Allgemeine Informationen Bleifreies Löten

Die Elektronikindustrie in Deutschland stand vor der Aufgabe bis Juli 2006 alle bisher verwendeten Verfahren auf bleifrei umzustellen. Durch die Elektro- und Elektronikkaltgeräte-Verordnung und der Verwendungsbeschränkung gefährlicher Stoffe (RoHS) wurde die Ablösung von Blei in der Elektronikindustrie bis zum 1. Juli 2006 gefordert. Diese Regelungen entsprechen dem internationalen Trend.

Wir als Leiterplatten Hersteller haben uns schon frühzeitig mit diesem Thema befasst.

 Für die Zukunft ist mit weiteren Einschränkung zu rechnen.

Die Verfahren der Verwendung bleihaltiger Materialien hatten sich über Jahrzehnte bewährt, es liegen genügt Langzeiterfahrung vor, um die Belastungen und Ansprüche an die Baugruppen genau zu bestimmen und zu bewerten. Die damit im Zusammenhang stehenden Probleme könnten gewaltige Kosten verursachen.
Für bestimmte sicherheitsrelevante Anwendungsfälle (Schifffahrt-, Weltraum-, Militär- und Medizintechnik) existieren Ausnahmeregelungen vom Bleifrei-Gebot.

Die Kennzeichnung bleifreier Bauteile erfolgt bei der Basista Leiterplatten GmbH durch das entsprechende Logo.

Das Basista Zeichen für ROHS konforme Herstellung ( Restriction of Hazardous Substances)

Technische Wechselwirkungen:

Ausgangspunkt der Betrachtung zu möglichen Wechselwirkungen auf der Leiterplatte sind die verschiedenen Grenzzonen, die sich beim Löten bilden:

  • Bauteil/Bauteilbeschichtung,
  • Bauteilbeschichtung/Lot, 
  • Lot/Leiterplatten-Oberflächenbeschichtung, 
  • Leiterplatten-Oberflächenbeschichtung/Leiterplattenkupfer.

Beim bleihaltigen Standard-Lötprozess ist sowohl die Bauteilebeschichtung, das Lot sowie auch die Platinenbeschichtung im Prinzip Lötzinn. Die Umstellung auf bleifreie Verfahren bedingt sowohl bleifreie Lote und eine bleifreie Platinen-Beschichtung als auch eine bleifreie Bauteilebeschichtung.

Unterschiedliche, auf der gleichen Platine eingesetzte, Bauteile können unterschiedliche Oberflächenbeschichtungen haben. Nach der Umstellung auf bleifreie Oberflächen ist mit einer Kombination aus zahlreichen chemischen Elementen, zahlreichen Grenzschichten und Übergangszonen mit all ihren Risiken und Nebenwirkungen zu rechnen.

Bleifreie Lote haben im allgemeinen eine höhere Löttemperatur als bleihaltige Lote. Da die Bauteile dadurch nicht den Hitzetod sterben sollen, wird das Prozessfenster schmaler gesetzt. Gegebenenfalls müssen spezielle Bauteile mit erhöhter Temperaturbeständigkeit verwendet werden.

Bleifreie Leiterplatten-Oberflächen sind teilweise nur unter Schutzgas problemlos mehrfach lötbar.
Bleifreie Lote haben beim Einsatz in der Lötwelle eine erhöhte Krätzebildung. Anlagenteile wie Heizung, Tiegel und Pumpen etc. werden verstärkt durch das bleifreie Lot angegriffen.

Bleifreie Lote haben eine andere Oberflächenspannung im geschmolzenen Zustand. Gleichzeitig ist ein anderes Benetzungsverhalten zu beobachten. Dies sind Probleme, die es mit bleihaltigen Loten in dieser Form nicht gab.

Lote

Nachfolgend einige typische Lote mit ihren Löttemperaturen. Die Schmelztemperatur läßt sich durch geringfügige Variation der Bestandteile gegebenenfalls anpassen. Weiterhin besteht die Möglichkeit der Zugabe weiterer Elemente zur Verbesserung der Verarbeitungseigenschaften:

Lötmittel:

Lot

Bestandteile

Löttemperatur

Anwendungen

konventionelles bleihaltiges Lot

Sn-37PB

ca.180 Grad C

momentan Standard-Legierung

Niedrigtemperatur-Lot

Sn-58Bi

ca. 140 Grad C

 

Mitteltemperatur-Lot

Sn-9Zn

ca. 200 Grad C

 

Hochtemperatur-Lot

Sn-3,8Ag-0,7Cu

ca. 220 Grad C

 

Hochtemperatur-Lot

Sn-3,5Ag

ca. 225 Grad C

 

Hochtemperatur-Lot

Sn-0,7Cu

ca. 228 Grad C

preiswerte Bleifrei-Legierung

Basismaterialien:

Material

Glasübergangstemperatur

Hersteller

Einsatzgebiet

bei Basista Leiterplatten GmbH lieferbar

FR 4

120 - 140 Grad C

Isola
Panasonic

Standard-Basismaterial für Industriequalität

Standard-Qualität

FR 4 mit erhöhter Temperaturbeständigkeit
z.B. IS410 / IS420

150 - 200 Grad C

Isola
Panasonic

Standard-Leiterplatten mit erhöhter Temperaturanforderung

in Vorbereitung

FR 5

160 - 210 Grad C

Isola
Panasonic

nochmals höhere Temperaturbeständigkeit, hohe mechanische Festigkeit

momentan nicht lieferbar

Polyimid

>= 260 Grad C

Isola
Panasonic

weiter erhöhte Temperaturbeständigkeit

zum deutlich höheren Preis lieferbar

Leiterplattenoberflächen:

 
Folgende bleifreie Oberflächenbeschichtungen werden in Deutschland angeboten:

Oberfläche

Lagerzeit

Eigenschaften

typische Anwendungsfälle

bei Basista Leiterplatten GmbH lieferbar

bleifrei? Nach RoHS

verbleites HAL

mehr als 1 Jahr

universell einsetzbar und unproblematisch in der Verarbeitung, Planarität eingeschränkt

nur noch für Sonderanwendungen

ja, Lohnanbieter

nein

organischer Anlaufschutz

neuere Verfahren bis 1 Jahr

nach erstem Lötvorgang sofortige Weiterverarbeitung erforderlich, gute Planarität

Großserien, Inhouse-Fertiger

nein

Das Basista Zeichen für ROHS konforme Herstellung ( Restriction of Hazardous Substances)

chemisch Zinn

ca 1/2 Jahr

soll ein zweites Löten erfolgen, 1. Lötvorgang unter Schutzgas, zügige Weiterverarbeitung, kurze Lötvorgänge, gute Planarität

Baugruppen mit geringer bis hoher Schwierigkeitsklasse

ja, Standardprozess
für Prototypen

Das Basista Zeichen für ROHS konforme Herstellung ( Restriction of Hazardous Substances)

bleifreies HAL

mehr als 1 Jahr

mehrfach lötbar, guter Korrosionsschutz des Kupfers, Planarität eingeschränkt

Baugruppen mit geringer und mittlerer Schwierigkeitsklasse

ja, Standardprozess
für Sparklasse,
Serien

Das Basista Zeichen für ROHS konforme Herstellung ( Restriction of Hazardous Substances)

chemisch Silber

mehr als 1 Jahr

mehrfach lötbar,
gute Planarität, günstiger Preis (verglichen mit chem. Ni/Au)

hochwertige Elektronikbaugruppen

nein

Das Basista Zeichen für ROHS konforme Herstellung ( Restriction of Hazardous Substances)

chemisch Nickel/Gold

mehr als 1 Jahr

mehrfach lötbar, bei unsachgemäßer Verarbeitung Gefahr von "black pins", gute Planarität, etwas höherer Preis

hochwertige Elektronikbaugruppen

ja, Lohnanbieter

Das Basista Zeichen für ROHS konforme Herstellung ( Restriction of Hazardous Substances)

Beachten Sie bitte, dass die oben angegebenen Oberflächenbeschichtungen von verschiedenen Herstellern geliefert werden. Von den Lieferanten werden teilweise unterschiedliche Parameter angegeben. Die in obiger Tabelle genannten Eigenschaften sind typischerweise angegebene Eigenschaften. Teilweise werden unterschiedliche Rahmenbedingungen vorausgesetzt.

Technologische Aspekte bei der Verarbeitung bleifreier Materialien:

Im Zuge der Umstellung auf bleifreie Materialien mussten zahlreiche Aspekte berücksichtigt werden.

Nachfolgend einige Überlegungen:
  • Angepassete Pad-Geometrie bei SMD-Bauteilen zur Verhinderung eines Tombstone-Effektes
  • Verkleinerung der Prozessfensters beim Reflowlöten zur Vermeidung der Überschreitung zulässiger Maximaltemperaturen an SMD-Bauteilen
  • Angriff des Lotes auf Maschinenteile der Wellenlötmaschine,
  • gesteigerte Krätzebildung ohne Schutzgas
  • Kalte Lötstellen
  • Lotdurchstieg bei bedrahteten Bauteilen ist verändert
  • Erhöhter Energiebedarf zur Heizleistung der Lötanlage
  • Begasung der Lötanlage mit Stickstoff führt zu höherem Kostenaufwand
  • Vermeidung eines zweiten Lötvorganges, wenn möglich Optimierung der Organisation der Baugruppenfertigung zur Optimierung der Zeit zwischen den Lötvorgängen
  • Erhöhte Neigung zur Lötbrückenbildung
  • Geringere Lagerzeiten von Bauteilen, Angaben dazu macht der Hersteller
  • Bildung von mechanischen Spannungen und evtl. dadurch bedingte Bauteilbrüche von SMD-Bauteilen
  • Probleme bei Reparaturarbeiten, da bei längerem Erhitzen die Benetzbarkeit abnimmt
  • Probleme bei Reparaturarbeiten, durch das längere Erhitzen kann die Haftung des Kupferpads auf dem FR4 abnehmen
  • Temperaturbeständigkeit der Basismaterialien beim Löten (Verwindung, Durchbiegung, Beschädigung wie z.B. Delamination )
  • Herstellungskosten Erhöhung durch die Umstellung auf bleifreie Verfahren
Preisentwicklung:

Bei Basista Leiterplatten GmbH können Sie noch Ihre Leiterplatten mit HAL-Oberfläche beziehen.

Dieses jedoch zu einem höheren Preis. Platinen mit bleifreier HAL-Oberfläche lassen sich auch bleihaltig löten, so das ein Mix bestehend aus Platine mit Oberfläche bleifrei / Lötung bleihaltig problemlos möglich ist. 
Benötigen Sie für ehemals bleihaltig gelieferte Platinen bleifreien Ersatz? 
Gerne unterbreiten wir Ihnen ein aktualisiertes Angebot!

 

Ob mit oder ohne bleihaltige Oberflächen, wir beraten Sie gerne persönlich und individuell.