SB_48000ZLP

2003
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Verarbeitbarkeit und
Zuverlässigkeit der
bleifreien Lote SnAg3,9
Cu0,6 und SnCu0,7 für das
Reflow-, Wellen- und
Reparaturlöten

AiF 48 ZN / DVS 7.0 IP Bleifrei Welle / Reflow 2
Inhaltsverzeichnis
1 PROBLEMSTELLUNG....................................................................................... 4
2 ZIELSETZUNG ................................................................................................ 7
3 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG............................................................................ 8
3.1 BENETZUNGSUNTERSUCHUNGEN.......................................................................8
3.1.1 Benetzungskraftmessung mit verschiedenen Loten auf
Kupferoberfläche .....................................................................................8
3.1.2 Benetzungskraftmessung mit SnAg und verschiedenen Oberflächen ......9
3.1.3 Ausbreitungsfläche verschiedener Lote auf unterschiedlichen
Oberflächen .............................................................................................9
3.2 UNTERSUCHUNG DES ABLEGIERVERHALTENS...................................................10
3.2.1 Probengeometrie und Werkstoffe...........................................................10
3.2.2 Versuchsaufbau und Untersuchungsparameter .....................................10
3.2.3 Auswertemethodik .................................................................................11
3.3 VERWENDETE TESTBOARDS............................................................................12
3.4 AUSWAHL DER LOTWERKSTOFFE .....................................................................15
3.5 LOTPASTENQUALIFIKATION..............................................................................16
3.6 LÖTPROZESSE - REFLOW- UND REPARATURLÖTEN...........................................17
3.6.1 Reflowlötprozess ...................................................................................17
3.6.2 Reparaturlötprozess...............................................................................18
3.7 WELLENLÖTPROZESSE....................................................................................18
3.7.1 Wellenlötprozess auf Versuchsniveau....................................................18
3.7.2 Wellenlötprozesse auf Industrieniveau...................................................19
3.8 INSPEKTION DER LÖTVERBINDUNGEN...............................................................21
3.8.1 Optische Inspektion ...............................................................................21
3.8.2 Röntgeninspektion .................................................................................21
3.9 ZUVERLÄSSIGKEITSUNTERSUCHUNGEN ............................................................21
3.10 METALLKUNDLICHE UNTERSUCHUNGEN........................................................22
4 ERGEBNISSE ............................................................................................... 23
4.1 BENETZUNGSUNTERSUCHUNGEN.....................................................................23
4.1.1 Benetzungskräfte in Abhängigkeit des Lotes auf Kupferoberfläche........23
4.1.2 Benetzungskräfte von Sn3,5Ag in Abhängigkeit der BE-Metallisierung ..24
4.1.3 Ausbreitungsflächen von Loten auf unterschiedlichen Oberflächen .......25
4.2 AUFLÖSUNG DES KUPFERS IM LOT DURCH ABLEGIERUNG .................................27
4.3 REFLOWLÖTPROZESS .....................................................................................29
4.3.1 Einfluss des Lötprofils ............................................................................29
4.3.2 Einfluss der Leiterplattenmetallisierung..................................................30
4.3.3 Einfluss der Lotpastenqualität ................................................................31

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4.4 WELLENLÖTPROZESS AUF VERSUCHSNIVEAU ...................................................34
4.4.1 Einfluss der Lötparameter......................................................................34
4.4.2 Einfluss der Flussmittelauswahl .............................................................38
4.4.3 Einfluss der Bauteilanschlussmetallisierung...........................................38
4.5 WELLENLÖTPROZESS AUF INDUSTRIELLER BASIS..............................................39
4.5.1 Wellenlöten mit Sn0,7Cu........................................................................40
4.5.2 Wellenlöten mit Sn100 C........................................................................44
4.5.3 Fehlerbeispiele beim Wellenlöten ..........................................................47
4.5.4 Lotdurchstieg bei Testboard VI ..............................................................49
4.5.5 Lotbrücken und Lötperlen ......................................................................51
4.5.6 Ablegierverhalten vom Kupfer in der industriellen Lotwelle ....................52
4.5.7 Zusammenfassung und Bewertung des industriellen Wellenlötens ........52
4.6 REPARATURLÖTPROZESS................................................................................54
4.7 METALLKUNDLICHE UNTERSUCHUNGEN ...........................................................55
4.7.1 SnAgCu-Lötverbindungen nach dem Reflowprozess .............................55
4.7.2 SnCu-Lötverbindungen nach dem Wellenlötprozess..............................56
4.7.3 Lötstellen nach dem Reparaturlötprozess ..............................................57
4.7.4 Gefügeausbildung der Lötstellen............................................................58
4.7.5 Lötverbindungen nach der Temperaturwechselbelastung ......................59
4.7.6 Gefügeausbildung nach der Temperaturwechselbelastung....................62
5 DISKUSSION DER ERGEBNISSE UND VERGLEICH MIT ERGEBNISSEN AUS DER
LITERATUR .................................................................................................. 67
5.1 PROZESSVERHALTEN......................................................................................67
6 ZUSAMMENFASSUNG UND SCHLUSSFOLGERUNGEN ........................................ 70
6.1 PROZESSVERHALTEN......................................................................................71
6.2 EINFLUSS DER LEITERPLATTEN- BZW. BAUTEILMETALLISIERUNG........................72
6.2.1 Lötverhalten...........................................................................................72
6.2.2 Gefügeeigenschaften und Temperaturwechselbeständigkeit .................73
7 LITERATUR .................................................................................................. 74
8 ABBILDUNGSVERZEICHNIS ............................................................................ 75

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1 Problemstellung
Für die globale Elektrotechnik- und Elektronikindustrie war das Löten mit den bleihaltigen
Lotlegierungen Sn63Pb37, Sn60Pb40 und Sn62Pb36Ag2 bisher die fundamentale
Verbindungstechnologie. Die Lötprozesse sind über Jahrzehnte entwickelt und perfektioniert
worden. Bauelemente, Leiterplattenmaterialien und Endoberflächen, sowie
Hilfsstoffe sind mit den auf bleihaltigen Loten basierenden Technologien und ihren Parametern
abgestimmt.
Zur Verbesserung des Umweltschutzes geführte Diskussionen innerhalb der EU-
Gremien haben inzwischen zu einer Verabschiedung der beiden Richtlinien zur Entsorgung
von Elektro- und Elektronikaltgeräten (Waste from Electrical and Electronic
Equipment - WEEE) /1/ und zur Beschränkung der Verwendung gefährlicher Stoffe in
solchen Geräten (Restrictions of the use of certain Hazardous - RoHs) /2/ geführt. Danach
müssen die Mitgliedsstaaten sicherstellen, dass ab dem 01. Juli 2006 neu in Verkehr
gebrachte Elektro- und Elektronikgeräte kein Blei, Quecksilber, Cadmium, sechswertiges
Chrom und polybromiertes Biphenyl bzw. polybromiertes Diphenylether mehr
enthalten. Ausgenommen davon sind Blei in Lötmitteln mit hohem Schmelzpunkt (Zinn-
Blei-Legierungen mit mehr als 85 % Blei), Blei in Lötmitteln für Server, Speichersysteme
und Storage-Array-Systeme (Freistellung bis 2010), Blei in Lötmitteln für Netzinfrastrukturausrüstungen
im Telekommunikationsbereich und Blei in keramischen Elektronikbauteilen.
Neben den Initiativen der Gesetzgebung fragt auch der Markt zunehmend nach bleifrei
gelöteten Elektrogeräten. So bietet z.B. die japanische Consumerindustrie bereits seit
2002 bleifreie Produkte an, um hier Marktvorteile zu gewinnen.
Benötigt werden deshalb bleifreie Lotwerkstoffe, die eine mit den Standardloten vergleichbare
Zuverlässigkeit aufweisen. Gleichzeitig muss die Verarbeitbarkeit dieser
Legierungen mit vorhandenen Fertigungseinrichtungen gewährleistet sein, um bei der
Umstellung auf neue Lote die Investitionskosten möglichst gering zu halten. Um thermische
Schädigungen von den derzeit auf dem Markt vorhandenen Bauelementen und
Leiterplatten beim Lötprozess zu vermeiden, wurden als Alternative Lotwerkstoffe gesucht,
deren Schmelzpunkt 220 °C nicht überschreitet oder im günstigsten Fall im Bereich
des Schmelzpunktes von Zinn-Blei-Legierungen liegen. Eine zusätzliche Forderung
an die neuen Lotwerkstoffe ist eine höhere, thermische Zuverlässigkeit, da elektronische
Baugruppen immer höheren Betriebstemperaturen ausgesetzt werden.

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In den letzten Jahren wurden weltweit zahlreiche intensive Forschungsaktivitäten zu
bleifreien Loten im Rahmen von Projekten gestartet. Als Beispiele seien genannt: Brite
Euram-Projekt „IDEALS - Leadfree Solders“ /3/, MaTech-Projekt „Innolot“ /4/, Produktion
2000-Projekt „hotEL“ /5/ und das Eureka-Projekt „Leadfree“ /6/. Untersucht wurden
zinnreiche, binäre Lote, die zum Teil schon auf dem Markt als Sonderanwendungen
angeboten wurden, aber auch zahlreiche neu entwickelte Mehrstoffsysteme. Weitere
Untersuchungen beschäftigten sich mit Reaktionsloten, die speziell für Hochtemperaturanwendungen
entwickelt wurden /7/.
Die bisherigen Erkenntnisse zeigen, dass keine der untersuchten Legierungen sämtliche
Anforderungen an Schmelzpunkt, Kosten, Verarbeitbarkeit und Zuverlässigkeit
erfüllt und es somit keine „Drop-In-Lösung“ geben wird. Zukünftig stehen deshalb verschiedene
Lotwerkstoffe zur Verfügung, die dann abhängig vom Einsatzgebiet und den
jeweiligen Anforderungen ausgewählt werden müssen.
Anhand der vorliegenden Untersuchungsergebnisse und der bereits auf dem Markt
vorhandenen bleifreien Produkte lässt sich jedoch ein eindeutiger Trend erkennen,
welche Lotwerkstoffe sich etablieren werden. Im NCMS-Report /8/ wurden als Endergebnis
z.B. die Lote Sn3,5Ag, Sn42Bi und SnAgBi als Alternative vorgeschlagen. In
den USA wurde von der NEMI (National Electronics Manufacturing Initiative) eine Task
Force /9/ gegründet, die die Lote Sn3,5Ag, SnAgCu und Sn0,7Cu propagiert. Bleifreie
Produkte aus dem Consumerbereich werden vor allem mit den Loten Sn0,7Cu (z.B.
Nortel) bzw. SnAgBi (z.B. Panasonic) angeboten. Weitere Versuche zur Einführung
bleifreier Lote in der Serienfertigung erfolgten mit Sn3,5Ag. So konnten bei der
Fa. Endress+Hauser durch den Einsatz dieses Lotes bei vergossenen Baugruppen in
Durchsteckmontage, die einer Dauertemperaturbelastung von bis zu 150 °C ausgesetzt
waren, eine Verbesserung der Zuverlässigkeit, gegenüber mit Zinn-Blei-
Standardlot verlöteten Baugruppen erreicht werden /10/.
Zu Beginn des Forschungsprojektes wurden in Deutschland folgende Lotwerkstoffe
favorisiert: SnAgCu für das Reflowlöten und Sn0,7Cu für das Wellenlöten. Ein Grund
für die Auswahl von SnAgCu waren u.a. die Ergebnisse des Brite-Euram-Projektes
„IDEALS“ /3/. So ergaben Zuverlässigkeitsuntersuchungen unter Temperaturwechselbelastung
und unter Vibration ein besseres Verhalten, verglichen mit Zinn-Blei-
Lötverbindungen. Ein wesentlicher Vorteil des SnAgCu-Lotes gegenüber Sn3,5Ag
wurde in dem etwas niedrigeren Schmelzpunkt von 217 °C (SnAg: 221 °C) gesehen.
Dadurch können die Löttemperaturen gesenkt und die Temperaturbelastung der Bauteile
und Leiterplatten vermindert werden.

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Weiterhin vermindert der bereits enthaltene Kupferanteil die starke Ablegierung der
Kupfermetallisierung in das zinnreiche Lot. Die Favorisierung des Lotes Sn0,7Cu für
den Consumerbereich und damit für das Wellenlöten, liegt in dem um etwa die Hälfte
niedrigeren Lotpreis, verglichen zu den Zinn-Silber-Loten, begründet.
Die inzwischen vorhandenen Ergebnisse zu den Loten SnAgCu und Sn0,7Cu sind lückenhaft
und decken nur einen Teil möglicher Parameterkombinationen ab. Eine Übertragbarkeit
auf andere Baugruppenkombinationen, Lötverfahren, Leiterplatten und
Bauelemente ist nur eingeschränkt möglich. Weiterhin fehlen Felderfahrungen, die sich
über einen längeren Zeitraum erstrecken. Verglichen zu den Untersuchungen und Erfahrungen,
die mit Zinn-Blei-Loten vorliegen und die in einem Zeitraum von über
30 Jahren Einsatz erarbeitet wurden, sind die derzeit vorliegenden Kenntnisse zu bleifreien
Loten eher minimal. Um einen Großteil der heute verwendeten Baugruppenkonfigurationen
auf diese Lote, ohne Beeinträchtigung der Qualität und Zuverlässigkeit der
Verbindungen umstellen zu können, sind deshalb noch zahlreiche, ergänzende Untersuchungen
erforderlich.