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Feinschliff der Legierungen

Auswirkungen von Silber, Nickel und Germanium auf bleifreie SAC-Lote
Feinschliff der Legierungen

Die Umstellungen auf bleifreie Löttechnik ist bei einem Großteil aller Industriebetriebe vollzogen. In den neuesten Entwicklungen geht es um den Feinschliff der bekannten bleifreien Legierungen. Felder hat gemeinsam mit Partnern die weitere Entwicklung solch Legierungen forciert und wird diese auf der SMT 2010 in Nürnberg präsentieren

Felder, Oberhausen

Zinn-Silber-Kupfer (SAC) ist wohl die meist verbreitete Legierungsfamilie unter den bleifreien Elektronikloten. Speziell die SAC-Lote mit Silberanteilen von 3,0 % und 3,8 % standen seit Beginn der bleifreien Prozessentwicklung im Fokus der Forschung. Die vergleichsweise geringe Schmelztemperatur und eine gute Lötbarkeit mit daraus resultierenden zuverlässigen Lötergebnissen machte diese Lotgruppe zur ersten Wahl der RoHS-Pioniere der Elektronikbranche. Neben einer Vielzahl von SnCu-Loten mit diversen Dotierungen ist die Nachfrage an niedrig silberhaltigen bleifreien Loten, insbesondere für die Flow-Lötprozesse, stark gestiegen. Dies ist nicht zuletzt auf die stark schwankenden Edelmetallkurse der letzten Jahre zurück zuführen.
Seit der Umstellung auf die bleifreie Löttechnik beschäftigt sich die Industrie auch mit den preisgünstigen Low-SAC-Loten. Auch die diversen bekannten Dotierungen wie Ni oder Ge sind mehrfach untersucht, und deren positiven Einflüsse in den Standardloten auf SnCu- und SnAgCu-Basis belegt worden. Nickel dient demnach zur Verbesserung der thermomechanischen Eigenschaften der Lötstelle, während Germanium nicht nur die Oberflächenspannung des schmelzflüssigen Lotes, sondern auch Krätzebildung in offenen Wellenlötprozessen mit bis zu 70 % reduziert. In diesem Beitrag werden die Ergebnisse aktueller Untersuchungen des Einflusses von Nickel und Germanium auf den mikrostrukturellen Aufbau und die mechanischen Eigenschaften von Zinn-Silber-Kupfer-Loten sowie die Benetzung und die Cu-Ablegierung in Abhängigkeit vom Silberanteil dargestellt. Verglichen wurden SAC-Lote und SAC-NiGe-Lote (0.07 % Ni, 0.01 % Ge) mit Silberanteilen von 0, 0.05, 0.1, 0.3, 0.5, 1.0, 3.0 und 3.5 %.
Testreihe A
Die Benetzungszeiten werden tendenziell mit zunehmendem Silberanteil kürzer. In dieser Studie sank die Benetzungszeit von 2,94 Sek. bei SnCu auf 1,18 Sek. bei SnAg3Cu.
Faktoren, die grundsätzlich die Benetzungseigenschaften beeinflussen sind:
  • die Viskosität des schmelzflüssigen Lotes
  • die Benetzbarkeit des Probenkörpers (Metallisierung)
  • die Oberflächenspannung des schmelzflüssigen Lotes
  • die Diffusionsvorgänge zwischen Lot und Metallisierung.
Folgende Effekte wurden durch die Anhebung des Silberanteiles von 0 % auf 3 % erzielt:
  • 1. Die Reduzierung der Liquidustemperatur der Lotlegierung.
  • 2. Reduzierung der Viskosität des schmelzflüssigen Lotes.
  • 3. Verbesserung der Benetzung des Probenkörpers.
In diesem Fall sind besonders die Faktoren Liquidustemperatur und Benetzung hervorzuheben. Zur Bestätigung der Testergebnisse wurden Benetzungstests unter neuen Konditionen durchgeführt. Die ersten Benetzungstests wurden für alle Legierungen bei einer Temperatur von 255 °C durchgeführt. Gehen wir bei der Legierung Sn96,5Ag3Cu0,5 von einer Liquidustemperatur von 219 °C aus, beträgt die Temperaturdifferenz zur Löttemperatur 36 K. Gehen wir nun bei Sn99,5Cu0,5 von einer Liquidustemperatur von 232 °C aus, beträgt die Temperaturdifferenz nur noch 23 K! Um hier einheitliche Verhältnisse zu schaffen, wurden beide Legierungen weiteren Benetzungstests unterzogen. Diesmal bei Temperaturen von 242 °C (219 °C + 23 °C) und 268 °C (232 °C + 36 °C). Die Benetzungszeiten der Lote sind bei proportionaler Temperaturdifferenz zur Liquidustemperatur der beiden getesteten Lote nahezu identisch. Unter diesen Voraussetzungen ist der Verlauf der Zeitwerte bei Benetzung in Abhängigkeit vom Silbergehalt als proportional zum Verlauf der Liquiduslinie im SnAgCu-Phasendiagramm zu betrachten. Dementsprechend sind selbstverständlich auch die Löttemperaturen bei niedrig silberhaltigen Loten höher einzustellen als bei nah-eutektischen SnAgCu-Legierungen mit 3 % bzw. 3,8 % Silber.
Die Ergebnisse des Ablegierungstest bei 255 °C zeigt deutlich die Wirkung von Nickel. Die Ablegierungszeit ist bei den NiGe-dotierten Loten 5 bis 6-mal länger als bei den Varianten ohne Dotierung. Bei den Loten mit 1 % und 3 % Silber war eine geringfügig stärkere Ablegierung von Kupfer feststellbar.
Der Ablegierungstest bei 300 °C zeigt im Vergleich zu den Tests bei 255 °C eine nahezu halbierte Ablegierungszeit bei den nicht dotierten Loten. Zwar ist der Einfluss von Nickel bei der höheren Löttemperatur geringer, aber immer noch deutlich erkennbar. Der Silberanteil zeigt allerdings keinen eindeutigen Einfluss auf den Ablegierungsgrad.
Testreihe B
In dieser Testreihe wurden die Probanden Zug- und Bruchdehnungstests unterzogen. Während die Zugfestigkeit mit zunehmendem Silberanteil ansteigt, sinkt die Bruchdehnung aber merklich. Da die Zugfestigkeit bleihaltiger Lote wesentlich geringer ist, scheint diese kein Merkmal für zuverlässige Lötstellen zu sein. Der Einfluss von Ni und Ge auf die Ausbildung des Lotgefüges wurde dargestellt. Fehlstellen werden reduziert, ein feineres Gefüge führt zu höherer Bruchdehnung und Zeitstandfestigkeit.
Fazit
Felder hat frühzeitig die Vorteile der Low-SAC-Legierungen sowie der Dotierung dieser Lote mit Nickel und Germanium erkannt, und die Entwicklungen in diesem Bereich vorangetrieben. Die Ergebnisse der uns vorliegenden Studien belegen, dass die NiGe-Elektroniklot-Produktreihe des Unternehmens exakt im Entwicklungstrend der bleifreien Löttechnik in der internationalen Elektronikindustrie liegt.
SMT/Hybrid/Packaging
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