Löt- und
Löt- und Verbindungstechnik Vergleichende Untersuchung mikrolegierter, bleifreier Lotpasten Bild 1: Ausbreitung auf NiP/Au-beschichteten Leiterplatten Bild 2: Ausbreitung auf Kupferleiterplatten Bild 3: Benetzung auf Kupfer Bild 4: Benetzung auf NiP/Au Über den Einfluss von mikrolegierten Lotpulvern in Lotpasten gibt es nur wenige Erfahrungen. Ziel der hier geschilderten Untersuchungen war es, den Einfluss verschiedener mikro-Legierungszusätze insbesondere hinsichtlich der Zuverlässigkeit von damit hergestellten Lötverbindungen festzustellen. Mikrolegierte, bleifreie Lote in massiver Form haben in automatischen Lötprozessen (Schwall-, Tauchlöten, Handlöten mit Röhrenlot) breite Anwendung gefunden. Die Vorteile mikrolegierter Lote im Vergleich zu nicht mikrolegierten Loten sind im Wesentlichen die Reduzierung der Kupferauflösung im Lot, die Beeinflussung des Erstarrungsverhaltens des Lots, die zu einem feinphasigen Gefüge und zu glatteren, glänzenden Lötstellen ohne Schrumpfungsrisse führt und die mechanische Festigkeit der Lötstellen erhöhen soll. Ein positiver Einfluss von Mikro-Legierungszusätzen auf die Lebensdauer von Lötstellen ist insbesondere bei kleinen Lötstellen bei Temperaturwechselbeanspruchung festgestellt [1]. Dr. Klaus Bartl ELSOLD GmbH & Co. KG 1 Einleitung und 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 wurden die in Tabelle 1 gelisteten Lotpulver hergestellt und untersucht [2]. Als Dotierungselemente dienten Nickel, Ni/Ge [3], Co/Ni/Ce [4] sowie Co/Ni/Ce/ In. Die Konzentrationen der Dotierungselemente liegen in dem für mikrolegierte Lote üblichen Bereich (Ni, Co 0,02...0,05%, Ce, Ge 0,002...0,007%, In 0,6...0,7%). Es wurden sowohl Standardlegierungen aus der Elsold-Lotpastenproduktion als auch spezielle Legierungen eingesetzt. Die Verwendung unterschiedlicher 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 (in Tabelle 1 mit Spezial bezeichnet). Die Lotpasten wurden 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, Lotkugeltest) erfolgte der Versand der Lotpasten für weitere Untersuchungen an das Steinbeis-Transferzentrum AVT in Rostock. 2 Untersuchungen Es erfolgten Benetzungsversuche auf Kupfer- und NiP/Au-beschichteten Leiterplatten. Die Lotpasten wurden 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 der nächsten Ausgabe beschrieben. 2.1 Benetzungsversuche Die Lotausbreitung auf Kupfer- und NiP/Au-beschichteten Oberflächen wird bestimmt. Bild 1 zeigt die Benetzung auf NiP/Au beschichteten Testleiterplatten, in Bild 2 ist die Benetzung der Lotpasten auf Kupfer abgebildet. Erwartungsgemäß ist die Ausbreitung auf Kupfer bei allen untersuchten Lotpasten deutlich geringer (Bild 3) als auf NiP/Au (Benetzungsflächen auf NiP/Au in etwa doppelt so groß, s. Bild 4). 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. 18 2/2012
Nr Legierung Mikrolegiert Pulver Metallanteil Flux Qualität I Sn99,3Cu0,7 nicht Typ 3 88% AP-20 Standard II Sn96,5Ag3Cu0,5 Ni, Ge Typ 4 88% AP-20 Standard III Sn96,5Ag3Cu0,5 Co, Ni, Ce, In Typ 5 88% AP-20 Spezial IV Sn96,5Ag3Cu0,5 Ni Typ 4 88% AP-20 Standard V Sn99,3Cu0,7 Co, Ni, Ce, In Typ 5 88% AP-20 Spezial VI Sn96,5Ag3Cu0,5 Co, Ni, Ce Typ 3 88% AP-20 Spezial VII Sn96,5Ag3Cu0,5 nicht Typ 4 88% AP-20 Standard Tabelle 1: Untersuchte Lotpasten 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. 2.2 Bewertung der Benetzungsversuche Während die Benetzungsergebnisse auf der Goldoberfläche für alle Lotpasten als sehr gut bewertet werden, zeigten sich auf der Kupferoberfläche nicht unerwartet geringere Ausbreitungsflächen. 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 (und 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 sind bessere Benetzungsergebnisse möglich. 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 gilt: 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) 3 Zusammenfassung Mikrolegierte Lotpasten werden hergestellt und im Vergleich mit nicht mikrolegierten Lotpasten untersucht. Die Ausbreitung auf Kupfer ist bei allen untersuchten Lotpasten deutlich geringer als auf NiP/ Au-Oberflächen. Nicht mikrolegierte Lotpasten zeigen auf beiden untersuchten Oberflächen besseres Benetzungsverhalten als die Mikrolegierten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Benetzung durch Mikrolegierungszusätze behindert wird. Das ist insofern erklärlich, da die Mikrolegierungen mit dem Ziel einer verminderten Auflösung des Grundwerkstoffs, die mit der Benetzung einhergeht, in das Lot eingebracht werden. Mit steigendem Gehalt an Mikrolegierungselementen nehmen Benetzung und somit die Lotausbreitung ab. Quellen: [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, 03.Mai 2011 [3] Patent DE 19816671, Fuji Electric Co., Ltd., Kawasaki, Kanagawa, JP ELSOLD GmbH & Co. KG www.elsold.de Die Firma Interflux Electronics N. V. introduziert SnBi(Ag)- Lotpaste. Der Grund: Wegen ihrer hohen Schmelzpunkte sind die konventionellen Sn(Ag)Cu-Legierungen nicht immer einsetzbar. Das bedeutet nichts weiter, als dass temperaturempfindliche SMT-Bauteile, wie Optokoppler, Stecker für PIP oder Elektrolytkondensatoren, während des Reflow-Lötprozesses geschädigt werden können. Jedoch SnBi(Ag)-Legierungen mit ihrem niedrigen Schmelzpunkt bei nur 140 °C können dieses Risiko so gut wie ausschließen und gleichzeitig noch die Energiekosten für den Reflow- Lötprozess senken. Mit dem Produkt DP 5600 hat Interflux es geschafft, eine sehr stabile und absolut halogenfreie No-Clean-Lotpaste zu entwickeln, die Rückstände mit hoher Zuverlässigkeit gewährleistet. Interflux Electronics N. V. www.interflux.com SnBi(Ag)-Lotpaste 2/2012 19
