Bildergalerie
Bild 1: Einfluss des Silbergehalts in SAC-Legierungen auf Drop Shock, Thermal Cycle Performance und auf die Kosten.
Bild 2: Beziehung zwischen Silbergehalt und Drop Test Performance.
Bild 3: Beziehung zwischen Fehlerrate und Thermal Cycle Performance in Abhängigkeit vom Silberanteil [1].
Bild 4: Darstellung der Drop Shock Performance in Abhängigkeit von der Legierung und diverser Dotierungselemente.
Bild 5: Darstellung der Intermetallischen Phase und der Körnungsstruktur von SAC105, SAC305 und SACM vor und nach thermischer Alterung.

Der Silbergehalt spielt für die Qualität der Lötverbindung eine entscheidende Rolle und ist der Kostentreiber bei den SAC-Legierungen. Welche Auswirkungen hat ein geringerer Silberanteil, der die Kosten positiv beeinflusst? Die Reduktion von Silber (SAC405 ->SAC 305 -> SAC 105) bringt zwei Vorteile mit sich: die Drop Shock Performance (DSP) wird signifikant erhöht, was dem Einsatz in der Fertigung von Flachbaugruppen für Mobilgeräte wie Telefone und Notebooks sehr entgegenkommt, und die Kosten für Lote reduzieren sich. Allerdings kauft man sich einen entscheidenden Nachteil ein, denn mit der Verringerung des Silberanteils in der SAC-Legierung verschlechtert sich die Thermal Cycle Performance (TCP). In Anwendungsgebieten wie der Automobilelektronik etwa ist diese Eigenschaft äußerst kritisch. Nicht selten setzt man auf SAC-Legierungen mit hohem Silbergehalt (SAC 405), um die TCP nachhaltig positiv zu beeinflussen. Die Kosten für das Lot steigen. In diesem Kontext spricht man von einem Qualitäts-Kosten-Dilemma (Bild 1).

Grundlagen von DSP und TCP

Indium (Vertrieb: GPS Technologies) hat dazu intensive Untersuchungen [2] betrieben, um die Mechanismen, welche die Drop Shock Performance und Thermal Cycle Performance beeinflussen, zu verstehen und um auf dieser Basis das voran beschriebene Qualitäts-Kosten-Dilemma aufzulösen.

Bei diesen Untersuchen wurden unterschiedliche SAC-Legierungen und das bleihaltige Lot Sn63/Pb37 gleichermaßen berücksichtigt. Der Drop-Test wurde dabei gemäß der JEDEC/JDT-Vorgabe durchgeführt. Dabei zeigte sich eine klare Beziehung zwischen DSP und Silberanteil in der verwendeten Legierung: Je niedriger der Silbergehalt der Legierung ist, desto höher ist die DSP (Bild 2). Untersuchungen der Abhängigkeit des Silbergehalts in Bezug auf die TCP im Temperaturbereich von -40 °C bis hin zu +125 °C zeigten, dass diese mit zunehmendem Silberanteil signifikant steigt: Je höher der Silbergehalt der Legierung ist, desto höher ist die TCP (Bild 3).

Ein weiteres Thema ist der Einfluss von Dotierungen bei SAC. Dabei wurden unterschiedliche Elemente auf ihren Einfluss in Hinblick auf die Zuverlässigkeitssteigerung von Standard-SAC-Legierungen untersucht. In dieser mehr als zweijährigen Arbeit hat sich gezeigt, dass eine Dotierung der SAC-Legierung mit Mangan (SACM) genau die gewünschten Eigenschaften liefert: Signifikant höhere DSP bei hoher thermischer Wechsellastbeständigkeit und geringem Silberanteil (Bild 4). Was sind die Gründe dafür? Die Dotierung mit Mangan führt dazu, dass die Ausdehnung  der intermetallischen Phase unterdrückt wird. Selbst nach thermischer Alterung bei 150 °C über einen Zeitraum von 250 h ist ein Anwachsen der intermetallischen Phase im Unterschied zu denen von SAC105 beziehungsweise SAC305 kaum feststellbar (Bild 5). Gleiches gilt für die Körnungsstruktur. Nach dem selektiven Wegätzen des Lotes erkennt man, dass diese sich kaum vergröbert. Beides zusammengenommen ist ein klares Indiz für die guten erzielten Ergebnisse.

Scherbelastung: Einfluss von Dotierungen bei SAC

Untersucht wurde auch der Einfluss auf die Scherung durch äußere Belastungen und temporäre Spannungen (thermische Wechselbelastung). Es zeigte sich, dass es aufgrund der stabilen intermetallischen Phase selbst nach einer Alterung von über drei Wochen bei einer konstanten Temperatur von 125 °C zu keiner nennenswerten Verringerung der Scherung kommt. Das Ergebnis: eine äußerst stabile und robuste Lötstelle mit SACM. Die Verarbeitung des Mangan-dotierten Lotes SACM erfolgt in bekannter Weise. Als Flussmittelvehikel sind auch halogenfreie Lotpasten verfügbar. Der Schmelzbereich liegt ähnlich wie bei SAC 105 und SAC 305. Somit lassen sich die Reflowprofile problemlos übernehmen.

Wohldotiertes Silber

Während SAC-Materialien in vielen Fällen hervorragende Lötergebnisse zeigten, bringen sie hohe Kosten und oft nicht optimales Verhalten bei mechanischer Einwirkung mit sich. Eine Dotierung mit Mangan (SACM) bei verringertem Silbergehalt verbessert diese Eigenschaften signifikant.

Literatur

[1] G. Henshall, R. Healey, R. Pandher, K. Sweatman, K. Howell, R. Coyle: iNEMI Pb-free alloy alternatives project report: State of the Industry

[2] Dr. N.-C. Lee, Dr. W. Liu, R. Lasky, T. Jensen: Achieving High Reliability Low-Cost Lead-Free SAC Solder Joints via Mn Doping

Productronica 2013:
GPS: Halle A3, Stand 433
Indium: Halle A4, Stand 402