Legierung für Wellenlötprozesse Steve Brown, Cookson Electronics, Woking (UK)

Der Schritt weg von relativ billigen SnPb-Legierungen wird sich im täglichen Geschäft auf die Materialkosten und den Ertrag auswirken, insbesondere angesichts der Tatsache, dass der Konkurrenzdruck vor allem im Bereich der Unterhaltungs- und Haushaltselektronik gleichzeitig erheblich gestiegen ist. Allein bei Verwendung eines Zinn-Kupfer-Lots würden sich die Legierungskosten für Anwender um mehr als das Doppelte erhöhen, wobei dies jedoch aufgrund schlechterer Prozessleistung noch größere Auswirkung haben kann. Die Materialkosten der derzeit erhältlichen Zinn-Silber-Kupfer-Legierungen (SAC-Legierungen) steigen hingegen auf mehr als das Dreifache der Kosten für eine Zinn-Blei-Legierung an. Weil deren Erträge jedoch die bei der Zinn-Kupfer-Familie erzielten übersteigen, haben sich viele Elektronikbetriebe für die teurere Legierung entschieden.

Zwar gibt es keinen spezifischen Industriestandard für eine bleifreie Löttechnik, aber zwei bevorzugte Legierungsarten für bleifreies Wellenlöten haben sich durchgesetzt – die SnAgCu-Legierungen (SAC) mit einem typischen Silbergehalt von 3 bis 4% und die eutektischen SnCu-Legierungen. Allerdings haben beide Lote inhärente Nachteile im Vergleich mit den bewährten SnPb-Legierungen. Die Legierungen der SAC-Familie sind zuverlässig und ertragreich, aber mit hohen Rohmaterialkosten verbunden. Demgegenüber zeichnen sich die eutektischen SnCu-Legierungen und ihre Modifikation wie SnCuNi, durch niedrigere Materialkosten aus, sind aber mit Nachteilen bzgl. ihres Ertrags und der Zuverlässigkeit der Lötverbindungen behaftet. So gesehen war der Druck groß, eine Legierung zu entwickeln, die besser ist als die bleifreien Standard-Lotlegierungen auf dem Markt, und somit die Umstellung auf bleifrei zu erleichtern.

Die in der Elektronikmontage tätigen Betriebe erhofften sich von den Herstellern ein Wellenlot, das eine gute Leistung bietet, allerdings kostengünstiger als dies bei den Loten mit hohem Silbergehalt der Fall ist. Seit geraumer Zeit arbeiten Cookson und weitere Anbieter eng zusammen an der Entwicklung einer neuen Wellenlotlegierung ohne die Nachteile der derzeit erhältlichen Systeme. Im Juni brachte Cookson Electronics das neue Lot Alpha SACX0307 auf den Markt, das nach eigenen Angaben die Leistung vergleichbarer Lotmaterialien im Elektronikbereich weit in den Schatten stellt.

Es sollte eine Legierung hergestellt werden, deren Materialkosten verglichen mit SAC-Legierungen niedriger und deren Ertrag, Maschinenkompatibilität, Komponenten- und Leiterplattenkompatibilität und Zuverlässigkeit jedoch von vergleichbarer Qualität sein sollten.

Die Zinn/Silber/Kupfer-Legierung (SAC) ergibt die besten Erträge, sie wird von vielen Anwendern wegen ihrer hohen Zuverlässigkeit bevorzugt und ist derzeit die beliebteste Wahl beim Wellenlöten. Mit einem Silberanteil von 3 bis 4% ist sie jedoch teuer. Die eutektischen Zinn/Kupfer-Legierungen dagegen sind bei den Rohmaterialien günstiger als SAC-Legierungen, wobei die zugrunde liegende Zinn/Kupfer-Legierung und ihre Modifikationen konstant niedrigere Erträge gezeigt haben. Obwohl die SnCuNi-Legierung die zugrunde liegende eutektische Zinn/Kupfer-Legierung verbessert hat, liegen ihre Erträge dennoch unter den mit SAC-Legierungen erzielten.

Die F+E-Abteilung von Cookson gab bestimmte Parameter für die Entwicklung und Bewertung ihrer neuen Wellenlötlegierung anhand vorhandener Produkte unter drei Hauptkategorien vor:

1. Prozessleistungsindikatoren:

2. Ertragsmaßnahmen:

Die Fehlerraten beim Wellenlöten sind immanent mit Aspekten wie Flussmittel, Legierung, Legierungsreinheit, Leiterplatten-/Komponentenausführung, Design der Leiterplatte, Atmosphäre und Prozesseinstellungen verbunden. Das bleifreie Wellenlöten hat ein reduziertes Prozessfenster, weshalb die Verfahrenstechniker primär das Prozessfenster so erweitern müssen, dass annehmbare Ergebnisse (Ausbeuten) erzielt werden und gleichzeitig die Kostenauswirkung auf den Prozess (Ausgaben) vermindert wird.

3. Zuverlässigkeitsmaßnahmen:

Nachdem die Leistungskriterien so festgelegt worden waren, erforschte Cookson die Prozessattribute einer Legierung, die alle Vorteile der derzeit verwendeten bevorzugten bleifreien Legierungen, jedoch ohne die damit verbundenen hohen Kosten, aufweist. So dauerte es nicht lange, bis eine neue Legierung mit ausgezeichneten Ergebnissen entwickelt, patentiert, weiter bewertet und schließlich Mitte des Jahres 2004 auf den globalen Markt gebracht worden war.

Mit Alpha SACX0307 besitzt Cookson jetzt eine äußerst wirtschaftliche Legierung, die in Versuchen besser abschnitt als alle erhältlichen Produkte auf SnCu-Basis. Es handelt sich um eine hochreine und wartungsarme, aber äußerst zuverlässige Legierung. Ihre Benetzungsgeschwindigkeit ist höher als bei allen gängigen Produkten auf SnCu-Basis, und zeichnet sich durch Eigenschaften wie niedrige Krätzebildung und Kupferauflösung aus. Mit dem von Cookson entwickelten Vaculoy-Legierungsverfahren werden Unreinheiten, insbesondere Oxide, beseitigt. Das Produkt wird durch die Zugabe von Elementen zwecks verminderter Krätzebildung und damit auch vermindertem Abfallaufkommen verbessert. Dadurch verbessern sich die Lötstellen auch optisch.

So sahen die Testergebnisse beim Vergleich von Alpha SACX0307 mit anderen gängigen bleifreien Legierungen im einzelnen aus:

Die gängigen Legierungen – SAC305, Sn99,3Cu0,7, die modifizierte Legierung Sn99,3Cu0,7Ni (SnCuNi) und Alpha SACX0307 wurden unter Zuhilfenahme von drei Flussmittel-typen mit unterschiedlichem Feststoffgehalt auf Wasser- und Alkoholbasis auf zwei Metallisierungen (Kupfer-OSP und chem. Silber) getestet. Speziell hierfür wurde eine Testplatte konzipiert. Bei der Testdurchführung wurden die vier Hauptfaktoren für erfolgreiches, kostengünstiges bleifreies Wellenlöten bewertet – Ertrag, Ablegierungsgeschwindigkeit von Kupfer, Krätzebildung und thermische/mechanische Ermüdungsbeständigkeit. Die Versuchskandidaten wurden anhand aller genannten Tests und darüber hinaus im Vergleich mit folgenden Legierungen Sn96,5Ag3,0Cu0,5 (SAC305), Sn99,3Cu0,7 und der modifizierten Legierung Sn99,3Cu0,7Ni (Sn/Cu/Ni) bewertet.

Das Wellenlot Alpha SACX0307 weist eine ähnliche Leistung wie die Legierung SAC305 auf und ist den auf Sn99,3Cu0,7 basierten Systemen weit überlegen. Außerdem sind die Materialkosten niedriger als bei SAC305.

Die Tests, die fortgeführt werden, zeigen eindeutig, dass Alpha SACX0307 die Lücke zwischen der SAC305-Legierung und den eutektischen SnCu-Legierungen schließt und hinsichtlich der vier Hauptmerkmale eine bessere Leistung als Sn99,3Cu0,7 und Sn99,3Cu0,7Ni (SnCuNi) bietet, allerdings durch niedrigere Materialkosten als bei SAC305 besticht.

Alpha SACX0307 wird bei Lotbadtemperaturen von 255 bis 265°C und Kontaktzeiten von 2,3 bis 3,5 Sekunden verarbeitet. Lieferbar als 1 kg-Stange, 3,5 kg-Block mit Öse; Draht auf Anfrage.

EPP 426