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Vorsicht Falle! A. Rahn, Rahn-tec Consultants, Montreal & R. Diehm, Seho, Kreuzwertheim

Ist die Umstellung auf „bleifreie“ Lote wirklich einfach? (Teil 1)
Vorsicht Falle! A. Rahn, Rahn-tec Consultants, Montreal & R. Diehm, Seho, Kreuzwertheim

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So wie sich die modernen Mathematikbücher durch bunte Bildchen und lustige Einschübe bemühen, den unschuldigen Studenten vorzuspiegeln, die Mathematik sei „einfach“, so scheint auch die Industrie inzwischen zu versuchen, die potenziellen Schwierigkeiten bei einer Umstellung auf bleifreie Lote herunterzuspielen. Seho und Rahn-tec schildern in dieser Artikelserie, gegliedert nach verschiedenen Themen, ihre Erfahrungen.

Die Liste möglicher Bleifrei-Lote hat man bequem auf einige wenige zusammengestrichen. Obgleich es bisher keinen Standard für die Zusammensetzung der Lote gibt, sind sie „frei“ auf dem Markt erhältlich. Pasten und Flussmittel werden angeboten wie Nussknacker zur Vorweihnachtszeit: in jeder Farbe und Größe. Alle Maschinenhersteller behaupten seit Jahren, dass ihre Anlagen „bleifrei“-fähig seien und viele Lötexperten haben eine ganze Auswahl an thermischen Profilen in ihren Schubladen bereitgelegt. Eines wird schon klappen. So, warum sollte man sich denn Sorgen machen und bereits jetzt tätig werden? Der vom Gesetz festgelegte Termin liegt ja noch in weiter Ferne.

Nun, ganz pessimistisch braucht man auch nicht zu sein, denn einige Firmen haben es ja bereits vorexerziert, dass ein bleifreies Löten durchaus möglich ist. Leider sind aber nicht alle Situationen gleich. Zudem sind nicht alle dabei auftretenden Schwierigkeiten an die Öffentlichkeit getragen worden. So gerät das Gefühl, dass ein Übergang vom Schwalllöten auf das Reflowlöten diesen Schritt vereinfachen würde, ins Wanken, wenn man erfährt, dass gerade das in Japan in einigen Fällen fehl gelaufen ist, und diese Prozesse jetzt wieder auf das Wellenlöten zurückgeführt werden.
Karl Seelig & David Suraski [1] veröffentlichten auch unlängst ein Testresultat, das zu denken geben sollte: SnAg4 hat das ASTM E606 [2] Verfahren nicht bestanden. Der Grund wurde in Phasenverschiebungen des Silbers gefunden und somit sind, zumindest für derartige Belastungen, alle Lote mit mehr als 2% Ag in „Verdacht“ geraten.
Beim Gebrauch „bleifrei“-fähiger Lotaggregate fanden einige Anwender nach kürzester Zeit Nadeln in ihrem Lot, die durch FeSn2 Intermetalle geformt werden (Bild 1). Wenn der Tiegel wirklich „bleifrei“-fähig war, wo kommt dann das Eisen her? Übrigens ein Phänomen, das bereits spätestens 1988 nachgewiesen worden war [3]. Also ist es vielleicht doch an der Zeit, sich mal genauer mit einem Wechsel vom altbewährten Sn63Pb37 auf eine der ohne Blei formulierten Lote zu beschäftigen?
Bei den einzelnen Themen, die es zu berücksichtigen gibt, steht zuoberst vielleicht die Wahl des geeigneten Lotes. Man wählt ja nicht nur zwischen 63/37, 60/40 und 62/36/2Ag aus. Obgleich damit Reklame gemacht wurde [4], gibt es keinen Ideal-ersatz (das vielbeschworene „drop-in“-Lot), der für alle Anwendungen zuträfe – und genau hier fangen erste Überlegungen an. Zuerst muss man sich einmal klar sein, auf welcher Basis man ein neues Lot wählen möchte. Natürlich sollen die Lötstellen halten – mindestens bis die Garantie abgelaufen ist. Zum anderen soll es eventuell nicht viel kosten, denn die neuen Lote können ganz schön ins Geld gehen.
Momentan stark im Gespräch ist die Legierung SnCuNi aus Japan, die aber noch nicht auf ihre Einsatzfähigkeit bezüglich der High-Tech-Technologie geprüft ist.
Obendrein möchte man natürlich so wenig am gegenwärtigen Prozess, speziell dem Produkt selbst, ändern wie nötig. Neben der Langzeitqualität stellen sich auch Fragen nach den Prozessfehlerquoten, die ja erhöhte Kosten bedeuten. Hier fehlen weitgehend noch die Daten. Anwender berichten jedoch bereits von vermehrtem Auftreten von Brücken beim Schwalllöten mit SnAgCu .
Rückt man erst einmal die Zuverlässigkeit in den Blickpunkt, so ist da schon recht viel – zumindest in den Laboratorien – getestet worden. Aber die Zuverlässigkeit ist nicht nur ein Problem des Lotes als Metall, sondern stellt ein recht kompliziertes Zusammenspiel dar zwischen den Bauteilen, der Leiterplatte, dem Herstellungsprozess und den Stressbedingungen, die das Produkt schließlich im Einsatz erfährt. Ein Produkt, das als Radio auf der Kommode sein „Leben“ verbringt und eventuell mal einen Umzug mitmachen muss, wird anders belastet als das Radio in einem Auto oder das Kommunikationsgerät in einem Satelliten.
Die Wahl des neuen Lotes wird aber auch durch andere Rahmenbedingungen festgelegt. Hier sind unter anderem solche Fragen zu klären, wie die verwendeten Endoberflächen auf den Leiterplatten und den Bauteilen aussehen. Wird nämlich ein Lot mit Wismut oder Indium in Erwägung gezogen, so muss jede Verunreinigung mit Blei vermieden werden. Während eine Identifizierung der Endoberfläche bei den Leiterplatten durch eine Nachfrage beim Hersteller leicht befriedigt werden kann, ist es bei den Bauteilen oft ein sehr schwieriges und zeitraubendes Problem. Viele Bauteile werden nicht beim Hersteller direkt gekauft, sondern über Agenten und Zwischenhändler, die über diese technologischen Details oft keine Auskunft geben können. Andererseits wird auch die auf das Produkt in Zukunft angepeilte Belastung beim Kunden mit einbezogen.
Da die meisten Ersatzlote sowieso höhere Temperaturen bedingen, sind hier wieder relevante Fragen bezüglich der Verträglichkeit zu stellen. Antworten erhält man einfacher für die Leiterplatten. Ganz schwierig ist es bei den Bauteilen. Was wird vom Hersteller noch toleriert oder gar garantiert? Bleibt es beim 100-K-Sprung von der Vorheizung in das flüssige Lot? Wie lange dürfen die Bauteile und bei welcher Temperatur verweilen? Welche Aufheizraten und welche Kühlgeschwindigkeiten kann man einplanen? Das sind nicht nur komplizierte Situationen für den Prozess, sondern sie wirken sich auch auf die Maschinen – oder die Produktion, bzw. den Durchsatz – aus. So reduziert allein schon die höhere Temperatur bei gleichem Aufheizgradienten den Durchsatz wegen einer geringeren Transportgeschwindigkeit um bis zu 30%.
Die verschiedenen Lotlegierungen sind in diversen Patentschriften nachzulesen [6]. Auf der anderen Seite hat man es noch mit Pasten und Flussmitteln zu tun. Da bisher keine, für die „neuen“ Temperaturen besser angepassten, Aktivatoren gefunden wurden, muss man weiter mit den traditionellen Dikarbonsäuren arbeiten. Einerseits müssen sie höheren Temperaturen standhalten, andererseits sollten sie, bei niedrigeren Temperaturen (etwa für Bi-Lote) zu guter Benetzung führen, was die traditionellen wohl nicht schaffen. Worauf kann man dann zurückgreifen?
Hiermit wurden nur einige der relevanten Themen angerissen. Bei Rahn-tec hat man sich nicht nur die Mühe gemacht die Patente zu lesen, sondern auch die anderen Aspekte einer Umstellung bearbeitet. Obendrein habe man in Zusammenarbeit mit Seho und ihren Partnern eine Menge Erfahrung beim Löten mit alternativen Loten gesammelt. Hier sind sowohl die Lötergebnisse wie auch eine Verwendung von Stickstoff beim Schwall- oder Reflowlöten oder gar die anfallende Krätze zu nennen.
In den kommenden Monaten werden Seho und Rahn-tec in einer Serie von Seminaren, aber auch in einigen regelmäßigen Veröffentlichungen, einschlägige Themen, die bei der Umstellung auf bleifreie Lötverfahren zu beachten sind, vorstellen.
  • Als erster Schritt muss eine Bestandsaufnahme erfolgen, die auf alle Einzelheiten der vorhandenen Lötprozesse eingeht. Erst wenn man den vollen Umfang des Vorhabens festgelegt hat, kann man mit einer weiteren Planung fortfahren.
  • Anschließend macht man sich klar, welches die Interessen und Zielsetzungen der eigenen Firma eigentlich sind. Damit erarbeitet man sich die Grundlage für das anschließende Vorgehen.
  • Da es für viele Firmen eine unrealistische Zielsetzung sein wird, in Zukunft mit nur einer Legierung zu arbeiten (selbst heute werden verschiedene verwendet), werden auf Grund der etablierten Prozessvorgänge jetzt die Hilfmaterialien, Leiterplatten und Bauteile aufgelistet.
  • Der vorhandene Maschinen- und Gerätepark muss auf seine Verwendbarkeit geprüft werden. Da gibt es viele Eigenschaften, die berücksichtigt werden müssen, die über verwendetes Material hinausgehen.
  • Bei der Zuverlässigkeit der Produkte steht der Anwender und die Firmenphilosophie im Mittelpunkt. Hier muss man weitere Eckdaten für eine intelligente Wahl der Lotlegierung erarbeiten.
  • Für die Wahl einer bleifreien Legierung wird es jetzt Zeit. Aber kommen einem da eventuell Patente in die Quere? Welche Reinheitsgrade muss man verlangen? Wie zieht man das durch die ganze Produktion: Barren, Paste, Draht? Kann man etwas mischen?
  • Die frisch gelöteten Baugruppen sehen gut aus – vielleicht nicht so, wie wir es gewohnt waren, aber recht ordentlich. Die Frage ist: Halten sie auch? Sind bedenkliche Flussmittelrückstände vorhanden, auch wenn man sie nicht sieht? Bilden sich mehr oder weniger Lunker? Welche Tests werden nötig und wie lange dauern sie? Welche Aussagen erlauben sie als Schlussfolgerungen?
  • In den Untersuchungen wurde zum Teil mit Stickstoff gelötet. Ist es nötig? Wie kann man Stickstoff einführen, gibt es Alternativen und was kostet es?
  • Zurück an die Linie. Braucht man neue Maschinen oder können sie nachgerüstet werden?
  • Was hat die Qs zu den gelöteten Baugruppen gesagt? Muss man neu definieren was als Prozessfehler akzeptabel ist? Was weiß man darüber?
  • Die Beschaffung der Bauteile, Leiterplatten, Lote, Flussmittel, Pasten und Drähte muss neu organisiert werden. Lagerung und Entsorgung speziell von Loten und Pasten sind kritischer. Wie verhindert man ein (unabsichtliches) Vermischen der verschiedenen Legierungen?
  • Das Wissen muss jetzt an das Personal weiter gereicht werden. Der Mitarbeiter an der Maschine kann nur effektiv arbeiten, wenn er „versteht“, was hier Neues geschieht. Mitarbeitern kann man mit einer Serie von Seminaren – aber auch in regelmäßigen Veröffentlichungen – einschlägige Themen, die bei einer Umstellung auf bleifreie Lötverfahren zu beachten sind, vorstellen.
  • Zum jetzigen Zeitpunkt sollte auch die Dokumentation stehen. Letzte Checks sind gefragt: Hat man noch etwas übersehen?
  • Schließlich wird es „hochkritisch“, denn die ersten Testruns in der Firma werden vorbereitet und durchgeführt.
  • Hat man das „Klassenziel“ erreicht? Vielleicht braucht man noch etwas Hilfe? Das Datum der Bleifrei-Einführung ist näher gerückt, aber noch hat man etwas Zeit.
  • Gehen Sie den Weg mit uns oder folgen Sie unseren Veröffentlichungen. Der kluge Mensch lernt aus den Fehlern der anderen und muss nicht alle Fehler erst selbst machen.
EPP 416

Literaturnachweis:
[1] K. Seelig & D. Suraski; Materials and Process Considerations for Lead-Free Electronics Assembly; Circuits Assembly, December 2001
[2] http://www.astm.org/DATABASE.CART/E.htm {E606–92(1998) Standard Practice for Strain-Controlled Fatigue Testing Copyright 2002 ASTM International, West Conshohocken, PA. (All rights reserved.
[3] R. Becker & K.G. Schmitt-Thomas; Verunreinigung in Lotbäder; Verbindungstechnik in der Elektronik; Fellbach 1988
[4] N.-C. Lee et al.; A Drop-In Lead-Free Solder Replacement; Nepcon West 1995
[5] Thompson et al.; Automotive Industry’s Perspective on High-Temperature Electronics; SMI 2002
[6] USP 6,231,691 und USP 5,527,628
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