Spricht man von hochzuverlässigen Loten, denkt man zwangsläufig an Mehrstoffsysteme mit mindestens drei Legierungsbestandteilen. Bekannteste Variante ist das Lot SAC305. Um bestimmte Eigenschaften zu erzielen, gibt es Lotsysteme mit bis zu sechs verschiedenen Legierungsbestandteilen, die alle Vor- und Nachteile mit sich bringen. Um die gesamte Wertschöpfungskette der Produktionsprozesse sicher mit einem einheitlichen Lotsystem zu bedienen, müssen unterschiedliche Lieferformen kostengünstig erhältlich sein. Oft werden im Zusammenhang mit hochzuverlässigen, bleifreien Loten jedoch hochpreisige Metalle wie Silber (Ag) oder Indium (In) verarbeitet, die den reinen Metallpreis eines Lotsystems erheblich mitbestimmen können.

Gegenüberstellung der physikalischen Kenngrößen, Eigenschaften und Zusammensetzung der Lotlegierungen SN100C, SN100CV und SAC305.

Gegenüberstellung der physikalischen Kenngrößen, Eigenschaften und Zusammensetzung der Lotlegierungen SN100C, SN100CV und SAC305. Balver Zinn

Natürlich darf man nie die langfristige Verfügbarkeit einer Ressource außer Acht lassen, denn das beste Lot ist das lieferbare Lot. Sicherlich gilt es zu berücksichtigen, dass Legierungsbestandteile einen Einfluss auf das Oxidationsverhalten von Loten (Lotpulver für Lotpasten), oder der Produzierbarkeit von Lotdrähten haben können. Jedoch: Sollte das hochzuverlässige Lot für die breite Massenproduktion dann nicht den idealen Kompromiss von Verfügbarkeit in allen erdenklichen Lieferformen, unkritische Ressourcen-Verfügbarkeit, wirtschaftlich attraktiver Preis und technologische Stabilität darstellen?

Wismut – aber im richtigen Mix

Mit dem patentierten Lot SN100CV ist Nihon Superior (Vertrieb: Balver Zinn) ein solcher Balanceakt gelungen: Das für Highend-Anwendungen konzipierte Lot erfüllt in seiner Kombination aus drei Lotsystemen alle Voraussetzungen für den idealen Kompromiss aus Wirtschaftlichkeit und Hochzuverlässigkeit. Denn das SN100CV kombiniert silberfreie Lote mit Wismut und Mikrodotierungen von Nickel und Germanium. Das Wismut (Bi; engl. Bismut) sorgt für die Verfestigung der Zinn-Matrix (Sn) nach dem Substitutionsprinzip und erhöht die Festigkeit des Lotes um etwa 30 Prozent im Vergleich zu der bisherigen Standardlegierung SN100C. Diese Festigkeitswerte sind vergleichbar mit denen vom Standardlot SnAg3Cu0,5.

Basierend auf das eutektische Lot mit der Zusammensetzung SnCu0,7Ni0,05Ge0,005 mit dem Handelsnamen SN100C ist dem SN100CV nun 1,5 Prozent Wismut zulegiert worden. Durch die Zugabe von Wismut verschiebt sich die Schmelztemperatur von eutektischen 227 °C auf einen Schmelzbereich von 221 °C bis 225 °C. SN100CV ist als Lotpaste, Lotdraht, Massivdraht und in verschiedenen Barren- und Stangenformen erhältlich und erfüllt somit die Anforderung für alle Lötprozesse (siehe Tabelle).

Bildergalerie
Bild 1a+b: Entscheidend für die Zuverlässigkeit der Lötverbindung ist der richtige Anteil an Wismut in der auf Zinn basierenden, bleifreien Lotlegierung (l.), da überschüssiges Wismut in einer Lötstelle bei Raumtemperatur ausgeschieden wird (r.).
Bild 2a+b: Links gut sichtbar: Die ausgeschiedenen Wismut-Anteile können zu einer mikrostrukturellen Instabilität führen, wodurch auch die Zuverlässigkeit der Lötverbindung beeinträchtigt wird. Rechts ist die volle Löslichkeit von Wismut des SN100CV gut erkennbar.
Bild 3a+b: Bild 3a zeigt primäre Sn-Dendriten in SAC105 und SAC305 nach dem Löten. Bild 3b zeigt das Eutektikum Sn+Ag3Sn+Cu6Sn5 nach dem Löten.
Bild 4a-c: Gut zu erkennen ist das jeweilige Wachstum (Koagulieren) der Ag3Sn-Partikel und Vergröberung des Gefüges bei Loten mit verschieden Silbergehallten nach 2520 Stunden bei 125 °C.
Bild 5a+b: Wechselspiel Lot zu Metallisierung. Die Graphik zeigt die geringere Empfindlichkeit (Wechselwirkung) beim SN100CV im Vergleich zu SAC305.
Bild 6a-b: Die Graphik bestätigt die geringe Empfindlichkeit von SN100CV auch bei den Bauteilen mit anderen Gehäuseformen.
Bild 7a+b: Die Untersuchung zur Kriechfestigkeit bei 125 °C mit 100 kg sowie 120 kg zeigt, dass beim SAC305 ein schnelleres Kriechen erfolgt, da sich die Ag3Sn-Partikel vergröbern.
Bild 8a+b: Verminderung der charakteristischen Lebensdauer aufgrund der Lötstellen-Alterung.
Bild 9a-c: Maximale Scherkraft SN100CV und SAC305 nach Temperaturzyklen über verschiedene Bauteilgrößen hinweg.
Bild 10: Schliffdarstellung der Lötverbindungen SN100CV und SAC305 nach Temperaturzyklen.
Bild11a+b: Vergleich (o.) von SAC305 und SN100CV bei den Peak-Temperaturen 225 °C, 230 °C und 240 °C. Die Schliffbilder (u.) zeigen deutlich, dass es bei den heute üblichen Peak-Temperaturen von 235 bis 240 °C ist es demnach kein Problem den größten Teil der Baugruppen zu verarbeiten.

Der optimale Wismut-Gehalt

Die Wahl des Wismut-Gehaltes (Bi) in der Sn-Matrix ist entscheidend für die Zuverlässigkeit der Lötverbindung über den gesamten Arbeitstemperaturbereich. Bei Raumtemperatur löst sich nur eine sehr begrenzte Menge Bi in der Sn-Matrix. Das Legieren von Bi-Gehalten die außerhalb der Löslichkeitsgrenze liegen (Bild 1a), sei hier als kritisch anzumerken, da es bei Abkühlung unter dieser Grenze zu einer Ausscheidung des überschüssigen Wismuts kommen kann. So ist beispielsweise ein Bi-Gehalt von rund 6 Prozent bei einer Temperatur oberhalb von etwa 60 °C vollständig in der Sn-Matrix gelöst. Wird die Lötstelle auf Raumtemperatur abgekühlt, fängt das Wismut an sich auszuscheiden (Bild 1b).

Liegen die Wismut-Anteile oberhalb der Löslichkeitsgrenze bei der betrachteten Temperatur, so können diese zu eine mikrostrukturellen Instabilität führen. Unter Umständen besteht das Lotgefüge aus zwei Phasen: den SnBi-Mischkristallen und dem ausgeschiedenen Wismut. Das bei der Betriebstemperatur der Baugruppe in Lösung gehende Wismut, kann sich beim Abkühlen unter der Löslichkeitsgrenze wieder ausscheiden. Bezogen auf die Zuverlässigkeit der Lötverbindung ist das als besonders kritisch anzusehen.

Daher ist der Wismut-Gehalt beim SN100CV bewusst auf 1,5 Prozent beschränkt worden. Mit diesem unkritischen Wertanteil wird diesem Phänomen entgegengewirkt. Dadurch ist es möglich, die volle Löslichkeit von Wismut über den gesamten Arbeitstemperaturbereich sicherzustellen (Bild 2a + b).

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