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Ausbreitung auf Kupferleiterplatten (oben) und auf NiP-Au-beschichteten Leiterplatten.
Untersuchte Lotpasten.
Ergebnisse zur Benetzung auf Kupfer.
Ergebnisse zur Benetzung auf NiP/Au.

Ein positiver Einfluss von mikro-Legierungszusätzen auf die Lebensdauer von Lötstellen ist insbesondere bei kleinen Lötstellen bei Temperaturwechselbeanspruchung festgestellt worden [1]. Über den Einfluss von mikrolegierten Lotpulvern in Lotpasten allgemein gibt es jedoch nur wenige Erfahrungen. Ziel der hier geschilderten Untersuchungen ist es, den Einfluss verschiedener Mikrolegierungs-Zusätze insbesondere hinsichtlich der Zuverlässigkeit von damit hergestellten Lötverbindungen festzustellen.

Die Probenherstellung

Für die Untersuchungen werden bleifreie Lotlegierungen in fester Form hergestellt (vollständig durchlegiert) und in Pulver überführt. Mit diesen Lotpulvern werden mit dem gleichen Flussmittel Lotpasten hergestellt und untersucht. Das verwendete Flussmittel AP-20 ist ein vollständig halogenfreies Flussmittel aus der laufenden Produktion von Elsold-Lotpasten, das kommerziell für bleifreie Anwendungen eingesetzt wird.

Neben den nicht mikrolegierten Loten SnCu0,7 und Sn96,5Ag3Cu0,5 als Vergleich werden die in Bild 2 gelisteten Lotpulver hergestellt und untersucht [2]. Als Dotierungselemente werden Nickel, Ni/Ge [3], Co/Ni/Ce [4] sowie Co/Ni/Ce/In ausgewählt. Die Konzentrationen der Dotierungselemente liegen in dem für mikrolegierte Lote üblichen Bereich – Ni und Co im Bereich von 0,02 bis 0,05 %, Ce und Ge von 0,002 bis 0,007 % sowie In von 0,6 bis 0,7 %. Es werden sowohl Standardlegierungen aus der Elsold-Lotpastenproduktion als auch spezielle Legierungen eingesetzt.

Die Verwendung unterschiedlichen Pulvertypen (T3, T4, T5) ist durch die Verfügbarkeit der Lotpulver bedingt. Aufgrund der geringen, benötigten Mengen sind Nicht-Standard Lotpulver von verschiedenen Lotpulverherstellern mit unterschiedlichen Verfahren hergestellt worden, die in Bild 2 mit Spezial bezeichnet werden.

Die Lotpasten werden im Standardverfahren mit dem gleichen Flussmittel und gleichen Metallgehalten hergestellt, um einen Einfluss des Flussmittels auf die Lötergebnisse weitestgehend auszuschließen. Nach erfolgter Prüfung und Freigabe durch die Qualitätskontrolle – Metallgehalt, Viskosität und Lotkugeltest – werden die Lotpasten für die Untersuchungen an das Steinbeis-Transferzentrum AVT in Rostock versendet.

Die Untersuchungen

Es werden Benetzungsversuche auf Kupfer- und NiP/Au-beschichteten Leiterplatten durchgeführt. Die Lotpasten werden mit einer 120 µm-Schablone aufgetragen und einheitlich für alle Testbaugruppen in der Dampfphase bei 230 °C gelötet. Die Durchführung und Ergebnisse der Zuverlässigkeitsuntersuchungen werden in Teil 2 dieses Artikels in einer späteren Ausgabe der productronic beschrieben.

Die Lotausbreitung auf Kupfer- und NiP/Au-beschichteten Oberflächen wird bestimmt. Bild 1 zeigt unten die Benetzung auf NiP/Au-beschichteten Testleiterplatten und  oben die Benetzung der Lotpasten auf Kupfer. Bild 3 und 4 stellen die erzielte Benetzungsfläche für verschiedene Lotlegierungen dar. Erwartungsgemäß ist die Ausbreitung auf Kupfer bei allen untersuchten Lotpasten deutlich geringer als auf NiP/Au, auf NiP/Au ist sie in etwa doppelt so groß.

Das beste Ergebnis wird mit der nicht mikrolegierten Lotpaste VII Sn96,5Ag3Cu0,5 T4 erzielt, die sowohl auf Kupfer als auch auf NiP/Au die größte Ausbreitung aufweist. Die geringsten Benetzungsflächen werden bei Lotpaste V SnCu0,7(Co, Ni, Ce, In) gemessen.

Auf Kupfer zeigt die nicht mikrolegierte Lotpaste I SnCu0,7 das zweitbeste Ergebnis, während die Lotpasten II, III. IV, VI nahezu identische Ausbreitungen aufweisen. Auf NiP/Au zeigt Lotpaste IV Sn96,5Ag3Cu0,5(Ni) das zweitbeste Ergebnis, gefolgt von den Lotpasten VI Sn96,5Ag3Cu0,5(Co,Ni,Ce) und II Sn96,5Ag3Cu0,5(Ni,Ge) mit nahezu gleicher Ausbreitung.

Die beiden silberfreien Lotpasten I SnCu0,7 und V SnCu0,7(Co,Ni,Ce,In) zeigen die geringste Benetzung auf NiP/Au.

Bewertung der Benetzungsversuche

Während die Benetzungsergebnisse auf der Goldoberfläche für alle Lotpasten als sehr gut bewertet werden, werden auf der Kupferoberfläche nicht unerwartet geringere Ausbreitungsflächen festgestellt. Die Korngröße der Lotpulver hat nur einen geringen Einfluss auf das Benetzungsverhalten. Dies ist erkennbar am Beispiel der Lotpaste III Sn96,5Ag3Cu0,5(Co, Ni, Ce, In) T5, die auf beiden Substraten eine im Vergleich mittlere Ausbreitung aufweist, auf Kupfer sogar an dritter Stelle liegt. Ein erhöhter Oxidanteil im feinen Pulver T5 kann somit nahezu ausgeschlossen werden.

Die nicht mikrolegierten Lotpasten liefern auf Kupfer die besten Benetzungsergebnisse, auf Gold ist die Benetzung der silberhaltigen Lote grundsätzlich besser als von SnCu0,7 egal ob mikrolegiert oder nicht. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass die Löttemperatur von 230 °C für SnCu0,7 recht niedrig ist. Bei höheren Temperaturen können bessere Benetzungs-ergebnisse erreicht werden.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Dotierungszusätze nicht zu einer Verbesserung der Benetzung beitragen, sondern im Gegenteil sogar zu einer Beeinträchtigung führen. Ordnet man die Lotpasten in einer Reihe mit fallendem Anteil an mikrolegierten Bestandteilen an, entspricht diese Reihe der Größe der Benetzungsflächen. Für die silberfreien Lote:

I SnCu0,7 (nicht mikrolegiert) > V SnCu0,7(Co,Ni,Ce,In)

Für die silberhaltigen Lote auf Kupfer ist diese Reihenfolge nicht deutlich ausgeprägt, die Benetzungsflächen der Lotpasten II, III, IV und VI sind nahezu identisch. Auf Gold ist aufgrund der größeren Unterschiede der Lotausbreitung die Reihenfolge auch für die silberhaltigen Lote festzustellen:

VII SnAg3Cu0,5 (nicht mikrolegiert) > IV SnAg3Cu0,5(Ni) > VI SnAg3Cu0,5(Co,Ni,Ce) > II SnAg3Cu0,5(Ni,Ge) > V SnAg3Cu0,5(Co,Ni,Ce,In)

Literatur

[1] A. Fix, P. Zerrer, A. Prihodovsky, B. Müller, D. Wormuth, W. Ludeck, H. Trageser, M. Hutter, und R. Diehm  Nanoflux – Flussmittel mit nanochemisch aktiven Metallverbindungen zur Stabilisierung von Weichloten, DVS-Berichte Band 273, Weichlöten Forschung & Praxis für die Elektronikfertigung, S. 22.

[2] Die Untersuchungen wurden von Steinbeis-Transferzentrum Aufbau und Verbindungstechnik, Rostock, unter Leiteung von Prof. Dr.-Ing. habil. M. Nowottnick durchgeführt, Untersuchungsbericht Vergleichende Untersuchung der mikrolegierten Lote, Projekt 10027, 3.Mai 2011.

[3] Patent DE 19816671, Fuji  Electric Co., Ltd., Kawasaki, Kanagawa, Japan.

[4] Flowtin ist eingetragenes Warenzeichen der Stannol GmbH.