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AiF 48 ZN / DVS 7.0 IP Bleifrei Welle / Reflow 4 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.
AiF 48 ZN / DVS 7.0 IP Bleifrei Welle / Reflow 5 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.
Seite 1 und 2: 2003 Abschlussbericht DVS-Forschung
Seite 3: AiF 48 ZN / DVS 7.0 IP Bleifrei Wel

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