08.02.2018

Neue Maßstäbe in der Löttechnik setzen

Langzeitzuverlässigkeit von bleifreien Loten mit SN100CV sicherstellen

Keine Frage: Die fortlaufenden Entwicklungen der Bauteile und Komponenten treiben auch die Forschungen von Lotmittelherstellern kontinuierlich voran. So sind etwa für bleifreie Hochtemperaur-Anwendungen die heutigen Standardlote meist nicht mehr die richtige Wahl, da sie leicht an ihre Leistungsgrenzen kommen können. Eine zukunftsweisende Lösung ist die Zugabe von Wismut in Lotsystemen – in der richtigen Dosierung.

Fachartikel von Paolo Corviseri

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. 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).

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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Der Mikroelektronikmarkt brach in den Jahren 2008 und 2009 stark ein, jedoch erholte sich der Markt rasch wieder und konnte Anfang 2010 wieder den Spitzenwert aus 2008 erreichen. 2019 ging das Wachstum des Marktes um 12,1 Prozent zurück, was zu großen Teilen an stark sinkenden Preisen bei Speichern lag. Auswirkungen der aktuellen Corona-bedingten Situation konnte der ZVEI noch nicht ermitteln.

Nach anfänglichem Wachstum um die 15 Prozent reift die Branche und pendelt sich bei einem Wachstum von 6 Prozent ein. Der ZVEI-Marktexperte Dr. Ulrich Schäfer geht davon aus, dass sich der Wert bis 2024 nicht ändern stark verändern wird.

Aufgeteilt in einzelne Marktsegmente fällt auf, dass der Bereich Micro die Spitzenposition an Speicher und Logik abgibt, was daran liegt, dass Letztere vermehrt in KI-Anwendungen sowie mobilen Endgeräten Verwendung finden. Besonders hohes Wachstum verzeichnen aber die Segmente Sensor und Opto, die gerade von Trends wie dem autonomen Fahren profitierten.

Grundsätzlich korreliert die Mikroelektronik mit dem weltweiten BIP, allerdings eilt sie sechs Wochen voraus. Die Corona-Krise scheint hier die Ausnahme darzustellen: Obwohl das BIP so stark einbrach wie noch nie, veränderte sich der Mikroelektronik-Markt kaum, was die ZVEI-Experten auf die extreme Zunahme von Home-Office-Arbeitsplätzen und den dadurch entstandenen Bedarf an (Kommunikations-)Elektronik zurückführen.

Bereits 2017 war China der größte Markt für Mikroelektronik, 2019 lag der Wert dann schon bei 35,1. Dahingegen musste Amerika (3 Prozent) Anteile angeben. Deutschlands Anteil blieb nahezu unverändert und stieg von 3,2 Prozent im Jahr 2018 auf 3,3 Prozent im Jahr 2019 an.

Asiens Anteil am Mikroelektronik wird bis 2024 weiterhin ansteigen und rund 62 Prozent des Gesamtmarktes ausmachen. China steuert mit 178 Milliarden US-Dollar den größten Anteil dazu bei. Auch Amerika soll laut Prognose des ZVEI bis 2024 wieder stark ansteigen.

Bei Betrachtung der einzelnen Segmente des Mikroelektronikmarktes fallen vor allem zwei Segmente auf: Kommunikation und Computer. Der Kommunikationsbereich profitierte vor allen von den mobilen Übertragungswegen und konnte so seit 2004 seinen Anteil auf rund 33 Prozent vom Gesamtmarkt steigern. Das Computer-Segment schrumpfte dagegen auf 28,5 Punkte. Anmerkung der Redaktion: Hinter dem Begriff Government verstecken sich hauptsächlich die Bereiche Aviation und Verteidigung.

Klare Stärken: Europa ist vor allem in den Bereichen Automotive und Industrie stark, wohingegen China vor allem im Bereich Kommunikation punktet; aber auch der dort ist der Industrie-Bereich stark. Die USA sind gerade im Bereich Government stark aufgestellt.

Obwohl die Automobilbranche in den vergangenen Jahren mit sinkenden Absatzzahlen zu kämpfen hatte, wirkte sich das nur bedingt auf die Elektronik aus. Das liegt auch daran, dass die Menge der verbauten Elektronik im Fahrzeug stetig anstieg. Nicht ganz so stark, aber immer noch beträchtlich stieg die Nachfrage im Industriesektor. Dagegen gingen die restlichen Segmente zurück, teilweise sogar stark (Kommunikation -54 Prozent).

Bei der Halbleiterproduktion (Standort der Wafer-Fab) setzte sich 2019 China erstmals an die Spitze und löste damit Japan ab, das auf den vierten Platz zurückfiel. Südkorea konnte dagegen Plätze gut machen, was auch an der starken Performance von Samsung lag.

Technologieunterschiede: Bei Leading-Edge-Technologien (<18 nm) ist vor allem Südkorea stark aufgestellt, aber auch Taiwan setzt auf diese Technologien. Europas Stärke liegt im Bereich diskreter Leistungs- und Smart-Power-ICs, weshalb auch der Anteil an Technologien mit höheren Strukturbreiten deutlich größer ist als am Gesamtanteil. Die fehlenden 13 Prozent für Sub-10-nm-Technologien stecken in zwei Intel Fabs in Israel.

Sämtliche Technologien unterhalb 40 nm finden noch in ihrem Gebiet Verwendung und keine ist gänzlich verschwunden. Der nur mäßige Anstieg der Technologien unterhalb des 10-nm-Knotens liegt auch daran, dass viele Fabs noch im Bau oder gar erst in der Planung sind, wie etwa die kürzlich angekündigte TSMC-Fab in Arizona.
Beim Waferdurchmesser fällt auf, dass noch keine Wafergröße verschwunden ist, der Anteil der 300-mm-Wafer nimmt weiter zu. 450-mm-Wafer kommen nicht zum Einsatz.

Neue Produktionskapazitäten entstehen überwiegend in Asien, während Europa und Amerika weiterhin Anteile verlieren. Japan nimmt hier eine Sonderstellung, denn obwohl japanische Firmen neue Fabs ausschließlich in Japan planen, geht der Anteil weiter zurück.

Japan und die EU sind am Automobilmarkt die entscheiden Kräfte: 20 Firmengruppen halten einen Marktanteil von 90 Prozent. Auch künftig sieht der ZVEI die europäischen Autobauer mit einem Marktanteil von 37 Prozent an der Spitze.

Der Bedarf an Fahrzeugelektronik bleibt in Europa weiterhin am größten, gefolgt von China, wo es ein starkes Wachstum von 10 Prozent gibt. Allerdings ging der Umsatz 2019 nach langjährigem, teils sehr hohem Wachstum um 6,9 Prozent zurückging.

Generell steigt der Anteil an Mikroelektronik in allen Kfz-Applikationen, wobei der Insassenschutz bedingt durch Fahrerassistenz-Systeme den größten Zuwachs erfährt und den Antriebsstrang als Hauptanwendung abhängt. Dennoch wird der Bereich Antriebsstrang weiterhin wachsen, was vor allem an den Entwicklungen in der Elektromobilität liegt. Infotainment profitiert vor allem durch die Verbindung zum Internet.

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