Löttechnik Die Suche nach einem universellen bleifreien Lötmaterial

Zinn-Silber-Kupfer-Legierungen (SnAgCu) oder eutektiknahe Zinn-Kupfer-Legierungen mit weiteren Zusätzen (SnCu+) – welche Kombination wird sich durchsetzen? Noch ist kein Königsweg in Sicht.

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Seit der Einführung der RoHS-Regelung (Restriction of Hazardous Substances) bevorzugt die Industrie primär zwei Typen von bleifreien Legierungen: Zinn-Silber-Kupfer-Legierungen und eutektiknahe Zinn-Kupfer-Legierungen unter Zusatz verschiedener Elemente in sehr kleinen Mengen. Keine dieser Legierungen ist für alle Anwendungen vollkommen befriedigend, besonders bezüglich der langfristigen Zuverlässigkeit.

Die Kritik entzündet sich hauptsächlich an den Kosten. In allen Fällen sind die Rohstoffe teurer als die der bleihaltigen Legierungen. Vor allem ist klar, dass der Silbergehalt eine sehr große Auswirkung auf die Kosten der Legierungen hat. Für übliche Legierungen gestalten sich die Preise wie in der Tabelle abgebildet. Da die ersten beiden Legierungen durch RoHS verboten sind, hat die Industrie die beiden anderen mit einer Anpassung gewählt, die später erklärt wird.

Ein positives Urteil gibt es für die Legierung 96.5Sn/3.5Ag, die seit langem mit Erfolg benutzt wird und gute Eigenschaften sowie eine hohe Zuverlässigkeit zeigt. Der Preis aber – ca. 4 mal höher als der von üblichen Sn/Pb-Legierungen – ist prohibitiv. Den Silbergehalt der Legierung zu senken und kleine Mengen von Kupfer beizufügen ermöglicht es, die Kosten zu verringern, wobei die mechanischen Eigenschaften und die Benutzungstemperatur weitgehend erhalten bleiben. So sind mehrere Sn/Ag/Cu-Legierungen erschienen, wobei die bekannteste unter dem Namen SAC305 am Markt ist. Diese Legierungen sind billiger, kosten aber immer noch mehr als 35 € pro Kilogramm.

Seit mehreren Jahren wird die Legierung Sn/Cu für alle Anwendungen ohne bedeutende Temperaturschwankungen und ohne Vibrationen eingesetzt wie etwa um Kupferrohre für Trinkwasserleitungen zu verlöten. Für diese Anwendung ist die Sn/Cu Legierung in verschiedenen Ländern, unter anderem auch in Deutschland, vorgeschrieben.

Der Preis dieser Legierung bleibt angemessen, selbst wenn er um etwa 50 Prozent höher ist als Sn/Pb. Um manche auftretenden Probleme zu beheben, haben die Hersteller verschiedene Elemente den Legierungen in sehr kleinen Mengen zugefügt, um die Kristallstruktur zu verändern.

Der Preis der Lötprodukte kann in den Metallwert und den Mehrwert (Overage auf englisch) geteilt werden. Das Overage umfasst die Herstellungskosten, verschiedene Behandlungen, Kontrolle, Verpackung und Finanzierung. Für alle Produkte ist das Overage von der gefertigten Menge abhängig und wird bei größeren Mengen geringer. Dieser Begriff ist manchmal die Basis für bedeutende Lieferverträge, besonders bei Stangen und Barren.

Für Barren und Stangen, die in Lötwellen- und Schlepplötmaschinen benutzt werden, ist das Overage im Vergleich mit dem gesamten Verkaufspreis niedrig (z.Zt. weniger als 20 Prozent). Für Lotdrähte und Lotformteile ist das Overage höher. Es hängt vom Drahtdurchmesser und der Größe der Spulen sowie von der Menge ab (die feinsten Drähte sind die teuersten).

Das Overage ist noch höher für Lötpasten, die für die Herstellung viele verschiedene Arbeitsgänge benötigen. Aus diesem Grund hängen die Verkaufspreise mehr von den technischen Eigenschaften (z. B. Korngröße, Viskosität, Verpackungseinheit) sowie der Liefermenge als von den Metallkosten ab. Das heißt: Eine Steigerung der Metallpreise hat einen geringeren Einfluss auf die Verkaufspreise der Paste.

Metallurgisch gesehen ist die Benetzbarkeit von Kupfer mit Zinn sehr gut. Es ist aber bekannt, dass diese beiden Metalle, auch in festem Zustand, ineinander diffundieren [1]. Diese Diffusion von Zinn ins Kupfer kann die Bildung von intermetallischen Komponenten (Cu3Sn und Cu6Sn5) verursachen, die in der Masse der Legierung eine Art von Nadeln bilden, die die Lötstelle spröde machen [2]. Die Brüchigkeit der Lötstellen ist zufallsbedingt und erscheint häufiger bei thermischen Zyklen (dadurch werden auch mehr intermetallische Verbindungen gebildet) sowie Vibrationen oder Schocks.

Deshalb war bei der Benutzung von Sn/Pb-Legierungen in Lötwellen oder Löttopfen für den Kupfergehalt ein Höchstwert von 0.3% - 0.4% gesetzt [3]. Dadurch war die Wahrscheinlichkeit von Lötstellenbrüchen auch unter schwierigen Bedingungen sehr gering.

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