Bericht_331_Leseprobe

2017
DVS-BERICHTE
Weichlöten
Ist Korrosion vermeidbar?

Photovoltaikpanel
Computer
Flugzeug
Diagnosegerät
Handelsschiff
Auto
Ihr Systemlieferant
Pasten | Flussmittel | Barren | Lotdraht | Anoden

Weichlöten 2017
Ist Korrosion vermeidbar?
Vorträge der gleichnamigen Tagung
in Hanau am 7. März 2017
Veranstaltung des DVS – Deutscher Verband
für Schweißen und verwandte Verfahren e. V.,
Düsseldorf, und der Fachgesellschaft „Löten“
im DVS

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar.
DVS-Berichte Band 331
ISBN 978-3-945023-89-1
Die Vorträge wurden als Manuskript gedruckt.
Alle Rechte, einschließlich Übersetzungsrecht, vorbehalten. Nachdruck und Vervielfältigung dieses
Bandes oder von Teilen desselben nur mit Genehmigung der DVS Media GmbH, Düsseldorf.
- DVS Media GmbH, Düsseldorf ’ 2017
Offsetdruck: rewi druckhaus, Reiner Winters GmbH, Wissen/Sieg

Vorwort
Weichlöten 2017 – Ist Korrosion vermeidbar?
Der DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e. V. führt zusammen
mit der Fachgesellschaft „Löten“ im DVS und mit Unterstützung des Arbeitskreises Korrosionsschutz
inder Elektronik und Mikrosystemtechnik der GfKORR – Gesellschaft für Korrosionsschutz
e. V. am 7. März 2017 im Richard-Küch-Forum inHanau die Tagung „Weichlöten 2017“
durch.
Die Frage nach der Korrosion ist für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer elektronischer Baugruppen
entscheidend. Dabei wird die Korrosion durch Faktoren beeinflusst wie
& Flussmittel,
& Lotpasten,
& Metallisierungen,
& Lackschichten,
& Prozessrückstände und Umwelteinflüsse,
um nur einige zu nennen. Alle diese Einflüsse stehen in Wechselwirkung miteinander, sodass
eine zuverlässige Lösung äußerst komplex ist.
Aus diesem Grund wird die Korrosionsproblematik auf der Weichlöten 2017 unter den verschiedensten
Gesichtspunkten von Materialentwicklern, Produzenten, Anwendern und Spezialisten
für die Reinigung elektronischer Baugruppen vorgestellt und diskutiert.
Die Veranstalter bedanken sich bei der Programmkommission fürdie Zusammenstellung der
Vorträge sowie bei den Referenten und Sponsoren fürdie Unterstützung bei der Durchführung
der Tagung.
Wir sind sicher, Ihnen eine attraktive Veranstaltung bieten zu können, und freuen uns auf Ihr
Kommen.
März 2017
Mathias Nowottnick
Vorsitzender der
Programmkommission
Helmut Schweigart
Vorsitzender des Arbeitskreises
Korrosionsschutz in der Elektronik
und Mikrosystemtechnik der GfKORR
Michael M.Weinreich
Geschäftsführer der Fachgesellschaft
„Löten“ im DVS

Inhaltsverzeichnis
Vorwort
S. Fritzsche und W.Schmitt, Hanau
Normen und Tests für die Klassifizierung und Weiterentwicklung von Lotpasten für
die hochzuverlässige Automotive- und Leistungselektronik ....................................................... 1
M. Eymann, Balve
Flussmittelrückstände – Einfluss und Wirkung............................................................................ 7
M. Nowottnick, Rostock, und S.Mattern, Schwieberdingen
Einfluss des Leiterplattendesigns auf das Isolationsverhalten und die elektrochemische
Migration .................................................................................................................................. 14
M. Kasper, Mönchengladbach
Professionelle Reinigung von Lotpastenschablonen ................................................................ 22
C. Borwieck, B.Müller und R. Knofe, Berlin
Reinigung elektronischer Baugruppen – Bewertung des Reinigungserfolges und
mögliche Schädigungspotentiale ............................................................................................. 28
H. Semmler, Regensburg, und A. Mahr, Zandt
Technische Sauberkeit – Eine Schlüsselanforderung inder modernen
Hightech-Elektronikproduktion? ............................................................................................... 36
T. Lauer, Ulm
Neuralgische Punkte bei und aus der Nacharbeit an elektronischen Baugruppen ................... 44
H. Schweigart, Ingolstadt
Testverfahren zur Risikobewertung von Verunreinigungen ...................................................... 53
Verfasserverzeichnis ............................................................................................................. 56

Normen und Tests für die Klassifizierung und Weiterentwicklung von Lotpasten für
die hochzuverlässige Automotive- und Leistungselektronik
S. Fritzsche und W. Schmitt, Hanau
Vor dem Hintergrund der steigenden Anforderungen im Rahmen der Miniaturisierung und Erhöhung der Lebensdauer
von hochzuverlässigen Anwendungen in der Automotive- und Leistungs-Elektronik haben sich in den vergangenen
Jahrzehnten die existierenden Normen und Standards für Weichlotpasten weiterentwickelt. Die existierenden
IPC-, ISO-, DIN- &IEC-Normen versuchen die geänderten Anforderungen über Novellierungen mit einzubringen,
stoßen aber aufgrund von steigenden kundenspezifischen Anforderungen sowie beschleunigten Entwicklungszyklen
an ihre Grenzen. Dieser Vortrag beleuchtet exemplarisch besonders relevante Parameter und gibt
einen Ausblick auf neue Schnelltests, die kürzere Entwicklungszeiten ermöglichen können.
1 Lotpasten und die Klassifizierung von Flussmitteln
Bei Weichlotpasten für die Elektronik haben die Flussmittel – neben den für die eigentliche Verbindungsfunktion
benötigten Weichloten – einen besonderen Stellenwert, da sie neben den Verarbeitungseigenschaften in einem
immer stärkeren Ausmaß auch die Langzeitzuverlässigkeit von elektronischen Aufbauten bestimmen. Flussmittel
sind üblicherweise aus den Komponenten Lösungsmittel, Kolophonium-Harze, Aktivatoren und Rheologie-
Hilfsstoffe aufgebaut. Die prinzipielle Zusammensetzung von Flussmitteln in Gewichtsprozent ist in Abb. 1dargestellt.
15%
5%
40%
Harz
Lösungsmittel
Aktivator
40%
Hilfsstoff
Abb. 1
Typische Zusammensetzung von Flussmitteln für die Elektronik (in Gewichtsprozent).
Die Aktivatoren sind in der Regel organischen Säuren oder halogenbasierte Aktivatoren, die Metalloxide auf Substraten,
Bauelementen oder dem Lotpulver selbst während des Lötprozesses entfernen sollen. Andererseits sollten
sie nach Beendigung des Lötprozess entweder verdampft /zersetzt sein oder im verbleibenden KolophoniumHarz
dauerhaft eingeschlossen bleiben, um für die Lebensdauer des gelöteten Baugruppe nicht die Zuverlässigkeit zu
beeinflussen. Aufgrund der unterschiedliche Beschaffenheit von Substraten und Bauelementen sowie der Lötprozesse
bei Kunden sind deshalb verschiedene kundenspezifische Flussmittel-Formulierungen imEinsatz.
Ein wichtiger Unterschied dieser Formulierungen betrifft den Einsatz von halogenbasierten Aktivatoren. Halogenbasierten
Aktivatoren werden dabei im Vergleich zu organischen Säuren trotz strengerer Normen aufgrund ihrer
stärkeren Aktivierungswirkung immer noch verbreitet eingesetzt [1]. Dabei ist insbesondere zwischen ionischen
Halogen-Aktivatoren (auch bekannt als „Halogenide“), wie anorganischen Salzen (z.B. ZnCl2, AlCl3) oder organischen
Salzen NR3*HCl (z.B. Diethylammoniumchlorid) und kovalent gebundenen Halogen-Aktivatoren, wie chlorierte/bromierte
Kohlenwasserstoffe RXCCl or RXCBr (z.B. Dichlor-/Dibromstyrol) zu unterscheiden. Das Wirkprinzip
aller halogenbasierten Aktivatoren basiert auf der Freisetzung von Halogensäuren, wodurch z.B. bei chlorierten
Aktivatoren die Metalloxide in lösliche Metallchloride umgesetzt werden, was eine bessere Benetzung der Substrate
und Bauelemente erlaubt (Abb. 2)
DVS 331 1

ZnCl2 +H2O 0 ZnO +2HCl (1a)
NR3*HCl 0 NR3 +HCl (1b)
RXCCl +H2O 0 RXCOH +HCl (1c)
MeO +2HCl 0 MeCl2 +2H2O (2)
Abb. 2 Wirkprinzipien der HCl-Freisetzung (1a bis 1c) und nachfolgenden Aktivierung der Metalloxide (2)
Neben ihrer chemischen Struktur sind aber insbesondere die Aktivierungsenergien verschieden, was zu einer unterschiedlichen
Freisetzungsgeschwindigkeit führt und auch deren Beurteilung imRahmen von Zuverlässigkeitsuntersuchungen
beeinflusst.
Die unterschiedliche Beurteilung von ionischen und kovalent gebundenen Halogen-Aktivatoren spiegelt sich auch
in der Weiterentwicklung von IPC-Normen wieder. In den frühen Versionen der J-STD-004 aus den Jahren 1995
(J-STD-004) bzw. 2004 (J-STD-004A) wurden z.B. nur die ionischen Halogen-Aktivatoren (also die „Halogenide“)
genannt. In den dort genannten Testmethoden IPC-TM-650 2.3.28.1 bzw. 2.3.35 werden die Halogenide mit Lösungsmitteln
extrahiert und mittels AgNO3-Titration oder Ionenchromatographie (IC) quantitativ bestimmt. Die seit
2011 gültige J-STD-004B Version führt als optionalen Test erstmals die Gesamthalogen-Bestimmung analog EN
14582:2007 ein, wobei hier erstmals nicht nur die ionischen Halogenide, sondern auch die kovalent gebundenen
Halogen-Komponenten bestimmt werden. In diesem Fall werden alle Halogenverbindungen über einem Wickbold-
Aufschluss (= Oxygen-Bomb) in lösliche Halogenide überführt und mittels Ionenchromatographie der Gesamthalogen-Gehalt
bestimmt. Wichtig bleibt jedoch weiterhin, dass die Flussmittel-Typklassifikation auch in der aktuell
gültigen Norm J-STD-004B aus dem Jahr 2011 nach wie vor über den Halogenid-Gehalt und nicht über den Gesamthalogen-Gehalt
stattfindet (siehe Abb. 3).
Flux
Type
Copper Mirror
Corrosion
Quantitative
Halide 1
(Cl - ,Br - ,F - ,I - )
(by weight)
Conditions for
Passing 100
M+ SIR Requirements
2
Conditions for
Passing ECM
Requirements
L0
L1
No evidence
of mirror
breakthrough
No evidence
of
corrosion
0.05 and

2 Lotpasten und Langzeitzuverlässigkeit
In diesem Abschnitt soll ein weiterer Aspekt von Anforderungen an Lotpasten beleuchtet werden -die Bestimmung
der Langzeitzuverlässigkeit am Beispiel des Oberflächenisolationswiderstands (SIR). Dieser Aspekt der Prüfung
von Lotpasten hat insbesondere durch die andauernde Miniaturisierung und die damit auch verbundene Erhöhung
der Leistungsdichte anBedeutung gewonnen. Die Verkleinerung von Baugruppen – aber auch die Vervielfachung
der Optionen zur Bauelemente-Kombination – bewirken eine ständige Anpassung der Zuverlässigkeitsforderungen
für Lotpasten. Die Zusammenfassung von üblichen SIR-Testrichtlinien in Abb. 4zeigt die unterschiedlichen Anforderungen
an Klima, Testdauer, Kammlayout, Test-Spannungen und -Häufigkeit.
Bias-Spanng./
Mess-Spanng.
(in V)
Norm
JIS-Z-3284
Bellcore-78- IPC-TM-650
IEC 61189-5:
DIN 32513
CORE 2.6.3.3 b
TM 5E02
ISO 9455-17
Ausgabejahr 1994 1997 2004 2005 2006 2010
Temp./Feuchte 40/90 oder
40/92 (NC) o. 40/93 oder
35/85 85/85 40/92
(in °C /%)
85/85
85/85 (Clean) 85/85
Testdauer
(in h)
168 120 168 Min. 168 Min. 168 Min. 168
Kamm-Layout
(Linienbreite/
Linienabstand
in mm)
JIS-Layout
(0,318/0,318)
IPC-B-25A
(0,625/1,25)
IPC-B-24
(0,4/0,5)
DIN 32513
(0,4/0,2)
IEC-Layout
(0,4/0,2)
IPC-B-24
(0,4/0,5) o.
DIN 32513
(0,4/0,2)
Mess-
Häufigkeit
100 V/
100 V
50 V/
-100 V
24, 96&168h 24 &120h
50 V/
-100 V
24, 96 &
168h
50 V/
-100 V
24, 96 &
168h
Verschiedene,
bes. kritisch:
5V/5V
Verschiedene,
bes. kritisch:
alle 20 min
5V/
5V
Min. 2x pro
Tag
Abb. 4
Zusammenfassung von üblichen SIR-Testrichtlinien inkl. der wichtigsten Testbedingungen
Dabei wird deutlich, dass sich die Testbedingungen in den letzten Jahren deutlich verschärft worden sind, was sich
z.B. im Kammlayout – und dort insbesondere bei verringerten Linienabständen – sowie bei den verringerten Mess-
Spannungen und erhöhten Mess-Häufigkeiten zeigt.
Eine exzellente Zusammenfassung bietet indiesem Zusammenhang die IPC-9201A „Das SIR Handbuch“ [3]. Dort
werden detaillierte Hinweise zu den wichtigen Testbedingungen als auch möglichen Einflussfaktoren gegeben.
Neben bereits in Abb. 4genannten Testparametern wird dort im Einzelnen auf weitere Faktoren beim SIR-Board-
Aufbau als auch während der Auslagerung eingegangen, von denen im Folgenden nur stichpunktartig die Wichtigsten
genannt werden sollen:
- Faktoren beim SIR-Board-Aufbau:
o Effekte von gereinigter vs. ungereinigter SIR Boards
o Effekte von unterschiedlicher SIR-Boards-Layouts
o Effekte von Anschlüssen (Steck- vs. gelötete Kontakte)
- Faktoren bei der SIR-Auslagerung:
o Orientierung der Boards – Senkrechte Auslagerung, bevorzugt mit seitlichen Anschlüssen
o Konditionierungszeit – mind. 24 hKonditionierung vor der ersten relevanten Messung
o Zyklische Auslagerung – bei Applikationen mit möglichen Betauungssituationen relevant
Zusätzlich zu den oben genannten üblichen SIR-Testverfahren sind aktuelle zusätzliche kundenspezifische SIR-
Anforderungen zu erfüllen. Diese beziehen verstärkt besondere Bauelemente oder zusätzliche Wechselwirkungen
mit anderen AVT-Materialien (z.B. Lötstoplacke, Conformal Coatings, Underfiller, etc.) mit ein. Außerdem sollen
damit bereits bei der Qualifikation extreme Anforderungen sowohl an Auslagerungs-Zeiten als auch deren Bedingungen
mit abgeprüft werden. So sind z.B. verlängerte SIR-Tests mit bis zu 1500 Stunden üblich, die damit jedoch
im Widerspruch zuden angefragten Entwicklungszeiten stehen und auch imRahmen der bekannten Beschleunigungsmodelle,
wie Arrhenius- oder Eyring-Modelle, nicht abzubilden sind. Indiesem Zusammenhang ist auch zu
beobachten, dass die kundenspezifischen Anforderungen vermehrt weniger auf die Erfüllung von existierenden
Normen &deren Einstufungen (z.B. bzgl. des Halogengehaltes) ausgerichtet sind, sondern eher auf eine Qualifikation
von konkreten kundenspezifischen Anforderungen. Diesem Umstand müssen die Lotpasten-Hersteller durch
geeignete beschleunigte Tests Rechnung tragen, worauf imnächsten Abschnitt eingegangen werden soll.
DVS 331 3

3 Lotpasten und der Pressure-Cooker-Migration-Schnelltest (PCM-Test)
Wie bereits erwähnt nehmen die Anforderungen an die Entwicklung von Lotpasten zu. Unter anderem werden von
immer mehr Kunden auch längeren Testperioden angefragt, unter anderem bis zu 1500 Stunden, d.h. ca. 9Wochen.
Vor der gleichzeitigen Forderung nach einer zügigen Entwicklung von neuen Lotpasten-Formulierungen
entstand der Wunsch diese Testzeiten zu beschleunigen. Ein Ansatz ist das man die Klimabedingungen für die
SIR Messung dramatisch verschärft, bei niedriger Spannung arbeitet und permanent die Spannung misst.
Heraeus entwickelte dazu den Pressure-Cooker-Migrations-Test (PCM-Test) in Anlehnung an den JESD22-A102-
C-Standard [4]. Die Parameter für den Test sind T=121°C; H=100% r.F.; P=0,1 MPa. Verwendet wird der
DIN32513-Kamm an dem eine Spannung von 5Volt angelegt wird. Die Spannung wird permanent gemessen.
Werden die Flussmittelrückstände leitfähig oder es wachsen Dendriten zeigt sich dies in einem Spannungsabfall.
Die Abbildung 5zeigt den Versuchsaufbau.
Abb. 5
PCM-Test-Versuchsaufbau
Es wurden mittels dem PCM-Test zunächst Pasten gemessen, welche bei Standard-SIR-Tests von 85/85 nach
168 hwie die Paste „blau“ Widerstandswerte von >100 MOhm zeigen. Des weiteren wurden Pasten untersucht,
die in diesen SIR-Tests auch bei noch längere Zeiten oberhalb der Spezifikationsgrenze liegen, wie die Paste
„grau“, die dies auch nach 500 hzeigt sowie die Pasten „orange“ und „gelb“, die nach >1000 hnoch stabile Widerstandwerte
aufweisen. Die Abbildung 6zeigt, dass einige der o.g. Formulierungen beim PCM-Test bereits nach
wenigen Stunden einen kompletten Spannungsabfall haben und sich die Flussmittelreste weitgehend zersetzt haben.
Die Pasten „blau“ und „grau“ fallen bereits nach ca. 8hund 24 hmassiv ab, wobei sich entweder die Flussmittel-Reste
zersetzt haben oder sich deutlich erkennbare Dendriten zeigen. Die Pasten „orange“ und „gelb“ weisen
zwar auch einen deutlichen Spannungsabfall nach etwa 35 hauf, aber keine Dendriten. Diese Pasten bestehen
die übliche SIR-Tests mit mind. 1000 h.
Abb. 6
PCM-Tests mit verschiedene Lotpasten
Damit konnte gezeigt werden, dass bekannte Pasten bereits innerhalb von 2Tagen gut zu unterscheiden waren
und eine Korrelation mit bekannten Standard SIR Messungen besteht. Vergleicht man nun sehr viele Kurven verschiedener
Pasten ineiner Grafik wird esschnell unübersichtlich. Um verschiedene Pasten direkt vergleichen zu
können, wurde von Heraeus nun ein Rechenverfahren entwickelt, welches auch die Kurven in ein Punktesystem
umwandelt. Damit ist es dann möglich mittels Balkendiagrammen viele Pasten schnell zu vergleichen. Die Abbildung
7zeigt das Bewertungsverfahren für den PCM-Test. Jehöher die Punktzahl desto stabiler bzw. flacher ist der
Kurvenverlauf -imIdealfall tritt kein Spannungsabfall auf; es bleibt also bei einer geraden Linie.
4 DVS 331

Abb. 7
Berechnung der PCM-Test-Punkte und Darstellung als Balkendiagramm
Um nun diese PCM-Ergebnisse mit den Standard-SIR-Messungen vergleichen zu können, wurden auch diese
Messungen in ein Punktesystem umgerechnet. Da man hier den Widerstand über mehrere Potenzen misst, ist das
Rechenverfahren etwas komplexer und es wird nur im Grundprinzip erklärt. Abbildung 8zeigt eine typische Messung
über 750 h.
Abb. 8
SIR-Messung mit DIN32513-Standardkamm
Auch hier werden für verschiedene Kriterien Punkte vergeben. Wird die Spezifikation des minimalen Widerstandswertes
nicht unterschritten, werden 100 Punkte vergeben. Wird das Limit unterschritten gibt es 0Punkte. Als weiteres
Hauptkriterium wird für die Kurven jeweils eine logarithmische Anpassung durchgeführt. Hieraus ergibt sich
eine Steigung der Kurve und eine Korrelation wie gut die Kurve angepasst ist. Eine 100 %ige Anpassung bedeutet,
dass die Kurve sehr glatt verläuft und keinerlei Peaks aufweist. Schlechte Anpassungen zeigen sehr viele Peaks
und deuten auf Korrosion oder Dendriten-Wachstum. Diese Werte sind ineiner Bewertungstabelle hinterlegt. Die
maximale Punktzahl für die SIR-Messung beträgt hier 246 Punkte. Diese SIR-Punkte wurden nun mit den PCM-
Test-Punkten verglichen.
Abb. 9 Vergleich von PCM-Tests mit Standard-SIR-Messungen anhand der entwickelten Punktesysteme
Mit Hilfe des PCM-Tests ist es nun möglich bereits nach wenigen Tagen ungeeignete Formulierungen von aussichtsreichen
Kandidaten zu unterscheiden und damit SIR-Testzeiten einzusparen sowie Messkapazitäten effektiv
zu nutzen. Es ist zudem möglich die PCM-Testbedingungen, wie z.B. die Spannung oder Temperatur anzupassen,
um diese gegebenenfalls weiter zuverschärfen und für weitere kundenspezifische SIR-Bedingungen zuoptimieren.
DVS 331 5

4 Zusammenfassung
Vor dem Hintergrund der steigenden Anforderungen im Rahmen der Miniaturisierung und Erhöhung der Lebensdauer
von hochzuverlässigen Anwendungen wurden inden letzten Jahren viele nationalen und internationalen
Normen sowie die darin festgelegten Parameter, wie Halogengehalte oder SIR-Tests, angepasst und verbessert.
Diese Entwicklung und deren Hintergründe wurden in dieser Arbeit exemplarisch beleuchtet. Des Weiteren ist ein
Trend zu zusätzlichen kundenspezifischen Anforderungen zu verzeichnen, die über die existierenden Normen
hinausgehen. Bei Heraeus wurde deshalb mit dem Pressure-Cooker-Migrations-Schnelltests (PCM-Test) eine
Möglichkeit entwickelt, um auch derartige speziellen Anforderungen abzubilden und die dafür bislang nötigen langen
Testzeiten deutlich zu verkürzen. Die dafür erforderliche Testmethodik wurde in dieser Arbeit vorgestellt und
außerdem ein einfaches, vergleichendes Bewertungsverfahren eingeführt. Der PCM-Test soll und wird dabei die
bestehenden Normen nicht ersetzen, sondern eine schnellere Entscheidungsgrundlage bei der Entwicklung von
neuen Lotpasten und der Auswahl geeigneter Kandidaten für den Kunden bilden.
5 Literatur
[1] Klein-Wassink, R.J., Weichlöten in der Elektronik, E. G. Leuze Verlag, 1991.
[2] IPC J-STD-004B, Requirements for Soldering Fluxes, Association Connecting Electronics Industries (IPC),
2011.
[3] IPC-92101A, Surface Insulation Resistance Handbook, Association Connecting Electronics Industries (IPC),
2007.
[4] JESD 22-A102-C, Accelerated Moisture Resistance -Unbiased Autoclave, JEDEC Solid State Technology
Association, 2008.
6 DVS 331

Flussmittelrückstände – Einfluss und Wirkung
M. Eymann, Balve
Korrosion ist eines der großen Themengebiete in der Elektronik. Die Ausprägungen dieses Phänomens sind
vielseitig und verursachen im schlimmsten Fall den Ausfall kritischer Baugruppen. Flussmittelrückstände spielen
als eine mögliche Kontaminationsquelle eine wesentliche Rolle bei der Entstehung der Korrosion. Daher ist es
elementar, ein Verständnis für die Ursachen von Korrosionsvorgängen zu entwickeln und somit zuvermeiden.
1 Kontaminationsquellen
Eine häufige und leicht zu vermeidende Kontaminationsquelle resultiert aus einer unsachgemäßen Handhabung
der Baugruppe schon vor dem eigentlichen Lötprozess. Fette und die im Handschweiß enthaltenen Salze haben
Auswirkungen auf die Lötbarkeit und können im schlimmsten Fall zu elektrochemischen Kriechpfaden führen und
dadurch das Dendritenwachstum fördern. [1] Ebenfalls sollte darauf geachtet werden, dass die Rahmen und
Masken in einem guten und sauberen Zustand sind, da sich auch hier während des Lötprozesses Flussmittelreste
ablagern können. Eine weitere Einflussquelle stellen die verwendeten Baugruppen und Leiterkarten dar, da hier
selten bekannt ist, welche chemischen Produkte bei den Beschichtungsvorgängen eingesetzt werden und welche
ionischen und nicht ionischen Verbindungen enthalten sind, die im späteren Verlauf an die Oberfläche diffundieren
und womöglich hygroskopisch sind und somit korrosive Vorgänge bedingen können. [2] Solche Polyglykole oder
auch ionische und nichtionische Tenside reduzieren wie alle Netzmittel die Oberflächenspannung des Wassers
und tragen so zur Bildung eines Wasserfilms bei Betauung bei. [3] Aktive und inaktive Flussmittelrückstände sind
wohl die interessanteste Gruppe der Kontaminationsquellen, da über das Flussmittel bewusst eine chemische
Redoxreaktion hervorgerufen wird und somit Metallsalze, imspäteren Verlauf auch deren Hydrolyseprodukte und
organische Säuren, in den Prozess eingebracht werden. Flussmittel können sehr unterschiedlich sein, alleine
schon durch die Auswahl des Lötprozesses ergeben sich Unterschiede für Lötdraht-, Wellen-/Selektiv- und Lotpastenflussmittel
in Konzentration und Zusammensetzung.
2 Flussmittel
Abbildung 1.Flussmittel – Pulverförmig, flüssig und pastös [4]
Im Allgemeinen unterscheiden sich die Flussmittel fürdie verschiedenen Anwendungen in ihren reaktiven Basiskomponenten
nicht sehr stark. Alle haben entweder natürliches, synthetisches Harz oder diverse organische
Säuren als Basis und andere Aktivatoren und Lösemittel als Zusätze enthalten. Hierzu gehören unter anderem
natürliche und synthetische Harze, die als Bindemittel dienen und Aktivatoren, wie die organische Adipinsäure
oder anorganische Säuren oder Säureanteile wie Zinkchlorid oder Ammoniumchlorid. Um die Oberfläche von
Fetten zu befreien werden üblicherweise zudem halogenierte Kohlenwasserstoffe eingesetzt. [5] Der Säureanteil
im Flussmittel soll die Oxidschicht der zu verlötenden Komponenten chemisch aufbrechen und arbeitet nach der
allgemeinen Formel der Säure-Base-Reaktion, bei der Säuren Metalloxide zu Wasser und einem Metallsalz
reduzieren. Hierzu werden die Säuren der Harze oder der organischen Hauptbestandteile und Additive genutzt.
Die Komponenten variieren je nach Anwendungsfall inihren Gewichtsanteilen. So ist eine Flussmittelseele von
einem Lötdraht fast komplett lösemittelmittelfrei und hat in der Regel einen Flussmittelgehalt von max. 3,5 Gew.-%.
Bei Wellen- und Selektivlötflussmitteln ist der Anteil des Lösemittels deutlich erhöht. Hier werden in der Regel
DVS 331 7

Ethanol, Isopropanol und Wasser in Reinform oder als Gemisch als Lösemittel genutzt. Die Feststoffkonzentration
ist hier jenach Flussmittel variabel und liegt in der Regel bei 1 – 5Gew-%. Die Lotpaste ist das komplexeste
System und wird mit Hilfe von thixotropen rheologischen Additiven stabilisiert. Diese Additive, wie beispielsweise
hydriertes Rizinusöl, dienen lediglich der viskosen Stabilisierung der Lotpaste und sind nach dem Lötprozess
chemisch inaktiv. [6] Es ist durchaus üblich, dass sich über 20 verschiedene Stoffe indem Flussmittelmedium
befinden, um eine stabile pastöse Form zuerreichen. Das Flussmittel macht bei der Mischung mit Metallpulver um
die 12 Gew-% aus.
2.1 Harz
Harze sind kristalline bis amorphe, organische Strukturen die bei Raumtemperatur fest sind und im Lötprozess ab
ca. 70°C anfangen zu erweichen. [6] Bei den harzbasierten Systemen wird bei der IPC zwischen Resin und Rosin
unterschieden. Das Rosin, auch Kolophonium genannt, ist in der Regel natürliches/raffiniertes Kiefernharz mit
einer Säurezahl von mindestens 130 mg KOH/g. Als Resin werden alle Harze bezeichnet, die synthetischer
Herkunft sind oder auch alle natürlichen Harze, die per Definition keine Rosins sind. [7]
2.2 Säuren
Der reaktive Hauptbestandteil von Kolophonium sind trizyklische isomere Harzsäuren mit einer vorgeschobenen
Säuregruppe, wie in Abbildung 2dargestellt. Harzsäuren gehören zur Gruppe der Carbonsäuren. Bestimmte im
Kolophonium enthaltene Abietinsäuren zeigen eine starke autokatalytische Oxidationsneigung. Daher werden die
Doppelbindungen der Harzsäuren durch hydrieren stabilisiert, um die Reaktion zu verlangsamen und dadurch die
Lagerfähigkeit zuerhöhen. [6]
Abbildung 2.Verschiedene Harzsäuren [3]
Kolophonium und seine modifizierten Harze haben eine Säurezahl bis zu 168 mg KOH/g. Hierdurch ist die metalloxidlösende
Wirkung bei Temperaturen größer als 130°C nicht für alle Lötvorgänge bei ausreichender Aktivierung
vorhanden, um die Säure-Base-Reaktion zuverlässig alleine tragen zu können. Säuren haben einen temperaturabhängigen
Wirkbereich und verbrauchen sich unterschiedlich schnell. So beträgt die Lötzeit von chloridhaltigen
Flussmitteln nur ein Zehntel der Lötzeit von Harzsäuren. Daher werden, um die Wirkung der Harze zu verstärken,
oft weitere Carbonsäuren oder Halogenverbindungen zugesetzt. [6] Als besonders wirksam hat sich beispielsweise
die Adipinsäure gezeigt. Anders als bei Halogenverbindungen, bei denen in einer zweistufigen Reaktion die
Metallsalze entstehen, reagieren Carbonsäuren oder Harzsäuren direkt mit dem Zinnoxid, wie die folgenden
Reaktionsgleichungen zeigen. [2]
Carbonsäure (Adipinsäure):
2C4H8(COOH)2 +2SnO 0 2C4H8(COO)2Sn +2H2O
Halogenverbindung (Clorid):
HN(CH3)2*HCL 0 HN(CH3)2 +HCL
2HCL +SnO 0 SnCl2 +H2O
8 DVS 331

2.3 Halogenverbindungen
Bei Flussmitteln wird zwischen zwei verschiedenen Arten der Halogenverbindungen unterschieden. Einmal die
ionischen Halogenverbindungen, auch Halogenide genannt, und die eher kovalenten Halogenverbindungen, auch
Halogene genannt. Generell sind die Halogenide direkt an der Klassifizierung des Flussmittels beteiligt, wie in
Tabelle 1zusehen ist. Ab einem Gehalt von 0,5% Halogeniden ineinem Flussmittel ist am Ende der Klassifizierung
eine 1anzugeben, ansonsten eine 0.[8] Ein Flussmittel darf darüber hinaus nur dann als niedrig halogenhaltiges
Flussmittel klassifiziert werden, wenn maximal 0,1% Chlor und maximal 0,1% Brom enthalten ist. [7] In der
Praxis hat sich der Einsatz von Chlor- und Bromverbindungen bewährt, da sie im richtigen Temperaturbereich für
das Weichlöten liegen und reaktiv genug sind.
Flussmittelzusammensetzung
RO (Kolophonium)
RE (modifizierte
Harze)
OR (organische
Säuren)
Tabelle 1: Gegenüberstellung J-STD004B /DIN EN 61190-11 [9]
Wirksamkeitsniveau des
Flussmittels
Erlaubter Halogenidanteil
nach IPC J-STD004B [Gew-
%]
Erlaubter Halogenidanteil
nach DIN EN61190-1-1
[Gew-%]
L0