Die Suche nach einem universellen bleifreien Lötmaterial

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Der Zweck bestimmt die Wahl von Legierung und Flussmittel

Diese Sachverhalte sind sehr beunruhigend, besonders für Sn/Cu-Legierungen. Um diese Gefahr zu vermindern, haben die Legierungshersteller verschiedene Elemente (Nickel, Germanium, Indium, seltene Metalle, Seltene Erden, manchmal Microlegierung genannt) in sehr kleinen Mengen hinzugefügt [4]. Dadurch wird die kristalline Struktur geändert und die intermetallische Komponenten zeigen sich unter dem Mikroskop weniger evident. Man könnte annehmen, dass das Risiko von Brüchen kleiner wird. Es fehlt aber eine genügend lange Betrachtungsdauer, um sich dessen sicher zu sein.

Andererseits ist bekannt, dass Verunreinigungen in einer Zinnlegierung die Benetzbarkeit reduzieren [5]. Die Zusatzelemente dürfen deshalb nur in geringer Menge eingesetzt werden. Diese intermetallischen Komponente erscheinen ebenso in den Sn/Cu-Legierungen wie in den Sn/Ag/Cu-Legierungen (u. A. SAC 305).

Ein sehr wichtiger Punkt für die Wahl der Lotlegierung ist die Zuverlässigkeit der Lötstellen. Um das Altern der Lötverbindungen zu simulieren (beschleunigte Alterung) und die Zuverlässigkeit der Verbindungen vorauszuberechnen, wurden mehrere Tests entwickelt. Bei sämtlichen dieser Tests geht es aber immer um bleihaltige Legierungen. Wir wissen nicht, ob diese Tests auch für bleifreie Legierungen gültig sind. Dafür sollte man die Ergebnisse einer beschleunigten Alterung mit Lötstellen vergleichen, die mehrere Jahre in einer normalen Umgebung funktioniert haben.

Auf Grund der voraussehbaren Entwicklung der mikroskopischen Struktur der Verbindungen (intermetallische Komponente), beeinflusst durch Parameter wie thermische Zyklen, Vibrationen, mechanische Ermüdung, Schocks, und Ähnliches, ist die Zuverlässigkeit von der Funktion der hergestellten Produkte abhängig. Zum Beispiel kann eine bestimmte Legierung für die Programmiereinheit einer Waschmaschine (Vibrationen und geringe thermische Zyklen) zuverlässig sein, aber nicht für einen Sensor unter der Motorhaube eines PKW (Vibrationen und bedeutende thermische Zyklen).

Deshalb gibt es keine universelle bleifreie Lotlegierung, es sei denn die Kosten der Rohstoffe werden nicht in Betracht gezogen. In allen Fällen ist es empfehlenswert, für jede vorgesehene Anwendung die Legierung und die dazu passenden Hilfsprodukte (Flussmittel) zu qualifizieren.

Vor der Einführung von RoHS-Regelungen waren Sn/Pb-Legierungen an die meisten Anwendungen angepasst. Für das Löten von versilberter Keramik wurde die ternäre eutektische Legierung 62Sn/36Pb/2Ag eingesetzt [3], um durch das Silber im Lot die Lösung von Silber aus der Keramik ins Zinn (Leaching) zu reduzieren. Wenn die RoHS-Regelung angewendet werden muss, hängt die Wahl der Legierung von der Endanwendung der elektronischen Baugruppen ab.

Die billigste Legierung (Sn/Cu-Eutektikum) kann bei Anwendungen ohne thermische Zyklen und ohne Vibrationen risikofrei benutzt werden. Für dieselben Anwendungen, aber mit versilberten Komponenten, wird eine Legierung Sn/Ag/Cu (wie SAC305) bevorzugt, um das Leaching zu beschränken.

Für elektronische Baugruppen, die Vibrationen, Schocks, und/oder bedeutenden thermischen Zyklen ausgesetzt sind, wird die eutektische Legierung 96.5Sn/3.5Ag, deren Zuverlässigkeit seit Jahren bekannt ist, empfohlen. Der Preis dieser Legierung ist zwar wesentlich höher, bleibt aber immer noch gering im Verhältnis zum Preis der gefertigten elektronischen Baugruppe (Flugzeuge, Autos, manche Haushaltsgeräte).

Quellen:

[1] Sabine Schroeder: Artikel über Zinn und Fadenkristalle, präsentiert von Jean Lepagnol auf der Tagung „Brasage 2005“.

[2] Solders and Soldering, 1. Ausgabe 1964, von H. Manko. McGraw-Hill, S. 27ff.

[3] Jean Lepagnol: Paramètres critiques, in: Technologie Electronique, Volume 4, Nr. 43, Dezember 1997.

[4] Jean Lepagnol: N'ayons pas peur des mots, in: CIEN MAG, Dezember 2010.

[5] Jean Lepagnol: Importance de la pureté des alliages, Vortrag gehalten am 21. November 1991 auf der Konferenz des Institut de l'Etain in Paris.

* Jean Lepagnol ist der Geschäftsführer der französischen Unternehmensberatung GBS (General Business Services) mit Sitz in Meaux bei Paris.

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