Profi-Tipp für Bleifrei-Prozesse Das Kupferproblem bei der Heissverzinnung von Leiterplatten

Egal ob vertikale oder horizontale Heissverzinnung, egal welcher Anlagenhersteller - das Problem ist das gleiche. Im Laufe des Verzinnungsprozesses steigt der Kupfergehalt im Lotbad und damit die Arbeitstemperatur. Bleifrei-Experte Thomas Berger erklärt, wie sich das Kupferproblem zu vertretbaren Kosten lösen und der Heissverzinnungsprozess optimieren lässt: Durch Ausfrieren von Kupfer bei bleifreien Legierungen am Beispiel Zinn-Kupfer-Nickel.

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Das größte Problem bei der Heissverzinnung mit bleifreien Loten ist die Anreicherung des Lotbades mit Kupfer - ganz egal, um welche Anlage es sich handelt. In den von Thomas Berger bereisten Machen die Anlagenhersteller Cemco, Pentagal, Laif und Lantronic mehr als 99% aus und auch der Anteil der installierten vertikalen Anlagen ist mengenmäßig bei ca. 90% anzusiedeln.

Alle Anlagen bzw. Heißverzinnungsprozesse haben das gleiche Problem: Kupfer. Mit steigendem Kupfergehalt steigt der Schmelztemperaturbereich der Legierung und dementsprechend die Arbeitstemperatur des Verzinnungsprozesses. Im günstigsten Fall liegt der Kupfergehalt bei etwas über 0,9%.

Dies belegt eine Untersuchung der Universität von Melborne im Auftrag der Firma Nihon Superior - siehe Bild 1 und 2. Interessant ist, dass sich dieses Ergebnis genau mit den Analysen aus dem Labor betätigt. Dabei wurde die Gaußsche Verteilung von über 5600 HAL-Proben ermittelt.

Im Arbeitsbereich liegt die Verzinnungstemperatur bei ca. 265 bis 275°C. Diese Temperatur ist für nahezu alle Basismaterialien geeignet. Auch CEM1-Platten sind kein Problem. Allerdings steigt mit dem Verzinnungsprozess auch der Kupfergehalt der Legierung an. Dieser Effekt ist bereits aus dem bleihaltigen Zeitalter hinreichend bekannt. Wird beispielsweise die Legierung Zinn-Kupfer-Nickel (SnCuNi) mit ca. 0,3% Cu angereichert, dann steigt die Verzinnungstemperatur auf bis zu 285°C.

So lässt sich Kupfer aus einer bleifreien Legierung ausfrieren

In diesem Fall gibt es zwei Möglichkeiten, den Kupferhaushalt zu regulieren. Möglichkeit 1: Durch Ersetzen eines Teils des Lotes durch frisches kupferfreies Material. Möglichkeit 2: Durch so genanntes Ausfrieren. Bei bleihaltigem Lot wie SN63Pb37 hat man beim Ausfrieren die Temperatur der Anlage auf ca. 190°C heruntergefahren. Dadurch hat sich das SnCu nach oben auskristallisiert und konnte mit einem Sieblöffel abgeschöpft werden. Auf diese Weise konnte man den Prozess stabil halten.

Bei bleifreiem Material ist die Situation etwas anders. Bei einer SnCuNi-Legierung kann das Ausfrieren folgendermaßen erfolgen: Da bleihaltiges Material wie Sn63Pb eine höhere Dichte hat als SnCu, konnte das Kupfer oben abgeschöpft werden. Bleifreies SnCuNi hat aber eine um 10% niedrigere Dichte als SnPb und auch als das SnCu2-3. Deshalb fällt bei diesen Legierungen das SnCu beim Absenken der Temperatur nach unten aus. Die Folge ist, dass man das Material zwar nicht sehen, aber doch fühlen kann.

Das Ausfrieren lässt sich wie „Sand aus dem Wasser holen“ beschreiben. Je nach Anlage senkt man die Temperatur bei SnCuNi auf ca. 235 °C und wartet mindestens 2 Stunden - besser noch über Nacht. Danach kann man mit einem geeigneten Werkzeug das hoch-kupferhaltige Material von unten aus dem Lot herausholen - siehe Bild 3.

Auf diese Weise senkt man den Kupferwert im Bad wieder auf ca. 0,9% und erreicht die optimale erzinnungstemperatur. Dieser Vorgang ist so oft zu wiederholen, bis der Schöpflöffel leer bleibt. Je nach Durchsatz kann dieser Vorgang täglich bis wöchentlich nötig sein. Vorteil: Im Gegensatz zum Austausch des Material sind bei dieser Vorgehensweise die Kosten extrem geringer. Zudem ist die Prozesskonstanz wesentlich höher - Bild 4.

Beim Starten dieser Testreihe sollte man immer eine Lobadprobe vor und nach dem Abschöpfen nehmen und analysieren lassen, um sich von der Optimierung zu überzeugen. Leiterplattenhersteller sollten ihren Lötmittelhersteller nach der richtigen Probennahme fragen. Immer wieder werden hierbei viele Fehler gemacht, die dann zu falschen Resultaten führen. Die Ursachenforschung ist dann sehr schwierig.

Bei der Kupferdiskussion ist auch das Flussmittel zu betrachten. Das Flussmittel löst nicht unerhebliche Mengen Kupfer an, die dann ins Lotbad gelangen. Die Auswahl der richtigen Flussmittel ist ein anderer Aspekt.

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