Bildergalerie
Bilder 1 und 2: Glänzende und glatt aussehende Lötstellen sind nur ein rein optischer Nebeneffekt der Nickeldotierung. Die technologischen Vorteile liegen mit der Prozessstabilität und der hohen Zuverlässigkeit im Detail verborgen.
Bild 2: Die Nickeldotierte Lotlegierung SN100C.
Bilder 3 bis 5: Die Legierung SN100C ist nicht nur optisch sehr nahe an der Zinn-Blei-Lotlegierung, auch im Fleißvermögen sind kaum Unterschiede festzustellen. Bild 3: Fleißvermögen in Abhängigkeit vom Nickelgehalt.
Bild 4: Fleißvermögen der verschiedenen Legierungen im Vergleich.
Bild 5: Abreißverhalten der Lotlegierungen gegenübergestellt.
Nickel macht’s: Bild 6 zeigt die Legierung SnCu0,7 und deren primäre Zinn-Dendriten mit Eutektikum, während in...
Bild 7 jedoch der Zusatz von Nickel bei der Lotlegierung SnCu0,7+0,05Ni eine gleichmäßige eutektische Gefügestruktur erzeugt.
Bild 8 zeigt, dass die vormals glatten und glänzenden Lötstellen von SN100C durch Zugabe von Phosphor wieder dendritische Erscheinungsformen zeigen.
Hingegen sind bei Bild 9 die glatten Lötverbindungen von SN100C zu erkennen, während Phosphordotierte Lote eine Tendenz zu Erstarrungslunker zeigen.
Bild 10: Während sich mit Nickel ein feineres Gefüge erzielen lässt, konterkariert die Zugabe von Phosphor den Nickel-Effekt.
Bild 11 zeigt eine Verschlechterung des Abreißverhaltens durch Zugabe von Phosphor, woraus sich eine erhöhte Gefahr von Brückenbildung ergibt.
Bild 12: Selbst das Kupferablegierverhalten verändert sich negativ durch Zugabe von Phosphor, wie in der Gegenüberstellung der einzelnen Legierungen gut zu sehen ist.

Die grundlegende Bedeutung von Nickel ist nicht zuletzt der hervorragenden Arbeit von Tetsuro Nishimura von Nihon Superior zu verdanken. Der Erfinder von SN100C, Tetsuro Nishimura, fand heraus, dass ein Nickelgehalt von 0,05 Gewicht-Prozent die besten Ergebnisse hinsichtlich Fließvermögen, Verminderung der Kupfer-Ablegierung, Stabilisierung der intermetallischen Phase und vieles mehr bewirkt. Eines sei vorweg genommen: Phosphor macht diese Eigenschaften allerdings zunichte.

Der Erfolg der originalen SN100C-Formulierung in der Prozessstabilität, der Langzeitzuverlässigkeit und der geringen Kupfer-Ablegierung liegt in der Nickeldotierung begründet. Dazu gehören unter anderem die Verbesserung des Fließvermögens und das bessere Abreißverhalten. Da Nickel als Erstarrungskeim wirkt, verändert sich das Erstarrungsverhalten Nickeldotierter Lote dahingehend, dass das Gefüge sehr feinkörnig wird. Vorteil: Besseres Ableiten von mechanischen Spannungen, da diese an den Korngrenzen entlang abgeführt werden. Ganz unsichtbar aber umso wichtiger ist der enorme Einfluss von Nickel auf die Zuverlässigkeit der Lötverbindung, indem es das Wachstum der intermetallischen Phase minimiert und somit zu einer Reduzierung der Stressmechanismen in der Lötverbindung führt.

Durch den Einbau von Nickel in die intermetallische Phase (IZ) wird beim Löten mit Nickeldotierten Loten eine mit Nickel besetzte Schicht aufgebaut. Diese dient als Barriere und verlangsamt das Wachstum der IZ bei Alterung und speziell bei thermischer Belastung. Darüber hinaus beeinflusst Nickel das Ablegierverhalten bleifreier Lotsysteme, indem es sich beim Löten in die IZ einbettet und somit diese Sperrschicht bereits während der Benetzungsphase das übermäßige Ablegieren von Kupfer reduziert. Das erleichtert insbesondere das Lotbadmanagement.

Phosphor als möglicher Antioxidant

Die angegebenen Vorteile sind die Ergebnisse jahrelanger Forschungen und Untersuchungen des Erfinders Tetsuro Nishimura von Nihon Superior. Seine weiterreichenden Untersuchungen gingen auch hinsichtlich antioxidierender Lotzusätze, um das Oxidationsverhalten zu optimieren. Sicherlich war der bereits aus dem SnPb-System (SnPb, Zinn-Blei) bekannte Phosphor das erste Element, welches untersucht wurde. Sofort stellte sich aber heraus, dass Phosphor nicht der geeignete Lotzusatz war, da es dem positiven Nickel-Effekt entgegenwirkt.

So sorgt Nickel an sich für glänzende Lötstellen, was die Phosphor-Zugabe verhindert. Auch die Verbesserung des Fließvermögens durch Nickel wird durch Phosphor konterkariert. Das gilt auch für die Nickel-induzierten Effekte des feineren Gefüges und des geringeren Ablegierverhaltens. Viele der positiven Eigenschaften, die durch das Nickel erzielt werden, verändert die Phosphor-Zugabe ins Negative und macht somit das SN100C-Lotbad langfristig unbrauchbar. Die Patentschrift „Regulierung des Nickelgehaltes in bleifreien Lotbädern“ von Nihon Superior ging aus dieser Untersuchung hervor, weil festgestellt wurde, dass Phosphor bei bestimmten Bedingungen das Nickel bindet und aus dem Lotbad entfernt.

Germanium hemmt Oxidation

Bei der Einführung von SN100C wurde Germanium als vierter Legierungsbestandteil und antioxidierender Zusatz des Lotes nie erwähnt. Dennoch gehörte es mit 55 ppm schon immer zur Grundanalyse. Stabile und auf sehr hohem Niveau liegende Rohmaterialpreise und der ständige Kostendruck der Kunden haben Balver Zinn veranlasst, eine Studie hinsichtlich Prozessoptimierung und Kostenersparnis einzuleiten. Dazu wurde die Lotvariante SN100CS mit 100 ppm Germanium nochmals untersucht. Der Germaniumgehalt wurde abermals optimiert und beträgt seitdem 250 ppm. Wie Phosphor zu SnPb-Zeiten verbraucht sich auch Germanium (wenn auch viel langsamer als Phosphor), daher ist der Germanium-Gehalt zu überwachen. Erfahrungswerte zeigen, dass ab Germanium-Gehalten von 130 ppm die Oxidationsneigung nachlässt und sich der Germanium-Gehalt bei etwa 60 Prozent des zudotierten Gehaltes einpendelt. Daher stellen 250 ppm Grunddotierung einen guten Kompromiss dar.

Der beim Test ermittelte Germaniumverbrauch und die Krätzbildung können abhängig von der Maschinenkonstellation, dem Materialdurchsatz und Randbedingungen abweichend sein. Generell zeigt sich, dass für Nickel-mikrolegierte SnCu0,7Ni0,05-Legierungen Germanium die Einzige, derzeit bekannte, stabile und wirksame Methode ist, die Krätzebildung zu minimieren und zudem das Fließvermögen des Lotes positiv zu beeinflussen! Germanium wirkt sogar nach dem Erstarren des Lotes und verhindert das gelbliche Anlaufen von Lötstellen bei Temperaturbelastung (zum Beispiel: Yellowing von HAL-Oberflächen auf Leiterplatten).

Phosphor stört Lötverbindungen

Phosphor ist Gift für bleifreie, Nickel-mikrolegierte SnCu0,7Ni0,05-Legierungen. Die Verwendung von Phosphortabletten als Anti-Oxidationsmittel ist für Nickel-modifizierte, bleifreie SnCu0,7Ni0,05-Weichlote nicht sinnvoll und damit nicht zu empfehlen. Die Zugabe von Nickel als Mikrolegierungselement führt bei SnCu0,7-Legierungen zu positiven Effekten bei den technologischen Eigenschaften. Dieser Legierungsnutzen geht durch eine Phosphorkontamination von bereits 0,0020 Masse-Prozent Phosphor (20 ppm) verloren.

Literatur

[1] “Effects of Phosphorus on Microstructure and Fluidity of SnCu0,7Ni0.05 Lead-Free Solder.” K.Nogita, C.M. Gourlay, J.Read, T. Nishimura, S. Suenaga and A.K. Dahle.

[2] “Nihon Superior Presentation on SN100C®”, 5th November 2009, Keith Sweatman Senior Technical Advisor.

[3] Patent “EP 2 243 590 A1”, Method of regulating nickel concentration in lead-free solder containing nickel, T. Nishimura.

Bildnachweis

Bild 6: K. Nogita, J. Read, T. Nishimura, K. Sweatman, S. Suenaga and A. K. Dahle, „Microstructure control in Sn-0.7mass%Cu alloys“, Materials Transactions, Vol. 46, No. 11 (2005) 2419-2425.

Bild 7: K. Nogita, J. Read, T. Nishimura, K. Sweatman, S. Suenaga and A. K. Dahle, „Microstructure control in Sn-0.7mass%Cu alloys“, Materials Transactions, Vol. 46, No. 11 (2005) 2419-2425.

Bild 10: K. Nogita, C. M. Gourlay, J. Read, T. Nishimura, S. Suenaga and A. K. Dahle, „Effects of phosphorus on microstructure and fluidity of Sn-0.7Cu-0.05Ni lead-free solder“, Materials Transactions, 49, 3 (2008) 443-448.