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Bleifreie Legierungen

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Anforderungen

Alternative Legierungen sollten relativ kostengünstig sein.
Sie dürfen möglichst keine Schadstoffe enthalten.
Sie dürfen kein potenzielles Risiko für die Umwelt darstellen. Bei Auflistung
nach steigendem Risikofaktor ergibt sich folgende Reihenfolge: Bi > Zn > In > Sn < Cu > Sb > Ag > Pb.
Als Alternativen angebotene Legierungen müssen die handelsüblichen bleifreien Bauteil- und Leiterplattenbeschichtungen benetzen können.
Die Legierungen müssen mit vorhandenen Flussmitteltechnologien und -formeln eingesetzt werden können.
Alternativen müssen zuverlässige Lötstellen garantieren, sie dürfen nicht zu Oxideinschlüssen oder starker Lunkerbildung neigen.
Sie müssen bei relativ niedrigen Temperaturen einsetzbar sein.
Sie müssen korrosionsbeständig sein und dürfen auch nicht zu elektrolytischer Korrosion neigen.
Sie müssen mit Kupfersubstraten, Nickel/Sudgold-Beschichtungen und einer Vielzahl anderer bleifreier oder auch bleihaltiger Substrate kompatibel sein.
Die Legierungen müssen als Stablot, Massivdraht, Formteile, Lotkugeln oder Pasten lieferbar sein.
Die einlegierten Metalle müssen in ausreichender Menge verfügbar sein.
Sie müssen einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisen (< 240°C).
Sie müssen eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
Sie müssen eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen.
Sie müssen leicht zu reparieren sein.
Sie müssen eine gute Festigkeit gewährleisten.
Die Legierungen müssen sich für das Recycling eignen.

Bleifreie Legierungen

    Das in den USA tätige NEMI-Konsortium empfiehlt bei Bestückungsvorgängen für das Reflow-Löten
    SnAg3.9Cu0.6-Legierungen und für das Wellenlöten SnCu0.7-Legierungen. Die Bleifrei-Richtlinie
    der japanischen JEITA (Japanischer Verband der Elektronik- und IT-Industrie) empfiehlt für das
    Reflow-Löten mit SnAg-Legierungen SnAg3.0Cu0.5 und als sekundäre Alternative SnZnBi. Darüber
    hinaus empfiehlt JEITA für das Wellenlöten mit SnCu-Legierungen auch SnAg3.0Cu0.5 als
    sekundäre Alternative. Das europäische IDEALS-Konsortium favorisiert demgegenüber für das
    Reflow-Löten SnAg3.8Cu0.7 und für das Wellenlöten SnAg3.8Cu0.7Sb0.25. Die Bleifrei-Richtlinie
    des europäischen SOLDERTEC-Verbands empfiehlt für das Reflow- und Wellenlöten Legierungen
    aus dem Bereich SnAg(3.4-4.1)Cu(0.45-0.9).

    Damit werden Legierungen der SnAgCu-Familie gegenwärtig weltweit als beste Alternative
    gehandelt. Als echte eutektische Verbindungen wurden die Legierungen aus dem Bereich SnAg(3.5-
    3.8)Cu(0.7-1) festgelegt. NIST definierte SnAg3.5Cu0.9 als wirklich eutektische Legierung.

    In Japan setzen zwei Drittel der Hersteller für das Reflow- und Wellenlöten SnAgCu ein. Für das
    Reflow-Löten bei Bestückungsvorgängen werden auch SnAg-, SnZnBi-, SnAgCuBi- und SnInAgBi-
    Legierungen verwendet, allerdings in geringerem Umfang. Beim Wellenlöten sind die seltener
    eingesetzten Legierungen SnCu und SnAg. Beim manuellen Löten verwenden drei Viertel der
    Hersteller SnAgCu-Legierungen. Dabei wird in Japan bei den SnAgCu-Legierungen vor allem
    SnAg3.0Cu0.5 verwendet. Auch andernorts ist die Tendenz bei der Verwendung dieser Legierung
    steigend.

    Kester besitzt Lizenzen für das Patent Nr. 5.527.628 für SnAgCu(Bi) von ISURF, für das Patent Nr.
    3027441 für SnAgCu(Bi) von Senju-Matsushita und das Patent Nr. 4.879.096 für SnAgBiCu von
    Oatey.

    Im Folgenden finden Sie eine Liste der bleifreien Legierungen geordnet nach Schmelzpunkt. Die
    Liste enthält nicht alle Legierungen. Aus dem Fehlen einer Legierung leitet sich nicht automatisch
    ab, dass diese nicht geeignet ist.

Legierung	Schmelzpunkt °C	Bemerkungen
SnSb5	232-240	Wird in den USA standardmäßig in der Installationstechnik eingesetzt; gute Schubfestigkeit und thermische Ermüdungsbeständigkeit
SnCu2.0Sb0.8Ag0.2	219-235
Sn	232
SnCu0.7	227	Bekannte kostengünstige Alternative für das Wellenlöten
SnAg2.5Cu0.8Sb0.5	217-225	AIM-Patent
SnAg4.0Cu0.5	217-224 *
SnAg3.9Cu0.6	217-223 *	NEMI-Legierung
SnAg3.5	221
SnAg2.5Bi1.0Cu0.5	214-221
SnAg3.0Cu0.5	217-220 *	Führende Legierung in Japan
SnAg3.8Cu0.7	217-218 *
SnAg3.5Cu0.7	217-218 *	Allgemein verwendet
SnAg2.0Bi3.0Cu0.75	207-218
SnAg3.5Cu0.9	217 *	Laut NIST wirklich eutektisch
SnIn4.0Ag3.5Bi0.5	210-215	Mitsui Metal-Patent
SnAg3.4Bi4.8	201-215
SnBi7.5Ag2.0	191-216
SnIn8.0Ag3.5Bi0.5	197-208	Matsushita (Panasonic)-Patent
SnZn9	199	Neigt zu atmosphärischer Korrosion und Oxydation
SnZn8Bi3	191-198	Neigt zu atmosphärischer Korrosion und Oxydation
SnIn20Ag2.8	175-187
SnBi57Ag1	137-139	Motorola-Patent
SnBi58	138
SnIn52	118

    * Hinweis: Zwar herrscht Einigkeit darüber, dass der Schmelzpunkt dieser SnAgCu-Legierungen bei
    ca. 217°C liegt, als Schmelzbereich werden für die Legierungen jedoch z. T. unterschiedliche Werte
    angegeben. Der ausgewiesene Schmelzbereich wird auf der Grundlage des NIST-Phasendiagramms
    geschätzt. Bei 220°C liegt der Festkörpergehalt dieser Legierungen laut NIST jedoch immer bei
    0,1 %.

Materialkosten im Vergleich zu Sn63Pb37*-Legierungen

Legierungsfamilie	Relatives Kostenverhältnis: Sn63Pb37 = 1
SnInAg(Bi)	3.3-3.5
SnAgCu	2.9-3.3
SnAg	3.1
SnAgBi(Cu)	2.4-3.1
SnBiAg(Cu)	2.1-3.1
SnBi	1.7
SnCu	1.5
SnZn(Bi)	1.4

* Hinweis: Die Kosten wurden basierend auf dem Marktpreis der Metalle berechnet.

Physikalische Eigenschaften bleifreier Legierungen

SnAgCu(Bi)-Legierungen

Bleifreie Alternative mit höherem Schmelzpunkt. SnAgCu-Legierungen gelten in der Elektronikbranche als Standard. In den meisten Fällen weisen sie im Vergleich zu SnPb-Legierungen die gleiche oder eine bessere thermische Ermüdungsbeständigkeit auf.
Die Oberflächenspannung ist bei diesen Materialien höher, ihre Benetzungseigenschaften sind schlechter als bei SnPb-Legierungen.
Ag bietet im Vergleich zu Pb eine höhere Festigkeit bei geringerer Duktilität.
Durch Cu sinkt der Schmelzpunkt des Lots, die thermische Ermüdungsbeständigkeit verbessert sich ebenso wie die Benetzbarkeit. Cu verzögert während des Lötvorgangs die Auflösung der Kupferbestandteile des Basismaterials oder der Bauteile im geschmolzenen Lot.
Durch Bi sinkt der Schmelzpunkt des Lots, die Benetzbarkeit verbessert sich. Bei bleihaltigen heiß verzinnten Leiterplatten (HASL) oder Bauteilen kann die thermische Ermüdungsbeständigkeit durch Bi herabgesetzt werden, da sich Sn16Pb32Bi52 (Schmelzpunkt=95°C) bilden und zwischen Lot und Beschichtung einlagern kann (Fillet Lifting).

SnBi58(Ag)-Legierung

Eine bleifreie Alternative mit niedrigem Schmelzpunkt für elektronische Konsumartikel. Aufgrund der geringen Schmelztemperatur kommt die Legierung bei Anwendungen mit einer Betriebstemperatur um 138°C nicht in Frage.
Durch den großen Bi-Anteil wird zwar die Schmelztemperatur des Lots stark gesenkt, es ist dadurch jedoch auch brüchiger. Bi verbessert die Benetzungseigenschaften, allerdings relativiert sich dieser Vorzug durch die stärkere Oxydationsbereitschaft. Bei bleihaltigen heiß verzinnten Leiterplatten (HASL) oder Bauteilen kann die thermische Ermüdungsbeständigkeit durch Bi herabgesetzt werden, da sich Sn16Pb32Bi52 (Schmelzpunkt=95°C) bilden und zwischen Lot und Beschichtung einlagern kann (Fillet Lifting).
Durch Einlegierung eines geringen Silberanteils können Festigkeit und thermische Ermüdungsbeständigkeit verbessert werden. Dies setzt jedoch voraus, dass kein Material Blei enthält.

SnZn(Bi)-Legierung

Bleifreie Alternative mit moderatem, nur wenig über SnPb gelagerten Schmelzpunkt.
Durch Zn wird der Schmelzpunkt gesenkt, allerdings weist es eine höhere Oxydationsgeschwindigkeit auf und ist weniger korrosionsbeständig. Aufgrund der hohen Oxydationsbereitschaft kommt das Material beim Wellenlöten nicht in Frage. Durch die hohe Reaktionsfähigkeit des Zink sind Schablonenstandzeit oder Haltbarkeit der Lotpaste ggf. geringer als bei anderen Legierungen.
Durch Bi wird der Schmelzpunkt weiter gesenkt, es verbessert die Benetzungeigenschaften und in geringem Maße auch die Korrosionsbeständigkeit. Bei bleihaltigen heiß verzinnten Leiterplatten (HASL) oder Bauteilen kann die thermische Ermüdungsbeständigkeit durch Bi herabgesetzt werden, da sich Sn16Pb32Bi52 (Schmelzpunkt=95°C) bilden und zwischen Lot und Beschichtung einlagern kann (Fillet Lifting).

SnInAgBi-Legierung

Bleifreie Alternative mit moderater Schmelztemperatur, die unter SnAgCu liegt.
Durch Ag verbessert sich die Festigkeit der Legierung.
Durch Indium wird der Schmelzpunkt gesenkt. Indium ist ein duktiles Material. Bei bleihaltigen heiß verzinnten Leiterplatten (HASL) oder Bauteilen bildet das Indium eine ternäre Verbindung, deren Phasenübergang bei 114°C liegt.
Durch Bi wird der Schmelzpunkt weiter gesenkt, und die Benetzungseigenschaften verbessern sich. Bei bleihaltigen heiß verzinnten Leiterplatten (HASL) oder Bauteilen kann die thermische Ermüdungsbeständigkeit durch Bi herabgesetzt werden, da sich Sn16Pb32Bi52 (Schmelzpunkt=95°C) bilden und zwischen Lot und Beschichtung einlagern kann (Fillet Lifting.