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Welche bleifreien Lotlegierungen werden für
das Wellenlöten empfohlen?
Für das
Wellenlöten werden Sn96.5Ag3.0Cu0.5 und
Sn99.3Cu0.7 empfohlen. Dabei zeichnet sich
SnAgCu im Vergleich zu SnCu durch eine
höhere Benetzungsgeschwindigkeit und bessere
Lötbarkeit aus.
Kann die bisher verwendete Wellenlötanlage
weiter benutzt werden? Welche Änderungen
sind vorzunehmen?
In Bezug auf
die Wellenlötanlage sind verschiedene
Aspekte zu beachten.
- Für das
Vorheizen werden beim bleifreien
Wellenlöten Konvektionsheizgeräte
empfohlen.
- Da das
Zinn des Löttiegelbelags
korrosionsanfällig ist, muss es ggf.
durch einen neuen Belag ersetzt werden.
Verstärkt sich
bei Verwendung bleifreier Legierungen die
Krätzebildung?
Beim Einsatz bleifreier Legierungen
verdoppelt sich die Krätzebildung in etwa.
Bei SnCu bildet sich
etwas weniger Krätze
als bei SnAgCu. Durch Stickstoffabdeckung
des Tiegels kann die
Krätzebildung jedoch
drastisch verringert werden.
Kann das bisher verwendete flüssige
Flussmittel ohne Abstriche auch für
bleifreie Legierungen weiterverwendet
werden?
Bei
Weiterverwendung der ursprünglich für
Sn63-Lote entwickelten Flussmittel
verschlechtern sich
die Benetzung und das
Füllverhalten. Beide sind für zuverlässige
bleifreie Lötverbindungen beim
Wellenlöten
jedoch wichtig. Das Aktivierungspaket in
Flussmitteln für bleifreie Legierungen ist
hitzebeständiger und bleibt bei den etwas
höheren Löttemperaturen stabil. Aufgrund
dieser
thermischen Stabilität bleiben die
Flussmittel während der gesamten Kontaktzeit
mit dem Lot
aktiv. No-Clean-Flussmittel sind
bei hohen Löttemperaturen sehr anfällig.
Wasserlösliche
Flussmittel mit den richtigen
Aktivierungspaketen eignen sich aufgrund des
höheren Gehalts an
Aktivierungssubstanzen
aber u. U. gut für bleifreie Prozesse.
Grundsätzlich wird empfohlen, die
Flüssigflussmittel zu verwenden, die für das
bleifreie Wellenlöten entwickelt wurden.
Muss beim Wellenlöten unter Stickstoff
gearbeitet werden?
Eine
Stickstoffumgebung ist zwar nicht zwingend
erforderlich, kann sich aus den folgenden
Gründen jedoch als vorteilhaft erweisen:
- Durch
Stickstoff wird die Krätzebildung
weitgehend unterbunden.
- Durch
Stickstoff verbessert sich das
Benetzungs- und Verteilungsverhalten des
Lotes auf der Leiterplatte.
- Durch
Stickstoff entstehen glänzendere
Lötstellen und kleinere Kontaktwinkel.
Wie kann Einfluss auf die metallische
Reinheit der Lötlegierungen und Unreinheiten
im Tiegel genommen werden?
Silber und
Kupfer neigen außerhalb des Löttiegels nicht
zur Krätzebildung. Je nach Metallisierung
der Leiterplatte kann Silber (Sudsilber)
oder Kupfer (Kupfer oder OSP-beschichtetes
Kupfer) in
den Löttiegel gelangen. Wenn
reines Zinn in den Tiegel gegeben wird, kann
die Legierung
gesteuert werden. Auf
Verunreinigungen durch Kupfer, Palladium
oder Silber muss geachtet
werden, da sie den
Schmelzpunkt der Legierung erhöhen. So
steigt der Schmelzpunkt einer
bleifreien
Legierung beispielsweise pro 1 %
Kupferzusatz um 25°C.
Unterscheiden
sich die bleifreien Lötstellen in ihrem
Aussehen von Zinn/Blei-Lötstellen?
Bleifreie
Lötstellen sehen anders aus als bleihaltige.
Sie sind nicht so glatt und haben einen
größeren Kontaktwinkel. Die Oberfläche der
Lötstelle kann rissig erscheinen oder sogar
mikroskopische Risse aufweisen. Diese
besondere Oberflächenbeschaffenheit entsteht
beim
Abkühlen der Lötstelle.
Was ist unter
Fillet Lifting zu verstehen, und wie kann
dieser Fehler vermieden werden?
Als Fillet
Lifting wird das Abheben der Lötkehle
bezeichnet. Der Lötfehler wird durch eine
Blei/Bismut-Verbindung verursacht, die aus
dem Blei der heißverzinnten (HASL)
Leiterplatte oder
bleihaltigen, galvanisch
Zinn/Blei-beschichteten Bauteilen und dem
Bismut aus der Lotlegierung
entsteht. Die
Zinn/Blei/Bismut-Schicht bildet sich an der
Oberseite des Basismaterials. Der
Schmelzpunkt der Schicht ist mit 96 °C sehr
niedrig. Während die Lötstelle abkühlt, fest
wird und
sich zusammenzieht, bleibt die
bleihaltige Zwischenschicht auf dem
Basismaterial noch flüssig.
Beim Abkühlen
der Zinn/Blei/Bismut-Verbindung bildet sich
durch die Volumenabnahme eine
Lücke, die
durch das Lot nicht ausgefüllt werden kann.
Dieser Effekt
kann abgeschwächt oder verhindert werden,
indem die Leiterplatte weniger stark
vorgeheizt und die Temperatur des Tiegels
gleichzeitig erhöht wird. Bei dieser
Verfahrensweise ist
jedoch zu
berücksichtigen, dass die Bauteile einem
beträchtlichen Temperaturwechsel ausgesetzt
sind. Eine andere Lösung besteht darin, die
Leiterplatte nach Verlassen der
Wellenlötanlage sehr
schnell abzukühlen. Als
Präventivmaßnahme ist natürlich der Einsatz
bleifreier Materialien zu
empfehlen.
Können die mit Zinn/Blei-Legierungen
verwendeten Flussmittel auch für bleifreie
Lote verwendet werden?
Einige der
Flussmittel für Zinn/Blei-Legierungen können
auch bei bleifreien Loten verwendet
werden.
Die bessere Variante besteht jedoch darin,
ein Flussmittel für bleifreie Prozesse
einzusetzen, da die meisten
Bleifrei-Flussmittel auch für
Zinn/Blei-Lotlegierungen verwendet
werden
können. Bleifreie Flussmittel sind in der
Regel wasserbasiert und VOC-frei, da sie für
die
höheren Temperaturen beim bleifreien
Löten eine stärkere Hitzebeständigkeit
aufweisen müssen.
Welche Kriterien gelten beim Einsatz
flüssiger Flussmittel?
Das wichtigste
Kriterium für die Auswahl eines Flussmittels
ist mit der Frage verbunden, welches
Füllmaterial sich für die Basismaterial- und
Bauteilbeschichtung eignet.
No-Clean-Flussmittel
erfordern bei der
Verwendung eine erhöhte Achtsamkeit und sind
weniger aktiv als
wasserlösliche, auf
organischen Säuren basierende Flussmittel,
die zudem das beste Füllverhalten
aufweisen.
Bei Optimierung der Vorheiztemperatur,
Löttiegeltemperatur und des
Flussmittelvolumens muss die
Bandgeschwindigkeit ggf. reduziert werden,
um bei Verwendung
bleifreier Lote eine gute
Benetzung zu gewährleisten. Das Flussmittel
spielt eine maßgebliche
Rolle, wenn Einbußen
bei der Produktion vermieden werden sollen.
Bei Flussmitteln mit
geringerem
Festkörpergehalt muss die
Bandgeschwindigkeit erhöht werden, damit das
Flussmittel
nicht verbrennt. Bei höherem
Festkörpergehalt sind die Toleranzgrenzen
der Flussmittel weiter
gefasst, d. h., die
Bandgeschwindigkeit muss nicht unbedingt
reduziert werden.
Wie
können die Pb-, Cu- und Fe-Konzentrationen
im bleifreien Löttiegel gesteuert werden?
Welche Maßnahmen müssen ergriffen werden, um
die Grenzen für oben genannte Elemente
einzuhalten?
Beim bleifreien
Wellenlöten müssen die Cu-, Fe- und
Pb-Konzentrationen sehr genau beobachtet
werden.
Eine erhöhte
Cu-Konzentration hat einen höheren
Schmelzpunkt der Legierung und eine stärkere
Viskosität des Lots zufolge. Dies führt zu
einer langsameren Benetzung und schlechteren
Unterfüllung von Hohlräumen. Wenn z. B.
SAC305 verwendet wird, sollte der
Volumenausgleich
des Löttiegel mithilfe von
SAC300 (ohne Kupfer) erfolgen, damit eine
konstante
Kupferkonzentration gewährleistet
werden kann.
Die
Pb-Konzentration muss unter einem Wert von
0,1 Gew.-% gehalten werden. Wenn nicht alle
Komponenten bleifrei sind, erhöht sich die
Pb-Konzentration sehr schnell. Da der
ursprüngliche
Pb-Wert der Lotstangen
zwischen 0,05 % und 0,1 % liegt, kann die
Grenze von 0,1 % sehr schnell
erreicht
werden. Nur eine teilweise Entfernung des
verunreinigten Löttiegels kann die
Pb-
Konzentration wieder unter 0,1 Gew.-%
senken.
Eine erhöhte
Fe-Konzentration im Löttiegel weist darauf
hin, dass sich der Löttiegel auf Grund der
Pb-freien Legierung langsam auflöst. Eine
hohe Sn-Konzentration (alle Pb-freien
Legierungen)
kann weichen unlegierten Stahl
auflösen. In diesem Fall erhöht sich die
Fe-Konzentration rapide,
und auf der
Oberfläche des Löttiegels sind Fe-Kristalle
zu erkennen. Wenn dies auftritt, muss der
Löttiegel ausgetauscht oder beschichtet
werden, und eine neue Lotstange ist
erforderlich.
Der Löttiegel
kann mittels ASS (Atomabsorptionsspektrometrie)
oder ICP(Inductive Couple
Plasma) analysiert
werden. Andere Methoden, wie eine
Röntgenanalyse, sind ebenfalls möglich.
Kester verfügt über Labore, die solche
Analysen (einschließlich XRF) durchführen
können.
Welche
Grenzen sollten beim bleifreien Wellenlöten
hinsichtlich der Verunreinigungen durch z.
B. Blei, Kupfer und Silber eingehalten
werden?
Die empfohlene
Höchstgrenze für Blei beträgt 1000 ppm und
entspricht somit der RoHs-Richtlinie.
Für
Kupfer und Blei im SnAgCu-Löttiegel gibt es
keine branchenüblichen Grenzwerte.
Hinsichtlich
einer Silberverunreinigung wird
jedoch eine Toleranz von +/- 0,2 %
empfohlen. Die
Kupferverunreinigung sollte
unter 1 % liegen. Da Verunreinigungen je
nach Verfahren,
Plattenbeschichtung und
Komponente variieren können, wird den Kunden
angeraten, den
Verunreinigungsgrad im
jeweiligen Produktionsertrag zu überwachen
und dann eine geeignete
Höchstgrenze für die
Fertigungskontrolle zu ermitteln.
Welche
Methode wird für die Zugabe von bleifreiem
Stangenlot empfohlen?
Wenn ein
SnAgCu-Stangenlot als Legierung für das
bleifreie Löten verwendet werden soll, wird
je
nach der verwendeten Plattenbeschichtung
und den Fertigungsbedingungen als bleifreier
Zusatz
zum Löttiegel entweder SnAgCu oder
SnAg3 empfohlen.
Wie
können Risse des SAC-Lots in bleifreien
Verbindungen nach dem Wellenlöten vermieden
werden und kann die Zuverlässigkeit darunter
leiden?
Risse im Lot
treten in der Regel dann auf, wenn beim
Wellenlöten eine bleifreie SAC-Legierung
verwendet wurde und eine Bleiverunreinigung
aufgetreten ist. Dies wird jedoch laut
IPC-610D-
Spezifikation nicht als Fehler
angesehen. In der Regel handelt es sich um
einen reinen
kosmetischen Mangel. Einigen
Studien zufolge führen Lotrisse nicht zu
erkennbaren Einbußen
hinsichtlich der
Zuverlässigkeit. Das Phänomen ist auf eine
unterschiedliche Aushärtung des Lots
zurückzuführen, die durch das Blei in der
Leiterplatte oder der Anschlussbeschichtung
verursacht
wird. Unterschiede in der
Aushärtung des Lots können zum Schrumpfen
des Lots führen, was
wiederum erkennbare
Lotrisse an der Oberfläche zur Folge haben
kann. In einigen Fällen kann die
Konzentration nach dem Auskühlen der Platte
sogar zum Abheben von Lötaugen auf der
Oberfläche des Laminats führen. In einigen
Studien wird berichtet, dass eine Blei- oder
Bismutverunreinigung der Legierung an der
Verbindungsschnittstelle zu
unterschiedlichen
Aushärtungsraten in der
Lötstelle führen kann.
Eine
Möglichkeit, Risse im Lot zu vermeiden,
besteht darin, die Leiterplatte weiter
abzukühlen,
indem z. B. gleich nach der
Wellenlötanlage ein zusätzlicher Kühlbereich
eingerichtet wird. Hier ist
eine enge
Zusammenarbeit mit dem Anlagenhersteller
erforderlich.
Kann
die Krätzebildung (Oxid) bei der Verwendung
von Sn96.5Ag3Cu0.5-Lot verringert werden?
Wenn dem
Sn96.5Ag3Cu0.5-Lot Ge zugefügt wird, kann
die Krätzebildung verringert werden. Ein
Ge-Gehalt (von 0,01 % bis 0,05 %) ist eine
effektive Möglichkeit, die Oxidbildung zu
reduzieren.
Weitere
Ursachen für eine erhöhte Oxidbildung sind
hohe Tiegeltemperaturen, eine turbulente
Wellendynamik und erhöhte
Metallverunreinigungen, wie z. B. Zink,
Eisen oder Kupfer.
Gibt es
ein bleifreies Lot, das die Auflösung von Cu
verhindert?
Bei einem
Cu-Inhalt von 2-6 % im bleifreien Lot kann
eine Auflösung des Kupfers verhindert
werden. Leider führt ein höherer Cu-Gehalt
im Lot auch zu einer Erhöhung des Liquidus.
Höhere
Löttemperaturen können die Zuverlässigkeit
von Bauteilen und Platten beeinträchtigen.
Gewisse Zusätze
von Nickel zu bleifreien Loten, insbesondere
zu SnCu-Lotlegierungen, können
ebenfalls
eine Löttiegelauflösung vermeiden.
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