SB_49000ZLP

2003
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Oberflächentechnik für die
Bearbeitung bleifreier Lote
in Lötmaschinen

„Oberflächentechnik für bleifreies Löten“
Inhaltsverzeichnis
0 Zusammenfassung...................................................................................... III
1 Einleitung ..................................................................................................... 1
2 Problemstellung............................................................................................ 2
2.1 Motivation..................................................................................................... 2
2.2 Wissenschaftliche Zielstellung...................................................................... 4
3 Bisheriger Stand der Wissenschaft und Technik.......................................... 6
3.1 Löten in der Elektronik.................................................................................. 6
3.2 Lotwerkstoffe in der Elektronik ..................................................................... 7
3.2.1 Bedeutung der Zinn-Blei-Lote....................................................................... 8
3.2.2 Alternativen zu bleihaltigen Loten................................................................. 8
3.3 Bisherige Probleme bei der Verarbeitung bleifreier Lote.............................. 9
3.4 Beschichtungen zum Schutz von Lötanlagen............................................. 12
4 Versuchsdurchführung ............................................................................... 13
4.1 Substratwerkstoffe...................................................................................... 13
4.2 Lotlegierung SnCu0,7................................................................................. 14
4.3 Schichten und Schichtsysteme................................................................... 16
4.3.1 Chromschichten ......................................................................................... 17
4.3.1.1 Chromoxidschichten ............................................................................... 17
4.3.1.2 Grundlagen zum galvanischen Abscheiden............................................ 17
4.3.1.3 Galvanische Hartchromschichten ........................................................... 18
4.3.1.4 Heiß-/Hartchrom-Kombinationsschichten ............................................... 20
4.3.1.5 Oxidierte und plasmanitrierte gal Hartchromschichten ........................... 21
4.3.2 Metalloide Hartstoffschichten und Anorganische Polymerschichten .......... 22
4.3.2.1 Grundlagen............................................................................................. 22
4.3.2.2 Herstellung von Eisennitrid- und anorganischen Polymerschichten ....... 24
VII

„Oberflächentechnik für bleifreies Löten“
4.3.3 Arc-PVD-Schichtsysteme ........................................................................... 25
4.3.4 Thermisch gespritzte Schutzschichten....................................................... 25
4.3.4.1 Grundlagen............................................................................................. 25
4.3.4.2 Das Atmosphärische Plasmaspritzen ..................................................... 27
4.3.4.3 Parameteroptimierung ............................................................................ 28
4.3.4.4 Thermowechselversuche........................................................................ 28
4.3.5 Dünnschichten aus Siliziumdioxid .............................................................. 29
4.3.5.1 Grundlagen Quarzschichten ................................................................... 29
4.3.5.2 SiO 2 -Schichten aus dem AP CVD-Prozess ............................................ 29
4.4 Demonstrator.............................................................................................. 30
4.5 Auslagerungsversuche............................................................................... 31
4.5.1 Statische Auslagerungsversuche ohne Flussmittel .................................... 31
4.5.2 Statische Auslagerungsversuche mit Flussmittel ....................................... 32
4.5.3 Dynamische Auslagerungsversuche .......................................................... 33
4.5.4 Auslagerungsversuche unter betriebsnahen Bedingungen ........................ 34
4.6 Präparation und Charakterisierung............................................................. 34
5 Ergebnisse und Diskussion ........................................................................ 36
5.1 Technologische Erkenntnisse..................................................................... 36
5.1.1 Chem Ni / gal Cr-Kombinationsschichten................................................... 36
5.1.2 Oxidierte und plasmanitrierte gal Hartchromschichten............................... 36
5.1.3 Eisennitridschichten auf Baustählen........................................................... 37
5.1.4 Anorganische Polymerschichten auf Baustählen ....................................... 38
5.1.5 Thermisch gespritzte Schichten ................................................................. 40
5.1.6 Bestimmung der Stahlauflösungsgeschwindigkeit...................................... 41
5.2 Mikroskopische Charakterisierung statisch ausgelagerter Schutzschichten .. 42
5.2.1 Unbeschichteter Stahl 1.4571 .................................................................... 42
VIII

„Oberflächentechnik für bleifreies Löten“
5.2.2 Chromschichten ......................................................................................... 43
5.2.2.1 Chromoxidschichten ............................................................................... 43
5.2.2.2 Galvanische Hartchromschichten, hergestellt im Labormaßstab............ 45
5.2.2.3 Chromschichten, industrielle Fertigung................................................... 47
5.2.3 Anorganische Polymerschichten ................................................................ 48
5.2.4 Arc-PVD-Schichtsysteme ........................................................................... 50
5.2.4 APS Schichtsysteme .................................................................................. 51
5.2.5 SiO 2 Dünnschichten ................................................................................... 52
5.2.6 Charakterisierung von Schutzschichten unter Einbeziehung von Flussmitteln
................................................................................................................... 52
5.3 Charakterisierung dynamisch ausgelagerter Schutzschichten ................... 54
5.4 Charakterisierung betriebsnah ausgelagerter Schutzschichten.................. 56
6 Schlussfolgerungen.................................................................................... 59
6.1 Wissenschaftlich technischer Nutzen......................................................... 59
6.1.1 Allgemeine technologische Aussagen........................................................ 59
6.1.2 Allgemeine Einschätzung der Schichteigenschaften.................................. 59
6.2 Wirtschaftlicher Nutzen, insbesondere für kmU.......................................... 61
6.3 Neuigkeitsgehalt......................................................................................... 62
6.4 Industrielle Anwendungsmöglichkeiten ...................................................... 62
7 Publikationen.............................................................................................. 64
7.1 Bisherige Veröffentlichungen...................................................................... 64
7.2 Angenommene Vorträge ............................................................................ 64
8 Literatur ...................................................................................................... 65
IX

„Oberflächentechnik für bleifreies Löten“
1 Einleitung
Vor 10 Jahren wurden auf der Konferenz der Vereinten Nationen über Umwelt und
Entwicklung in Rio de Janeiro mit der Agenda 21 Richtlinien für das 21. Jahrhundert
erarbeitet. „Nachhaltige Entwicklung - Sustainable Development“ wurde zum Leitmotiv
für die weitere globale wirtschaftliche und gesellschaftliche Entwicklung und ist
nachstehend definiert: Unter einer dauerhaften (nachhaltigen) Entwicklung wird eine
Entwicklung verstanden, die die Bedürfnisse der Gegenwart befriedigt, ohne zu
riskieren, dass künftige Generationen ihre eigenen Bedürfnisse nicht befriedigen
können. (...) Dementsprechend müssen die Ziele wirtschaftlicher und sozialer
Entwicklung im Hinblick auf die Dauerhaftigkeit in allen Ländern definiert werden
(Abschlussbericht der UN-Weltkommission für Umwelt und Entwicklung, Titel „Our
common future, 1987).
Bislang wurden nur wenige Ziele der Agenda 21 erreicht. Dennoch gibt es Ansätze,
diese Agenda umzusetzen. So wird es in naher Zukunft bei den Themen Recycling/Rücknahme
sowie Verbot bestimmter Stoffe große Veränderungen geben. Diese
betreffen besonders die Automobil- und Elektronikbranche. Eine dieser Änderungen
wird das Verbot von Blei sein. Es ist daher notwendig, rechtzeitig bleifreie Alternativen
zu entwickeln, um den Umstellungsprozess auf neue Technologien sicher
vollziehen zu können.
1

„Oberflächentechnik für bleifreies Löten“
2 Problemstellung
2.1 Motivation
Substitution bleihaltiger Lote
Die Philosophie zur Bereitstellung „grüner“ Produkte umfasst alle Phasen des
Produktlebenszyklus von den Rohstoffen über Herstellung, Gebrauch, Wiederverwertung
bis hin zur Entsorgung. Dazu gehören das Senken des Energieverbrauchs und
CO 2 -Ausstoßes bei Herstellung und Gebrauch, das Erhöhen des Anteils recycelbarer
Materialien und wiederverwendbarer Bauteile und nicht zuletzt das Verringern des
Gebrauchs chemischer Substanzen, die dem menschlichen Körper und dem Ökosystem
schaden können. Dabei nimmt Japan eine Vorreiterrolle ein. Seit April 2001 gilt
in Japan das „Law for Recycling of Specified Home Appliances“, das die Rücknahme
von Heimelektronik regelt. Weiterhin wurde die Deponierung von Müll mit gefährlichen
Inhaltsstoffen, darunter auch Blei, verboten. Konzerne wie Toshiba, Matsusjita,
Sony und Hitachi stellen ihre Produkte auf „green” um und eliminieren in zunehmendem
Maße erfolgreich das Blei. Auch die japanische und amerikanische Automobilindustrie
steigt auf bleifreie Elektronikproduktion um [1]. Damit wird auf die europäische
Industrie ein großer Marktdruck ausgeübt, denn „grüne Produkte” bringen
Marketingvorteile. Ca. 860.000 Arbeitsplätze sind in der europäische Wirtschaft im
Bereich der Elektro- und Elektronikindustrie angesiedelt [2]. Damit wird die Wichtigkeit
der Innovation in diesem Wirtschaftszweig deutlich.
Am 13.6.2000 hat die Kommission der Europäischen Gemeinschaften einen „Vorschlag
für eine Richtlinie des Europäischen Parlaments und des Rates über Elektround
Elektronikaltgeräte” (WEEE, Waste Electrical and Electronic Equipment) und
einen „Vorschlag für eine Richtlinie des Europäischen Parlaments und des Rates zur
Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in elektrischen und
elektronischen Geräten” (RoHS, Restriction on Use of Hazardous Substances
Directives) vorgelegt [3, 4]. Beide Vorschläge haben in verschiedenen EU-Gremien
Änderungen erfahren und sind am 10.4. 2002 in zweiter Lesung in der Kommission
der Europäischen Gemeinschaften verhandelt worden. Das Amtsblatt der Europäischen
Union hat in seiner Ausgabe vom 13. Februar 2003 offiziell die neuen Verordnungen
bekannt gegeben. Damit sind beide in der EU in Kraft getreten und werden
nun bis Sommer 2004 in nationales Recht umgesetzt.
Die Richtlinie WEEE regelt Sammlung und Rücknahme elektrischer und elektronischer
Geräte. Wiederverwendungs-, Recycling- und Verwertungsquoten werden
festgelegt. Der Termin, bis zu dem die Quoten zu erfüllen sind, ist der 31.12.2005 [5].
2

„Oberflächentechnik für bleifreies Löten“
Der Vorschlag zur RoHS betrifft die Stoffe Blei, Cadmium, Quecksilber, sechswertiges
Chrom und die Flammhemmer PBB (polybromierte Biphenole) und PBDE
(polybromierte Diphenylether) in elektrischen und elektronischen Geräten. Diese
Stoffe bereiten beim Recyceln Probleme. Zudem wird es längere Zeit dauern, bis die
Sammelsysteme voll funktionsfähig sind. Solange werden Altgeräte weiterhin im
kommunalen Abfall auftauchen. Deshalb sieht die Kommission den Ersatz dieser
gefährlichen Stoffe als wichtigen Schritt im Umweltschutz. Der Ersatz der genannten
gefährlichen Stoffe soll bis zum 01.01.2006 erfolgen [6]. Im Anhang der Richtlinie
sind besondere Anwendungen von Blei, Quecksilber, Cadmium und sechswertigem
Chrom vom Verbot ausgenommen. Ausgenommen ist Blei:
• als Strahlenschutz
• im Glas von Kathodenstrahlröhren
• in Legierungen von Stahl, Al, Cu in begrenzten Anteilen
• in keramischen Elektronikbauteilen
• in Lötmitteln mit mehr als 85 Masse-% Blei für Sonderanwendungen
• Bleiglas in elektronischen Bauteilen
• in Servern, Speicher- und Serienspeichersystemen (Ausnahmeregelung bis 2010)
• in Bau- u. Ersatzteilen für vor dem 01.01.2006 auf den Markt gekommene Geräte
[4, 6].
Belastungen von Mensch und Umwelt durch Blei
Blei sowie seine Verbindungen zählen zu den starken Umweltgiften. Es reichert sich
in Böden und Lebewesen an und führt zu dauerhaften Schäden. Der Mensch nimmt
Blei über die Nahrung, das Trinkwasser und Einatmen kontaminierter Staubpartikel
auf [7]. In den letzten 10 Jahren wurde in Deutschland eine stetige Abnahme der
Bleiwerte im Blut von Kindern und Erwachsenen festgestellt. Wichtige Ursachen
dafür sind das schrittweise Bleiverbot in Treibstoffen und der Ersatz von Bleimennige
durch blei- und chromatarme Korrosionsschutzstoffe [4].
Einsatzbereiche des Bleis sind Batterien (63 %), fließgepresste Produkte wie Rohre
oder Bauprodukte (9 %), Treibstoffzusätze (2 %), Pigmente, Stabilisatoren in PVC
und andere. Zwischen 1,5 und 2,5 % des insgesamt verwendeten Bleis findet Einsatz
bei elektrischen und elektronischen Geräten. Bei Elektro- und Elektronikgeräten ist
Blei vor allem im Lötmittel gedruckter Leiterplatten, im Glas von Kathodenstrahlröhren,
im Lötmittel und im Glas von Glühbirnen und Leuchtstoffröhren enthalten. Die
Kathodenstrahlröhren eines PC enthalten etwa 0,4 kg Blei, ein Fernseher etwa 2 kg
[3]. Somit mündet nur ca. 0,5 % der Bleiproduktion in die Elektroniklote [8].
3