Vor- und Nachteile der verschiedenen Legierungen für bleifreie Lote

Die richtige Wahl

Welche Legierung als Ersatz für bleifreie Lote geeignet ist, muss im Einzelfall entschieden werden
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Die durch den gesetzliche Nachdruck ausgelösten Anstrengungen der Industrie, bleifreie Lötmittel zu entwickeln, haben für den Anwender vor allem eines gebracht: Eine große Auswahl an unterschiedlichen Legierungen, die alle je nach Anwendung ihre spezifischen Vor- und Nachteile aufweisen. Hier den Überblick zu bewahren und die richtige Auswahl zu treffen, ist vor allem für kleinere und mittelständische Unternehmen ohne eigene Forschungsabteilung nicht immer einfach.

Adopt, Grödig, Österreich

Viele der neuen Produkte enthalten, um die gewünschten Löteigenschaften zu erreichen, einen hohen Zinnanteil kombiniert mit verschiedenen anderen Elementen. Die einfachsten Lote sind binäre Legierungen, wie sie schon seit vielen Jahren außerhalb der Elektronikfertigung verwendet werden.
Zinn/Blei-Legierungen haben sich dabei deshalb als Standard durchgesetzt, weil sie die Anforderungen der Elektronikindustrie am besten erfüllt haben. Durch den verstärkten gesetzlichen Druck, bleihaltige Lote aus dem Produktionsprozess zu verbannen, erscheinen nun auch einige bisher als selbstverständlich angesehene Eigenschaften von Zinn/Blei-Loten in einem neuen Licht. So erreicht man mit einigen der bleifreien Legierungen deutlich festere und härtere Lötverbindungen sowie eine größere Lebensdauer bei mechanischer Beanspruchung oder erhöhten Umgebungstemperaturen. Allerdings gibt es hier enorme Unterschiede zwischen den einzelnen Legierungen. Daher macht es sich durchaus bezahlt, sich vor der Implementierung eines Bleifrei-Prozesses in der Fertigung eingehend mit den Vor- und Nachteilen der einzelnen Legierungen auseinanderzusetzen.
Schmelzpunkte
Die meisten bleifreien Lote haben einen höheren Schmelzpunkt als Zinn/Blei. Ausnahmen sind hier vor allem Indium- und Wismut-Legierungen, die deutlich niedrigere Schmelzpunkte aufweisen.
Das Hauptproblem bei Indium-Legierungen sind die Kosten. Mit einem ca. 50 mal höheren Preis als Zinn/Blei und einer weltweiten Jahresproduktion von nur ca. 200 Tonnen kommen diese Legierungen wohl nur für Sonderanwendungen in Frage. Typisches Anwendungsgebiet ist die Verarbeitung von extrem temperaturempfindlichen Bauteilen bei sehr geringer mechanischer Beanspruchung der Lötstellen. Auch die Umgebungsbedingungen des fertigen Produktes dürfen nicht allzu rauh sein.
Wismut-Legierungen bieten niedrige Schmelzpunkte auf einem ähnlichen Preisniveau wie Zinn/Blei-Legierungen. Allerdings sind diese Lötverbindungen relativ spröde. Und wenn die Legierung während des Aufschmelzens zusätzlich Blei aufnimmt, sinkt die Schmelztemperatur nochmals und die Verbindung wird noch spröder. Dagegen ist die Zugfestigkeit von Wismut-Legierungen gar nicht schlecht, es kommt bei mechanischer Beanspruchung aber sehr schnell zu Ermüdungsbrüchen.
Zinn/Silber (96/4) ist eine relativ weit verbreitete und auch erprobte Lösung, vor allem im Hybrid-Bereich. Allerdings ist die Schmelztemperatur von 260 °C für viele SMT-Anwendungen zu hoch.
Zinn, Silber, Kupfer & Co.
Eine vielversprechende Familie Reihe von bleifreien Loten sind Zinn/Silber/Kupfer-Legierungen. Die Rohstoffvorräte sind ausreichend, und auch die typischen Löteigenschaften wie Benetzung, Festigkeit der Lötstellen und Lebensdauer bei mechanischem Stress sind zufriedenstellend. Durch Zugabe von Antimon lässt sich auch noch die Bildung intermetallischer Verbindungen mit Kupfer bei 125 °C unterbinden. Diese Eigenschaft von Antimon ist schon lange bekannt. So wurden im militärischen Bereich schon bisher bei Zinn/Blei Legierungen 0,2 bis 0,5 % Antimon zugesetzt, um die Lebensdauer bei Temperaturwechsel-Beanspruchungen zu erhöhen. Allerdings müssen in diesem Zusammenhang auch die toxischen Eigenschaften von Antimon diskutiert werden.
Für´s erste bieten sich damit Zinn/Silber/Kupfer-Legierungen (ev. mit Antimon-Zusatz) als Alternative für die klassische Zinn/Blei Lötung an, entsprechend viele Produkte werden mittlerweile auch aus dieser Familie angeboten. Es lohnt sich also, diese Legierungen noch etwas näher zu betrachten: Die reine Zinn/Kupfer-Legierung (Sn 99,3/Cu 0,7) liegt vom Schmelzpunkt her relativ hoch (227 °C), benetzt schlecht und verursacht beim Wellenlöten sehr viel Krätze. Um trotzdem ordentliche Lötergebnisse zu erzielen, ist in vielen Fällen der Einsatz von Schutzgas-Lötanlagen und/oder aggressiveren Flussmitteln notwendig.
Zinn/Silber-Legierungen (Sn/Ag 3,5-4,0 %) sind zum einen durch den hohen Silberanteil relativ teuer (speziell Barrenlot und Lötdraht), zum anderen können sich die unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten negativ auf die Zuverlässigkeit der Lötstelle auswirken. Außerdem verursachen Zinn/Silber-Legierungen deutlich mehr Krätze, nehmen mehr Kupfer auf und neigen stärker zur Bildung intermetallischer Zonen als Zinn/Silber/Kupfer-Legierungen.
Bei diesen Legierungen (Sn/Ag 3,5-4,0 %/Cu) ist die Lage noch etwas komplizierter: Das Preisniveau ist in diesem Fall auch kaum besser als bei Zinn/Silber. Ein niedrigerer Silberanteil wäre daher wünschenswert. Viele dieser Legierungen benetzen zudem schlechter als Zinn/Blei. Es wurde schon in vielen Untersuchungen nachgewiesen, dass Legierungen mit einem Silberanteil unter 3 % besser benetzen als Legierungen mit höherem Silbergehalt.
Vor allem in den USA kommen dazu noch patentrechtliche Probleme. So gibt es unter anderem Patente, die nicht nur die Legierung des Lotes, sondern auch die der Lötstelle mit einschließen. Vielzitiertes Beispiel ist dabei ein Patent von Ames Laboratory: Dieses Patent deckt alle Zinn/Silber (3,5 – 7,7 %)/Kupfer (1,0 – 4,0 %)/Wismut (0 – 10 %)/Zink (0 – 1 %)-Legierungen ab.
Da, wie Versuche gezeigt haben, Legierungen wie Sn 95,8/Ag 3,5/ Cu 0,7 während des Lötprozesses ca. 0,5 % Kupfer aufnehmen können, kann damit auch die Verwendung nicht geschützter Legierungen zur Produktion von Produkten führen, die gegen das Patentrecht verstoßen, der Rechtsbrecher wäre in diesem Fall der Fertiger.
Zinn/Silber/Kupfer mit Antimonzusatz (Sn 96,2/Ag 2,5/Cu 0,8/Sb 0,5), patentiert unter dem Namen Castin durch AIM ist durch den geringeren Silberanteil kostengünstiger als Zinn/Silber/Kupfer, liegt vom Schmelzpunkt ähnlich (217 °C) und ist, speziell bei Hochtemperatur-Anwendungen, zuverlässiger. Nachteil: Durch den Patentinhaber könnte die Verbreitung eingeschränkt werden. Es wurden allerdings bereits Lizenzen an andere Hersteller vergeben.
Bleibt die Frage: Wie gefährlich ist das Antimon in dieser Legierung? Die gefährlichsten Formen dieses Elementes, organisch-metallische Verbindungen, entstehen beim Lötprozess nicht. Erstaunlicherweise wird sogar in Trinkwassersystemen und Behältern im Nahrungsmittelbereich Antimon eingesetzt (7 – 9 % bei Zinngefäßen). Bei Umwelttests mit dieser Legierung konnte bisher auch noch kein Ausschwemmen von Antimon, Silber oder Kupfer (z.B. ins Grundwasser) festgestellt werden.
Die Entscheidung für die eine oder andere Legierung wird jedenfalls in jedem einzelnen Anwendungsfall neu zu treffen sein. Eine allgemein gültige Standardlösung ist (noch) nicht in Sicht.
EPP 196
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