Sowohl mikrolegierte als auch niedrig Ag-legierten Lote lassen sich gut verarbeiten. Es gibt auch nach mehrfachen Reflowprozessen keine signifikanten Auffälligkeiten in der Phasenausbildung. Allerdings ist die Lotausbreitung von der Metallisierung der Leiterplatte, ihrem Alterungszustand und dem Lötprofil abhängig. Daher wurden im kürzlich beendetem und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördertem Forschungsprojekt verschiedene Fertigungsparameter gezielt variiert, um das Prozessfenster für die Verarbeitung mittels Reflowlöten systematisch zu untersuchen. Das Forschungsprojekt wurde am Fraunhofer ISIT durchgeführt.

Leiterplattenoberfläche, Leiterplattenlayout, gezielte Alterung von Leiterplatten und Lötprofilvariation gehören zu den veränderten Fertigungsparametern. Hierbei wurden extreme Prozessparameter näher betrachtet, um Grenzen der Prozessierbarkeit herauszufinden. Demnach wurden beispielsweise im Reflow-Lötprozess kurze und „kalte“ beziehungsweise lange und „heiße“ Lötprofile durchgeführt und untersucht. Anschließend wurden praxistaugliche Parametersätze experimentell nachgewiesen. Als Referenz diente eine handelsübliche SnAgCu-Lotvariante. Die quantitative Untersuchung zum Benetzungsverhalten erfolgte anhand der Lotausbreitung auf Leiterbahnstrukturen. Im Beitrag werden die Ergebnisse der Lotausbreitung sowie das Tombstone-Verhalten von Widerständen der Baugröße 0201 dargestellt.

Mikrolegierte Lote zeigen in etwa gleichwertige Scherfestigkeiten wie die Standardlotpaste. Signifikante Unterschiede im Phasenwachstum konnten nicht beobachtet werden. Genauere Ergebnisse zum Phasenwachstum können im Abschlussbericht nachlesen werden (Anmerkung der Redaktion: Download über unten stehende Infodirekt-Nummer).

Bleifrei treibt Lotmaterialien-Entwicklung voran

Elektronische Baugruppen werden in einem komplexen Herstellungsprozess gefertigt. Die Einführung der EG-Richtlinie 2002/95/EG zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten hatte zur Folge, dass im Lötprozess von bleihaltigen Loten auf bleifreie Lote umgestellt werden musste. Inzwischen ist das Verarbeitungsverhalten der bleifreien Standardlegierungen bekannt. Die bleifreien SAC-Lotpasten sind unter „guten“ Prozessbedingungen nahezu gleichwertig wie bleihaltige zu verarbeiten. Allerdings weisen bleifreie gegenüber den bleihaltigen Loten ein völlig anderes und für den Lötprozess ungünstigeres Fließ- und Benetzungsverhalten auf. Die Erfahrungen aus der Verarbeitung bleifreier SAC-Lote zeigen, dass es Einschränkungen hinsichtlich der Verarbeitbarkeit gibt. Prozessschwankungen, die im herkömmlichen bleihaltigen Fertigungsprozess keine Probleme bereiten, können im bleifreien Fertigungsprozess zu Ausschuss führen.

Bild 1: Das Layout der Test-Leiterplatte zeigt, dass neben den Pads für die vom PA bereitgestellten Bauteile verschiedene Teststrukturen auf der Leiterplatte vorhanden sind.

Bild 1: Das Layout der Test-Leiterplatte zeigt, dass neben den Pads für die vom PA bereitgestellten Bauteile verschiedene Teststrukturen auf der Leiterplatte vorhanden sind. Fraunhofer ISIT

Weiterentwicklungen der bleifreien SAC-Lote auch im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung führten zu mikro- und niedriglegierten Loten, die Modifikationen durch Dotierungen mit Haupt- und Nebengruppenelementen aufweisen [1]. So erhöhen etwa Antimon und Nickel durch Mischkristallbildung und Dispersionshärtung die Kriechfestigkeit des Lotes, während das Element Wismut neben der Mischkristallhärtung auch Schmelzpunkt senkend wirkt. Zweifelsohne werden Mikrolegierten Loten günstige Gebrauchseigenschaften nachgesagt. Dies sind beispielsweise geringeres Ablegierverhalten im Lötprozess und eine erhöhte mechanische Festigkeit der Lötverbindung.

Es gibt allerdings noch keine ausreichenden prozesstechnischen Erfahrungen mit mikrolegierten Lotpasten und noch weniger mit niedrig Silber-legierten Lotpasten. Erwartet wird ein ähnliches Verhalten wie bei den bereits bekannten mikrolegierten Festloten. Aber insbesondere das Verarbeitungsverhalten ist noch nicht ausreichend untersucht. Die Anwender von mikrolegierten Loten parametrisieren oftmals einen Lötprozess, ohne zu wissen in welchem Bereich des Prozessfensters sie sich befinden. Geringfügige Schwankungen in der Anlieferqualität von zum Beispiel Bauelementen oder Leiterplatten (noch innerhalb der spezifizierten Toleranzen) können dazu führen, dass der Lötprozess instabil wird.

Forschungsprojekt: Aufgabenstellung und Durchführung

Die Aufgabe bestand darin, eine Antwort zu finden, wie sich auf verfahrenstechnischem Wege der Lötprozess beim Einsatz mikro- und niedrig Ag-legierter Lote in der Fertigung elektronischer Baugruppen sicherer gestalten lässt. In die Versuchsmatrix flossen 10 unterschiedliche Lotlegierungen ein. Alle Lotmaterialien sind Typ 4-Pasten und wurden von drei Materiallieferanten zur Verfügung gestellt. Die Lotpasten sind in der Tabelle 1 nach ihrer Schmelztemperatur aufsteigend geordnet dargestellt.

Legierung Schmelztemperatur [°C]
A 217
D 206…218
C 217…219
B 217…221
I 217…224
K 217…224
E 217…227
F 217…227
G 217…227
H 217…227
Tabelle 1: Schmelztemperaturen der untersuchten Legierungen.

 

Lotpastenhersteller a:

  • B (Standard)
  • C (Standard)
  • G (Mikrolegiert)
  • I (Mikrolegiert)

Lotpastenhersteller b:

  • H (Mikrolegiert)
  • K (Mikrolegiert)

Lotpastenhersteller c:

  • A (Standard)
  • D (Mikrolegiert)
  • E (Niedriglegiert)
  • F (Niedriglegiert)

Lotpastenhersteller b verwendet das gleiche Lotpulver wie Lotpastenhersteller a.

Die Flussmittelbezeichnung ist in Tabelle 2 zu sehen. Wichtig für die Beurteilung der Lötergebnisse ist die Kenntnis der möglichen Flussmittelgleichheiten, um so mögliche Effekte auf die Legierungszusammensetzung zurückzuführen und Flussmitteleinflüsse eindeutig zuzuordnen.

Lot Aktivierung FM-Bezeichnung
A L0 4
B ROL0 1
C ROL0 1
D ROL0 3
E L0 5
F REL 0 5
G ROL0 1
H REL0 2
I ROL0 1
K REL0 2
Tabelle 2: Flussmittelbezeichnung und Aktivierung.
Bild 2a-c: Vier Temperaturprofile wurden eingemessen, um Unterschiede in der Phasenbildung in Abhängigkeit der Legierungszusammensetzung beurteilen zu können. Bild 2a zeigt die Messung des kurzen, kalten Profils (Kuka) und Bild 2b eine Messung vom heißen, langen Temperaturprofil (Lahei) im Vergleich zum Standardprofil in Bild 2c. Die maximalen Temperaturgradienten sind bei allen Lötprofilen annähernd gleich.

Bild 2a-c: Vier Temperaturprofile wurden eingemessen, um Unterschiede in der Phasenbildung in Abhängigkeit der Legierungszusammensetzung beurteilen zu können. Bild 2a zeigt die Messung des kurzen, kalten Profils (Kuka) und Bild 2b eine Messung vom heißen, langen Temperaturprofil (Lahei) im Vergleich zum Standardprofil in Bild 2c. Die maximalen Temperaturgradienten sind bei allen Lötprofilen annähernd gleich. Fraunhofer ISIT

Auch wurden verschiedene Leiterplattenoberflächen angefertigt. Für die Versuchsdurchführung wurden chemisch NiAu, chemisch Zinn und CuOSP gewählt. Neben dem Leiterbild für die vom projektbegleitenden Ausschuss (PA) bereitgestellten Bauteile gab es verschiedene Teststrukturen auf der Leiterplatte. Wie in Bild 1 zu sehen, sind oben links fünf Solderball-Strukturen und rechts daneben Leiterbahn-Strukturen unterschiedlicher Breite platziert. Für die zweipoligen Bauelemente wurden jeweils zwei unterschiedliche Padanbindungen auf die Leiterplatte designt. Ziel dieses Leiterplattendesigns war es, Tombstonebildung zu provozieren. Parallel dazu wurden die Leiterplatten vor der Bestückung mit unterschiedlichen Parametern gealtert. Auf der Leiterplatte wurden zweipolige Komponenten der Baugröße 0201 bis hin zu 1210 genauso verarbeitet wie auch anwenderspezifische, große, massehaltige Bauteile.

Zudem wurden vier Temperaturprofile eingemessen: ein Standardprofil (STD, Bild 2c), gemäß Datenblatt Lotmaterialhersteller, ein kurzes, kaltes (Kuka) und ein langes, heißes Profil (Lahei). Des Weiteren wurde ein ganz langes, ganz heißes Profil (Galagahei) für eine zusätzliche Extremwärmebelastung eingemessen, um Unterschiede in der Phasenbildung in Abhängigkeit der Legierungszusammensetzung zu beurteilen. Bild 2a zeigt die Messung des kurzen, kalten Profils und Bild 2b eine Messung vom heißen, langen Temperaturprofil. In Tabelle 3 ist ein direkter Vergleich der vier Profile dargestellt.

Lötprofil
Parameter Kuka STD Lahei Galagahei
Max. Temp. [°C] 230 245 250 262
Profildauer [sec] 135 250 350 355
Flux activation time
(150-200°C) [sec] 27 86 120 124
Time above liquidus [sec] 15 60 103 116
Max. Grad. [°C/s] 2,9 3 2,6 3
Tabelle 3: Vergleich der Profile.

 

Bild 2b eine Messung vom heißen, langen Temperaturprofil (Lahei).

Bild 2b eine Messung vom heißen, langen Temperaturprofil (Lahei).

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