂŒr die Herstellung elektonischer Baugruppen, Tagungsunterlagen, SMT 1997, NĂŒrnberg · Alternative Lote in der industriellen Anwendung, Tagungsband, ZVE-Technologieforum 1997, MĂŒnchen Fazit Mit dem bearbeiteten Projekt wurde ein Referenzfall geschaffen, in dem eine bleifreie Weichlotlegierung nicht nur unter Laborbedingungen untersucht, sondern erfolgreich in die Serienfertigung eines mittelstĂ€ndischen Unternehmens eingefĂŒhrt wurde. Die Vermeidung von Blei ohne gesetzlichen Zwang beruht auf den Werkstoffvorteilen, die Zinn/Silber-Lot bietet. Die Serienprodukte bewĂ€hren sich im Feldeinsatz und ĂŒbertreffen die Lebensdauer baugleicher Standardlot-Produkte. Aufgedeckte Probleme bei der Verarbeitung höher schmelzender Pasten im Reflowverfahren könnten vermutlich durch weitere Entwicklungs- und Optimierungsmaßnahmen minimiert oder gelöst werden.

Übersicht

Telefon

089/289-15344

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Bundesland

Bayern

Fördersumme

124.158,03 €

Förderzeitraum

14.03.1994 - 20.03.1998