SB_48000ZLP
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
2003<br />
Abschlussbericht<br />
DVS-Forschung<br />
Verarbeitbarkeit und<br />
Zuverlässigkeit der<br />
bleifreien Lote SnAg3,9<br />
Cu0,6 und SnCu0,7 für das<br />
Reflow-, Wellen- und<br />
Reparaturlöten
AiF 48 ZN / DVS 7.0 IP Bleifrei Welle / Reflow 2<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
1 PROBLEMSTELLUNG....................................................................................... 4<br />
2 ZIELSETZUNG ................................................................................................ 7<br />
3 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG............................................................................ 8<br />
3.1 BENETZUNGSUNTERSUCHUNGEN.......................................................................8<br />
3.1.1 Benetzungskraftmessung mit verschiedenen Loten auf<br />
Kupferoberfläche .....................................................................................8<br />
3.1.2 Benetzungskraftmessung mit SnAg und verschiedenen Oberflächen ......9<br />
3.1.3 Ausbreitungsfläche verschiedener Lote auf unterschiedlichen<br />
Oberflächen .............................................................................................9<br />
3.2 UNTERSUCHUNG DES ABLEGIERVERHALTENS...................................................10<br />
3.2.1 Probengeometrie und Werkstoffe...........................................................10<br />
3.2.2 Versuchsaufbau und Untersuchungsparameter .....................................10<br />
3.2.3 Auswertemethodik .................................................................................11<br />
3.3 VERWENDETE TESTBOARDS............................................................................12<br />
3.4 AUSWAHL DER LOTWERKSTOFFE .....................................................................15<br />
3.5 LOTPASTENQUALIFIKATION..............................................................................16<br />
3.6 LÖTPROZESSE - REFLOW- UND REPARATURLÖTEN...........................................17<br />
3.6.1 Reflowlötprozess ...................................................................................17<br />
3.6.2 Reparaturlötprozess...............................................................................18<br />
3.7 WELLENLÖTPROZESSE....................................................................................18<br />
3.7.1 Wellenlötprozess auf Versuchsniveau....................................................18<br />
3.7.2 Wellenlötprozesse auf Industrieniveau...................................................19<br />
3.8 INSPEKTION DER LÖTVERBINDUNGEN...............................................................21<br />
3.8.1 Optische Inspektion ...............................................................................21<br />
3.8.2 Röntgeninspektion .................................................................................21<br />
3.9 ZUVERLÄSSIGKEITSUNTERSUCHUNGEN ............................................................21<br />
3.10 METALLKUNDLICHE UNTERSUCHUNGEN........................................................22<br />
4 ERGEBNISSE ............................................................................................... 23<br />
4.1 BENETZUNGSUNTERSUCHUNGEN.....................................................................23<br />
4.1.1 Benetzungskräfte in Abhängigkeit des Lotes auf Kupferoberfläche........23<br />
4.1.2 Benetzungskräfte von Sn3,5Ag in Abhängigkeit der BE-Metallisierung ..24<br />
4.1.3 Ausbreitungsflächen von Loten auf unterschiedlichen Oberflächen .......25<br />
4.2 AUFLÖSUNG DES KUPFERS IM LOT DURCH ABLEGIERUNG .................................27<br />
4.3 REFLOWLÖTPROZESS .....................................................................................29<br />
4.3.1 Einfluss des Lötprofils ............................................................................29<br />
4.3.2 Einfluss der Leiterplattenmetallisierung..................................................30<br />
4.3.3 Einfluss der Lotpastenqualität ................................................................31
AiF 48 ZN / DVS 7.0 IP Bleifrei Welle / Reflow 3<br />
4.4 WELLENLÖTPROZESS AUF VERSUCHSNIVEAU ...................................................34<br />
4.4.1 Einfluss der Lötparameter......................................................................34<br />
4.4.2 Einfluss der Flussmittelauswahl .............................................................38<br />
4.4.3 Einfluss der Bauteilanschlussmetallisierung...........................................38<br />
4.5 WELLENLÖTPROZESS AUF INDUSTRIELLER BASIS..............................................39<br />
4.5.1 Wellenlöten mit Sn0,7Cu........................................................................40<br />
4.5.2 Wellenlöten mit Sn100 C........................................................................44<br />
4.5.3 Fehlerbeispiele beim Wellenlöten ..........................................................47<br />
4.5.4 Lotdurchstieg bei Testboard VI ..............................................................49<br />
4.5.5 Lotbrücken und Lötperlen ......................................................................51<br />
4.5.6 Ablegierverhalten vom Kupfer in der industriellen Lotwelle ....................52<br />
4.5.7 Zusammenfassung und Bewertung des industriellen Wellenlötens ........52<br />
4.6 REPARATURLÖTPROZESS................................................................................54<br />
4.7 METALLKUNDLICHE UNTERSUCHUNGEN ...........................................................55<br />
4.7.1 SnAgCu-Lötverbindungen nach dem Reflowprozess .............................55<br />
4.7.2 SnCu-Lötverbindungen nach dem Wellenlötprozess..............................56<br />
4.7.3 Lötstellen nach dem Reparaturlötprozess ..............................................57<br />
4.7.4 Gefügeausbildung der Lötstellen............................................................58<br />
4.7.5 Lötverbindungen nach der Temperaturwechselbelastung ......................59<br />
4.7.6 Gefügeausbildung nach der Temperaturwechselbelastung....................62<br />
5 DISKUSSION DER ERGEBNISSE UND VERGLEICH MIT ERGEBNISSEN AUS DER<br />
LITERATUR .................................................................................................. 67<br />
5.1 PROZESSVERHALTEN......................................................................................67<br />
6 ZUSAMMENFASSUNG UND SCHLUSSFOLGERUNGEN ........................................ 70<br />
6.1 PROZESSVERHALTEN......................................................................................71<br />
6.2 EINFLUSS DER LEITERPLATTEN- BZW. BAUTEILMETALLISIERUNG........................72<br />
6.2.1 Lötverhalten...........................................................................................72<br />
6.2.2 Gefügeeigenschaften und Temperaturwechselbeständigkeit .................73<br />
7 LITERATUR .................................................................................................. 74<br />
8 ABBILDUNGSVERZEICHNIS ............................................................................ 75
AiF 48 ZN / DVS 7.0 IP Bleifrei Welle / Reflow 4<br />
1 Problemstellung<br />
Für die globale Elektrotechnik- und Elektronikindustrie war das Löten mit den bleihaltigen<br />
Lotlegierungen Sn63Pb37, Sn60Pb40 und Sn62Pb36Ag2 bisher die fundamentale<br />
Verbindungstechnologie. Die Lötprozesse sind über Jahrzehnte entwickelt und perfektioniert<br />
worden. Bauelemente, Leiterplattenmaterialien und Endoberflächen, sowie<br />
Hilfsstoffe sind mit den auf bleihaltigen Loten basierenden Technologien und ihren Parametern<br />
abgestimmt.<br />
Zur Verbesserung des Umweltschutzes geführte Diskussionen innerhalb der EU-<br />
Gremien haben inzwischen zu einer Verabschiedung der beiden Richtlinien zur Entsorgung<br />
von Elektro- und Elektronikaltgeräten (Waste from Electrical and Electronic<br />
Equipment - WEEE) /1/ und zur Beschränkung der Verwendung gefährlicher Stoffe in<br />
solchen Geräten (Restrictions of the use of certain Hazardous - RoHs) /2/ geführt. Danach<br />
müssen die Mitgliedsstaaten sicherstellen, dass ab dem 01. Juli 2006 neu in Verkehr<br />
gebrachte Elektro- und Elektronikgeräte kein Blei, Quecksilber, Cadmium, sechswertiges<br />
Chrom und polybromiertes Biphenyl bzw. polybromiertes Diphenylether mehr<br />
enthalten. Ausgenommen davon sind Blei in Lötmitteln mit hohem Schmelzpunkt (Zinn-<br />
Blei-Legierungen mit mehr als 85 % Blei), Blei in Lötmitteln für Server, Speichersysteme<br />
und Storage-Array-Systeme (Freistellung bis 2010), Blei in Lötmitteln für Netzinfrastrukturausrüstungen<br />
im Telekommunikationsbereich und Blei in keramischen Elektronikbauteilen.<br />
Neben den Initiativen der Gesetzgebung fragt auch der Markt zunehmend nach bleifrei<br />
gelöteten Elektrogeräten. So bietet z.B. die japanische Consumerindustrie bereits seit<br />
2002 bleifreie Produkte an, um hier Marktvorteile zu gewinnen.<br />
Benötigt werden deshalb bleifreie Lotwerkstoffe, die eine mit den Standardloten vergleichbare<br />
Zuverlässigkeit aufweisen. Gleichzeitig muss die Verarbeitbarkeit dieser<br />
Legierungen mit vorhandenen Fertigungseinrichtungen gewährleistet sein, um bei der<br />
Umstellung auf neue Lote die Investitionskosten möglichst gering zu halten. Um thermische<br />
Schädigungen von den derzeit auf dem Markt vorhandenen Bauelementen und<br />
Leiterplatten beim Lötprozess zu vermeiden, wurden als Alternative Lotwerkstoffe gesucht,<br />
deren Schmelzpunkt 220 °C nicht überschreitet oder im günstigsten Fall im Bereich<br />
des Schmelzpunktes von Zinn-Blei-Legierungen liegen. Eine zusätzliche Forderung<br />
an die neuen Lotwerkstoffe ist eine höhere, thermische Zuverlässigkeit, da elektronische<br />
Baugruppen immer höheren Betriebstemperaturen ausgesetzt werden.
AiF 48 ZN / DVS 7.0 IP Bleifrei Welle / Reflow 5<br />
In den letzten Jahren wurden weltweit zahlreiche intensive Forschungsaktivitäten zu<br />
bleifreien Loten im Rahmen von Projekten gestartet. Als Beispiele seien genannt: Brite<br />
Euram-Projekt „IDEALS - Leadfree Solders“ /3/, MaTech-Projekt „Innolot“ /4/, Produktion<br />
2000-Projekt „hotEL“ /5/ und das Eureka-Projekt „Leadfree“ /6/. Untersucht wurden<br />
zinnreiche, binäre Lote, die zum Teil schon auf dem Markt als Sonderanwendungen<br />
angeboten wurden, aber auch zahlreiche neu entwickelte Mehrstoffsysteme. Weitere<br />
Untersuchungen beschäftigten sich mit Reaktionsloten, die speziell für Hochtemperaturanwendungen<br />
entwickelt wurden /7/.<br />
Die bisherigen Erkenntnisse zeigen, dass keine der untersuchten Legierungen sämtliche<br />
Anforderungen an Schmelzpunkt, Kosten, Verarbeitbarkeit und Zuverlässigkeit<br />
erfüllt und es somit keine „Drop-In-Lösung“ geben wird. Zukünftig stehen deshalb verschiedene<br />
Lotwerkstoffe zur Verfügung, die dann abhängig vom Einsatzgebiet und den<br />
jeweiligen Anforderungen ausgewählt werden müssen.<br />
Anhand der vorliegenden Untersuchungsergebnisse und der bereits auf dem Markt<br />
vorhandenen bleifreien Produkte lässt sich jedoch ein eindeutiger Trend erkennen,<br />
welche Lotwerkstoffe sich etablieren werden. Im NCMS-Report /8/ wurden als Endergebnis<br />
z.B. die Lote Sn3,5Ag, Sn42Bi und SnAgBi als Alternative vorgeschlagen. In<br />
den USA wurde von der NEMI (National Electronics Manufacturing Initiative) eine Task<br />
Force /9/ gegründet, die die Lote Sn3,5Ag, SnAgCu und Sn0,7Cu propagiert. Bleifreie<br />
Produkte aus dem Consumerbereich werden vor allem mit den Loten Sn0,7Cu (z.B.<br />
Nortel) bzw. SnAgBi (z.B. Panasonic) angeboten. Weitere Versuche zur Einführung<br />
bleifreier Lote in der Serienfertigung erfolgten mit Sn3,5Ag. So konnten bei der<br />
Fa. Endress+Hauser durch den Einsatz dieses Lotes bei vergossenen Baugruppen in<br />
Durchsteckmontage, die einer Dauertemperaturbelastung von bis zu 150 °C ausgesetzt<br />
waren, eine Verbesserung der Zuverlässigkeit, gegenüber mit Zinn-Blei-<br />
Standardlot verlöteten Baugruppen erreicht werden /10/.<br />
Zu Beginn des Forschungsprojektes wurden in Deutschland folgende Lotwerkstoffe<br />
favorisiert: SnAgCu für das Reflowlöten und Sn0,7Cu für das Wellenlöten. Ein Grund<br />
für die Auswahl von SnAgCu waren u.a. die Ergebnisse des Brite-Euram-Projektes<br />
„IDEALS“ /3/. So ergaben Zuverlässigkeitsuntersuchungen unter Temperaturwechselbelastung<br />
und unter Vibration ein besseres Verhalten, verglichen mit Zinn-Blei-<br />
Lötverbindungen. Ein wesentlicher Vorteil des SnAgCu-Lotes gegenüber Sn3,5Ag<br />
wurde in dem etwas niedrigeren Schmelzpunkt von 217 °C (SnAg: 221 °C) gesehen.<br />
Dadurch können die Löttemperaturen gesenkt und die Temperaturbelastung der Bauteile<br />
und Leiterplatten vermindert werden.
AiF 48 ZN / DVS 7.0 IP Bleifrei Welle / Reflow 6<br />
Weiterhin vermindert der bereits enthaltene Kupferanteil die starke Ablegierung der<br />
Kupfermetallisierung in das zinnreiche Lot. Die Favorisierung des Lotes Sn0,7Cu für<br />
den Consumerbereich und damit für das Wellenlöten, liegt in dem um etwa die Hälfte<br />
niedrigeren Lotpreis, verglichen zu den Zinn-Silber-Loten, begründet.<br />
Die inzwischen vorhandenen Ergebnisse zu den Loten SnAgCu und Sn0,7Cu sind lückenhaft<br />
und decken nur einen Teil möglicher Parameterkombinationen ab. Eine Übertragbarkeit<br />
auf andere Baugruppenkombinationen, Lötverfahren, Leiterplatten und<br />
Bauelemente ist nur eingeschränkt möglich. Weiterhin fehlen Felderfahrungen, die sich<br />
über einen längeren Zeitraum erstrecken. Verglichen zu den Untersuchungen und Erfahrungen,<br />
die mit Zinn-Blei-Loten vorliegen und die in einem Zeitraum von über<br />
30 Jahren Einsatz erarbeitet wurden, sind die derzeit vorliegenden Kenntnisse zu bleifreien<br />
Loten eher minimal. Um einen Großteil der heute verwendeten Baugruppenkonfigurationen<br />
auf diese Lote, ohne Beeinträchtigung der Qualität und Zuverlässigkeit der<br />
Verbindungen umstellen zu können, sind deshalb noch zahlreiche, ergänzende Untersuchungen<br />
erforderlich.